嵌入式设计系统范文第1篇
嵌入式操作系统的发展历程、特点及发展趋势
摘 要：本文回顾了嵌入式操作系统发展的历史，通过与通用桌面操作系统的比较，分析了嵌入式操作系统的特点，并且从嵌入式操作系统市场和技术的发展着手，探讨了嵌入式系统的未来发展趋势。
关键词：嵌入式系统;嵌入式操作系统;实时性
1. 嵌入式操作系统的发展历程
嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。综观嵌入式技术的发展，大致经历了以下3个阶段：
第一阶段：嵌入技术的早期阶段，以功能简单的专用计算机或单片机为核心的可编程控制器形式存在，具有监测、伺服、设备指示等功能。这种系统大部分应用于各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中。
第二阶段：以嵌入式CPU和嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：计算机硬件出现了高可靠、低功耗的嵌入式CPU，如Power PC等。
第三阶段：以芯片技术和Internet技术为标志的嵌入式系统。微电子技术发展迅速，SOC(片上系统)使嵌入系统越来越小，功能却越来越强。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式技术与Internet技术的结合正推动嵌入式技术的快速发展。
嵌入式操作系统是嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源;能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中
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解脱出来;能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展经历了三个比较明显的阶段：
第一阶段：无操作系统的嵌入算法阶段，通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口，比较适合于各类专用领域中。
第二阶段：以嵌入式CPU为基础、简单操作系统为核心的嵌入式系统。CPU 种类繁多，通用性比较差;系统开销小，效率高;一般配备系统仿真器，操作系统具有一定的兼容性和扩展性;应用软件较专业，用户界面不够友好;系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。
第三阶段：通用的嵌入式实时操作系统阶段，以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统。能运行于各种类型的微处理器上，兼容性好;内核精小、效率高，具有高度的模块化和扩展性;具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能;具有大量的应用程序接口API;嵌入式应用软件丰富。
2.嵌入式操作系统的特点 1) 实时性
在信息时代，人们需要在有效的时间里对接受的信息进行处理，为进一步的工作和决策争取时间，这就要求工作系统具有很高的实时性。所谓实时性，其核心含义在于操作系统在规定时间内准确完成应该做的事情，并且操作系统的执行线索是确定的，而不是单纯的速度快。
大多数嵌入式操作系统工作在对实时性要求很高的场合，主要对仪器设备的动作进行检测控制，这种动作具有严格的、机械的时序;而一般的桌面操作系统基本上是根据人在键盘和鼠标发出的命令进行工作，人的动作和反应在时序上并不很严格。比如，用于控制火箭发动机的嵌入式系统，它所发出的指令不仅要求速度快，而且多个发动机之间的时序要求非常严格，否则就会失之毫厘，谬以千里。在这样的应用环境中，非实时的普通操作系统无论如何是无法适应的。即使
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我们所开发的并不是生命攸关的或者生产控制那样的关键任务系统，例如对嵌入式操作系统应用来说很有前途的领域-----消费电子产品，设备的高可靠性可以有效地减低维护成本，软件运行效率高也会降低对CPU的要求，从而降低硬件成本。对于此类价格十分敏感的产品，实时性、可靠性仍然是非常值得重视的问题。因此，实时性是嵌入式系统最大的优点，在嵌入式软件中最核心的莫过于嵌入式RTOS实时操作系统。 2) 可剪裁性
能否根据悠扬的乐曲对系统的功能模块进行配置是嵌入式系统与普通系统的另一区别。这可以从以下几个方面分析： i. 从硬件环境来看，普通系统具有标准化的CPU存储和I/O架构，而嵌入式环境的硬件环境只有标准化的CPU，没有标准的存储、I/O和显示器单元。
ii. 从应用环境来看，桌面操作系统面向复杂多变的应用，而嵌入式操作系统面向单一设备的固定的应用。
iii. 从开发界面来看，桌面操作系统给开发人员提供一个“黑箱”，让开发人员通过一系列标准的系统调用来使用操作系统的功能，而嵌入式试图为开发人员提供一个“白箱”，让开发人员可以自主控制系统的所有资源。普通系统的研究开发是尽可能在不改变自身的前途下具有广泛的适应性。也就是说：不论应用环境怎么改变，都不应对自身做太多的变化。而应用于嵌入式环境的RTOS，在研发的时候就必须立足于面向对象，改变自身、开放自身，让开发人员可以根据硬件环境和应用环境的不同而对操作系统进行灵活的裁剪和配置，因为对于任何一个具体的嵌入式设备，它的功能是确定的，因此只要从原有操作系统中把这个特定应用所需的功能拿来即可以。可剪裁性在软件工程阶段是利用软件配置方法实现软件构建的“即插即用”。
3) 可靠性
一般来说，嵌入式系统一旦开始运行就不需要人的过多干预。在这种条件下，要求负责系统管理的嵌入式操作系统具有较高的稳定性和可靠性。而普通操作系统则不具备这种特点。这导致桌面操作环境与嵌入式环境在设计思路上有重大的不同。
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i. 桌面环境假定应用软件与操作系统相比而言是不可靠的，而嵌入式环境假定应用软件与操作系统一样可靠。运行于嵌入式环境中的RTOS要求应用软件具有与操作系统同样的可靠性，这种设计思路对应用开发人员提出了更高的要求，同时也要求操作系统自身足够开放。
ii. 桌面操作系统比较庞大复杂，而嵌入式系统提供的资源有限，由于硬件的限制，嵌入式操作系统必须小巧简捷。对于系统来说，组成越简单、性能越可靠，组成越复杂，故障概率越大是一个常理。局部的不足会导致整体的缺陷，系统中任何部分的不可靠都会导致系统整体的不可靠。
3. 嵌入式操作系统的发展趋势
目前各种嵌入式Linux操作系统正迅速发展，已经形成了能与Windows CE等嵌入式操作系统进行有力竞争的局面。嵌入式Linux操作系统的迅速崛起，主要由于人们对自由软件的渴望与嵌入式系统应用的特制性，要求提供系统源码层次上的支持，而嵌入式Linux正适应了这一需求，它不仅具有开放源代码，系统内核小、效率高、内核网络结构完整，裁减后的系统很适于如信息家电等嵌入式系统的开发。嵌入式Linux操作系统的产品化及可靠性是目前受制约的一个重要因素。
微软的Win CE是一个较具代表性的、由桌面操作系统演变而成的实时嵌入式操作系统。虽然提供了较为强大的类似于桌面操作系统的功能，但针对嵌入式系统的特征与特性而言，Win CE显得笨拙且在内核结构的设计中并未考虑适应系统的高度可裁减性的要求。以VxWorks为代表的传统嵌入式操作系统是应用最广泛、市场占有率较具优势的几个系统，它们是专门为嵌入式微处理器设计的高模块化、高性能的实时操作系统，广泛应用于高科技产品中，包括消费电子设备、工业自动化、无线通信产品、医疗仪器、数字电视与多媒体设备，具有很好的 安全性、容错性以及系统灵活性。虽然它们都提供专有的API接口，但是缺乏应用的高效性，网络连接功能较差，系统对应用程序开发支持相对较弱。对现在复杂的、网络化的、多处理器的嵌入式系统的许多应用需要而言，它已显得力不从心。
随着硬件技术、应用需求和开发需求的变化，如，微电子技术--芯片的集成
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技术和片上系统;强实时、高可靠应用需求--飞机、火箭控制等;开发需求--信息家电需要越来越多的研究和设计人员参与嵌入系统的开发，如同台式系统一 样嵌入系统需要使用方便、功能强大的开发系统，嵌入操作系统也需要支持面向对象和可重用等技术。
4. 结束语
嵌入式操作系统与普通系统相比是更为健壮的、低成本的、特性完备的操作系统。它的应用将大大提高嵌入式系统开发的效率，改变以往嵌入式软件设计只能针对具体的应用从头做起的状况，在嵌入式系统之上开发嵌入式系统将减少系统开发的工作量，增强嵌入式应用软件的可移植性，是嵌入式系统的开发方法更具科学性。
参考文献：
1. 林建明。嵌入式操作系统技术发展趋势。计算机工程，2001年27卷第10期。
2. 宋延昭。嵌入式操作系统介绍及选型原则。工业控制计算机，2005年18卷第7期。
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嵌入式设计系统范文第2篇
分：1 开课单位：信息电子技术学院通信工程教研室 适用专业：通信工程 适用对象：本科
一、课程的性质、类型、目的和任务
作为电子信息工程、通信工程专业本科生的必修实践环节，嵌入式系统课程设计要求学生有扎实的理论基础并具备一定动手能力。进入课程设计前要认真复习微处理器类课程中的相关知识和汇编语言、C语言的编程方法。课程设计采用课堂讲述、自学、分组实践相结合的方式，通过分析典型的例子，使学生熟悉并掌握嵌入式系统的开发流程和基本的编程方法。课程设计要求2—3人组成课设小组，在指定范围内选定题目，每组选一题，题目应侧重一个嵌入式系统的具体应用方面。题目选定后，在教师的指导下，学生理解设计原理，分析重要电路单元，计算必要的参数并在此基础上编写程序，最后，在课程设计结束时独立写出理论分析完善、文理通顺、字迹工整的课程设计报告并上交软件程序。教师可根据作品的难易程度、参数指标、编程水平等进行评分。
二、本课程与其它课程的联系与分工
学习该课程之前，学生应学习过《C语言程序设计》、《数字电子技术》，《单片机原理与应用》基础知识。嵌入式系统是它们的总结和提高。
三、课程内容及教学基本要求
[1]表示“了解”;[2]表示“理解”或“熟悉”;[3]表示“掌握”;
学生可从下列题目中任选一个作为嵌入式课程设计题目，也可以根据个人兴趣及实验室现有条件，自己确定题目经教师审核后作为课程设计题目。
(一)单片机控制数码管显示系统的设计
AVR单片机的工作原理[1]，嵌入式系统实际开发过程[2]，单片机控制数码管的方法[3]，师编写程序[3]，实现单片机控制数码管显示系统的设计[3]。
(二)矩阵式按键控制LED显示系统
AVR单片机的工作原理[1]，嵌入式系统实际开发过程[2]，矩阵式按键输入控制信号[3]、通过单片机控制LED显示的过程[3]。单片机定时/计数器的工作原理及使用[3]，汇编程序的下载及固化的过程[3] ，
(三)汉字显示系统设计
了解AVR单片机的工作原理[1] ，液晶驱动芯片的工作原理[1]，嵌入式系统实际开发过程[2]，单片机控制液晶显示模块的方法[3]，编写程序，单片机控制汉字显示系统的设计[3]。
(四)交通灯控制
AVR单片机的工作原理，嵌入式系统实际开发过程[2]，ARM7核的LPC2106的管脚功能和特点[1]， I/O控制寄存器的设置方法[3];ARM7应用系统编程开发方法[3]，能用C语言编写应用程
序[3]; ADS1.2软件的使用以及PROTEUS仿真调试的方法[3];
(五) 交通灯设计
ARM芯片[1]; ARM芯片各个引脚的功能[2]，工作方式[2]，计数/定时[2]，I/O口[2]，中断[2];利用ARM芯片模拟实现交通灯控制[3]。，工作方式，计数/定时，I/O口，中断等相关原理，通过软硬件设计实现利用ARM芯片完成交通灯的模拟控制[3]
(六)温度采集系统
ARM芯片各个引脚功能[1]，工作方式[1]，计数/定时[1]，I/O口[1]，中断[1]。通过软硬件设计实现利用ARM芯片对周围环境温度信号的采集及显示[3] 其他课题见附录：
四、考核方式及要求
1.考核方式：考查;
2.考核方法：平时考勤+设计报告+ 设计答辩; 3.成绩评定：
平时成绩：应根据学习纪律、出勤、等方面综合评定，占10%;
设计报告：根据学生设计报告各部分的完整性和优劣情况评定，占70%; 设计答辩：应根据答辩结果评定，占20%. 按优、良、中、及格、不及格五级分制记分。 设计报告内容：
1.封面;2. 摘要;3. 目录;4. 总体方案设计分析 ;5. 软件框图及程序设计(汇编语言源程序必须加注释说明);6. 硬件原理图设计(最好使用电子设计CAD软件绘制);7. 设计总结和心得体会。
五、实验教材(指导书)及参考书(资料)
嵌入式设计系统范文第3篇
1 系统构成
它是在原有自动抄表系统的基础上改造过来的, 原来的系统是在管理微机中口处外接一个88232/485转换器, 然后直接与具有R8-485通信接口的采集器相连。
改造后的具有GPRB功能的无线自动抄表系统共分三层。第一层为原来的采集器, 第2层为集中器, 第三层为管理微机 (数据中心) 。采集器部分为能收集多路、多种能耗 (水、电、气、暖等) 脉冲的具有通信能力的智能设备, 它与集中器之间的通信采用技术成熟的R8-485总线方式。而管理微机那儿是通过以太网完成与各个集中器的数据交换, 当然, 它还担负着用户界面操作、数据管理、费用结算、帐单打印等服务功能。这种从原来的两级网络结构变为三级网络结构, 从系统的容量上看, 是一次彻底的革命, 因为增加的中间级是具有GPRB模块的集中器。
显然采集器的电路已经具备与集中器直接相连的功能, 因此电路不需作任何修改。管理微机那儿我们可以考虑直接带通信数据透明的GPRB功能模块, 而不作硬件上的重新设计。
2 GPRS组网方案
GPRS作为一种无线传输方式具有使用方便灵活的特点, 它可以根据用户的管理微机的具体情况应用不同的组网方式。
方案一:固定IP地址连接。
管理微机有固定公网IP地址。集中器的GPRS通讯模块直接向管理微机发起连接, 运行可靠稳定。此时将固定IP地址写入模块中, 上电后自动与管理微机连接。
方案二:中心公网动态IP+DNS解析服务。
客户先与DNS服务商联系开通动态域名, 监控点先采用域名寻址方式连接D N S服务器, 再由DNS服务器找到中心公网动态IP, 建立连接。此种方式可以大大节约公网固定IP的费用, 但稳定性受制于DNS服务器的稳定, 所以要寻找可靠的DNS服务商。此种方案适合小规模应用。
方案三:中心采用主副GPRS-DTU, 采用移动内网动态IP+移动DNS解析服务。
此种方案客户先与移动DNS服务商联系开通移动动态域名, 监控点先采用域名寻址方式连接移动DNS服务器, 再由移动DNS服务器找到中心移动动态IP, 建立连接。中心也用G P R S-D T U做接收端, 但GPRS无线方式的中心不如有线方式的稳定, 所以采用主副两个G P R S-D T U作冗余备份。
3 集中器设计
3.1 硬件设计
本系统基于芯片的性能、功耗、专业水平等多方面因素, 最终选择了以ARM 920T为核心的SAMSUNG S3C2410, 作为整个硬件系统的核心部分。S3C2410是SAMSUNG公司针对工业级和民用级等多种应用场合设计的一款性价比较高的16/32位RISC嵌入式微处理器, 其内部包含ARM公司设计的16/32位ARM 920T RISC处理内核。各主要部分基本功能如下。
(1) RS485接口电路用于与上位机进行串行通信。
(2) 10MHz有源晶振为系统提供工作时钟, 通过片内PLL电路倍频为50MHz作为微处理器的工作时钟。
(3) FLASH存储器可存放己调试好的用户应用程序和嵌入式操作系统。
(4) SDRAM存储器作为系统运行时的主要区域、系统及用户数据、堆栈等均位于S D R A M存储器中。
(5) GPRS远程数据传输模块用来进行无线数据通信。
(6) JTAG接口可对芯片内部的所有部件进行访问, 通过该接口可对系统进行调试、编程[3]。
3.2 软件设计
本系统选用源代码公开的嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ, 它具有源代码公开、可移植性强、可固化、可裁剪等特点, 并且是完全占先式实时内核, 最多可以管理64个任务。根据系统的功能要求, 按优先级从高到低顺序排列分为以下几个任务:系统监视任务、键盘扫描任务, 数据采集与处理任务, 显示任务、通信任务、其他任务。采用μC/OS-ⅡV2.52版本的内核, 其全部源代码量大约是6000~7000行, 共16个文件, 将其移植到ARM处理器上, 一共需要修改3个与A R M体系结构相关的文件:O S_C P U.H (C语言头文件) , OS_CPU_C.C (C程序源文件) , O S_C P U_A.A S M (汇编程序源文件) , 代码量大约是500行。移植的过程如下。
(1) 设置OS_CPU.H, 与处理器和编译器相关的代码。
(2) 在OS_CPU_C.C, 编写6个与操作系统相关的函数。
(3) 在OS_CPU_A.ASM文件中编写4个处理器相关函数。
在完成以上工作之后, 嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ就可以在S3C2410上工作了。
4 结语
GPRS作为一种高科技的通信方式, 具有建网快、易维护、覆盖而广、传送快捷费用低、系统结构可扩充、系统可用性高等优点, 特别适合城市周围、分散边远的变电站的电表数据集抄, 是城市配电网调度自动化的完善与补充。将嵌入式操作系统应用于抄表系统中增加了数据中心的抄表量, 由于系统可以进行多线程管理, 节约了成本。将GPRS无线通讯技术和嵌入式操作系统有力的结合起来, 具有传输速率快、可靠性高、实时性好、经济实用等优点, 具有良好的应用前景。
摘要：将先进的GPRS无线通讯技术和计算机技术有机结合起来, 并且将嵌入式操作系统移植到ARM系列微控制器中, 提出了一种基于ARM9微控制器s3c2410和GPRS无线通讯模块的远程自动抄表系统。文中介绍了系统的硬件构成, 移植了嵌入式μC/OS-Ⅱ操作系统, 给出了GPRS通讯技术的基本原理和组网方案。经过验证, 该系统传输速率快, 可靠性高, 实时性好, 经济适用, 可以满足远程抄表的要求。
关键词：GPRS,嵌入式操作系统,无线自动抄表
参考文献
[1] 周立功, 等.ARM微控制器基础与实战[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2005.
[2] 刘光明.基于GPRS技术的电力设备远程监控系统设计[J].北京:中国科技信息, 2006.
[3] 杨本臣, 李露.基于嵌入式系统和GPRS的热网换热站监控系统[J].北京:中国科技信息, 2007.
嵌入式设计系统范文第4篇
1 嵌入式操作系统的特点
嵌入式系统的全部软、硬资源均由嵌入式操作系统进行分配、调度、控制以及协调。嵌入式操作系统必须体现其所在系统的特征, 可以某些模块的装卸来实现系统所要求的功能。因此嵌入式操作系统除了具备一般操作系统所具备的特点外, 还具备以下特点。
(1) 体积小巧。
嵌入式系统所提供的资源比较有限, 为满足其硬件的限制, 嵌入式操作系统就一定要做到小巧。
(2) 可装卸性。
嵌入式操作系统的体系结构具有开放性、可伸缩性, 可根据应用要求进行装卸, 对相应的模块进行去除或者简化, 极大的满足了嵌入式系统需要根据应用要求进装卸的功能需求。此特征在嵌入式系统的模块划分中需事先考虑周到。
(3) 强实时性。
在当今信息时代, 人们为了为进一步决策争取时间, 对信息处理的时效性要求要高。因此嵌入式系统工作对实时性的要求也较高, 它是用来评价操作系统的一个重要方面。而嵌入式操作系统实时性一般较强, 适用于各种设备控制中。
(4) 统一的接口。
嵌入式操作系统可的供各种设备的驱动接口。随着各类嵌入式操作系统的开发, 考虑到为嵌入式应用软件的设计者提供统一的服务接口, 就必须约定嵌入式系统提供的接口, 从而为嵌入式应用软件的运行提供无关性平台。
(5) 操作简便, 易学。
嵌入式操作系统所提供的GUI图形界面, 操作方便、简单、友好, 易学易用。
(6) 网络功能强大。
嵌入式操作系统对TCP/IP协议及其它协议都支持, 并且为TCP/UDP/IP/PPP协议提供支持以及统一的MAC访问层接口, 网络功能很强大, 为各种移动计算设备预留接口。
(7) 弱交互性。
一般嵌入式系统的工作过程不需要人进行干预。ESO的用户接口也大多不提供操作命令, 它直接通过系统调用命令为用户程序提供服务。
(8) 强稳定性。
嵌入式系统一量开始正常运行就不再要人人进行过多的干预, 在这种情况下, 就对负责系统管理的嵌入式操作系统的稳定性提出了较高的要求。
(9) 固化代码。
在嵌入系统中, EOS及应用软件均被固化在嵌入式系统计算机的R O M中。嵌入式系统中很少用到辅助存储器, 而用各种内存文件系统, 所以EOS的文件管理功能也较容易白拆卸。
2 嵌入式操作系统的分类
当前, 常用的嵌入式操作系统可分为:商用系统、专用系统以及开放系统三大类
(1) 商用嵌入式操作系统。
商用嵌入式操作系统功能较强大, 辅助工具较齐全, 可应用的范围也较广, 在许多领域都有应用, 例:Wircro Soft的Windows C E、W i n d R i v e r的v x W o r k s、E P S O N的ROS33、Core Tek的Delta OS、p SOS+、3Com的Palm OS、以及中科院的Hopen等。
(2) 专用嵌入式操作系统。
专用嵌入式操作系统一般不对用户公开, 它是一些专业的公司针对该公司产品所特制的嵌入式操作系统。专用嵌入式操作系统功能相对较弱, 但具有较强的针对性, 而且比普通的商用嵌入式操作系统更加安全可靠。
(3) 开放嵌入式操作系统。
开放嵌入式操作系统是近年来迅速发展的一类操作系统。因为应用系统的开发者可免费得到这些系统的源代码, 因此开发难度低。但开放嵌入式操作系统的功能简单、技术支持以及系统的稳定性也相对较差, 因此对对应用系统开发者提出了较高的要求。
3 嵌入式操作系统的实现
当前, 国际上涌现了许多功能较强的嵌入式操作系统, 这些操作系统所采用的体系结构以及技术手段各有特色, 我们可能通过对这些嵌入式操作系统的思路进行分析从而找到解决在嵌入式操作系统开发过程中所出现的困难的方法。
(1) 主机、目标机的体系结构。
当前许多嵌入式操作系统在开发过程中都采取了主机、目标机的设计方法。众所周知, 凹凸于嵌入式开发的工具的欠缺并且难以掌控, 从而增加了嵌入式系统开发的难度。而主机、目标机关体系结构是将开发工具放在主机上, 目标机上则放操作系统的核心模块, 操作系统则支持跟踪调式。如此, 设计者便可在目标机上对操作系统及应用软件进行运行, 而开发、调试就通过主机, 使开发的过程变得相对简单。
(2) 划分模块。
嵌入式系统在许多领域都有应用, 就不同的应用目的拥有不同的功能、结构, 从而导致了用于不同的嵌入式系统的嵌入式操作系统的不同。因此, 在设计嵌入式操作系统时应充分的考虑到系统的功能与结构的划分, 从而增加嵌入式系统操作的适用性及灵活性。当前, 增强操作系统的模块性是嵌入式操作系统发展的一个总趋势。其具体的实现方法就是将操作系统一些核心的功能独立出来, 做单独立的方便拆卸的模块。
(3) 充分利用现有资源。
虽然当今软件技术已高度发达, 但从头设计一个操作系统也需要较长的时间, 因此为减少操作系统开发的工作量可充分利用现有的资源进行设计。
(4) 制定API标准。
为实现嵌入式操作系统的透明性以及无关性, 方便用户的使用, 就需要给用户提供标准以及实用的应用程序接口 (API) 。
通过以上方式便可实现嵌入式操作系统, 另在设计嵌入式操作系统时还需遵循以下原则:充分利用相关的计算机技术使得所设计的操作系统具有较高的性价比;要考虑到操作系统与嵌入式系统的匹配性;在满足嵌入系统功能的同时要尽可能简单, 从而节约系统开销费用。
4 结语
嵌入式操作系统虽然发展较迅速, 有其独特的优点, 但发展尚未成熟, 因此在设计的过程中, 还需对设计思路进行总结创新, 对实现方法进行完善。
摘要：嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂, 它减少了嵌入式系统开发的工作量, 很大程上提升了嵌入式系统的开发效率, 并使系统开发更具科学性, 为嵌入式系统的发展奠定了良好基础。本文简单的介绍了嵌入式操作系统的概念, 主要特点, 以及分类, 最后介绍了嵌入式操作系统的实现方法以及注意事项。
关键词：嵌入式系统,嵌入式操作系统,分类,特点,实现方法
参考文献
[1] 陈丹桂.嵌入式系统综述[J].科技经济市场, 2007 (4) .
[2] 黄昆.细看嵌入式操作系统[J].中国计算机用户, 2006 (36) .
嵌入式设计系统范文第5篇
1 嵌入式系统
嵌入式计算机的真正发展是在微处理器出现之后。1971年Intel公司成功地研制出了世界上第一款微处理器Intel 4004, 其后各厂家陆续推出了许多8位、16位的微处理器, 包括Intel 8080、8086, Motorola的6800、8000, 所有这些微处理器作为核心所构成的系统广泛地应用于仪器仪表、医疗设备、机器人、家用电器等领域。微处理器的广泛应用形成了一个广阔的嵌入式应用市场, 计算机厂家开始大量地以插件方式向用户提供产品, 再由用户根据自己的需要选择一套适合的CPU板、存储器板以及各式输入输出插件板, 从而构成专用的嵌入式计算机系统, 并将其嵌入到自己的系统设备中。
2 嵌入式系统在医疗仪器中的应用
嵌入式系统在医疗仪器中的应用是医疗仪器设备的最新发展趋势。越来越多的好消息出现在医疗仪器设备领域。近期, 德国、澳大利亚都分别明确表示要在儿童医疗和全民医疗领域加大投入。而我国和墨西哥这样的发展中人口大国也将继续备受世人瞩目的医疗改革。这些政府级别的投入将增加全社会对医疗仪器设备的需求。随着生活水平的不断提高, 人们对于自身健康的关注也提升到一个前所未有的高度。今天, 越来越多的高科技手段开始运用到医疗仪器的设计中。心电图、脑电图等生理参数检测设备, 各类型的监护仪器、超声波、X射线成影设备、核磁共振仪器以及各式各样的物理治疗仪都开始在各地医院广泛使用。远程医疗、病人呼叫中心、数字化医院等先进理念的出现和应用, 使医院的管理比以往任何时候都更加完善和高效, 同时病人享受到更加快捷方便和人性化的服务。
嵌入式系统已经大量的应用于医疗设备方面, 如CT、磁共振、加速器等大型设备;彩超、经颅多普勒、动态心电、脑电、心电等电子设备;全自动生化分析系统及免疫测试系统等检测设备, 以及心脏起搏器、手术室的呼吸麻醉监控系统, 药剂控制及配药系统等方面。
3 嵌入式医疗仪器产品
嵌入式医疗仪器是先进的嵌入式技术和生物医学的融合, 嵌入式医疗仪器作为一种知识交叉产品, 是生物医学和计算机技术、电子技术、半导体技术相结合的产物, 是生物医学工程发展的结晶、反映了当代最新技术的先进水平。
嵌入式医疗仪器将计算机系统作为一个板级模块或者芯片嵌入医疗仪器内部, 及应用软件和硬件于一体, 软件代码小、高度自动化、响应速度快, 芯片加软件成为产品, 其软件和硬件都必须高效率的设计、量体裁衣, 去除冗余, 力争在同样的硅片面积上实现更高的效能。嵌入式处理器不仅使医学仪器功能智能化, 而且使医学仪器设计灵活和操作简单。嵌入式医学仪器的系统组成软硬兼备, 融为一体, 使嵌入式医学仪器具有体积小、功能集中、可靠性高、性价比高等优点。
4 嵌入式医疗仪器的设计
在医疗仪器的设计方面, 有3个设计策略非常重要: (1) 采用模块化设计方法, 采用这种方法可以在基本的平台上设计出不同型号的产品; (2) 背板设计方法, 每个大系统一般都会有背板, 上面可以插入很多不同的板, 它可以使系统的速度很快; (3) 便携产品。由于嵌入式系统具有的特点, 上述医疗仪器设计策略都可以采用嵌入式系统实现。
5 结语
随着信息技术的发展, 数字化产品空前繁荣。嵌入式软件已经成为数字化产品设计创新和软件增值的关键因素, 是未来市场竞争力的重要体现。从医疗仪器领域来看, 除了新的传感检测技术不断运用推广之外, 对所采集信息的分析、存储和显示也提出了更高的目标。这就要求现代的医疗仪器具备更强大的计算和存储能力以及更稳定可靠的性能。另外, 医疗仪器作为一个特殊的行业, 又要求设备能够达到更高级别的环保要求。如何进一步地智能化、专业化、小型化, 同时做到低功耗、零污染, 将会是一个无止境的追求过程, 这为嵌入式系统在医疗仪器中的应用提供了更广阔的天地和更高的要求。
摘要：随着嵌入式系统技术的日趋成熟, 嵌入式系统越来越多地应用于医学领域。嵌入式系统在医学仪器领域的应用, 已成为现代医学电子仪器的研究热点及发展方向。嵌入式医疗仪器是先进的嵌入式技术与生物医学的完美融合, 是生物医学和计算机技术、电子技术、半导体技术相结合的产物, 是生物医学工程发展的结晶、反映了当代最新技术的先进水平。而且嵌入式系统技术在医学领域的应用会越来越广泛。
嵌入式设计系统范文第6篇
IEC61131-3标准的推出和实施, 有力地推动了各种PLC间的兼容性和统一性, 促进了软PLC技术的产生和发展。软PLC (SoftPLC, 也称为软逻辑SoftLogic) 是一种基于PC机结构开发的工业控制系统, 它克服了传统硬件PLC难以构建开放式网络结构的缺点以及不同PLC产品提供商之间的技术壁垒, 利用软件技术将标准PLC功能集成封装。软PLC通过一个多任务控制内核, 提供强大的指令集、快速而准确的扫描周期、可靠的操作和可连接各种I/O系统及网络的开放式结构[3]。
目前较成熟的软PLC系统有美国Rockwell公司的ISaGRAF、德国KW公司的MULTPROG、德国SOFTPLC公司的SoftPLC和德国BECKHOFF公司的TwinCAT。国内北京亚控和沈阳中科博微也推出了软PLC产品, 但是其技术水平和产品的完整程度与国外还有一定差距。
一、软PLC的体系结构及工作原理
本文开发的软PLC基于ARM+DSP嵌入式数控系统硬件平台。在ARM层的WinCE操作系统中进行PLC控制程序设计 (LAD、STL、FBD等) , 完成程序编辑、逻辑检查、逻辑测试、指令译码等功能。下层DSP具有运算速度快、实时性强等特点, 故用来执行PLC执行程序, 以达到实时控制目的。程序执行过程中需要的现场数据采集以及信号的输出通过现场总线等物理设备完成。软PLC系统可分为编程系统和执行系统两部分 (图1) 。
编程系统是一个带有编译功能的程序编辑器, 符合IEC61131-3标准, 同时提供测试仿真工具。包含的主要模块有:
(1) 梯形图编辑模块:实现梯形图图元编辑, 包括梯形图编辑后的重绘显示及存储。
(2) 指令表编辑模块:实现指令表语言的编辑及存储。
(3) 梯形图和指令表转化模块:实现梯形图和指令表程序的相互转化。
(4) 逻辑验证及仿真:对编辑完成的梯形图或指令表程序进行仿真运行, 验证逻辑的正确性及输入输出点是否是预期动作。
(5) 指令表编译模块:对指令表译码并生成目标代码。
(6) 数据通信模块:与数控系统进行数据交换和存储, 包括计数器、计时器等功能指令的参数值等。
运行系统工作在DSP层, 在数控系统启动后加载上层生成的PLC程序, 执行逻辑运算、完成控制功能。图2给出了软PLC系统的工作过程。整个系统分为实时域和非实时域两个部分, 程序的编辑、PLC的初始化、逻辑文件的加载以及运行状态显示等信息的实时性要求不高, 故分配在非实时域, 由ARM层负责处理[4];PLC程序的执行实时性要求高, 以准确反映工业现场的数据信息并实时处理, 完成顺序动作或位置控制, 故运行在实时域。系统具有编辑和运行两种状态, PLC程序的开发不要求系统运行, 系统处于编辑状态;当系统启动后便转入运行状态, 完成PLC控制。系统执行过程如下:
(1) 在编辑状态下, 完成PLC程序的设计并存储, 可以使用梯形图语言或者指令表语言 (二者亦可相互转化) ;
(2) 对设计完成PLC程序进行仿真运行, 检验语法、词法、逻辑关系是否正确;
(3) 将仿真通过的程序编译为DSP可执行逻辑文件并存储, 否则返回修改;
(4) 当系统进入运行状态时首先对PLC参数初始化, 并将DSP可执行逻辑文件加载到DSP的程序缓冲区;
(5) 执行DSP可执行逻辑文件。首先读取各I/O点状态, 然后执行PLC逻辑, 最后设置输出状态并刷新。
根据上述结构, 我们设计系统应用方案如图3所示。
二、编程系统的软件实现
系统上层开发采用VC++语言。在屏幕上显示的PLC梯形图程序, 实际上是以一定方式连接的梯形图图元, 而每个图元又具有一定的大小并占据屏幕中的某一位置。每个图元节点的属性决定了这个节点的图元类型及相对应的参数。
(一) 基本图元数据结构
基本图元主要包括连线、常开、常闭、线圈、置位、复位、上升沿检测、下降沿检测、一级程序结束、二级程序结束, 它们均含有较少的节点参数。其结构可以设计成如下形式:
这种梯形图以数组的形式存储, 虽然会占用较多的存储空间, 但是这种结构可以很方便的进行图元的查找、修改和删除, 目前数控系统的Flash存储芯片已经以Mb来衡量, 故满足数组方式的数据结构。
(二) 梯形图的显示
在WinCE环境下, 梯形图图元显示可以利用Extextout () 函数, 原型为:
首先在主界面初始化时读取梯形图存档, 没有存档则显示为空;若有存档, 则根据存档数据初始化梯形图数组。逐行读取数组元素, 根据相应的成员数据绘制梯形图, 绘制完成的一个简单的梯形图如图4所示。
由于是运行在数控系统中, 故梯形图的编辑全部采用键盘实现, 而非鼠标, 以方便操作。
(三) 梯形图转化为指令表
如何快速、准确地将梯形图转化为指令表文件, 一直是编程系统开发的一个关键问题。为了与梯形图的设计相匹配, 我们采用了类似的数据结构来翻译和存取指令表文件。设计的指令表数据结构如下:
为了将梯形图和指令表对应起来, 对于每一种梯形图图元都有Order与其对应, 对于常开和常闭图元, 根据其所在位置和连线方式的不同, 对应有RD、RD.NOT、AND、AND.NOT;不同行之间的逻辑关系有RD.STK、RD.NOT.STKS、OR.STK、AND.STK。
在将梯形图转化为指令表时, 逐行遍历梯形图, 根据不同情况分别进行转化。对于图4所示的梯形图, 首先逐个读取第一行各图元, 除第一个用RD.NOT指令外, 其余使用AND/AND.NOT指令。输出线圈时根据输出类型分别使用WRT/SET/RST指令。然后从母线开始查找本行的分支, 记录分支位置, 若两分支分支距离为1, 则为OR/OR.NOT指令, 若大于1则为并联区块, 使用RD.STK/RD.NOT.STKS指令。在并联区块结束时使用OR.STK指令, 两个并联区块串联时使用AND.STK指令。
三、运行系统的实现
软PLC的运行系统由下层DSP执行, 采用C语言编写。由于DSP除了完成软PLC控制之外, 还要完成大量的机床插补和位置控制计算, 故设计DSP为三级中断, 软PLC模块以软件中断SWI形式出现为第三级中断, 每10ms执行一次。系统启动之后首先进行PLC初始化:第一遍扫描进行单条语句语法检查, 第二遍扫描进行逻辑检查。PLC程序分为两级, 一级程序中主要处理急停、限位等信号, 二级程序为机床其他信号的逻辑处理。每次PLC中断一级程序均被执行, 二级程序每次执行1000行。
PLC的执行分为三个阶段:读取I/O状态, 执行PLC逻辑, 设置输出状态。当SWI中断触发后系统首先扫描各I/O信号, 建立中间结果运算堆栈, 堆栈深度为5, 然后执行PLC逻辑。在运算过程当前计算结果存储在ST0中, 执行RD.STK/RD.NOT.STK指令时将堆栈左移一位, 然后读取当前点的值至ST0;当执行OR.STK指令时将ST0与ST1或运算之后堆栈右移一位;当执行AND.STK指令时, 将ST0与ST1与运算之后堆栈右移一位。运算结束之后, 将ST0的值赋值给相应的输出地址。下一个SWI周期重复此过程。
四、结语
本文构建的软PLC系统在ARM+DSP嵌入式数控系统平台上进行了验证。实验过程中, PLC程序的编辑、检查、编译等模块运行准确、效率较高;在数控系统运行过程中, 通过调用BIOS的时间测试函数, 得出插补大约占用CPU资源的40%, 位控占用6%, PLC占用14%, 其他40%。由此可见, PLC占用的CPU资源较低。
另一方面, 由于机床的运动控制和PLC处理共同使用一块CPU, 这在一定程度上降低了软PLC的响应速度。传统硬件PLC由于有单独的CPU进行逻辑运算, 故响应速度较快。尽管如此, 软PLC技术在开放性和灵活性方面仍具有较大优势, 且成本较低、开发周期较短。从我国目前情况看, 短期内无论是技术上还是规模上都很难形成硬件PLC的生产能力, 因此深入研究软PLC技术对于自主开发高档数控系统具有重要意义。
完整的软PLC体系还应当包括计时器、计数器、数值计算等多种功能指令, 更为高级的还应具有位置控制功能, 内置PID等位置控制算法, 甚至允许用户开发自己的算法, 本文在这些方面还有待完善。
摘要：PLC是一种重要的工业控制器, 也是现代数控系统不可缺少的组成部分。软PLC较传统硬件PLC有诸多优势。本文研究了软PLC的系统结构, 提出了在ARM+DSP数控系统平台上的应用方案, 完成了编程系统、梯形图和指令表的转化、指令编译、运行系统等模块的开发。并在实验中通过统计CPU占用率与传统PLC进行对比。
关键词：软PLC,ARM,DSP,嵌入式
参考文献
[1] 周峰, 王新华, 李剑峰等.软PLC技术的发展现状及应用前景[J].计算机工程应用, 2004, 40 (24) :57-60.
[2] 李捷, 霍光青, 齐垂辉.可编程控制器中的新技术—软PLC[J].木材加工机械, 2004, 15 (4) :9-11.
[3] 黄延延, 林跃, 于海斌.软PLC技术研究及实现[J].计算机工程, 2004, 30 (1) :165-167.