嵌入式操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)

1、嵌入式操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)1、嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的定義是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其在工業(yè)制造、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等方面具有廣泛的應(yīng)用。其組成結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖1-1 嵌入式系統(tǒng)2、嵌入式軟件的分類Ø 嵌入式操作系統(tǒng)：嵌入式操作系統(tǒng)EOS（Embedded Operating System）是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，過去它主要用于工業(yè)控制和國(guó)防系統(tǒng)領(lǐng)域。EOS負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度工作，控制協(xié)調(diào)并發(fā)活動(dòng)，它必須體現(xiàn)其

2、所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模來達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能。目前國(guó)際上著名的嵌入式操作系統(tǒng)有Windows CE、Palm OS、Linux、VxWorks、pSOS、QNX、OS-9、LynxxOS等。我國(guó)嵌入式操作系統(tǒng)起步較晚，國(guó)內(nèi)類似產(chǎn)品主要是基于自主版權(quán)的Linux操作系統(tǒng)，其中以中軟Linux、紅旗Linux、東方Linux為代表。Ø 嵌入式支撐軟件：支撐軟件是幫助和支持軟件開發(fā)的軟件，通常包括數(shù)據(jù)庫和開發(fā)工具，期中以數(shù)據(jù)庫最為重要。嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫（簡(jiǎn)稱移動(dòng)數(shù)據(jù)庫EMDBS）是支持移動(dòng)計(jì)算或某種特定計(jì)算模式的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與操作系統(tǒng)、具體應(yīng)用集成在一起，運(yùn)行在各

3、種智能性嵌入設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備上。國(guó)際上主要的嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有Sybase、Oracle等。我國(guó)嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以東軟集團(tuán)研究開發(fā)出的嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)OpenBASE Mini為代表。Ø 嵌入式應(yīng)用軟件：嵌入式應(yīng)用軟件是針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域，基于某一固定的硬件平臺(tái)，用來達(dá)到用戶預(yù)期目標(biāo)的計(jì)算機(jī)軟件。由于用戶任務(wù)可能有時(shí)間和精度上的要求，因此有些嵌入式應(yīng)用軟件需要特定的嵌入式操作系統(tǒng)的支持。嵌入式應(yīng)用軟件和普通應(yīng)用軟件有一定的區(qū)別，它不僅要求其準(zhǔn)確性、安全性和穩(wěn)定性等方面能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需要，而且要盡可能的進(jìn)行優(yōu)化，以減少對(duì)系統(tǒng)資源的消耗，降低硬件成本。目前我國(guó)市場(chǎng)上出現(xiàn)了格式各樣的

4、嵌入式應(yīng)用軟件，包括瀏覽器、Email軟件、文字處理軟件、通訊軟件、多媒體軟件、個(gè)人信息處理軟件、智能人機(jī)交互軟件、各種行業(yè)應(yīng)用軟件等。本文中主要針對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)。3、嵌入式操作系統(tǒng)的特征嵌入式操作系統(tǒng)復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度工作，控制協(xié)調(diào)并發(fā)，因此它必須體現(xiàn)所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能。嵌入式操作系統(tǒng)具有如下一些特征：Ø 小巧：嵌入式系統(tǒng)所能提供的資源有限，所以嵌入式操作系統(tǒng)必須做到小巧以滿足嵌入式系統(tǒng)硬件的限制。Ø 實(shí)時(shí)性：大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)工作在實(shí)時(shí)性要求較高的環(huán)境中，因此嵌入式操作系統(tǒng)必須將實(shí)時(shí)性作為一個(gè)重要指標(biāo)來考

5、慮。Ø 可裝卸：由于嵌入式系統(tǒng)需要根據(jù)應(yīng)用的要求進(jìn)行裝卸，所以iqianrushi操作系統(tǒng)也必須能夠跟用應(yīng)用的要求進(jìn)行裝卸，去掉多余的部分或簡(jiǎn)化相應(yīng)模塊。Ø 固話代碼：在嵌入式系統(tǒng)中，嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件被固化在嵌入式系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的ROM中。Ø 弱交互性：大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的工作過程不需要人的干預(yù)。嵌入式操作系統(tǒng)的用戶接口一般不提供操作命令，它通過系統(tǒng)調(diào)用命令向用戶程序提供服務(wù)。Ø 強(qiáng)穩(wěn)定性：嵌入式系統(tǒng)一旦開始運(yùn)行，就不需要過多的干預(yù)。在這種條件下，要求負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理的嵌入式操作系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。Ø 統(tǒng)一的接口：隨著各種各樣嵌入式操作系統(tǒng)的出

6、現(xiàn)，人們有必要為嵌入式系統(tǒng)提供的接口進(jìn)行約定，為嵌入式應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)者提供統(tǒng)一的服務(wù)接口，為嵌入式應(yīng)用軟件的運(yùn)行提供平臺(tái)的無關(guān)性。4、幾種常見的嵌入式操作系統(tǒng) 在本文中將只對(duì)目前應(yīng)用較多的Linux、Windows CE、VxWorks進(jìn)行介紹。4.1 Linux嵌入式Linux是將Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪修改，使之能在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行的一種操作系統(tǒng)。嵌入式Linux既繼承了Internet上無限的開放源代碼資源，又具有嵌入式操作系統(tǒng)的特性。嵌入式Linux的特點(diǎn)是版權(quán)費(fèi)免費(fèi)、性能優(yōu)異、軟件移植容易、代碼開放、有許多應(yīng)用軟件支持、產(chǎn)品開發(fā)周期短等特性。嵌入式Linux的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，其

7、主要應(yīng)用領(lǐng)域有信息家電、P、機(jī)頂盒、數(shù)字電話（Digital Telephone）、錄音電話（Answering Machine）、熒屏電話（Screen Machine）、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、路由器、橋接器、ATM、遠(yuǎn)程通信、醫(yī)療電子、交通運(yùn)輸計(jì)算機(jī)外設(shè)、航空航天領(lǐng)域等。Linux做嵌入式具有如下優(yōu)勢(shì)：Ø Linux是開放源代碼的，不存在黑箱技術(shù)，遍布全球的眾多Linux愛好者又是Linux開發(fā)者的強(qiáng)大技術(shù)支持；Ø Linux的內(nèi)核小，效率高，內(nèi)核的更新速度快，Linux是可以制定的，其內(nèi)核大小只有約134KB；Ø Linux是免費(fèi)的操作系統(tǒng)，在價(jià)格上極具競(jìng)爭(zhēng)力。Linu

8、x還有著嵌入式操作系統(tǒng)是一個(gè)跨平臺(tái)的系統(tǒng)，它可以支持二三十種CPU，而且性能穩(wěn)定，裁剪性好，開發(fā)和使用都很容易。同時(shí)，Linux內(nèi)核的結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)方面非常完整，Linux對(duì)網(wǎng)絡(luò)中最常用的TCP/IP協(xié)議具有完備的支持，提供了包括十兆、百兆、千兆的以太網(wǎng)絡(luò)，以及無線網(wǎng)絡(luò)。Linux也很適于做信息家電的開發(fā)。4.2 Window CEWindows CE（Windows Embedded Compact）是微軟公司嵌入式、移動(dòng)計(jì)算機(jī)平臺(tái)的基礎(chǔ)，它是一個(gè)開放的、可升級(jí)的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作系統(tǒng)。Windows CE中的C代表袖珍（Compact）、消費(fèi)（Consume

9、r）、通信能力（Connectivity）和伴侶（Companion）；E代表電子產(chǎn)品（Electronics）。Windows CE的操作界面來源于Windows 95/98，是基于WIN32 API從新開發(fā)、新型的信息設(shè)備平臺(tái)，它具有模塊化，結(jié)構(gòu)化和基于Win32應(yīng)用程序接口和與處理器無關(guān)等特點(diǎn)。Windows CE是有優(yōu)先級(jí)的多任務(wù)操作系統(tǒng)，它允許多重功能、進(jìn)程，在相同時(shí)間系統(tǒng)中運(yùn)行，Windows CE支持最大的32為同步進(jìn)程。一個(gè)進(jìn)程包含一個(gè)或多個(gè)線程，每個(gè)線程代表進(jìn)程的一個(gè)獨(dú)立部分，一個(gè)線程被指定為進(jìn)程的基本線程，進(jìn)程也能創(chuàng)造一個(gè)未定數(shù)目的額外線程，額外線程實(shí)際數(shù)目可利用系統(tǒng)資源限

10、定。Windows CE利用基于優(yōu)先級(jí)的時(shí)間片演算法以安排線程的執(zhí)行，Windows CE支持八個(gè)不同的優(yōu)先級(jí)，由0到7,0代表最高級(jí)，它在頭文件windows.h中定義。Windows CE主要應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人、手持終端、手機(jī)、導(dǎo)航儀、網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備和各類消費(fèi)類電子產(chǎn)品中。Windows CE與Linux相比，其各自特點(diǎn)如下：Ø Linux是開放源代碼，遍布全球的Linux愛好者都是Linux開發(fā)者強(qiáng)大的技術(shù)支持者；Windows CE內(nèi)核全部開放，GUI不開放；Ø Linux內(nèi)核小，效率高；Windows CE與之相比占用過多的RAM；Ø Linux是開放

11、源碼的操作系統(tǒng)，在價(jià)格上極具競(jìng)爭(zhēng)力，適合中國(guó)國(guó)情；Windows CE需要版權(quán)費(fèi)；Ø Linux不僅支持x86芯片，還是一個(gè)跨平臺(tái)的系統(tǒng)，更換CPU時(shí)不會(huì)遇到更換平臺(tái)的困擾；Ø Linux內(nèi)核的結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)方面是非常完整的，它提供了對(duì)包括十兆位、百兆位及千兆位的以太網(wǎng)絡(luò)，還有無線網(wǎng)絡(luò)、Token ring（令牌環(huán)）和光纖甚至衛(wèi)星的支持，Windows CE的網(wǎng)絡(luò)功能也比較強(qiáng)大；Ø Linux開發(fā)難度較高，需要很高的技術(shù)實(shí)力，WINCE開發(fā)相對(duì)較容易，開發(fā)周期短，內(nèi)核完善，主要是應(yīng)用層開發(fā)；Ø Linux核心調(diào)試工具不全，調(diào)試不太方便，尚沒有很好的用戶圖形界

12、面，Windows CE的GUI豐富，開發(fā)工具強(qiáng)大；Ø Linux系統(tǒng)維護(hù)難度大。Linux在使用較完整的GUI時(shí)一般會(huì)占用較大的內(nèi)存，可以去掉部分無用的功能來減小使用的內(nèi)存，但是如果不仔細(xì)，將引起新的問題。4.3 VxWorksVxWorks 操作系統(tǒng)是美國(guó)WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），是嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中。VxWorks幾乎

13、支持所有現(xiàn)在市場(chǎng)上的CPU，包括x86系列、MIPS、Power PC、Intel i960、SPARC、SH-4、ARM、Strong ARM以及xScale CPU。VxWorks操作系統(tǒng)由任務(wù)的管理與調(diào)度、任務(wù)的同步與通信、動(dòng)態(tài)內(nèi)存的管理、時(shí)鐘的管理、I/O管理、文件系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成，其具有如下特點(diǎn)：Ø 高性能的操作系統(tǒng)內(nèi)核Wind，具有實(shí)時(shí)性和可裁剪性；Ø 友好的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，其Tornado是主機(jī)的集成開發(fā)環(huán)境；Ø 較好的兼容性；Ø 支持多種開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境。VxWorks系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橐韵聨讉€(gè)方面：Ø 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)：如以太網(wǎng)交換機(jī)

14、、路由器、遠(yuǎn)程接入服務(wù)器等；Ø 遠(yuǎn)程通訊：如電信的專用分組交換機(jī)和自動(dòng)呼叫分配器等；Ø 醫(yī)療設(shè)備：如放射理療設(shè)備；Ø 消費(fèi)電子：如個(gè)人數(shù)字助理；Ø 交通運(yùn)輸：如導(dǎo)航系統(tǒng)、高速火車控制系統(tǒng)等；Ø 工業(yè)：如機(jī)器人等；Ø 航空航天：如衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)等；Ø 多媒體：如電視會(huì)議等；Ø 計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備：如x終端、I/O系統(tǒng)等。總之，VxWorks的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一個(gè)相當(dāng)小的微內(nèi)核的層次結(jié)構(gòu)。內(nèi)核僅提供多任務(wù)環(huán)境、進(jìn)程間通信和同步功能。模塊足夠支持VxWorks在較高層次所提供的豐富的性能的要求。5、操作系統(tǒng)的選型及常見操作系統(tǒng)的比較

15、5.1 操作系統(tǒng)的選型1) 市場(chǎng)進(jìn)入時(shí)間制定產(chǎn)品時(shí)間表與選擇操作系統(tǒng)有關(guān)系，實(shí)際產(chǎn)品和一般的演示是不同的，Windows CE人力資源豐富，現(xiàn)成資源非常多，能使產(chǎn)品很快進(jìn)入市場(chǎng)，因?yàn)閃inCE+x86做產(chǎn)品實(shí)際是做減法，即去掉不需要的功能，因此能很快出產(chǎn)品，但伴隨的可能是成本高，核心競(jìng)爭(zhēng)力差。而某些高效的操作系統(tǒng)可能由于編程人員缺乏，或著技術(shù)積累不夠，影響開發(fā)速度。2) 可移植性，操作系統(tǒng)相關(guān)性進(jìn)行嵌入式軟件開發(fā)時(shí)，可移植性是要重點(diǎn)考慮的問題，良好的軟件可移植性應(yīng)可以在不同的平臺(tái)、不同的系統(tǒng)上運(yùn)行，與操作系統(tǒng)無關(guān)。但軟件的通用性和軟件的性能通常是矛盾的，通用性是以損失某些特定情況下的優(yōu)化性能為

16、代價(jià)的。3) 可利用資源產(chǎn)品開發(fā)不同于學(xué)術(shù)課題研究，它是以快速、低成本、高質(zhì)量的推出適合用戶需要的產(chǎn)品為目的的。Linux和WinCE都有大量的資源可以利用，這是它們得以廣泛被應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一，加之越來越多的嵌入式系統(tǒng)要求提供完全功能的Web瀏覽器，而這需要高性能、高可靠的GUI的支持，使得WinCE在這方面更加突出。4) 系統(tǒng)定制能力信息時(shí)代，用戶的需求是千差萬別的，硬件平臺(tái)也是不一樣的，所以對(duì)系統(tǒng)的定制能力提出了要求。要分析產(chǎn)品是否對(duì)系統(tǒng)底層有改動(dòng)的需求，這種蓋頂是否伴隨著產(chǎn)品特色。Linux由于其源代碼開放的天生魅力，在制定能力方面具有優(yōu)勢(shì)。隨著WinCE3.0源碼的開放，其制定能力也

17、有所提升。5) 成本成本是所有產(chǎn)品開發(fā)中需要重點(diǎn)考慮的因素之一。選擇某一系統(tǒng)會(huì)對(duì)它一系列的因素產(chǎn)生影響，如對(duì)硬件設(shè)備的選型、人員投入、公司管理及和其它合作伙伴共同開發(fā)之間的溝通等。5.2 幾種操作系統(tǒng)的比較1) VxWorksVxWorks操作系統(tǒng)具有可裁剪微內(nèi)核結(jié)構(gòu)、高效的任務(wù)管理、靈活的任務(wù)間通信、微妙級(jí)中斷處理、支持POSIX 1003.1b實(shí)時(shí)擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)、支持多種物理介質(zhì)及標(biāo)準(zhǔn)、完整的TCP/IP協(xié)議等。但是其價(jià)格昂貴，操作系統(tǒng)本身和開發(fā)環(huán)境都是專有的，搭建一個(gè)開發(fā)環(huán)境需要約10萬元人民幣，一般不提供源代碼 ，只提供二進(jìn)制代碼，并且需要專門的技術(shù)人員掌握開發(fā)技術(shù)和維護(hù)，因此軟件開發(fā)和維護(hù)

18、成本偏高。如果一次購(gòu)買大量的授權(quán)，需求量大的話，則使用VxWorks的成本還是比較劃算的。2) Windows CEWindows CE3.0是一種針對(duì)小容量、移動(dòng)式、智能化、32位、了解設(shè)備模塊化實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)。為建立針對(duì)掌上設(shè)備、無線設(shè)備的動(dòng)態(tài)應(yīng)用程序和服務(wù)提供了一種功能豐富的操作系統(tǒng)平臺(tái)，它在處理器體系結(jié)構(gòu)上運(yùn)行，并且通常適用于那些對(duì)內(nèi)存占用空間具有一定限制的設(shè)備。它是從整體上為有限資源的平臺(tái)設(shè)計(jì)的多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)操作系統(tǒng)，并允許對(duì)從掌上電腦到專業(yè)的工業(yè)控制器的用戶電子設(shè)備的制定。其強(qiáng)大的用戶圖形界面也是一大優(yōu)勢(shì)。從技術(shù)角度上來看，Windows CE作為嵌入式操作系統(tǒng)也存

19、在許多缺陷：沒有完全開放源代碼，是應(yīng)用開發(fā)人員很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的定制；在效率、功耗等方面表現(xiàn)不出色，占用過多的系統(tǒng)內(nèi)存，運(yùn)行程序龐大；收取版權(quán)許可費(fèi)等。3) 嵌入式Linux嵌入式Linux最大特點(diǎn)就是源代碼公開并且遵循GPL協(xié)。它擁有大量的應(yīng)用軟件和大量的免費(fèi)的優(yōu)秀開發(fā)工具、龐大的開發(fā)人員群體、軟件的開發(fā)和維護(hù)成本比較低、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、內(nèi)核精悍、支持的硬件數(shù)量龐大等特點(diǎn)。在嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行Linux的缺點(diǎn)是Linux體系提供實(shí)時(shí)性能需要添加實(shí)時(shí)軟件模塊，這些模塊運(yùn)行的內(nèi)核空間正式操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)度策略、硬件中斷異常和執(zhí)行程序部分。由于這些實(shí)時(shí)軟件模塊是在內(nèi)核空間運(yùn)行的，因此代碼錯(cuò)誤可能會(huì)破壞操作系統(tǒng)從而影響系統(tǒng)的可靠性。4) µC/OS-µC/OS-是著名的源代碼公開的實(shí)時(shí)內(nèi)核，是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的，可用于8位，16位和32位單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。它的主要特點(diǎn)如下：Ø 公開