嵌入式系统学习笔记
第一章 嵌入式基础
1.概念
- 嵌入式系统是以应用为中心、计算机技术为基础，软硬件可裁剪，体积、功耗、可靠性、成本有要求的专用计算机
- 组成：
（1）嵌入式微处理器
（2）外围硬件设备
（3）嵌入式操作系统
（4）嵌入式应用程序
2.嵌入式系统的组成
硬件：
（1）嵌入式处理器
（2）存储器系统
（3）外部接口
（4）外围设备
软件
（1）嵌入式操作系统
（2）应用软件
开发系统
（1）集成软件环境
（2）硬件工具
第二章 嵌入式处理器
1.发展历史
Intel 单片机
ARM （Advanced RISC Machines）微处理器:
（1）基于RISC技术的ARM处理器是32位嵌入式处理器的典型代表
（2）ARM公司1991年成立于英国剑桥
（3）主要出售芯片设计技术的产权
（4）约占据了32为RISC微处理器75%以上的市场
ARM 处理器命名规则;
第三章 嵌入式操作系统
1.概述
嵌入式系统软件的一般结构
硬件：ARM CPU 内存+I/O
驱动层：最典型的就是BOOTLOAD，以及底层封装，底层封装是很重要的一部分，屏蔽了硬件的细节
操作系统层：核心是文件系统、内核
中间件层：有些应用是必须的，不是必须的部分可以直接进入到应用层
嵌入式操作系统定义：嵌入式操作系统EOS（Embedded Operating System）或者称实时操作系统RTOS(Real Time Operation Systerm)，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Browser等。主流的嵌入式操作系统如下表。
嵌入式操作系统特点：（1）可装卸性（2）强实时性（3）统一的接口
（4）操作方便、简单、友好的GUI图形界面（5）提供强大的网络功能，支持TCO/IP协议（6）强稳定性，弱交互性（7）固化代码，嵌入式系统一般是固化到flash，用户很少去改变它，或者更新，然而常用的PC端的系统可以安装在硬盘上（8）具有良好的移植性
Vxworks的系统结构
2.嵌入式Linux系统
定义：linux 是一个类Unix（Unix-like）的、免费的，开源的，符合POSIX（Portable Operating System Interface Standard）标准规范的操作系统。
POSIX标准定义：操作系统应该为应用程序提供的接口标准，是IEEE为要在各种UNIX操作系统上运行的软件而定义的一些列API标准总称。
嵌入式Linux内核：为特殊硬件匹配置、或为了支持特别的应用而经过特别的裁剪修改过的Linux内核，通常具有不同与工作站或服务器的内核配置
嵌入式Linux系统：基于Linux内核的嵌入式系统
嵌入式Linux发行套件：（1）开发嵌入式Linux系统的平台（2）各种为了在嵌入式系统汇总使用而裁剪过的应用软件
Linux版本号说明：
嵌入式Linux系统结构图
Linux内核子系统
内核子系统中最核心的是进程调度，嵌入式Linux的实时性能改造与进程调度有很大关系，，调度策略的算法直接关系到系统的实时性能。
嵌入式Linux中文件系统的结构
嵌入式Linux应用开发体系：
Linux操作系统实时性改造
实时系统定义：对外部事件及时响应的系统；在接到数据的同时，能够在规定的时间内给予响应，以足够快的速度处理，及时将处理结果送出；嵌入式系统多是实时系统
区分非实时、软实时、硬实时三个概念:不是以速度为标准，是一个确定性的概念。
确定性的含义：任务的最后时限才是确定性的含义
实时操作系统的特征：（1）高精度计时系统（2）多级中断机制（3）实时调度机制——包括两个方面；一是在调度策略和算法上保证优先调度史诗任务二是建立更多的“安全切换”时间点，保证及时调度实时任务
普通的Linux系统：时间精度10ms,达不到实时系统的微妙级；中断是内核临界区域关中断；实时调度机制在常规Linux下是固定的，为了满足实时性必须可变的优先级调度。
RTLinux :(Real Time Linux)
定义：利用Linux开发的面向实时和嵌入式应用的操作系统；采用独创的双内核方式和中断虚拟化技术实现Linux实时化
双内核结构
RTLinux设计原则
基于以上实时系统设计原则，想得到实时系统，要解决Linux系统三个问题，
中断虚拟化
实时调度：
计算的正确性不仅取决于程序的逻辑正确性，也取决于结果产生的时间。如果系统的时间约束条件得不到满足将会发生系统出错；在RTLinux 中，允许用户编写自己的调度器代码，并把其实现为一个可装载的内核模块；使得可以试验不同的调度策略和算法，以找到一个最适合自己应用的调度方式。
RTLinux 实现的两种调度器：
（1）基于优先级的占先式调度器
（2）最早期限有限算法EDF（Earliest Deadline First） 没有静态优先级，二是最靠近最终期限的任务先执行
计时：Linux内核使用三种时钟
（1）实时时钟
（2）时间标记计数器
（3）可编程间隔定时器PIT(Programmable Interval Timer)–内核编程，以固定的。预先设定的频率发出中断，用于Linux中任务调度。Linux中，中断频率被设定为100Hz,即大约每10ms产生一次定时中断。在RTLinux 中采用单处罚时钟中断（one-shot）来提高计时的 精度，可以使中断调度得到1微妙左右的精度。
第四章 嵌入式软件开发平台
基于Linux的软件开发流程
嵌入式软件开发方式
- 在主机（Host）上建立开发平台，进行应用程序的分析、设计与编码；
- 主机同目标机（Target）建立连接，将应用程序下载到目标机上进行交叉调试（Cross Debugging）性能优化分析（Profiling）和测试；
- 将应用程序“固化（Burning）”到目标机中世纪运行。
交叉编译：
嵌入式的交叉编译包括交叉编译、交叉链接等过程。通常ARM的Linux交叉编译器为arm-elf-gcc\arm-linux-gcc等，交叉链接器为arm-linux-ld。编译和链接过程如下图：
交叉调试：
调试器运行在宿主机和通用操作系统纸上，呗调试的进程运行在基于特定硬件平台的嵌入式操作系统中。
调试器和被调试进程通过串口或者网络进行通信，调试器可以控制。访问被调试进程，读取被调试进程的当前状态，并能够改变被调试进程的运行状态
调试方式分为软件调试和硬件调试
基于Linux的开发流程：
GCC编译器
GCC的编译过程：与处理、编译、汇编、链接
GCC警告提示功能:GCC在编译过程中检查出错误的话，会中止编译。但检测到警告是能够继续编译生成可执行程序的，警告只是针对程序结构的诊断信息，不能说明程序由一定的错误，二是存在风险，或者可能有错误。
在Linux下的库文件分为两大类，分别是动态链接库（常以.so结尾）和静态链接库（通常以.a结尾）；
默认情况下，GCC在连接时优先使用动态链接库，只有当动态链接库不存在是才考虑使用静态链接库；
若想直接使用静态链接库在编译时加上-static选项，强制使用静态链接库
GDB调试器
GDB 命令主要分为以下几类：
（1）工作环境相关命令
（2）设置断点与恢复命令
（3）源代码查看命令
（4）查看运行数据相关命令及修改运行参数命令
第五章 嵌入式Linux驱动开发
1. Linux设备驱动技术
（1）Linux设备驱动程序是操作系统内核和设备硬件之间的接口；
（2）设备驱动为应用程序屏蔽了硬件的细节
（3）在应用程序看来，硬件设备知识一个设备文件，可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作
（4）设备驱动程序由一些私有数据和一组函数组成，他是Linux内核的一部分。
设备驱动程序组成部分：
（1）初始化配置程序：初始化配置程序检测硬件存在与否，能不能正常工作，在可以正常工作的前提下初始化硬件
（2）I/O程序：用户控件函数通过I/O程序完成数据的通信，应用程序进行的系统条用由该部分程序完成。
（3）中断服务程序 中断服务程序是硬件产生中断后被内核调用的一段程序代码
Linux设备分类
操作系统的文件系统必须安装在块设备上
Linux内核模块
中断处理
在Linux驱动程序中，中断是非常重要的一部分。Linux内核吧中断服务程序分为两个部分：上半部（top half）和下半部（bottom half）。上半部被设计的短小精悍，大量复杂好使的工作由下半部去处理，以求得系统更高的吞吐量
top half 和 bottom half 最大的不同是下半部是可中断的，而上半部是不可中断的，下半部相对来说并不是非常紧急的，通常还是比较耗时的，因此由系统自行安排运行实际，不断在中断服务上下文中执行
并发控制
（1）并发：指两个以上执行单元同时。并行地执行
（2）互斥访问：指同一时刻有且只有一个执行单元可以访问共享资源
（3）临界区：指访问共享资源的程序代码
避免竞争必须互斥地访问共享资源，用某种互斥机制保护临界区
一般而言，自旋锁是和于保持时间非常短的情况，它可以在任何上下文使用；信号量适用于保持时间较长的情况，只能在进程上下文使用
如果被保护的共享资源需要在中断上下文访问，（包括底半部即中断处理句柄和顶半部即软中断），就必须使用自旋锁。
2. 设备驱动程序
设备驱动程序设计原则：设备驱动程序的功能在于提供机制而不是提供策略
机制指的是需要提供什么功能；策略指的是如何使用这些功能
Linux设备驱动程序功能
预定义和必要的头文件
驱动程序编译方式
有两种（1）编译进内核(kernel)
（2）编译成模块）（modules）
通常一个应用程序是从头到尾完成一个任务，而模块则是为了以后处理某些请求而注册自己，完成这个任务后它的“主”函数就立即中止了。
设备管理：
