從單片機到嵌入式，需要學(xué)習的知識

　　從單片機到嵌入式，我們應該了解什么?關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，在昨天的內容《從單片機到嵌入式，需要學(xué)點(diǎn)啥?(上篇)》，我們了解了C語(yǔ)言、單片機、CPU、按鍵、代碼。今天了解一下μC/OS-II操作系統和總線(xiàn)這兩部分。

　　操作系統認識初步——μC/OS-II

　　本節我們將對ucosII操作系統有個(gè)初步的認識，主要是從下面2個(gè)方面進(jìn)行講解：

　　1.UCOSII操作系統的簡(jiǎn)介

　　2.UCOSII操作系統組成部分

　　一、UCOSII操作系統的簡(jiǎn)介：

　　μC/OS-II 是一種基于優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統，包含了實(shí)時(shí)內核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步(信號量，郵箱，消息 隊列)和內存管理等功能。它可以使各個(gè)任務(wù)獨立工作，互不干涉，很容易實(shí)現準時(shí)而且無(wú)誤執行，使實(shí)時(shí)應用程序的設計和擴展變得容易，使應用程序的設計過(guò)程大為減化。

　　μC /OS-II是一個(gè)完整的、可移植、可固化、可裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內核。μC/OS-II絕大部分的代碼是用ANSI的C語(yǔ)言編寫(xiě)的，包含一小部分匯編代碼，使之可供不同架構的微處理器使用。至今，從8位到64位，μC/OS-II已在超過(guò)40種不同架構上的微處理器上運行。μC/OS-II已經(jīng)在世界范圍內得到廣泛應用，包括很多領(lǐng)域， 如手機、路由器、集線(xiàn)器、不間斷電源、飛行器、醫療設備及工業(yè)控制上。實(shí)際上，μC/OS-II已經(jīng)通過(guò)了非常嚴格的測試，并且得到了美國航空管 理局(Federal Aviation Administration)的認證，可以用在飛行器上。這說(shuō)明μC/OS-II是穩定可靠的，可用于與人性命攸關(guān)的安全緊要(safety critical)系統。除此以外，μC/OS-II 的鮮明特點(diǎn)就是源碼公開(kāi)，便于移植和維護。

　　二、UCOSII操作系統組成部分：

　　μC/OS-II可以大致分成核心、任務(wù)處理、時(shí)間處理、任務(wù)同步與通信，CPU的移植等5個(gè)部分。

　　1) 核心部分(OSCore.c)

　　是操作系統的處理核心，包括操作系統初始化、操作系統運行、中斷進(jìn)出的前導、時(shí)鐘節拍、任務(wù)調度、事件處理等多部分。能夠維持系統基本工作的部分都在這里。

　　2) 任務(wù)處理部分(OSTask.c)

　　任務(wù)處理部分中的內容都是與任務(wù)的操作密切相關(guān)的。包括任務(wù)的建立、刪除、掛起、恢復等等。因為μC/OS-II是以任務(wù)為基本單位調度的，所以這部分內容也相當重要。

　　3) 時(shí)鐘部分(OSTime.c)

　　μC/OS-II中的最小時(shí)鐘單位是timetick(時(shí)鐘節拍)。任務(wù)延時(shí)等操作是在這里完成的。

　　4) 任務(wù)同步和通信部分

　　為事件處理部分，包括信號量、郵箱、郵箱隊列、事件標志等部分;主要用于任務(wù)間的互相聯(lián)系和對臨界資源的訪(fǎng)問(wèn)。

　　5) 與CPU的接口部分

　　是指μC/OS-II針對所使用的CPU的移植部分。由于μC/OS-II是一個(gè)通用性的操作系統，所以對于關(guān)鍵問(wèn)題上的實(shí)現，還是需要根據具體CPU的具體內容和要求作相應的移植。這部分內容由于牽涉到SP等系統指針，所以通常用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。主要包括中斷級任務(wù)切換的底層實(shí)現、任務(wù)級任務(wù)切換的底層實(shí)現、時(shí)鐘節拍的產(chǎn)生和處理、中斷的相關(guān)處理部分等內容。

　　有了上面基礎，是不是感覺(jué)操作系統也不是那么深奧了!

　　總線(xiàn)，你知多少?

　　本節我們主要是從下面6個(gè)方面進(jìn)行講解：

　　1.總線(xiàn)的簡(jiǎn)單介紹

　　2.總線(xiàn)的原理

　　3.總線(xiàn)的特征

　　4.總線(xiàn)的分類(lèi)

　　5.總線(xiàn)的技術(shù)指標

　　6.傳輸數據可靠性

　　一、總線(xiàn)的簡(jiǎn)單介紹：

　　其實(shí)現實(shí)生活中也有很多總線(xiàn)的影子。比如從A地到B地，只能通過(guò)船來(lái)渡河，并且船一次只能承載一個(gè)人，這時(shí)候，如果大家蜂擁而上，那么大家都會(huì )掉到河里去，輕則都去不了，重則出現死亡。這時(shí)，我們可以通過(guò)分時(shí)來(lái)實(shí)行，比如多少點(diǎn)是誰(shuí)坐船過(guò)去，人之間的先后順序如何排序等。這就不知道不覺(jué)中運用了總線(xiàn)的時(shí)分系統傳輸性質(zhì)。

　　隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，現在總線(xiàn)不僅僅局限于時(shí)分。還有頻分系統、相分系統和碼分系統等。只要認真分析，抓住本質(zhì)東西，總線(xiàn)不是大家想象的那么難理解。

　　二、總線(xiàn)原理

　　如果說(shuō)主板(Mother Board)是一座城市，那么總線(xiàn)就像是城市里的公共汽車(chē)(bus)，能按照固定行車(chē)路線(xiàn)，傳輸來(lái)回不停運作的比特(bit)。這些線(xiàn)路在同一時(shí)間內都僅能負責傳輸一個(gè)比特。因此，必須同時(shí)采用多條線(xiàn)路才能傳送更多數據，而總線(xiàn)可同時(shí)傳輸的數據數就稱(chēng)為寬度(width)，以比特為單位，總線(xiàn)寬度愈大，傳輸性能就愈佳?？偩€(xiàn)的帶寬(即單位時(shí)間內可以傳輸的總數據數)為：總線(xiàn)帶寬 = 頻率 x 寬度(Bytes/sec)。當總線(xiàn)空閑(其他器件都以高阻態(tài)形式連接在總線(xiàn)上)且一個(gè)器件要與目的器件通信時(shí)，發(fā)起通信的器件驅動(dòng)總線(xiàn)，發(fā)出地址和數據。其他以高阻態(tài)形式連接在總線(xiàn)上的器件如果收到(或能夠收到)與自己相符的地址信息后，即接收總線(xiàn)上的數據。發(fā)送器件完成通信，將總線(xiàn)讓出(輸出變?yōu)楦咦钁B(tài))。

　　目前最常見(jiàn)的主要有時(shí)分多路復用、頻分多路復用和碼分多路復用等。

　　1.時(shí)分多路復用(TDMA)

　　時(shí)分復用是將信道按時(shí)間加以分割成多個(gè)時(shí)間段，不同來(lái)源的信號會(huì )要求在不同的時(shí)間段內得到響應，彼此信號的傳輸時(shí)間在時(shí)間坐標軸上是不會(huì )重疊。

　　2.頻分多路復用(FDMA)

　　頻分復用就是把信道的可用頻帶劃分成若干互不交疊的頻段，每路信號經(jīng)過(guò)頻率調制后的頻譜占用其中的一個(gè)頻段，以此來(lái)實(shí)現多路不同頻率的信號在同一信道中傳輸。而當接收端接收到信號后將采用適當的帶通濾波器和頻率解調器等來(lái)恢復原來(lái)的信號。

　　3.碼分多路復用(CDMA)

　　碼分多路復用是所被傳輸的信號都會(huì )有各自特定的標識碼或地址碼，接收端將會(huì )根據不同的標識碼或地址碼來(lái)區分公共信道上的傳輸信息，只有標識碼或地址碼完全一致的情況下傳輸信息才會(huì )被接收。

　　總線(xiàn)的通信協(xié)議

　　對于總線(xiàn)的學(xué)習，了解其通訊協(xié)議是整個(gè)過(guò)程中最關(guān)鍵的一步，所有介紹總線(xiàn)技術(shù)的資料都會(huì )花很大的篇幅來(lái)描述其協(xié)議，特別是ISO/OSI的那七層定義。其實(shí)要了解一種總線(xiàn)的協(xié)議，最主要的就是去了解總線(xiàn)的幀數據每一位所代表的特性和意義，總線(xiàn)各節點(diǎn)間有效數據的收發(fā)都是通過(guò)各節點(diǎn)對幀數據位或段的判斷和確信來(lái)得以實(shí)現。

　　如圖1所示是常見(jiàn)的I2C總線(xiàn)上傳輸的一字節數據的數據幀，其總線(xiàn)形式是由數據線(xiàn)SDA和時(shí)鐘SCL構成的雙線(xiàn)制串行總線(xiàn)，并接在總線(xiàn)上的電路模塊即可作為發(fā)送器(主機)又可作為接收器(從機)。幀數據中除了控制碼(包括從機標識碼和訪(fǎng)問(wèn)地址碼)與數據碼外還包括起始信號、結束信號和應答信號。

　　起始信號：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開(kāi)始傳送數據。

　　控制碼：用來(lái)選澤操作目標與對象，即接通需要控制的電路，確定控制的種類(lèi)對象。在讀期間，也即SCL時(shí)鐘線(xiàn)處于時(shí)鐘脈沖高電平時(shí)，SDA上的數據位不會(huì )跳變。

　　數據碼：是主機向從機發(fā)送的具體的有用的數據(如對比度、亮度等)和信息。在讀期間，SDA上的數據位不會(huì )跳變。

　　應答信號：接收方收到8bit數據后，向發(fā)送方發(fā)出特定的低電平。讀/寫(xiě)的方向與其它數據位正好相反，也即是由從機寫(xiě)出該低電平，主機來(lái)讀取該低電平。

　　結束信號：SCL為高電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變表示數據幀傳輸結束。

　　當然不同的總線(xiàn)其數據位或段的定義肯定不同，但依據同樣的原理可以更快的去了解它的協(xié)議的特性和特點(diǎn)。雖然其信息幀的大小不一，但具體的某一數據位或數據段都類(lèi)似于本文所提及的I2C總線(xiàn)，會(huì )依據它的協(xié)議的要求來(lái)定義它所達標的意義和功能。

　　三、總線(xiàn)的特征

　　由于總線(xiàn)是連接各個(gè)部件的一組信號線(xiàn)。通過(guò)信號線(xiàn)上的信號表示信息，通過(guò)約定不同信號的先后次序即可約定操作如何實(shí)現。

　　總線(xiàn)的特性如下

　　(1)物理特性：

　　物理特性又稱(chēng)為機械特性，指總線(xiàn)上部件在物理連接時(shí)表現出的一些特性，如插頭與插座的幾何尺寸、形狀、引腳個(gè)數及排列順序等。

　　(2)功能特性：

　　功能特性是指每一根信號線(xiàn)的功能，如地址總線(xiàn)用來(lái)表示地址碼。數據總線(xiàn)用來(lái)表示傳輸的數據，控制總線(xiàn)表示總線(xiàn)上操作的命令、狀態(tài)等。

　　(3)電氣特性：

　　電氣特性是指每一根信號線(xiàn)上的信號方向及表示信號有效的電平范圍，通常，由主設備(如CPU)發(fā)出的信號稱(chēng)為輸出信號(OUT)，送入主設備的信號稱(chēng)為輸入信號(IN)。通常數據信號和地址信號定義高電平為邏輯1、低電平為邏輯0，控制信號則沒(méi)有俗成的約定，如WE表示低電平有有效、Ready表示高電平有效。不同總線(xiàn)高電平、低電平的電平范圍也無(wú)統一的規定，通常與TTL是相符的。

　　(4)時(shí)間特性：

　　時(shí)間特性又稱(chēng)為邏輯特性，指在總線(xiàn)操作過(guò)程中每一根信號線(xiàn)上信號什么時(shí)候有效，通過(guò)這種信號有效的時(shí)序關(guān)系約定，確保了總線(xiàn)操作的正確進(jìn)行。

　　為了提高計算機的可拓展性，以及部件及設備的通用性，除了片內總線(xiàn)外，各個(gè)部件或設備都采用標準化的形式連接到總線(xiàn)上，并按標準化的方式實(shí)現總線(xiàn)上的信息傳輸。而總線(xiàn)的這些標準化的連接形式及操作方式，統稱(chēng)為總線(xiàn)標準。如ISA、PCI、USB總線(xiàn)標準等，相應的，采用這些標準的總線(xiàn)為ISA總線(xiàn)、PCI總線(xiàn)、USB總線(xiàn)等。

　　四、總線(xiàn)的分類(lèi)

　　總線(xiàn)按功能和規范可分為五大類(lèi)型:

　　數據總線(xiàn)(Data Bus)：在CPU與RAM之間來(lái)回傳送需要處理或是需要儲存的數據。

　　地址總線(xiàn)(Address Bus)：用來(lái)指定在RAM(Random Access Memory)之中儲存的數據的地址。

　　控制總線(xiàn)(Control Bus)：將微處理器控制單元(Control Unit)的信號，傳送到周邊設備，一般常見(jiàn)的為 USB Bus和1394 Bus。

　　擴展總線(xiàn)(Expansion Bus)：可連接擴展槽和電腦。

　　局部總線(xiàn)(Local Bus)：取代更高速數據傳輸的擴展總線(xiàn)。

　　按照傳輸數據的方式劃分，可以分為串行總線(xiàn)和并行總線(xiàn)。

　　串行總線(xiàn)中，二進(jìn)制數據逐位通過(guò)一根數據線(xiàn)發(fā)送到目的器件;并行總線(xiàn)的數據線(xiàn)通常超過(guò)2根。常見(jiàn)的串行總線(xiàn)有SPI、I2C、USB及RS232等。

　　按照時(shí)鐘信號是否獨立，可以分為同步總線(xiàn)和異步總線(xiàn)。

　　同步總線(xiàn)的時(shí)鐘信號獨立于數據，而異步總線(xiàn)的時(shí)鐘信號是從數據中提取出來(lái)的。SPI、I2C是同步串行總線(xiàn)，RS232采用異步串行總線(xiàn)。

　　五、總線(xiàn)的技術(shù)指標

　　1、總線(xiàn)的帶寬(總線(xiàn)數據傳輸速率)

　　總線(xiàn)的帶寬指的是單位時(shí)間內總線(xiàn)上傳送的數據量，即每鈔鐘傳送MB的最大穩態(tài)數據傳輸率。與總線(xiàn)密切相關(guān)的兩個(gè)因素是總線(xiàn)的位寬和總線(xiàn)的工作頻率，它們之間的關(guān)系：

　　總線(xiàn)的帶寬=總線(xiàn)的工作頻率*總線(xiàn)的位寬/8

　　或者 總線(xiàn)的帶寬=(總線(xiàn)的位寬/8 )/總線(xiàn)周期

　　2、總線(xiàn)的位寬

　　總線(xiàn)的位寬指的是總線(xiàn)能同時(shí)傳送的二進(jìn)制數據的位數，或數據總線(xiàn)的位數，即32位、64位等總線(xiàn)寬度的概念?？偩€(xiàn)的位寬越寬，每秒鐘數據傳輸率越大，總線(xiàn)的帶寬越寬。

　　3、總線(xiàn)的工作頻率

　　總線(xiàn)的工作時(shí)鐘頻率以MHZ為單位，工作頻率越高，總線(xiàn)工作速度越快，總線(xiàn)帶寬越寬。

　　六、傳輸數據可靠性

　　可靠性是評定總線(xiàn)最關(guān)鍵的參數，沒(méi)有可靠性，傳輸的數據都是錯誤的信息，便就失去了總線(xiàn)的實(shí)際意義。為了提高總線(xiàn)的可靠性，通常采用的措施有：

　　采用數據幀發(fā)送前發(fā)送器對總線(xiàn)進(jìn)行偵聽(tīng)，只有偵聽(tīng)到總線(xiàn)處于空閑狀態(tài)下時(shí)才可向總線(xiàn)傳送數據幀，這樣避免了不同節點(diǎn)的數據沖突。

　　采用雙絞線(xiàn)差分信號來(lái)傳送數據，以降低單線(xiàn)的電壓升降幅度，減小信號的邊沿產(chǎn)生的高次諧波。

　　適當的讓數據的邊沿具有一定的斜坡。

　　增加匹配電阻和電容等來(lái)減少總線(xiàn)上信號的發(fā)射和平衡總線(xiàn)上的分布電容等。

　　采用合適的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構和屏蔽技術(shù)等來(lái)減少受其他信號的干擾。

　　還有就是在軟件上通過(guò)數字濾波、數據校驗糾錯等措施來(lái)提高數據傳輸的可靠性。

　　看了上面的是不是對總線(xiàn)沒(méi)有那么陌生了，感覺(jué)總線(xiàn)沒(méi)有那么恐怖了!