微小型机器人.ppt
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控制等方面深刻机理。
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与世界明星象人一样在家照看老人、护理病人?
与世界明星足球队一起踢球?
足球队一起踢球?
l象蛇一样爬行在狭窄管道进行维修,穿越在废墟象蛇一样爬行在狭窄管道进行维修,穿越在废墟中寻找幸存生命?
中寻找幸存生命?
l象飞鸟一样翱翔天空,象小蜜蜂一样观测花朵?
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l象鱼类一样高效机动游动?
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这种希望能实现吗?
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这么样关键技术突破才能实现?
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嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人仿人形(富士、东京、本田、索尼、日本计划、德国)仿人形(富士、东京、本田、索尼、日本计划、德国)嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人仿生动物(蟒蛇、水蛇、行为、蚂蚁)仿生动物(蟒蛇、水蛇、行为、蚂蚁)嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人v扑翼式飞行器扑翼式飞行器嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人水下仿生(鱼、两栖、海豚、船舶)水下仿生(鱼、两栖、海豚、船舶)微小型武器系统微小型武器系统微小型机器人需求背景嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人科学研究意义科学研究意义现代战争的启示现代战争的启示美国研究计划美国研究计划嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人1、战争形态的演变、战争形态的演变战争目的的演变(经济、制约,战争目的的演变(经济、制约,而不是领土)而不是领土)战争攻击对象的演变(城市、战争攻击对象的演变(城市、港口、百姓与敌方混和)港口、百姓与敌方混和)战争手段的演变(远程、空降、战争手段的演变(远程、空降、小分队、侦察攻击)小分队、侦察攻击)嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人应应用用:
由由于于危危险险作作业业机机器器人人具具有有微微小小型型、低低成成本本、隐隐蔽蔽性性好好、快快速速反反应应、机机动动性性高高、生生存存能能力力特特别别强强等等特特点点,有有可可能能引引起起未未来来战战场场产产生生神神奇奇的的变变革革以以小小胜胜大大,草草木木皆皆兵,防不胜防。
兵,防不胜防。
11)侦察)侦察微型电子干扰飞行器行器微型电子干扰飞行器器敌方敌方雷达与导弹雷达与导弹运载飞机运载飞机22)近距离电子干扰)近距离电子干扰嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人11)侦察)侦察22)近距离监测)近距离监测嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人美国美国STTRSTTR计划机器人计划机器人“龙虾龙虾”美国水下自主扫雷美国水下自主扫雷“机器蟹机器蟹”(长(长5656厘米,重厘米,重10.410.4千克,承载千克,承载3.173.17千克,由近海登陆艇控制)千克,由近海登陆艇控制)美国海军机器人章鱼(由潜艇或水面舰船控制发射,美国海军机器人章鱼(由潜艇或水面舰船控制发射,用于浅用于浅海水域作战)海水域作战)德国、英国以及挪威都在研究体积小、重量轻、成本低,并且德国、英国以及挪威都在研究体积小、重量轻、成本低,并且可以大量携带的一次性使用微小型扫雷武器可以大量携带的一次性使用微小型扫雷武器美国美国DARPADARPA正在进一步资助这正在进一步资助这方面研究,方面研究,计划进一步研究样机,计划进一步研究样机,在今后的在今后的55至至66年内装备部队年内装备部队英国皇家海军正在开展仿生机器鱼推进机理研究英国皇家海军正在开展仿生机器鱼推进机理研究嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人美国美国DARPA微小型武器系统最大的支持者微小型武器系统最大的支持者共共设设7个个处处:
国防技术处国防技术处特殊项目处特殊项目处信息系统处信息系统处信息技术处信息技术处战术技术处战术技术处微系统技术处微系统技术处先进技术处先进技术处嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人国外专业实验室国外专业实验室美国美国iROBOT实验室是在美国处于领先地位的实验室是在美国处于领先地位的微小型仿生技术研究开发重点实验室之一。
微小型仿生技术研究开发重点实验室之一。
重点研究开发面向微小型仿生机器人的高机动重点研究开发面向微小型仿生机器人的高机动性、人机交互、多机器人协作算法、人工智能技术性、人机交互、多机器人协作算法、人工智能技术等核心技术,并也支持研究开发具有军事应用前景等核心技术,并也支持研究开发具有军事应用前景的扫雷、侦察、监视及处理对人体有毒害垃圾等系的扫雷、侦察、监视及处理对人体有毒害垃圾等系统样机。
统样机。
嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人另外,还有美国另外,还有美国DRAPER实验室,它起源于实验室,它起源于20世世纪纪30年代由年代由惯性导航之父惯性导航之父CharlesStarkDraper博博士创立的一个发展角运动及直线运动精确测量仪士创立的一个发展角运动及直线运动精确测量仪器的器的MIT教学实验室,后来主要研究发展和应用教学实验室,后来主要研究发展和应用先进制导、导航及控制先进制导、导航及控制(GN&C)关键技术,应用于关键技术,应用于军用和民用的飞行器、潜器、战术战略导弹、太军用和民用的飞行器、潜器、战术战略导弹、太空飞行器、无人交通工具等。
空飞行器、无人交通工具等。
还有美国还有美国CMU大学机器人研究所、美国大学机器人研究所、美国MIT船舶船舶工程实验室和人工智能技术实验室、美国工程实验室和人工智能技术实验室、美国JPL实实验室等。
验室等。
嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人3、发展的动力、发展的动力微微小小型型仿仿生生武武器器平平台台以以其其机机动动灵灵活活、快快速速响响应应、高高度度智智能能的的特特征征而而正正成成为为高高科科技技环环境境下下局局部部战战争争和快速作战任务的新宠。
和快速作战任务的新宠。
低成本、可重构、可隐蔽的微小型仿生军用武器低成本、可重构、可隐蔽的微小型仿生军用武器系统,体积小,重量轻,便于携带,可通过大批系统,体积小,重量轻,便于携带,可通过大批量投射、空投或人工施放的方式将其布置在作战量投射、空投或人工施放的方式将其布置在作战区域。
区域。
例如,在美国每个军用仓库采用一台室内型例如,在美国每个军用仓库采用一台室内型探探测测机器人,机器人,1010年中总共节约年中总共节约3535亿美元亿美元.因此因此探测探测机器人的市场潜力是巨大的。
机器人的市场潜力是巨大的。
嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人嵌入式与机器人定义微小型武器系统微小型武器系统嵌入式新技术是后嵌入式新技术是后PC时代的技术春天时代的技术春天事实上,嵌入式技术无处不在。
事实上,嵌入式技术无处不在。
当我们满怀憧憬与希望跨入当我们满怀憧憬与希望跨入21世纪大门的时候,计算机世纪大门的时候,计算机技术也开始进入一个被称为后技术也开始进入一个被称为后PC技术的技术的春天。
春天。
我们不仅拥有那种放在桌上处理文档、进行工作管理和我们不仅拥有那种放在桌上处理文档、进行工作管理和生产控制的计算机生产控制的计算机“机器机器”,而且一个普通人也可能拥有从,而且一个普通人也可能拥有从大到小的各种使用嵌入式技术的电子产品,小到大到小的各种使用嵌入式技术的电子产品,小到MP3、PDA、手机、智能玩具等微型数字化产品,大到网络家电、智能家手机、智能玩具等微型数字化产品,大到网络家电、智能家电、车载电子设备等。
电、车载电子设备等。
在工业和服务领域中,大量嵌入式技术也已经应用于工在工业和服务领域中,大量嵌入式技术也已经应用于工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业,正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。
各个行业,正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。
嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术研究的应用嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人家用方面:
数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。
嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人家庭智能管理系统嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人智能玩具与机器人智能玩具与机器人智能玩具与机器人智能玩具与机器人嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人工业方面:
机床、冶金、电子、交通、航空航天等行业技术升级的重要基础;嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人基于VXworks的火星探路者嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人社会发展方面:
嵌入式Internet应用嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术刺激了许多新的应用需求消费电子消费电子嵌入式应用嵌入式应用信息家电信息家电智能玩具智能玩具军事电子军事电子通信设备通信设备移动存贮移动存贮工控设备工控设备智能仪表智能仪表汽车电子汽车电子网络设备网络设备工业工业军事国防军事国防电子商务电子商务网络网络嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人嵌入式系统的定义嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。
一个手持的MP3和一个PC104的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。
嵌入式系统已经有了近30年的发展历史,它是硬件和软件交替发展的双螺旋式发展。
最早的单片机是Intel公司的8048,它出现在1976年Motorola同时推出了68HC05,Zilog公司推出了Z80系列,这些早期的单片机均含有256字节的RAM、4K的ROM、4个8位并口、1个全双工串行口、两个16位定时器。
之后在80年代初,Intel又进一步完善了8048,在它的基础上研制成功了8051。
嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人1981年ReadySystem发展了世界上第1个商业嵌入式实时内核(VTRX32)包含了许多传统操作系统的特征,包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。
随后,出现了如IntegratedSystemIncorporation(ISI)的PSOS、IMG的VxWorks、QNX公司的QNX等,PalmOS,WinCE,嵌入式Linux,Lynx,uCOS、Nucleux,以及国内的Hopen、DeltaOS等嵌入式操作系统。
今天RTOS已经在全球形成了1个产业,根据美国EMF(电子市场分析)报告,1999年全球RTOS市场产值达3.6亿美元,而相关的整个嵌入式开发工具(包括仿真器、逻辑分析仪、软件编译器和调试器)则高达9亿美元。
嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人IEEE定义根据IEEE(国际电气和电子工程师协会)的定义:
嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”(原文为devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants)。
可以看出此定义是从应用上考虑的,嵌入式系统是软件和硬件的综合体,还可以涵盖机电等附属装置。
嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人一般定义“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。
”嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人嵌入式系统定义要素专用计算机系统(非PC智能电子设备)以应用为中心以计算机技术为基础软件硬件可裁剪适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求知识集成应用系统(CSEA)技术密集资金密集高度分散不可垄断面向应用不断创新嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人嵌入式系统的分类按表现形式分:
(硬件范畴)芯片级嵌入(含程序或算法的处理器)模块级嵌入(系统中的某个核心模块)系统级嵌入按实时性要求分:
(软件范畴)非实时系统(PDA)软实时系统(消费类产品)硬实时系统(导引头等工业和军工系统)嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人嵌入式硬件平台及分类嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人嵌入式处理器系统嵌入式处理器各种类型存储器模拟电路及电源接口控制器及接插件嵌入式软件系统实时操作系统(RTOS)板级支持包(BSP)设备驱动(DeviceDriver)协议栈(ProtocolStack)应用程序(Application)嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人嵌入式处理器嵌入式处理器的发展趋势经济性(成本)微型化(封装、功耗)智能化(功能、速度)嵌入式处理器的分类和现状微控制器(MCU)微处理器(MPU)数字信号处理器(DSP)混合处理器和片上系统(SOC)可编程片上系统(SOPC)嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人从硬件方面目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种,流行体系结构包括MCU,MPU等30多个系列。
从单片机、DSP到FPGA有着各式各样的品种,速度越来越快,性能越来越强,价格也越来越低。
根据其现状,嵌入式处理器可以分成下面几类:
嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人嵌入式微处理器分类嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人
(1)、嵌入式微控制器(MCU)嵌入式微控制器的典型代表是单片机这种位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。
单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设。
嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人微控制器的最大特点是单片化,体积大大减小,从而使功耗和成本下降、可靠性提高。
微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。
微控制器的片上外设资源一般比较丰富,适合于控制,因此称为微控制器。
嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人由于MCU低廉的价格,优良的功能,所以拥有的品种和数量最多,比较有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及MCU8XC930/931、C540、C541,并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。
近来Atmel推出的AVR单片机由于其集成了FPGA等器件,所以具有很高的性价比,势必将推动单片机获得更高的发展。
嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人
(2)、嵌入式数字信号处理器(DSP)DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器,其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计,在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。
DSP的理论算法在70年代就已经出现,但是由于专门的DSP处理器还未出现,所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。
1982年世界上诞生了首枚DSP芯片,在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。
DSP的运算速度进一步提高,应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。
目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2000/C5000系列,另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。
嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的,8038680387与计算机处理器不同的是,在实际嵌入式应用中,只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件,去除其他的冗余功能部分,这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。
(3)、嵌入式微处理器(MicroProcessorUnit)嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人和工业控制计算机相比,嵌入式微处理器具有体积和工业控制计算机相比,嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。
目前主要的小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。
目前主要的嵌入式处理器类型有嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等系列等嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人SoC就是SystemonChip,SoC嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。
它结合了许多功能区块,将功能做在一个芯片上,像是ARMRISC、MIPSRISC、DSP或是其他的微处理器核心,加上通信的接口单元,像是万用串行端口(USB)、TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝牙模块接口等等,这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。
(4)、嵌入式片上系统(SystemOnChip)嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人SoC嵌入式系统微处理器所具有的其他的好处可以分为下列几点:
利用改变内部工作电压,降低芯片功耗。
减少芯片对外管脚数,简化制造过程。
减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递,可以加快微处理器数据处理的速度。
内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成系统杂讯。
嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人典型的嵌入式微处理器(MPU)ARM/StrongARMARM(AdvancedRISCMachines)公司是全球领先的16/32位RISC微处理器知识产权设计供应商。
ARM公司通过转让它的高性能、低成本、功耗低的RISC微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴来生产各具特色的芯片。
ARM公司已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的RISC标准。
ARM处理器有三大特点:
1).小体积、低功耗、低成本而高性能;2).16/32位双指令集;3).全球众多的合作伙伴。
嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人ARMARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和SecurCore。
其中ARM7是低功耗的32位核,最适合应用于对价位和功耗敏感的产品,它又分为应用于实时环境的ARM7TDMI、ARM7TDMI-S,以及适用于开放平台的ARM720T和适用于DSP运算及支持Java的ARM7EJ等。
ARM7主要在PDA、手持仪器仪表,ARM9、ARM10主要在NC、TFT。
嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人嵌入式软件平台及分类实时操作系统(RTOS)RTOS的基本特征:
高效的任务管理1.支持多任务2.优先级管理3.任务调度:
基于优先级的抢占式调度、时间片轮转调度的算法4.支持快速而确定的上下文切换快速灵活的任务间通信1.信号量:
二进制、互斥、计数器2.通信机制:
消息队列、管道等高度的可剪裁性动态链接与部件增量加载快速有效的中断和异常事件处理优化的浮点支持动态内存管理系统时钟和定时器几种最常见的几种最常见的RTOS:
软实时软实时RTOS嵌入式嵌入式LinuxWinCE硬实时硬实时RTOSVxWorksOSENuclear著名的著名的openRTOSucOS/IIRTEMS自主知识产权的自主知识产权的RTOSHOPENDeltaOS嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人嵌入式软件开发工具开发工具编译器(Compiler)调试器(InCircuitEmulator)软仿真(Simulator)集成开发环境(IDE)典型的商业开发工具及供应商Windriver公司的TornadoforVxWorksMontVisa公司的HardHatLinux开发工具包AMC公司的SuperTAP调试器免费开发工具GNU系列开发工具Wiggler调试器嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人实时嵌入式操作系统的种类繁多,大体上可分为两种,商用型和免费型。
商用型的实操作系统功能稳定、可靠,有完善的技术支持和售后服务,但往往价格昂贵。
免费型的实时操作系统在价格方面具有优势,目前主要有Linux和C/OS,稳定性与服务性存在挑战。
嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人VxWorksVxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统(RTOS),具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境,在嵌入式实时操作系统领域牢牢占据着一席之地。
VxWorks所具有的显著特点是:
可靠性、实时性和可裁减性。
它支持多种处理器,如x86、i960、SunSparc、MotorolaMC68xxx、MIPS、POWERPC等等。
大多数的VxWorksAPI是专有的,火星机器人。
嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人WindowsEmbeddedWindowsCE3.0:
一种针对小容量、移动式、智能化、32位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统。
针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台,WindowsCE嵌入但不够实时,属于软实时操作系统,目前也开始中文手机的研究开发。
由于其Windows背景,界面比较统一认可。
操作系统的基本内核需要至少200K的ROM。
嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人PalmOSPalmOS是著名的网络设备制造商3COM旗下的PalmComputing掌上电脑公司的产品。
3COM、CISCO竞争PalmOS在PDA市场上占有很大的市场份额,PalmOS的市场份额占到将近90%,最近下降70,目前主要与WINCE进行激烈竞争。
嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人嵌入式Linux嵌入式系统越来越追求数字化、网络化和智能化。
因此原来在某些设备或领域中占主导地位的软件系统越来越难以为继,整个系统必须是开放的、提供标准的API,并且能够方便地与众多第三方的软硬件沟通。
Linux是开放源码的,不存在黑箱技术,遍布全球的众多Linux爱好者又是Linux开发的强大技术后盾。
Linux的内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、效率高,易于定制剪裁,在价格上极具竞争力。
Linux不仅支持x86CPU,还可以支持其他数十种CPU芯片。
嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人Linux还不过是个10岁的小孩子,它源于一位芬兰大学生LinusTorvalds的课余作品。
当时,LinusTorvalds正在学习计算机科学家AndrewS.Tanenbaum开发的Minix操作系统,但发现Minix的功能很不完善,于是就编写了一个保护模式下的操作系统,这就是Linux的原型。
最开始,Linux被定位于黑客用的操作系统,并被放至FTP服务器上供人们自由下载。
嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人嵌入式实时内核C/OSuC/OS与Linux一样,是一款公开源代码的免费实时内核;uC/OS已在各个领域得到了广泛的应用uC/OS的特点:
具有RTOS的具有的基本性能;代码尺寸小,结构简明;易学、易移植;嵌入式技术与微小型机器人嵌入式技术与微小型机器人COS不但提供了一个完整的嵌入式实时内核的源代码,而且对这些代码的细节作了详尽的解释,它不仅告诉读者这个实时内核是怎么写的,还解释了为什么要这样写。
而商业上的实时操作系统软件不但价格昂贵(一般都在5千到2万美元的价位上),而且其中很多都是所谓黑盒子,即不提供源代码。
源代码的绝大部分是用C语言写的,经过简单的编译,读者就能在PC机上运行,边读书、边实践。
由于用汇编语言写的部分只有200行左右,该实时内核可以方便地移植到几乎所有的嵌入式应用类CPU上。
移植范例的源代码可以从因特网上下载。
从最老版本的实时内核COS,以及后来的C/OS,到新版本的C/OS-II,已经有8年的历史。
8年来,许多行业上都有成功应用该实时源代码.实时内核移植.内核实时内核的实例,这些应用的实践是该内核
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