嵌入式操作系統(tǒng)原理與應(yīng)用

1 嵌入式操作系統(tǒng)的概念 1
1.1 操作系統(tǒng)的概念和結(jié)構(gòu) 1
1.2 操作系統(tǒng)的功能和主要特征 2
1.2.1 操作系統(tǒng)的功能 2
1.2.2 操作系統(tǒng)的主要特征 5
1.3 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 6
1.3.1 操作系統(tǒng)的內(nèi)核 6
1.3.2 傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式 8
1.3.3 現(xiàn)代的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式 9
1.4 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 11
1.4.1 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn) 11
1.4.2 嵌入式應(yīng)用 12
1.4.3 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的發(fā)展 13
1.5 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的分類(lèi) 15
1.5.1 按速度分類(lèi) 15
1.5.2 按確定性分類(lèi) 15
1.5.3 按軟件結(jié)構(gòu)分類(lèi) 15
1.6 商用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 18
1.7 小結(jié) 19
思考題 19
2 嵌入式系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 20
2.1 嵌入式系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 20
2.2 嵌入式系統(tǒng)硬件 22
2.2.1 嵌入式處理器 22
2.2.2 存儲(chǔ)器 24
2.2.3 輸入輸出設(shè)備 25
2.3 嵌入式系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù) 27
2.3.1 接口技術(shù) 27
2.3.2 總線 30
2.3.3 嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)常用的硬件
調(diào)試和編程技術(shù) 34
2.4 小結(jié) 37
思考題 38
3 ARM體系結(jié)構(gòu) 39
3.1 ARM的結(jié)構(gòu)和特性 39
3.1.1 ARM處理器系列 39
3.1.2 ARM處理器的特點(diǎn) 42
3.1.3 ARM處理器模式 43
3.2 ARM寄存器介紹 43
3.3 ARM體系的異常中斷 45
3.4 ARM的存儲(chǔ)系統(tǒng) 47
3.5 ARM指令系統(tǒng) 48
3.6 ARM指令基本尋址方式 50
3.7 ARM指令集 52
3.8 ARM匯編程序設(shè)計(jì) 55
3.8.1 ARM匯編器所支持的偽指令 55
3.8.2 匯編語(yǔ)言的語(yǔ)句格式 56
3.8.3 匯編語(yǔ)言的程序結(jié)構(gòu) 60
3.8.4 ARM和Thumb混合編程簡(jiǎn)介 60
3.9 小結(jié) 61
思考題 62
4 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核 63
4.1 嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核的結(jié)構(gòu)和功能 63
4.1.1 嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核的結(jié)構(gòu) 63
4.1.2 嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核的功能 65
4.2 嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核的任務(wù)管理 72
4.2.1 多任務(wù)機(jī)制 72
4.2.2 任務(wù)狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)變 73
4.2.3 任務(wù)調(diào)度策略 74
4.2.4 任務(wù)異常處理 76
4.3 嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核的共享代碼和重入 76
4.4 VxWorks操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 79
4.4.1 VxWorks操作系統(tǒng) 79
4.4.2 VxWorks的內(nèi)核Wind 81
4.5 VxWorks任務(wù)編程接口 82
4.5.1 任務(wù)控制函數(shù) 82
4.5.2 任務(wù)擴(kuò)展函數(shù) 86
4.5.3 VxWorks系統(tǒng)任務(wù) 87
4.6 POSIX調(diào)度接口 88
4.6.1 POSIX和Wind調(diào)度方法的
差異 88
4.6.2 獲得和設(shè)置POSIX任務(wù)優(yōu)先級(jí) 89
4.6.3 獲得和顯示當(dāng)前的調(diào)度策略 90
4.6.4 獲得調(diào)度參數(shù)：優(yōu)先級(jí)限制和
時(shí)間片 91
4.7 小結(jié) 91
思考題 92
5 任務(wù)間通信 93
5.1 實(shí)時(shí)內(nèi)核任務(wù)間通信機(jī)制 93
5.1.1 任務(wù)之間的關(guān)系 93
5.1.2 共享內(nèi)存 94
5.1.3 互斥 95
5.1.4 信號(hào)量 96
5.1.5 內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 96
5.2 二進(jìn)制信號(hào)量 97
5.2.1 互斥 98
5.2.2 同步 99
5.2.3 二進(jìn)制信號(hào)量用于任務(wù)間同步 100
5.3 互斥信號(hào)量 104
5.3.1 優(yōu)先級(jí)倒置 105
5.3.2 刪除安全 106
5.3.3 遞歸資源訪問(wèn) 106
5.3.4 互斥信號(hào)量用于任務(wù)間同步 107
5.4 計(jì)數(shù)器信號(hào)量 112
5.4.1 計(jì)數(shù)器信號(hào)量 112
5.4.2 計(jì)數(shù)器信號(hào)量用于任務(wù)間同步 113
5.5 消息隊(duì)列 116
5.5.1 概述 116
5.5.2 普通消息隊(duì)列 119
5.5.3 消息隊(duì)列使用例子 121
5.6 管道 124
5.6.1 概述 124
5.6.2 使用管道 125
5.6.3 管道用于任務(wù)間通信 126
5.7 POSIX信號(hào)量 129
5.7.1 POSIX信號(hào)量接口 129
5.7.2 POSIX和Wind信號(hào)量比較 130
5.7.3 未命名信號(hào)量使用 130
5.7.4 命名信號(hào)量的使用 132
5.8 POSIX消息隊(duì)列 134
5.8.1 POSIX和Wind消息隊(duì)列比較 135
5.8.2 POSIX消息隊(duì)列屬性 135
5.8.3 顯示消息隊(duì)列屬性 137
5.8.4 用消息隊(duì)列通信 137
5.8.5 通知任務(wù)有消息在等待 140
5.8.6 POSIX隊(duì)列信號(hào) 143
5.9 小結(jié) 144
思考題 144
6 中斷處理與定時(shí)機(jī)制 145
6.1 中斷管理 145
6.1.1 異常的定義 145
6.1.2 中斷的類(lèi)型 146
6.1.3 中斷處理的過(guò)程 148
6.1.4 實(shí)時(shí)內(nèi)核的中斷管理 150
6.2 中斷服務(wù)程序 152
6.2.1 設(shè)置中斷處理程序 152
6.2.2 中斷堆棧 154
6.2.3 ISR的特殊限制 154
6.2.4 中斷級(jí)異常 155
6.2.5 保留的最高中斷級(jí) 156
6.2.6 最高中斷級(jí)ISRs的約束 156
6.2.7 中斷與任務(wù)的通信 156
6.3 時(shí)間管理 156
6.3.1 硬件時(shí)鐘設(shè)備 157
6.3.2 時(shí)間管理 158
6.4 看門(mén)狗機(jī)制和應(yīng)用 161
6.4.1 看門(mén)狗 161
6.4.2 利用看門(mén)狗處理任務(wù)時(shí)限 162
6.5 POSIX計(jì)時(shí)器和內(nèi)存上鎖 166
6.5.1 POSIX計(jì)時(shí)器 166
6.5.2 POSIX內(nèi)存上鎖接口 167
6.6 小結(jié) 167
思考題 168
7 I/O子系統(tǒng) 169
7.1 基本I/O概念 169
7.1.1 I/O子系統(tǒng) 169
7.1.2 端口映射與內(nèi)存映射I/O和
DMA 170
7.1.3 文件名稱(chēng) 171
7.2 I/O系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 172
7.2.1 標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù) 173
7.2.2 標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)到驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)
的映射 174
7.2.3 設(shè)備 175
7.2.4 文件描述符 176
7.2.5 基本I/O的操作流程 177
7.3 VxWorks的I/O接口 178
7.3.1 文件描述符 178
7.3.2 標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤
輸出設(shè)備 179
7.3.3 打開(kāi)和關(guān)閉 180
7.3.4 新建和刪除 181
7.3.5 讀寫(xiě)操作 181
7.3.6 I/O系統(tǒng)的其他操作 182
7.3.7 基于多文件描述符的掛起
操作：select功能 183
7.4 緩沖I/O 184
7.5 其他的格式化I/O操作 185
7.5.1 printf()、sprintf()、sscanf()
函數(shù) 185
7.5.2 printErr()和fdprintf() 185
7.5.3 信息記錄 186
7.6 基本I/O應(yīng)用示例 186
7.7 小結(jié) 191
思考題 191
8 文件系統(tǒng) 192
8.1 與MS-DOS系統(tǒng)兼容的文件系統(tǒng) 192
8.1.1 dosFs文件系統(tǒng)的磁盤(pán)組織 193
8.1.2 包含必要的dosFs文件系統(tǒng)
組件 194
8.1.3 初始化dosFs文件系統(tǒng) 195
8.1.4 初始化及使用支持dosFs的
設(shè)備 195
8.1.5 對(duì)磁盤(pán)和磁盤(pán)卷進(jìn)行操作 195
8.1.6 目錄操作 196
8.1.7 文件操作 196
8.1.8 分配磁盤(pán)空間 199
8.1.9 災(zāi)難恢復(fù)和磁盤(pán)卷的一致性
問(wèn)題 200
8.1.10 dosFs文件系統(tǒng)支持的I/O
控制參數(shù) 200
8.2 原始文件系統(tǒng)(rawFs) 201
8.3 磁帶文件系統(tǒng)(tapeFs) 204
8.4 CD-ROM文件系統(tǒng)(cdromFs) 206
8.5 目標(biāo)機(jī)服務(wù)器文件系統(tǒng)（TSFS） 207
8.6 文件系統(tǒng)應(yīng)用示例 208
8.7 小結(jié) 213
思考題 213
9 內(nèi)存管理 214
9.1 引言 214
9.2 內(nèi)存管理機(jī)制 215
9.2.1 固定大小存儲(chǔ)區(qū)管理 215
9.2.2 可變大小存儲(chǔ)區(qū)管理 217
9.2.3 VxWorks動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理機(jī)制 218
9.2.4 VxWorks動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理函數(shù) 219
9.3 內(nèi)存保護(hù) 220
9.3.1 存儲(chǔ)器管理單元MMU 220
9.3.2 VxWorks的虛擬內(nèi)存接口 224
9.4 小結(jié) 227
思考題 227
10 系統(tǒng)引導(dǎo)程序及調(diào)試環(huán)境的建立 228
10.1 嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 228
10.1.1 嵌入式操作系統(tǒng)的運(yùn)行條件 229
10.1.2 系統(tǒng)的啟動(dòng)流程 230
10.2 嵌入式系統(tǒng)的引導(dǎo)裝載程序
bootloader 230
10.2.1 bootloader作用分析及
一般實(shí)現(xiàn) 231
10.2.2 bootloader的階段1 232
10.2.3 bootloader的階段2 234
10.2.4 u-boot簡(jiǎn)介 236
10.3 嵌入式系統(tǒng)板級(jí)支持包BSP 237
10.3.1 BSP概念 237
10.3.2 BSP在嵌入式開(kāi)發(fā)中的位置
和作用 237
10.3.3 BSP以及bootloader與PC機(jī)主板上的BIOS的關(guān)系與區(qū)別 238
10.4 VxWorks的BSP 238
10.4.1 VxWorks的BSP開(kāi)發(fā) 240
10.4.2 VxWorks的BSP啟動(dòng)流程 242
10.5 基于S3C44B0X開(kāi)發(fā)板的VxWorks
的BSP定制 244
10.5.1 S3C44B0X開(kāi)發(fā)板板上資源 244
10.5.2 BSP包的初步定制 245
10.5.3 在BSP包中進(jìn)行串行通信
的建立 248
10.6 小結(jié) 258
思考題 258
11 嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā) 259
11.1 嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式 259
11.1.1 嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式概述 259
11.1.2 處理器及硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的
選擇 261
11.1.3 操作系統(tǒng)的選擇 263
11.1.4 開(kāi)發(fā)環(huán)境的選擇 266
11.2 嵌入式系統(tǒng)的硬件/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)
技術(shù) 267
11.3 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Tornado 269
11.3.1 Tornado集成開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)述 269
11.3.2 Tornado集成開(kāi)發(fā)工具 270
11.3.3 VxWorks的交叉編譯開(kāi)發(fā)
環(huán)境 271
11.4 MATLAB/RTW系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境 273
11.4.1 MATLAB/RTW系統(tǒng)概述 273
11.4.2 RTW生成代碼結(jié)構(gòu)與外部
模式 275
11.4.3 RTW Tornado目標(biāo)環(huán)境 276
11.4.4 RTW程序創(chuàng)建過(guò)程 277
11.5 航行器控制系統(tǒng)仿真及性能分析 278
11.5.1 RTW嵌入式代碼在VxWorks/
Tornado環(huán)境下的實(shí)現(xiàn)過(guò)程 278
11.5.2 控制系統(tǒng)仿真 282
11.6 小結(jié) 282
思考題 283
參考文獻(xiàn) 284