嵌入式ARM-嵌入式操作系統(tǒng).

1、嵌入式操作系統(tǒng) EOS( EmbeddedOperatingSystem )是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，過去它主 要應(yīng)用于工業(yè)控制和國防系統(tǒng)領(lǐng)域。 EOS負(fù)責(zé)嵌人系統(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。目前，已推出一些應(yīng)用比較成功的 EOS產(chǎn)品系列。隨著In ternet技術(shù)的發(fā) 展、信息家電的普及應(yīng)用及 EOS的微型化和專業(yè)化，EOS開始從單一的弱功能向高專業(yè)化的 強(qiáng)功能方向發(fā)展。 嵌人式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、 硬件的相關(guān)依賴性、 軟件固態(tài)化以及 應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。 EOS

2、是相對(duì)于一般操作系統(tǒng)而言的，它除具備了 一般操作系統(tǒng)最基本的功能，如任務(wù)調(diào)度、同步機(jī)制、中斷處理、文件功能等外，還有以下 特點(diǎn)： (1) 可裝卸性。開放性、可伸縮性的體系結(jié)構(gòu)。 (2) 強(qiáng)實(shí)時(shí)性。EOS實(shí)時(shí)性一般較強(qiáng)，可用于各種設(shè)備控制當(dāng)中。 (3) 統(tǒng)一的接口。提供各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)接日 . (4) 操作方便、簡(jiǎn)單、提供友好的圖形 GUI，圖形界面，追求易學(xué)易用 (5) 提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持 TCP門P協(xié)議及其它協(xié)議，提供 TCP/ UDPZIP / PPP協(xié)議支 持及統(tǒng)一的MAC訪問層接口，為各種移動(dòng)計(jì)算設(shè)備預(yù)留接口 (6) 強(qiáng)穩(wěn)定性，弱交互性。嵌入式系統(tǒng)一旦開始運(yùn)行就不需要用戶過多的干預(yù)，

3、這就要負(fù)責(zé) 系統(tǒng)管理的EOS臭有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。嵌入式操作系統(tǒng)的用戶接日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)。 (7) 固化代碼。 在嵌入系統(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。輔助存儲(chǔ)器在嵌入式系統(tǒng)中很少使用， 因此， 嵌入式操作系統(tǒng)的文件管理功能應(yīng)該能夠 很容易地拆卸，而用各種內(nèi)存文件系統(tǒng) . (8) 更好的硬件適應(yīng)性，也就是良好的移植性 . 國際上用于信息電器的嵌入式操作系統(tǒng)有 40種左右?，F(xiàn)在，市場(chǎng)上非常流行的 EOS產(chǎn)品， 包括3Corn公司下屬子公司的 Palm OS,全球占有份額達(dá) 50%, Micros。fi公司的 Win

4、d。 ws CE不過29%。在美國市場(chǎng)， Palm OS更以80%的占有率遠(yuǎn)超 Windows CE。開放源代碼 的 Linux 很適于做信息家電的開發(fā) . 比如：中科紅旗軟件技術(shù)有限公司開發(fā)的紅旗嵌入式 Linux 和美商網(wǎng)虎公司開發(fā)的基于 Xlinux 的嵌人式操作系統(tǒng)“夸克”。 “夸克”是目前全世界最小的 Linux ,它有兩個(gè)很突出 的特點(diǎn)，就是體積小和使用 GCS編碼。 常見的嵌入式系統(tǒng)有 :Linux 、 uClinux 、 WinCE、 PalmOS、 Symbian、 eCos、 uCOS-II 、 VxWorks、 pSOS、 Nucleus 、 ThreadX 、 Rtem

5、s 、 QNX、 INTEGRITY、 OSE、 C Executive . 嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展 1 引言 嵌入式操作系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)密不可分。 嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式微處理器、 外圍硬件設(shè)備、 嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成， 它是集軟硬件于一體的可獨(dú)立工作的 “器件”。 嵌入式技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了四個(gè)階段 1 。 第一階段是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)， 同時(shí)具有與監(jiān)測(cè)、 伺服、 指示設(shè)備 相配合的功能。 這種系統(tǒng)大部分應(yīng)用于一些專業(yè)性極強(qiáng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中， 一般沒有操作系 統(tǒng)的支持，通過匯編語言編程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行直接控制，運(yùn)行結(jié)束后清除內(nèi)存。 第二階段是以嵌入式

6、 CPU為基礎(chǔ)、以簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。 這一階段的操作系 統(tǒng)具有一定的兼容性和擴(kuò)展性，但用戶界面不夠友好。 第三階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。 這一階段系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是： 嵌入式操 作系統(tǒng)能運(yùn)行于各種不同類型的微處理器上， 兼容性好； 操作系統(tǒng)內(nèi)核精小、效率高， 并且 具有高度的模塊化和擴(kuò)展性；具備文件和目錄管理、設(shè)備支持、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗 口以及用戶界面等功能； 具有大量的應(yīng)用程序接口 （API）,開發(fā)應(yīng)用程序簡(jiǎn)單；嵌入式應(yīng)用 軟件豐富。 第四階段是以基于 Internet 為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng),這是一個(gè)正在迅速發(fā)展的階段。目前大 多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于 Int

7、ernet 之外, 但隨著 Internet 的發(fā)展以及 Internet 技術(shù)與信 息家電、工業(yè)控制技術(shù)等結(jié)合日益密切,嵌入式設(shè)備與 Internet 的結(jié)合將代表著嵌入式技 術(shù)的真正未來 2 。 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)提出了更高的要求。因此,對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、 設(shè)計(jì)、用戶界面等諸多方面進(jìn)行深入研究,將有助于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展。 2 嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn) 2.1 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人員對(duì)操作系統(tǒng)的依賴性 早期的硬件設(shè)備很簡(jiǎn)單, 軟件的編程和調(diào)試工具也很原始, 與硬件系統(tǒng)配套的軟件都必須從 頭編寫。程序大都采用宏匯編語言, 調(diào)試是一件很麻煩的事。 隨著系統(tǒng)越來越復(fù)雜,操作系

8、統(tǒng)就顯得很必要。 （1） 操作系統(tǒng)能有效管理越來越復(fù)雜的系統(tǒng)資源。 （2） 操作系統(tǒng)能夠把硬件虛擬化, 使得開發(fā)人員從繁忙的驅(qū)動(dòng)程序移植和維護(hù)中解脫出來。 （ 3）操作系統(tǒng)能夠提供庫函數(shù)、驅(qū)動(dòng)程序、工具集以及應(yīng)用程序。 在 70 年代的后期, 出現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。 在 80 年代末, 市場(chǎng)上出現(xiàn)了幾個(gè)著名的 商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)，包括 Vxwork、Neculeus、QNX和Windows CE等，這些系統(tǒng)提供性能 良好的開發(fā)環(huán)境,提高了應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)效率。 22 嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn) 與其他類型的操作系統(tǒng)相比,嵌入式操作系統(tǒng)具有以下一些特點(diǎn)。 （1）體積小。嵌入式系統(tǒng)有別于一般的計(jì)算機(jī)

9、處理系統(tǒng),它不具備像硬盤那樣大容量的存 儲(chǔ)介質(zhì)，而大多使用閃存（Flash Memory）作為存儲(chǔ)介質(zhì)。這就要求嵌入式操作系統(tǒng)只能運(yùn) 行在有限的內(nèi)存中, 不能使用虛擬內(nèi)存, 中斷的使用也受到限制。 因此,嵌入式操作系統(tǒng)必 須結(jié)構(gòu)緊湊,體積微小。 （ 2）實(shí)時(shí)性。大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是實(shí)時(shí)系統(tǒng),而且多是強(qiáng)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng),要求相應(yīng)的 嵌入式操作系統(tǒng)也必須是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) （RTOS）8 。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)的一個(gè)重要 分支已成為研究的一個(gè)熱點(diǎn),主要探討實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度算法和可調(diào)度性、死鎖解除等問題。 （3） 特殊的開發(fā)調(diào)試環(huán)境。提供完整的集成開發(fā)環(huán)境是每一個(gè)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員所期待 的。一個(gè)完整的

10、嵌入式系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境一般需要提供的工具是編譯 /連接器、 內(nèi)核調(diào)試 / 跟蹤器和集成圖形界面開發(fā)平臺(tái)。 其中的集成圖形界面開發(fā)平臺(tái)包括編輯器、 仿真器和監(jiān)視器等。 3 嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r 國外嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)從簡(jiǎn)單走向成熟，主要有 Vxwork、QNX、PalmOS Windows CE等。 國內(nèi)的嵌入式操作系統(tǒng)研究開發(fā)有 2 種類型， 一類是基于國外操作系統(tǒng)二次開發(fā)完成的， 如 海信的基于 Windows CE 的機(jī)頂盒系統(tǒng)；另一類是中國自主開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，如凱思 集團(tuán)公司自主研制開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng) Hopen OS ( “女媧計(jì)劃”)等。 Windows CE 內(nèi)核較小

11、，能作為一種嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用到工業(yè)控制等領(lǐng)域。其優(yōu)點(diǎn)在于便 攜性、提供對(duì)微處理器的選擇以及非強(qiáng)行的電源管理功能。 內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)通信能力使 Windows CE能夠訪問In ternet 并收發(fā) 調(diào)試器、 軟件 E_mail或?yàn)g覽 Web除此之外，Win dows CE特有的與 Win dows 類似的用戶界面使最終用戶易于使用。 Windows CE 的缺點(diǎn)是速度慢、效率低、價(jià)格偏高、 開發(fā)應(yīng)用程序相對(duì)較難。 3Com公司的Palm OS在掌上電腦和 PDA市場(chǎng)上獨(dú)占其霸主地位， 它有開放的操作系統(tǒng)應(yīng)用 程序接口 (API) ，開發(fā)商可根據(jù)需要自行開發(fā)所需的應(yīng)用程序。 QNX是由加拿大QSSL

12、公司開發(fā)的分布式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它由微內(nèi)核和一組共操作的進(jìn)程組成 , 具有高度的伸縮性，可靈活地剪裁，最小配置只占用幾十 KB內(nèi)存。因此，可以廣泛地嵌入到 智能機(jī)器、智能儀器儀表、機(jī)頂盒、通訊設(shè)備、 PDA等應(yīng)用中去7。 Hopen OS 是凱思集團(tuán)自主研制開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，由一個(gè)體積很小的內(nèi)核及一些可以 根據(jù)需要進(jìn)行定制的系統(tǒng)模塊組成。其核心 Hopen Kernel 一般為10KB左右大小，占用空間 小，并具有實(shí)時(shí)、多任務(wù)、多線程的系統(tǒng)特征。 在眾多的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)產(chǎn)品中， WindRiver 公司的 VxWorks 是較為有特色 的一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 5 。 VxWorks

13、 支持各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括 POSIX、 ANSI C 和 TCP/IP 網(wǎng) 絡(luò)協(xié)議。 VxWorks 運(yùn)行系統(tǒng)的核心是一個(gè)高效率的微內(nèi)核， 該微內(nèi)核支持各種實(shí)時(shí)功能， 包 括快速多任務(wù)處理、 中斷支持、 搶占式和輪轉(zhuǎn)式調(diào)度。 微內(nèi)核設(shè)計(jì)減輕了系統(tǒng)負(fù)載并可快速 響應(yīng)外部事件。 在美國宇航局的“極地登陸者”號(hào)、 “深空二號(hào)”和火星氣候軌道器等登陸 火星探測(cè)器上，就采用了 VxWorks，負(fù)責(zé)火星探測(cè)器全部飛行控制，包括飛行糾正、載體自 旋和降落時(shí)的高度控制等，而且還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集和與地球的通信工作。目前在全世界裝有 VxWorks 系統(tǒng)的智能設(shè)備數(shù)以百萬計(jì)， 其應(yīng)用范圍遍及互聯(lián)網(wǎng)、 電信和數(shù)據(jù)通信、

14、 數(shù)字影像、 網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)外設(shè)、汽車、火控、導(dǎo)航與制導(dǎo)、航空、指揮、控制、通信和情報(bào)、聲 納與雷達(dá)、空間與導(dǎo)彈系統(tǒng)、模擬和測(cè)試等眾多領(lǐng)域。 4 Linux 41 嵌入式 Linux 的應(yīng)用開發(fā)前景 Linux 是個(gè)與生俱來的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，成熟而且穩(wěn)定。 Linux 是源代碼開放軟件，不存在黑 箱技術(shù)，任何人都可以修改它，或者用它開發(fā)自己的產(chǎn)品。 Linux 系統(tǒng)是可以定制的，系統(tǒng) 內(nèi)核目前已經(jīng)可以做得很小。一個(gè)帶有中文系統(tǒng)及圖形化界面的核心程序也可以做到不足 1MB而且同樣穩(wěn)定。Linux作為一種可裁減的軟件平臺(tái)系統(tǒng)，是發(fā)展未來嵌入設(shè)備產(chǎn)品的 絕佳資源，遍布全球的眾多Linux愛好者又能

15、給予Linux開發(fā)者強(qiáng)大的技術(shù)支持。因此，Linux 作為嵌入式系統(tǒng)新的選擇，是非常有發(fā)展前途的。 (1) 與硬件芯片的緊密結(jié)合 后PC時(shí)代的智能設(shè)備已經(jīng)逐漸地模糊了硬件與軟件的界限， SOC系統(tǒng)(System On Chip) 的發(fā)展就是這種軟硬件無縫結(jié)合趨勢(shì)的證明。 隨著處理器片內(nèi)微碼的發(fā)展， 在將來可能出現(xiàn) 在處理器片內(nèi)嵌進(jìn)操作系統(tǒng)的代碼模塊。 嵌入式Linux的一大特點(diǎn)是：與硬件芯片(如SOC等)的緊密結(jié)合。它不是一個(gè)純軟件的 Linux 系統(tǒng)， 而比一般操作系統(tǒng)更加接近于硬件。 嵌入式 Linux 的進(jìn)一步發(fā)展， 逐步地具備了嵌入 式RTOS勺一切特征：實(shí)時(shí)性及與嵌入式處理器的緊密結(jié)

16、合。 （2） 開放的源代碼 嵌入式Linux的另一大特點(diǎn)是：代碼的開放性。代碼的開放性是與后 PC時(shí)代的智能設(shè)備的 多樣性相適應(yīng)的。代碼的開放性主要體現(xiàn)在源代碼可獲得上， Linux 代碼開發(fā)就像是“集市 式”開發(fā)，任意選擇并按自己的意愿整合出新的產(chǎn)品。 對(duì)于嵌入式 Linux ，事實(shí)上是把 BIOS 層的功能實(shí)現(xiàn)在 Linux 的 driver 層。目前，在 Linux 領(lǐng)域，已經(jīng)出現(xiàn)了專門為 Linux操作系統(tǒng)定制的自由軟件的 BIOS代碼，并在多款主板上實(shí) 現(xiàn)此類的BIOS層功能。 （3） 嵌入式 Linux 與硬件芯片的緊密結(jié)合 對(duì)于許多信息家電的應(yīng)用來說， 嵌入的性能指標(biāo)是最難滿足的

17、， 只有靠提高芯片的集成度與 裝配密度來解決。 嵌入式 Linux 與標(biāo)準(zhǔn) Linux 的一個(gè)重要區(qū)別是嵌入式 Linux 與硬件芯片的 緊密結(jié)合。這是一個(gè)不可逾越的難點(diǎn)，也是嵌入式 Linux 技術(shù)的關(guān)鍵之處。嵌入式 Linux 和商用專用 RTOS-樣，需要編寫 BSP（ Board Support Package），這相當(dāng)于編寫 PC的BIOS。 這不僅僅是嵌入式 Linux的難點(diǎn)，也是使用商用專用 RTOS開發(fā)的難點(diǎn)。硬件芯片（SOC芯 片或者是嵌入式處理器） 的多樣性也決定了代碼開放的嵌入式 Linux 的成功。 嵌入式系統(tǒng)的 發(fā)展， 必然導(dǎo)致軟硬件無縫結(jié)合的趨勢(shì)， 逐漸地模糊了硬件

18、與軟件的界限， 在將來可能出現(xiàn) SOC片內(nèi)的操作系統(tǒng)代碼模塊。 隨著處理器片內(nèi)微碼的發(fā)展，在將來應(yīng)出現(xiàn)在處理器片內(nèi)嵌進(jìn)操作系統(tǒng)的代碼模塊 ,很顯然 模塊將具有安全性好、 健壯性強(qiáng)、 代碼執(zhí)行效率高等特點(diǎn)。 著眼于未來的嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展， 我們基于對(duì)嵌入式 Linux技術(shù)的深入研究，對(duì)嵌入式處理器及 SOC系統(tǒng)的深刻理解和研究； 對(duì)EDA技術(shù)的深入研究；對(duì)模擬數(shù)字混合集成電路芯片的深入研究； 對(duì)SOC片內(nèi)進(jìn)行嵌入式 Linux操作系統(tǒng)代碼的植入研究。此類的研究有可能減輕系統(tǒng)開發(fā)者對(duì) BSP開發(fā)的難度要求， 并使得嵌入式 Linux 能夠成為普及的嵌入式操作系統(tǒng)，而大大提高嵌入式 Linux 的易

19、用性， 提高其開發(fā)出的高智能設(shè)備的安全性、 穩(wěn)定性， 同時(shí)也大大提高智能設(shè)備的計(jì)算能力、 處理 能力。 42 部分嵌入式 Linux 產(chǎn)品 34 嵌入式 Linux 一般是按照嵌入式目標(biāo)系統(tǒng)的要求而設(shè)計(jì)，由一個(gè)體積很小的內(nèi)核及一些可 以根據(jù)需要進(jìn)行隨意裁減的系統(tǒng)模塊組成。一般來說整個(gè)系統(tǒng)所占用的空間不會(huì)超過幾 M 大小。 目前，國外不少大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和知名公司都加入了嵌入式 Linux 的開發(fā)工作， 較成 熟的嵌入式 Linux 產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。 由美國新墨西哥理工學(xué)院開發(fā)的基于標(biāo)準(zhǔn) Linux的嵌入式操作系統(tǒng) RTLinux，已成功地應(yīng)用 于航天飛機(jī)的空間數(shù)據(jù)采集、科學(xué)儀器測(cè)控、電影特技圖像處

20、理等領(lǐng)域。 RTLinux 開發(fā)者并 沒有針對(duì)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特性重寫 Linux 的內(nèi)核， 這樣做工作量會(huì)非常大， 而且要保證兼容 性也非常困難。 為此， RTLinux 提供了一個(gè)精巧的實(shí)時(shí)內(nèi)核， 并把標(biāo)準(zhǔn)的 Linux 核心作為實(shí) 時(shí)核心的一個(gè)進(jìn)程同用戶的實(shí)時(shí)進(jìn)程一起調(diào)度， 這樣做的好處是對(duì) Linux 的改動(dòng)量最小， 充 分利用了 Linux 平臺(tái)下現(xiàn)有的豐富的軟件資源。 由嵌入式Linux行業(yè)主要廠商之一 Lineo推出的Embedix,是根據(jù)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)重 新設(shè)計(jì)的Linux發(fā)行版本。Embedix提供了超過25種的Linux系統(tǒng)服務(wù)，包括 Web服務(wù)器 等。系統(tǒng)需要最小 8

21、M內(nèi)存，3M只讀內(nèi)存或閃存。Embedix基于Linux 2.2 核心，并已經(jīng)成 功地移植到了 In tel X86 和PowerPC處理器系列上。 由美國網(wǎng)虎公司推出的 XLinux ,號(hào)稱是世界上最小的嵌入式 Linux 系統(tǒng),核心只有 143K 字 節(jié),而且還在不斷減小。 致力于國產(chǎn)嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件開發(fā)的廣州博利思軟件公司推出的嵌入式 Linux中文操作系統(tǒng) POCKETIX基于標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核，并包括一些可以根據(jù)需要進(jìn)行定制的系統(tǒng)模塊。支持標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和 TCP/ IP協(xié)議、支持標(biāo)準(zhǔn)的 X Window，中文支持采用國際 化標(biāo)準(zhǔn)，提供桌面和窗口管理功能、帶WEB覽器和文件管理器，并支持智能拼音和五筆字 型輸入。可適應(yīng)個(gè)人 PDA WAP手機(jī)、機(jī)頂盒等廣泛的智能信息產(chǎn)品。 43 開發(fā)嵌入式 Li