嵌入式操作系統(tǒng)

1、嵌入式操作系統(tǒng)EOS(Embedded Operating System)又稱實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS（Real Time Operation System）是一種支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件，它是嵌入式系統(tǒng)(包括硬、軟件系統(tǒng))極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器Browser 等。嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，如能夠有效管理越來越復(fù)雜的系統(tǒng)資源；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；能夠提供庫函數(shù)、驅(qū)動(dòng)程序、工具集以及應(yīng)用程序。嵌入式操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分

2、配、調(diào)度、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。 在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序使程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，不需要大的改動(dòng)就可以增加新的功能。通過將應(yīng)用程序分割成若干獨(dú)立的任務(wù)模塊，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程大為簡(jiǎn)化；而且對(duì)實(shí)時(shí)性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理。通過有效的系統(tǒng)服務(wù)，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使得系統(tǒng)資源得到更好的利用。但是，使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)還需要額外的ROM/RAM 開銷，25%的CPU 額外負(fù)荷。到目前為止，商業(yè)化嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展主要受到用戶嵌入式系統(tǒng)的功能需求、硬件資源以及嵌入式操作系統(tǒng)自身靈活性的制約。

3、而隨著嵌入式系統(tǒng)的功能越來越復(fù)雜，硬件所提供的條件越來越好，選擇嵌入式操作系統(tǒng)也就越來越有必要了。到了高端產(chǎn)品的階段，可以說采用商業(yè)化嵌入式操作系統(tǒng)是最經(jīng)濟(jì)可行的方案，而這個(gè)階段的應(yīng)用也為嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展指出了方向。目前市場(chǎng)上流行的嵌入式操作系統(tǒng)的介紹：1）VxWorksVxWorks 是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛、市場(chǎng)占有率最高的系統(tǒng)。它支持多種處理器，如x86、i960、Sun Sparc、Motorola MC68xxx、MIPS RX000、POWER PC 等等。大多數(shù)的VxWorks API 是專有的。采用GNU 或Diab 的編譯和調(diào)試器。良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核

4、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，如衛(wèi)星通訊、軍事演習(xí)、彈道制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等。在美國的 F-16、FA-18 戰(zhàn)斗機(jī)、B-2 隱形轟炸機(jī)和愛國者導(dǎo)彈上，甚至連1997年4 月在火星表面登陸的火星探測(cè)器上也使用到了VxWorks。VxWorks 的實(shí)時(shí)性做得非常好，其系統(tǒng)本身的開銷很小，進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信、中斷處理等系統(tǒng)公用程序精練而有效，它們?cè)斐傻难舆t很短。VxWorks 提供的多任務(wù)機(jī)制中對(duì)任務(wù)的控制采用了優(yōu)先級(jí)搶占（Preemptive Priority

5、Scheduling）和輪轉(zhuǎn)調(diào)度（Round-Robin Scheduling）機(jī)制，也充分保證了可靠的實(shí)時(shí)性，使同樣的硬件配置能滿足更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性要求，為應(yīng)用的開發(fā)留下更大的余地。由于它的高度靈活性，用戶可以很容易地對(duì)這一操作系統(tǒng)進(jìn)行定制或作適當(dāng)開發(fā)，來滿足自己的實(shí)際應(yīng)用需要。2) NucleusNucleus 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是Accelerater Technology 公司開發(fā)的嵌入式RTOS，產(chǎn)品只需一次性購買Licenses 就可以獲得操作系統(tǒng)的源碼，并且免產(chǎn)品版稅。Nucleus 的另一大好處是程序員不用寫板級(jí)支持軟件包BSP， 因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)已經(jīng)開放給程序員，不同的目標(biāo)板在操作系統(tǒng)BO

6、OT 時(shí)可以通過修改源碼進(jìn)行不同的配置。Nucleus 對(duì)CPU 的支持能力比較強(qiáng)，支持當(dāng)前流行的大多數(shù)RISC、CISC、DSP 處理器，比如80x86 實(shí)時(shí)保護(hù)模式68xxx ，PowerPC ，i960 ，MIPS， SH，ARM，ColdFire 等幾百種CPU。Nucleus 內(nèi)核非常小巧，只有4K20K 之間，穩(wěn)定性高。Nucleus 內(nèi)核采用了軟件組件的方法，每個(gè)組件具有單一而明確的目的，通常由幾個(gè)C 及匯編語言模塊構(gòu)成，提供清晰的外部接口，對(duì)組件的引用就是通過這些接口完成。除了少數(shù)一些特殊情況外，不允許從外部對(duì)組件內(nèi)的全局進(jìn)行訪問。由于采用了軟件組件的方法，Nucleus 各個(gè)

7、組件非常易于替換和復(fù)用。Nucleus 除提供功能強(qiáng)大的內(nèi)核外，還提供種類豐富的功能模塊，例如用于通訊系統(tǒng)的局域和廣域網(wǎng)絡(luò)模塊，支持圖形應(yīng)用的實(shí)時(shí)化Windows 模塊，支持Internet 網(wǎng)的WEB 產(chǎn)品模塊，工控機(jī)實(shí)時(shí)BIOS 模塊，圖形化用戶接口以及應(yīng)用軟件性能分析模塊等，用戶可以根據(jù)自己的應(yīng)用來選擇不同的應(yīng)用模塊。另外Nucleus 得到許多第三方工具廠商和方案提供商的支持，如ARM，Lauterbach，TI，Infineon，高通，IAR，Tasking 等。目前Nucleus 在國內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，如終端設(shè)備、工控、醫(yī)療、汽車電子、導(dǎo)航、通信等領(lǐng)域。特別是在手機(jī)制造行業(yè)，幾乎所

8、有的手機(jī)廠商都采用了Nucleus 解決方案。3）OSEOSE 主要是由ENEA Data AB 下屬的ENEA OSE Systems AB 負(fù)責(zé)開發(fā)和技術(shù)服務(wù)的。它是新生代實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，中國于2000 年引進(jìn)。OSE 集中了最先進(jìn)的RTOS 設(shè)計(jì)理念，OSE 相對(duì)其它傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)具有顯著不同的特點(diǎn)：l         高處理能力內(nèi)核中實(shí)時(shí)性嚴(yán)格的部分都由優(yōu)化的匯編來實(shí)現(xiàn)，特點(diǎn)是使用信號(hào)量指針，使數(shù)據(jù)處理非常迅速、快捷。l       

9、60; 真正適合開發(fā)復(fù)雜的分布式系統(tǒng)OSE 支持多種CPU 和DSP，為開發(fā)商開發(fā)不同種處理器組成的分布式系統(tǒng)提供了最快捷的方式。傳統(tǒng)的RTOS 是基于單CPU，它雖然可以改進(jìn)成分布式系統(tǒng)，但用戶需要在應(yīng)用程序中做很多工作。而OSE 不同于傳統(tǒng)的RTOS，首先是因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)體系有了很大改變，它以消息傳遞作為主要手段完成CPU 間的通信，還把傳統(tǒng)的RTOS 必須在應(yīng)用程序中完成的工作，做到了核心系統(tǒng)中。對(duì)于復(fù)雜的并行系統(tǒng)來說，OSE 提供了一種簡(jiǎn)單的通信方式，簡(jiǎn)化了多CPU 的處理。l         強(qiáng)大的容錯(cuò)功能

10、系統(tǒng)支持不中斷實(shí)時(shí)系統(tǒng)，允許從硬件或軟件錯(cuò)誤中恢復(fù)。OSE 是適用于有容錯(cuò)要求，非間斷，以及有安全性要求的分布式系統(tǒng)。例如在實(shí)時(shí)的情況下完成設(shè)備的硬件的安裝和軟件的配置，系統(tǒng)錯(cuò)誤的恢復(fù)等等。l         OSE獲得了廣泛的認(rèn)證如：IEC 61508, SIL3 認(rèn)證；DO-178B (levels A-D) ；EN60601-4 等。它的客戶深入到電信，數(shù)據(jù)，工控，航空等領(lǐng)域，尤其在電信方面，被諸如愛立信，諾基亞，西門子等知名公司廣泛的采用。4）Windows CEMicrosoft Windows CE 是

11、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)的操作系統(tǒng)。它的模塊化設(shè)計(jì)允許它對(duì)于從掌上電腦到專用的工業(yè)控制器的用戶電子設(shè)備進(jìn)行定制。它不是削減的Windows95 版本，而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)的操作系統(tǒng)。Windows CE 的常規(guī)函數(shù)提供系統(tǒng)設(shè)計(jì)者以模塊化的操作系統(tǒng)，這個(gè)操作系統(tǒng)可以為特殊的產(chǎn)品進(jìn)行定制。Windows CE 操作系統(tǒng)的基本核心需要至少200K 的ROM（對(duì)系統(tǒng)硬件資源的要求較高），設(shè)計(jì)成能夠在廣闊的平臺(tái)上運(yùn)行。支持 Win32 API 的字集，同時(shí)提供熟悉的開發(fā)模式和工具。支持多種的用戶界面硬件，包括可以達(dá)到32bit 象素

12、顏色深度的彩色顯示器支持多種的串行和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)。支持COM/OLE，OLE 自動(dòng)操作，和其他的進(jìn)程間通訊的先進(jìn)方法。反過來，許多模塊被分割成更小的部件，這些部件允許模塊自身被定制。定制包括選擇一套支持需要設(shè)備的模塊和部件，并且省略那些不需要的。OEMs 必須也執(zhí)行OEM Adaptation Layer (OAL)，作為在核心和設(shè)備硬件及所需的任何內(nèi)置的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之間的接口。5）嵌入式LinuxLinux 是一個(gè)類似于Unix 的操作系統(tǒng)。嵌入式Linux 由于代碼開放性以及強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，在中低端的嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中應(yīng)用起來。嵌入式Linux的主要特點(diǎn)：l   

13、;      Linux是層次結(jié)構(gòu)且內(nèi)核完全開放的系統(tǒng)。Linux是由很多體積小且性能高的微內(nèi)核系統(tǒng)組成。在內(nèi)核代碼完全開放的前提下，不同領(lǐng)域和不同層次的用戶可以根據(jù)自己的應(yīng)用需要方便地對(duì)內(nèi)核進(jìn)行改造，低成本地設(shè)計(jì)和開發(fā)出滿足自己需要的嵌入式系統(tǒng)。l         強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能。Linux誕生于因特網(wǎng)時(shí)代并具有Unix的特性，保證了它支持所有標(biāo)準(zhǔn)因特網(wǎng)協(xié)議，并且可以利用Linux的網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議棧將其開發(fā)成為嵌入式的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。此外，Linux還支持

14、ext2、fat16、fat32、romfs等文件系統(tǒng)，為開發(fā)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用打下了很好的基礎(chǔ)。l         Linux開發(fā)環(huán)境自成體系Linux具備一整套工具鏈，容易自行建立嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境和交叉運(yùn)行環(huán)境，可以跨越嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中仿真工具的障礙。Linux也符合IEEE POSIX.1標(biāo)準(zhǔn)，使應(yīng)用程序具有較好的可移植性。傳統(tǒng)的嵌入式開發(fā)的程序調(diào)試和調(diào)試工具是用在線仿真器（ICE）實(shí)現(xiàn)的。它通過取代目標(biāo)板的微處理器，給目標(biāo)程序提供一個(gè)完整的仿真環(huán)境，完成監(jiān)視和調(diào)試程序；但一般價(jià)格比較昂貴，只適合做非常底層的

15、調(diào)試。使用嵌入式Linux，一旦軟硬件能夠支持正常的串口功能，即使不用仿真器，也可以很好地 進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試工作，從而節(jié)省一筆不小的開發(fā)費(fèi)用。嵌入式Linux為開發(fā)者提供了一套完整的工具鏈（tool chain）。它利用GNU的gcc做編譯器，用gdb、kgdb、xgdb做調(diào)試工具，能夠很方便地實(shí)現(xiàn)從操作系統(tǒng)到應(yīng)用軟件各個(gè)級(jí)別的調(diào)試。l         Linux具有廣泛的硬件支持特性。無論是RISC還是CISC、32位還是64位等各種處理器，Linux都能運(yùn)行。Linux通常使用的微處理器是Intel X86芯片家

16、族，但它同樣能運(yùn)行于Motorola公司的68K系列CPU和IBM、Apple、Motorola公司的PowerPC CPU以及Intel公司的StrongARM CPU等處理器。Linux支持各種主流硬件設(shè)備和最新硬件技術(shù)，甚至可以在沒有存儲(chǔ)管理單元（MMU）的處理器上運(yùn)行。這意味著嵌入式Linux未來將具有更廣泛的應(yīng)用前景。但嵌入式Linux也存在著一些不足：Ø    Linux的實(shí)時(shí)性擴(kuò)充實(shí)時(shí)性是嵌入式操作系統(tǒng)的基本要求。由于Linux還不是一個(gè)真正的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，內(nèi)核不支持事件優(yōu)先級(jí)和搶占實(shí)時(shí)特性，所以在開發(fā)嵌入式Linux的過程中，首要問題是擴(kuò)

17、展Linux的實(shí)時(shí)性能。Ø    Linux內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)Linux的內(nèi)核體系采用的是Monolithic。在這種體系結(jié)構(gòu)中，內(nèi)核的所有部分都集中在一起，而且所有的部件在一起編譯連接。這樣雖然能使系統(tǒng)的各部分直接溝通，有效地縮短任務(wù)之間的切換時(shí)間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和CPU的利用率，且實(shí)時(shí)性好；但在系統(tǒng)比較大時(shí)體積也比較大，與嵌入式系 統(tǒng)容量小、資源有限的特點(diǎn)不符。Linux是一個(gè)需要占用存儲(chǔ)器的操作系統(tǒng)。雖然這可以通過減少一些不必要的功能來彌補(bǔ)，但可能會(huì)浪費(fèi)很多時(shí)間，而且容易帶來很大的麻煩。許多Linux 的應(yīng)用程序都要用到虛擬內(nèi)存，這在許多嵌入式系統(tǒng)中是沒有價(jià)值的。所以，并不是一個(gè)沒有磁盤的Linux嵌入式系統(tǒng)就可以運(yùn)行任何Linux應(yīng)用程序。Ø    Linux的集成開發(fā)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，Linux在基于圖形界面的特定系統(tǒng)定制平臺(tái)的研究上，與Windows操作系統(tǒng)相比還存在差距。因此，要使嵌入式Linux在嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)更加明顯，整體集成開發(fā)環(huán)境還有待提高和完善。6）QNXQNX是一個(gè)實(shí)時(shí)的、可擴(kuò)充的操作系統(tǒng)，它部分遵循POSIX相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)