Chapter3-嵌入式軟件系統(tǒng)基

第三章

嵌入式系統(tǒng)的軟件基礎(chǔ)主要內(nèi)容嵌入式軟件系統(tǒng)概述嵌入式實時操作系統(tǒng)簡介常用的嵌入式操作系統(tǒng)概述第一節(jié)

嵌入式軟件系統(tǒng)概述軟件系統(tǒng)嵌入式軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)嵌入式軟件運行流程軟件系統(tǒng)軟件(software)是計算機系統(tǒng)中與硬件(hardware)相互依存的另一部分，它包括程序(program)、相關(guān)數(shù)據(jù)(data)及其說明文檔(document)。其中：程序是按照事先設(shè)計的功能和性能要求執(zhí)行的指令序列；數(shù)據(jù)是程序能正常操縱信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；文檔是與程序開發(fā)維護(hù)和使用有關(guān)的各種圖文資料。軟件系統(tǒng)軟件是一種邏輯實體，具有抽象性。

這個特點使它與其它工程對象有著明顯的差異。人們可以把它記錄在紙上、內(nèi)存、和磁盤、光盤上，但卻無法看到軟件本身的形態(tài)，必須通過觀察、分析、思考、判斷，才能了解它的功能、性能等特性。

軟件產(chǎn)品的特性軟件沒有明顯的制造過程。一旦研制開發(fā)成功，就可以大量拷貝同一內(nèi)容的副本。所以對軟件的質(zhì)量控制，必須著重在軟件開發(fā)方面下工夫。軟件在使用過程中，沒有磨損、老化的問題。軟件在生存周期后期不會因為磨損而老化，但會為了適應(yīng)硬件、環(huán)境以及需求的變化而進(jìn)行修改，而這些修改有不可避免的引入錯誤，導(dǎo)致軟件失效率升高，從而使的軟件退化。當(dāng)修改的成本變得難以接受時，軟件就被拋棄。軟件對硬件和環(huán)境有著不同程度的依賴性。這導(dǎo)致了軟件移植的問題。軟件的開發(fā)至今尚未完全擺脫手工作坊式的開發(fā)方式，生產(chǎn)效率低。軟件是復(fù)雜的，而且以后會更加復(fù)雜。軟件是人類有史以來生產(chǎn)的復(fù)雜度最高的工業(yè)產(chǎn)品。軟件涉及人類社會的各行各業(yè)、方方面面，軟件開發(fā)常常涉及其它領(lǐng)域的專門知識，這對軟件工程師提出了很高的要求。軟件的成本相當(dāng)昂貴。軟件開發(fā)需要投入大量、高強度的腦力勞動，成本非常高，風(fēng)險也大?，F(xiàn)在軟件的開銷已大大超過了硬件的開銷。軟件工作牽涉到很多社會因素。許多軟件的開發(fā)和運行涉及機構(gòu)、體制和管理方式等問題，還會涉及到人們的觀念和心理。這些人的因素，常常成為軟件開發(fā)的困難所在，直接影響到項目的成敗。3.1.1嵌入式軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)硬件應(yīng)用層驅(qū)動層操作系統(tǒng)層中間件層板級初始化FLASH驅(qū)動RTC/定時器驅(qū)動串口驅(qū)動以太網(wǎng)驅(qū)動LCD

驅(qū)動鍵盤驅(qū)動其他驅(qū)動內(nèi)核TCP/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)文件系統(tǒng)嵌入式GUI電源管理嵌入式CORBA嵌入式JAVA嵌入式DCOM面向應(yīng)用領(lǐng)域的中間件應(yīng)用任務(wù)1應(yīng)用任務(wù)2……應(yīng)用任務(wù)n嵌入式軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)（1）驅(qū)動層(BSP)

驅(qū)動層是直接與硬件打交道的一層，它對操作系統(tǒng)和應(yīng)用提供所需的驅(qū)動的支持。該層主要包括三種類型的程序。板級初始化程序這些程序在嵌入式系統(tǒng)上電后初始化系統(tǒng)的硬件環(huán)境，包括嵌入式微處理器、存儲器、中斷控制器、DMA、定時器等的初始化。(網(wǎng)絡(luò)？）與系統(tǒng)軟件相關(guān)的驅(qū)動這類驅(qū)動是操作系統(tǒng)和中間件等系統(tǒng)軟件所需的驅(qū)動程序，它們的開發(fā)要按照系統(tǒng)軟件的要求進(jìn)行。目前操作系統(tǒng)內(nèi)核所需的硬件支持一般都已集成在嵌入式微處理器中了，因此操作系統(tǒng)廠商提供的內(nèi)核驅(qū)動一般不用修改。與應(yīng)用軟件相關(guān)的驅(qū)動

與應(yīng)用軟件相關(guān)的驅(qū)動不一定需要與操作系統(tǒng)連接，這些驅(qū)動的設(shè)計和開發(fā)由應(yīng)用決定。嵌入式軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)（2）操作系統(tǒng)層操作系統(tǒng)層包括嵌入式內(nèi)核、嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、嵌入式文件系統(tǒng)、嵌入式GUI系統(tǒng)和電源管理等部分。其中嵌入式內(nèi)核是基礎(chǔ)和必備的部分，其他部分要根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的需要來確定。嵌入式軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)（3）中間件層目前在一些復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)中也開始采用中間件技術(shù)，主要包括嵌入式CORBA、嵌入式Java、嵌入式DCOM和面向應(yīng)用領(lǐng)域的中間件軟件。如基于嵌入式CORBA的應(yīng)用于軟件無線電臺的應(yīng)用中間件SCA（SoftwareCoreArchitecture）等。嵌入式軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)（4）應(yīng)用層應(yīng)用層軟件主要由多個相對獨立的應(yīng)用任務(wù)組成每個應(yīng)用任務(wù)完成特定的工作，如I/O任務(wù)、計算的任務(wù)、通信任務(wù)等，由操作系統(tǒng)調(diào)度各個任務(wù)的運行。3.1.2嵌入式軟件運行流程上電復(fù)位系統(tǒng)升級引導(dǎo)/升級系統(tǒng)系統(tǒng)初始化應(yīng)用初始化多任務(wù)應(yīng)用板級初始化遠(yuǎn)程升級本地升級基于多任務(wù)操作系統(tǒng)的嵌入式軟件的主要運行流程該運行流程主要分為5個階段嵌入式軟件運行流程（1）上電復(fù)位、板級初始化階段嵌入式系統(tǒng)上電復(fù)位后完成板級初始化工作。板級初始化程序具有完全的硬件特性，一般采用匯編語言實現(xiàn)。不同的嵌入式系統(tǒng)，板級初始化時要完成的工作具有一定的特殊性，但以下工作一般是必須完成的：CPU中堆棧指針寄存器的初始化。BSS段（BlockStorageSpace表示未被初始化的數(shù)據(jù)）的初始化。CPU芯片級的初始化：中斷控制器、內(nèi)存等的初始化。返回嵌入式軟件運行流程（2）系統(tǒng)引導(dǎo)/升級階段根據(jù)需要分別進(jìn)入系統(tǒng)軟件引導(dǎo)階段或系統(tǒng)升級階段。軟件可通過測試通信端口數(shù)據(jù)或判斷特定開關(guān)的方式分別進(jìn)入不同階段。嵌入式軟件運行流程系統(tǒng)引導(dǎo)階段系統(tǒng)引導(dǎo)有幾種情況：將系統(tǒng)軟件從NORFlash中讀取出來加載到RAM中運行：這種方式可以解決成本及Flash速度比RAM慢的問題。軟件可壓縮存儲在Flash中。（啟動慢，運行速度快）不需將軟件引導(dǎo)到RAM中而是讓其直接在NorFlash上運行，進(jìn)入系統(tǒng)初始化階段。（啟動快，運行慢）將軟件從外存（如NandFlash、CF卡、MMC等）中讀取出來加載到RAM中運行：這種方式的成本更低。（便宜，啟動慢，運行速度快）嵌入式軟件運行流程系統(tǒng)升級階段進(jìn)入系統(tǒng)升級階段后系統(tǒng)可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程升級或通過串口進(jìn)行本地升級。遠(yuǎn)程升級一般支持TFTP、FTP、HTTP等方式。本地升級可通過Console口使用超級終端或特定的升級軟件進(jìn)行。返回嵌入式軟件運行流程（3）系統(tǒng)初始化階段

在該階段進(jìn)行操作系統(tǒng)等系統(tǒng)軟件各功能部分必需的初始化工作，如根據(jù)系統(tǒng)配置初始化數(shù)據(jù)空間、初始化系統(tǒng)所需的接口和外設(shè)等。系統(tǒng)初始化階段需要按特定順序進(jìn)行，如首先完成內(nèi)核的初始化，然后完成網(wǎng)絡(luò)、文件系統(tǒng)等的初始化，最后完成中間件等的初始化工作。返回嵌入式軟件運行流程（4）應(yīng)用初始化階段

在該階段進(jìn)行應(yīng)用任務(wù)的創(chuàng)建，信號量、消息隊列的創(chuàng)建和與應(yīng)用相關(guān)的其它初始化工作。（5）多任務(wù)應(yīng)用運行階段

各種初始化工作完成后，系統(tǒng)進(jìn)入多任務(wù)狀態(tài)，操作系統(tǒng)按照已確定的算法進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度，各應(yīng)用任務(wù)分別完成特定的功能。第二節(jié)

嵌入式實時操作系統(tǒng)簡介嵌入式操作系統(tǒng)特點嵌入式操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)實時系統(tǒng)的評價指標(biāo)概述 嵌入式操作系統(tǒng)可以統(tǒng)稱為應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，它具有一般操作系統(tǒng)的功能，同時具有嵌入式軟件的特點，主要有：可固化可配置、可剪裁獨立的板級支持包，可修改不同的CPU有不同的版本應(yīng)用的開發(fā)需要有集成的交叉開發(fā)工具概述近十年來，嵌入式操作系統(tǒng)得到飛速的發(fā)展從支持8位微處理器到16位、32位甚至64位微處理器；從支持單一品種的微處理器芯片到支持多品種微處理器芯片；從只有內(nèi)核到除了內(nèi)核外還提供其他功能模塊，如文件系統(tǒng)，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，窗口圖形系統(tǒng)等。隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的擴展，目前嵌入式操作系統(tǒng)的市場在不斷細(xì)分，出現(xiàn)了針對不同領(lǐng)域的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品按領(lǐng)域的要求和標(biāo)準(zhǔn)提供特定的功能。1）實時操作系統(tǒng)的特點

隨著硬件實時性要求的提高，嵌入式系統(tǒng)的軟件規(guī)模也不斷擴大，逐漸形成了實時多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS），并開始成為嵌入式系統(tǒng)的主流。

這一階段嵌入式系統(tǒng)的主要特點是：操作系統(tǒng)的實時性得到了很大改善，已經(jīng)能夠運行在各種不同類型的微處理器上，具有高度的模塊化和擴展性。此時的嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)具備了文件和目錄管理、設(shè)備管理、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)、圖形用戶界面（GUI）等功能，并提供了大量的應(yīng)用程序接口（API），從而使得應(yīng)用軟件的開發(fā)變得更加簡單。實時操作系統(tǒng)的特點

（1）多任務(wù)

一個任務(wù)也稱作一個線程，是一個簡單的運行程序。每個任務(wù)都是整個應(yīng)用的某一部分，每個任務(wù)被賦予一定的優(yōu)先級，有它自己的一套CPU寄存器和自己的棧空間多任務(wù)運行的實現(xiàn)，實際上是靠CPU（中央處理單元）在許多任務(wù)之間轉(zhuǎn)換、調(diào)度。CPU只有一個，輪番服務(wù)于一系列任務(wù)中的某一個。多任務(wù)運行使CPU的利用率得到最大的發(fā)揮，并使應(yīng)用程序模塊化。（2）任務(wù)的事件驅(qū)動

通用操作系統(tǒng)只注重平均性能，所有任務(wù)的平均響應(yīng)時間是關(guān)鍵，并不關(guān)心單個任務(wù)的響應(yīng)時間。而嵌入式實時系統(tǒng)是指在一個確定的時間內(nèi)，實現(xiàn)系統(tǒng)功能并做出及時響應(yīng)的系統(tǒng)。任務(wù)實時任務(wù)非實時任務(wù)事件驅(qū)動時間驅(qū)動內(nèi)部事件：運算結(jié)果、設(shè)備請求等外部事件：開關(guān)量輸入等絕對時間驅(qū)動相對時間驅(qū)動CPU中斷控制器1中斷控制器2外部事件（3）中斷與中斷優(yōu)先級

系統(tǒng)實現(xiàn)中斷可以帶來CPU和外設(shè)間的同步工作、實現(xiàn)實時處理和故障處理。（4）同步與異步 與系列時間相關(guān)事件稱為同步事件，驅(qū)動的任務(wù)為同步任務(wù)。隨機發(fā)生的事件稱為異步事件，驅(qū)動的任務(wù)為異步任務(wù)，如中斷等。

任何任務(wù)所占用的實體都可稱為資源。資源可以是輸入輸出設(shè)備，例如打印機、鍵盤、顯示器，資源也可以是一個變量、一個結(jié)構(gòu)或一個數(shù)組等。 程序進(jìn)行時可使用的軟硬件環(huán)境稱為資源，2個以上任務(wù)可同時訪問的共享資源稱為臨界資源。

（5）資源與臨界資源

容錯：當(dāng)系統(tǒng)軟、硬件發(fā)生故障時，系統(tǒng)仍能正常運轉(zhuǎn)，完成預(yù)定的任務(wù)或某些重要的不允許間斷的任務(wù)。包括系統(tǒng)自診斷、自恢復(fù)、自動切換等功能。安全性：是指系統(tǒng)對自身文件和用戶文件的存取合法性的控制。如口令、加密。（6）容錯與安全2）嵌入式操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)是操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它定義了硬件與軟件的界限、內(nèi)核與操作系統(tǒng)其它組件（文件、網(wǎng)絡(luò)、GUI等）的組織關(guān)系、系統(tǒng)與應(yīng)用的接口。目前操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)可分為：單塊結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)和客戶/服務(wù)器（微內(nèi)核）結(jié)構(gòu)。嵌入式操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)硬件系統(tǒng)服務(wù)用戶態(tài)核心態(tài)應(yīng)用程序應(yīng)用程序…單塊結(jié)構(gòu)嵌入式操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)硬件基本進(jìn)程管理虛存管理I/O和設(shè)備管理進(jìn)程間通信文件系統(tǒng)用戶用戶模式內(nèi)核模式層次結(jié)構(gòu)嵌入式操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)硬件進(jìn)程服務(wù)用戶態(tài)核心態(tài)應(yīng)用程序客戶內(nèi)存服務(wù)微內(nèi)核文件服務(wù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)顯示服務(wù)發(fā)送應(yīng)答客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)（微內(nèi)核結(jié)構(gòu)）嵌入式操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的優(yōu)點提供一致的接口可擴展性：擴展對新的軟件/硬件支持靈活性：可伸縮可移植性分布式系統(tǒng)支持適用于面向?qū)ο蟛僮飨到y(tǒng)環(huán)境性能問題：通過微內(nèi)核構(gòu)造和發(fā)送信息、接受應(yīng)答并解碼所花費的時間比進(jìn)行一次系統(tǒng)調(diào)用的時間多很大程度取決于微內(nèi)核的大小和功能嵌入式操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)目前嵌入式操作系統(tǒng)主要采用分層和模塊化相結(jié)合的結(jié)構(gòu)或微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。分層和模塊化結(jié)合的結(jié)構(gòu)將操作系統(tǒng)分為硬件無關(guān)層、硬件抽象層和硬件相關(guān)層，每層再劃分功能模塊。這樣移植工作便集中在硬件相關(guān)層，與其余兩層無關(guān)，功能的伸縮則集中在模塊上，從而確保其具有良好的可移植性和可伸縮性。而采用微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，則可利用其可伸縮的特點適應(yīng)硬件的發(fā)展，便于擴展。

嵌入式操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用程序任務(wù)管理硬件用戶擴展處理調(diào)度管理硬件抽象層應(yīng)用編程接口內(nèi)存管理中斷管理時鐘/定時器管理I/O管理出錯處理同步、通信管理（消息隊列，信號量，事件，異步信號)）DeltaCORE的體系結(jié)構(gòu)：層次＋模塊結(jié)構(gòu)分層次模塊化嵌入式操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)用戶模式應(yīng)用應(yīng)用應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)管理器圖形管理器設(shè)備管理器文件系統(tǒng)管理器網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動圖形驅(qū)動設(shè)備驅(qū)動文件系統(tǒng)驅(qū)動硬件內(nèi)核模式內(nèi)核（微內(nèi)核）QNX4.25的體系結(jié)構(gòu)：客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)嵌入式操作系統(tǒng)的組成…………嵌入式內(nèi)核內(nèi)核是嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是必備的部分。內(nèi)核還提供特定的應(yīng)用編程接口，但目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。任務(wù)管理內(nèi)存管理通信同步與互斥機制中斷管理時間管理任務(wù)擴展…………返回嵌入式內(nèi)核任務(wù)管理內(nèi)核的核心部分，具有任務(wù)調(diào)度、創(chuàng)建任務(wù)、刪除任務(wù)、掛起任務(wù)、解掛任務(wù)、設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級等功能。通用計算機的操作系統(tǒng)追求的是最大的吞吐率，為了達(dá)到最佳整體性能，其調(diào)度原則是公平，采用Round-Robin或可變優(yōu)先級調(diào)度算法，調(diào)度時機主要以時間片為主驅(qū)動。而嵌入式操作系統(tǒng)多采用基于靜態(tài)優(yōu)先級的可搶占的調(diào)度，任務(wù)優(yōu)先級是在運行前通過某種策略靜態(tài)分配好的，一旦有優(yōu)先級更高的任務(wù)就緒就馬上進(jìn)行調(diào)度。返回嵌入式內(nèi)核內(nèi)存管理通用操作系統(tǒng)廣泛使用了虛擬內(nèi)存的技術(shù)，為用戶提供一個功能強大的虛存管理機制。嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理比較簡單。通常不采用虛擬存儲管理，而采用靜態(tài)內(nèi)存分配和動態(tài)內(nèi)存分配（固定大小內(nèi)存分配和可變大小內(nèi)存分配）相結(jié)合的管理方式。有些內(nèi)核利用MMU機制提供內(nèi)存保護(hù)功能。返回嵌入式內(nèi)核通信、同步和互斥機制這些機制提供任務(wù)間、任務(wù)與中斷處理程序間的通信、同步和互斥功能。一般包括信號量、消息、事件、管道、異步信號和共享內(nèi)存等功能。與通用操作系統(tǒng)不同的是，嵌入式操作系統(tǒng)需要解決在這些機制的使用中出現(xiàn)的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。返回嵌入式內(nèi)核中斷管理，一般具有以下功能：安裝中斷服務(wù)程序中斷發(fā)生時，對中斷現(xiàn)場進(jìn)行保存，并且轉(zhuǎn)到相應(yīng)的服務(wù)程序上執(zhí)行中斷退出前，對中斷現(xiàn)場進(jìn)行恢復(fù)中斷棧切換中斷退出時的任務(wù)調(diào)度

返回嵌入式內(nèi)核時間管理提供高精度、應(yīng)用可設(shè)置的系統(tǒng)時鐘，該時鐘是嵌入式系統(tǒng)的時基，可設(shè)置為十毫秒以下。提供日歷時間，負(fù)責(zé)與時間相關(guān)的任務(wù)管理工作如任務(wù)對資源有限等待的計時、時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度等，提供軟定時器的管理功能等。通用操作系統(tǒng)的系統(tǒng)時鐘的精度由操作系統(tǒng)確定，應(yīng)用不可調(diào)，且一般是幾十個毫秒。返回嵌入式內(nèi)核任務(wù)擴展功能任務(wù)擴展功能就是在內(nèi)核中設(shè)置一些Hook的調(diào)用點，在這些調(diào)用點上內(nèi)核調(diào)用應(yīng)用設(shè)置的、應(yīng)用自己編寫的擴展處理程序，以擴展內(nèi)核的有關(guān)功能。Hook調(diào)用點有任務(wù)創(chuàng)建、任務(wù)切換、任務(wù)刪除、出錯處理等。返回實時系統(tǒng)是面向具體應(yīng)用，對外來事件在限定時間內(nèi)能做出反應(yīng)的系統(tǒng)。限定時間的范圍很廣可以從微秒級（如信號處理）到分鐘級（如聯(lián)機查詢系統(tǒng)）。在實時系統(tǒng)中主要有三個指標(biāo)來衡量系統(tǒng)的實時性，即響應(yīng)時間（ResponseTime）、生存時間（SurvivalTime）、吞吐量（Throughput）。3）實時系統(tǒng)的評價指標(biāo)

響應(yīng)時間（ResponseTime）：是計算機識別一個外部事件到作出響應(yīng)的時間，在控制應(yīng)用中它是最重要的指標(biāo)，如果事件不能及時的處理，系統(tǒng)可能就會崩潰。生存時間（SurvivalTime）：是數(shù)據(jù)有效等待時間，在這段時間里數(shù)據(jù)是有效的。吞吐量（Throughput）：是在一給定時間內(nèi)（秒），系統(tǒng)可以處理的事件總數(shù)。例如通訊控制器用每秒鐘處理的字符數(shù)來表示吞吐量，吞吐量是平均響應(yīng)時間的倒數(shù)。參考：一個實時操作系統(tǒng)的實時性能的主要評測標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)包括系統(tǒng)響應(yīng)時間、上下文切換時間，中斷延遲時間、中斷響應(yīng)時間、任務(wù)切換時間、調(diào)度器延遲時間，周期性抖動（jitter這是操作系統(tǒng)的主要職責(zé)之一，它決定該輪到哪個任務(wù)運行了。 往往調(diào)度是基于任務(wù)的優(yōu)先級，根據(jù)其重要不同被賦予任務(wù)不同的優(yōu)先級。CPU總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)先運行。 何時讓高優(yōu)先級任務(wù)掌握CPU的使用權(quán)，有兩種不同的情況，這要看用的是什么類型的內(nèi)核，是非占先式的還是占先式的內(nèi)核。

(2)任務(wù)調(diào)度（dispatcher）（3）非占先式調(diào)度法與占先式調(diào)度法①非占先式（non-preemptive）式調(diào)度法非占先式也稱作合作型多任務(wù)（cooperativemultitasking），各個任務(wù)彼此合作共享一個CPU。中斷服務(wù)可以使一個高優(yōu)先級的任務(wù)由掛起狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)。但中斷服務(wù)以后控制權(quán)還是回到原來被中斷了的那個任務(wù)，直到該任務(wù)主動放棄CPU的使用權(quán)時，那個高優(yōu)先級的任務(wù)才能獲得CPU的使用權(quán)。低優(yōu)先級任務(wù)ISR高優(yōu)先級任務(wù)（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）中斷服務(wù)程序使高優(yōu)先級任務(wù)就緒低優(yōu)先級任務(wù)釋放CPU使用權(quán)TIME非占先式(Non-Preemptive)圖

非占先式內(nèi)核的一個特點是幾乎不需要使用信號量保護(hù)共享數(shù)據(jù)。正在運行著的任務(wù)占有CPU，而不必?fù)?dān)心被別的任務(wù)搶占。 非占先式內(nèi)核的最大缺陷在于其響應(yīng)高優(yōu)先級的任務(wù)慢②占先式（搶先式）preemptive）

當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)時間很重要時，要使用占先式內(nèi)核。最高優(yōu)先級的任務(wù)一旦就緒，總能得到CPU的控制權(quán)。即當(dāng)一個運行著的任務(wù)使一個比它優(yōu)先級高的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)，當(dāng)前任務(wù)的CPU使用權(quán)就被剝奪了，或者說被掛起了，那個高優(yōu)先級的任務(wù)立刻得到了CPU的控制權(quán)。

低優(yōu)先級任務(wù)ISR高優(yōu)先級任務(wù)（1）（2）（3）（4）（5）（6）中斷服務(wù)程序使高優(yōu)先級任務(wù)就緒高優(yōu)先級任務(wù)得到CPU使用權(quán)TIME占先式(Preemptive)圖

(4)任務(wù)優(yōu)先級(priority)

首先介紹一下任務(wù)優(yōu)先級的種類，每個任務(wù)都有其優(yōu)先級（priority），靜態(tài)優(yōu)先級和動態(tài)優(yōu)先級。

應(yīng)用程序執(zhí)行過程中，如果各任務(wù)優(yōu)先級不變，則稱之為靜態(tài)優(yōu)先級。在靜態(tài)優(yōu)先級系統(tǒng)中，各任務(wù)以及它們的時間約束在程序編譯時是已知的。 應(yīng)用程序執(zhí)行過程中，如果任務(wù)的優(yōu)先級是可變的，則稱之為動態(tài)優(yōu)先級。第三節(jié)

常用的嵌入式操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)功能概述嵌入式操作系統(tǒng)的演變常用的嵌入式系統(tǒng)簡介1、操作系統(tǒng)功能的概述

現(xiàn)在的操作系統(tǒng)十分復(fù)雜，它管理著計算機系統(tǒng)中各種不同的軟硬件資源。一般來說，操作系統(tǒng)主要功能有進(jìn)程管理（處理機管理）、存儲器管理、設(shè)備管理和文件管理。 進(jìn)程管理的主要功能是完成CPU資源的調(diào)度和分配，以某種預(yù)定的策略運行系統(tǒng)中的任務(wù)。 存儲器管理是操作系統(tǒng)的一個重要職責(zé)，主要完成計算機內(nèi)存資源的管理和分配任務(wù)。 設(shè)備管理負(fù)責(zé)管理各種計算機外設(shè)，主要有設(shè)備驅(qū)動程序完成。 文件管理負(fù)責(zé)管理磁盤上的各種文件和目錄。2、嵌入式操作系統(tǒng)的演變*PercentoftotalsoftwaresuppliedbyRTOSvendorinatypicalembeddeddevice10%*Kernel30%*KernelNetworkingFileSystem75%*KernelNetworkingFileSystemMultiprocessingMemoryManagementNetworkingUtilityWindowsAPIApplicationApplicationApplicationApplication90%*KernelNetworkingFileSystemMultiprocessingFaultToleranceDistributedObjectsAdvancedNetworkingAdvancedInterconnectJavaBrowser/GUI嵌入式操作系統(tǒng)的演變 在嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展過程中，從操作系統(tǒng)的角度來看，大致經(jīng)歷了以下幾個階段：無操作系統(tǒng)階段簡單操作系統(tǒng)階段實時操作系統(tǒng)階段面向Internet的階段嵌入式操作系統(tǒng)的演變無操作系統(tǒng)階段嵌入式這一階段嵌入式系統(tǒng)的主要特點是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能相對單一，處理效率較低，存儲容量較小，幾乎沒有用戶接口。由于這種嵌入式系統(tǒng)使用簡便、價格低廉，因而曾經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到了非常廣泛的應(yīng)用，但卻無法滿足現(xiàn)今對執(zhí)行效率、存儲容量都有較高要求的信息家電等場合的需要。嵌入式操作系統(tǒng)的演變簡單操作系統(tǒng)階段20世紀(jì)80年代，隨著微電子工藝水平的提高，IC制造商開始把嵌入式應(yīng)用中所需要的微處理器、I/O接口、串行接口以及RAM、ROM等部件統(tǒng)統(tǒng)集成到一片VLSI中，制造出面向I/O設(shè)計的微控制器，并一舉成為嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中異軍突起的新秀。與此同時，嵌入式系統(tǒng)的程序員也開始基于一些簡單的"操作系統(tǒng)"開發(fā)嵌入式應(yīng)用軟件，大大縮短了開發(fā)周期、提高了開發(fā)效率。嵌入式操作系統(tǒng)的演變簡單操作系統(tǒng)階段這一階段嵌入式系統(tǒng)的主要特點是：出現(xiàn)了大量高可靠、低功耗的嵌入式CPU（如PowerPC等），各種簡單的嵌入式操作系統(tǒng)開始出現(xiàn)并得到迅速發(fā)展。此時的嵌入式操作系統(tǒng)雖然還比較簡單，但已經(jīng)初步具有了一定的兼容性和擴展性，內(nèi)核精巧且效率高，主要用來控制系統(tǒng)負(fù)載以及監(jiān)控應(yīng)用程序的運行。嵌入式操作系統(tǒng)的演變實時操作系統(tǒng)階段20世紀(jì)90年代，在分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統(tǒng)進(jìn)一步飛速發(fā)展，而面向?qū)崟r信號處理算法的DSP產(chǎn)品則向著高速度、高精度、低功耗的方向發(fā)展。隨著硬件實時性要求的提高，嵌入式系統(tǒng)的軟件規(guī)模也不斷擴大，逐漸形成了實時多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS），并開始成為嵌入式系統(tǒng)的主流。嵌入式操作系統(tǒng)的演變實時操作系統(tǒng)階段這一階段嵌入式系統(tǒng)的主要特點是：操作系統(tǒng)的實時性得到了很大改善，已經(jīng)能夠運行在各種不同類型的微處理器上，具有高度的模塊化和擴展性。此時的嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)具備了文件和目錄管理、設(shè)備管理、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)、圖形用戶界面（GUI）等功能，并提供了大量的應(yīng)用程序接口（API），從而使得應(yīng)用軟件的開發(fā)變得更加簡單。嵌入式操作系統(tǒng)的演變面向Internet的階段21世紀(jì)無疑將是一個網(wǎng)絡(luò)的時代，將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中去的呼聲自然也越來越高。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于Internet之外，隨著Internet的進(jìn)一步發(fā)展，以及Internet技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等的結(jié)合日益緊密，嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合才是嵌入式技術(shù)的真正未來。信息時代和數(shù)字時代的到來，為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展帶來了巨大的機遇，同時也對嵌入式系統(tǒng)廠商提出了新的挑戰(zhàn)。嵌入式操作系統(tǒng)的演變 目前，嵌入式技術(shù)與Internet技術(shù)的結(jié)合正在推動著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的研究和應(yīng)用產(chǎn)生了如下新的顯著變化：新的微處理器層出不窮，嵌入式操作系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)的設(shè)計更加便于移植，能夠在短時間內(nèi)支持更多的微處理器。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)成了一項系統(tǒng)工程，開發(fā)廠商不僅要提供嵌入式操作系統(tǒng)本身，同時還要提供強大的軟件開發(fā)支持包。通用計算機上使用的新技術(shù)、新觀念開始逐步移植到嵌入式系統(tǒng)中，如嵌入式數(shù)據(jù)庫、移動代理、實時CORBA、Java等，嵌入式軟件平臺得到進(jìn)一步完善。3、μC/OS-II簡介μC/OS-II是一個搶占式實時多任務(wù)內(nèi)核。它是用ANSI的C語言編寫的，包含一小部分匯編語言代碼，使之可以提供給不同架構(gòu)的微處理器使用。至今，從8位到64位，μC/OS-II已經(jīng)在40多種不同架構(gòu)的微處理器上使用。使用μC/OS的領(lǐng)域包括：照相機行業(yè)、航空業(yè)、醫(yī)療器械、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、自動提款機以及工業(yè)機器人等。

4、Linux操作系統(tǒng)簡介

嵌入式系統(tǒng)越來越追求數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。因此原來在某些設(shè)備或領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位的軟件系統(tǒng)越來越難以為繼，整個系統(tǒng)必須是開放的、提供標(biāo)準(zhǔn)的API，并且能夠方便地與眾多第三方的軟硬件溝通。

Linux在嵌入式領(lǐng)域異軍突起，不過是近兩年的事情。過去的一年中有13%的用戶已經(jīng)開始使用嵌入式Linux系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)工作；有52%的用戶決定在未來24個月內(nèi)開始使用Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)原型。

隨著Linux的迅速發(fā)展，嵌入式Linux現(xiàn)在已經(jīng)有了許多版本，包括強實時的嵌入式Linux（RT-Linux和KURT-Linux）和一般的嵌入式Linux（如uClinux和PorketLinux等）。其中，RT-Linux通過把通常的Linux任務(wù)優(yōu)先級設(shè)為最低，而所有的實時任務(wù)的優(yōu)先級都高于它，以達(dá)到既兼容通常的Linux任務(wù)，又保證強實時性能的目的。嵌入式uCLinux

另一種常用的嵌入式Linux是uClinux，它是指對Linux經(jīng)過小型化裁剪后，能夠固化在容量只有幾百K字節(jié)或幾兆字節(jié)的存儲器芯片中，即針對沒有MMU的處理器而設(shè)計的。它不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，對內(nèi)存的訪問是直接的，所有程序中的地址都是實際的物理地址。它專為嵌入式系統(tǒng)作了許多小型化的工作。嵌入式Linux(EmbeddedLinux)應(yīng)用于特定嵌入式場合。嵌入式Linux的開發(fā)和研究是目前操作系統(tǒng)領(lǐng)域的一個熱點。5、WindowsCE操作系統(tǒng)簡介

1）概述

WindowsCE是Microsoft公司為開發(fā)各類信息設(shè)備而開發(fā)出來的一個嵌入式軟實時操作系統(tǒng)。

WindowsCE是一個非常小巧精致的操作系統(tǒng)。這個操作系統(tǒng)的核心全部是由C語言開發(fā)的，操作系統(tǒng)本身還包含許多由各個廠家用C語言和匯編語言開發(fā)的驅(qū)動程序。

WindowsCE可以看作是Windows98/NT的微縮版，專門為體積小、資源要求低、便攜的機器而設(shè)計。但它們之間還存在著一些明顯的差別，WindowsCE不得不放棄某些復(fù)雜的特性。

WindowsCE是針對有限資源的平臺而設(shè)計的多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)的操作系統(tǒng)，但它不是一個強實時操作系統(tǒng)，高度模塊化是它的重要特性，它適合作為可裁減的32位嵌入式操作系統(tǒng)。WinCE既適用于工業(yè)設(shè)備的嵌入式控制模塊，也適用于消費類電子產(chǎn)品，如電話、機頂盒和掌上電腦等。針對不同的目標(biāo)設(shè)備硬件環(huán)境，可以在內(nèi)核基礎(chǔ)上添加各種模塊，從而形成一個定制的嵌入式操作系統(tǒng)。

WindowsCE的核允許每個進(jìn)程有256個優(yōu)先級，采用搶占式優(yōu)先權(quán)調(diào)度法。WindowsCE內(nèi)核至少約為200KB的ROM。對于應(yīng)用程序開發(fā)者來說，WindowsCE提供了Windows程序員熟悉的各種開發(fā)環(huán)境，例如，MicrosoftWin32API（應(yīng)用程序接口）、ActiveX控件、消息隊列、COM接口、ATL和MFC。它們不僅有助于提高開發(fā)者的開發(fā)效率，而且有利于從其他Microsoft平臺上移植各種成功的應(yīng)用程序。2）WinCE與Windows操作系統(tǒng)的區(qū)別⑴WindowsCE不能運行現(xiàn)有的應(yīng)用程序⑵WindowsCE有嚴(yán)格的內(nèi)存限制。⑶WindowsCE有精簡的運行庫和API⑷WindowsCE設(shè)備通常沒有鼠標(biāo)⑸WindowsCE硬件并不十分標(biāo)準(zhǔn)化

使用WinCE用戶需與Microsoft公司簽訂合同方可獲得源代碼。

WindowsCE支持非常流行的Windows應(yīng)用程序接口API，提供了互聯(lián)網(wǎng)的瀏覽服務(wù)和其他服務(wù)，使其很適合用于需要與互聯(lián)網(wǎng)連接的系統(tǒng)中。目前常使用的有WindowsCE4.2、CE5.0等版本。6、VxWorks

VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式（無MMU）實時操作系統(tǒng)（RTOS），具有良好的持續(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，在嵌入式實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域牢牢占據(jù)著一席之地。

VxWorks操作系統(tǒng)基于微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，由400多個相對獨立的目標(biāo)模塊組成，用戶可以根據(jù)需要增加或減少模塊來裁剪和配置系統(tǒng)，其連接器可按應(yīng)用的需要來動態(tài)連接目標(biāo)模塊。大多數(shù)的VxWorksAPI是專用的，采用GNU的編譯和調(diào)試器。VxWorks所具有的顯著特點

－可靠性、實時性和可裁減性。 －它支持多種處理器，如x86、i960、SunSparc、MotorolaMC68xxx、MIPS、PowerPC等等。例如在美國的F-16和FA-18戰(zhàn)斗機、B2隱形轟炸機、愛國者導(dǎo)彈和“索杰納”火星探測車上使用的都是VxWorks操作系統(tǒng)。

7、智能手機操作系統(tǒng)簡介概述目前的手機操作系統(tǒng)平臺被Symbian、Linux、微軟和Palm四家所掌控。操作系統(tǒng)的成本占15%~20%。1）PalmOS“胖子”由PalmComputing公司設(shè)計開發(fā)的一種32位嵌入式操作系統(tǒng)，主要應(yīng)用在掌上電腦（PDA），以及現(xiàn)在的智能手機。Palm已售出3000萬部以上的移動化電腦產(chǎn)品。PalmOS操作系統(tǒng)的最大特點就是節(jié)能以及占用很少的系統(tǒng)資源。同時它還是采用開放式的架構(gòu)，因此吸引了眾多為PalmOS平臺開發(fā)應(yīng)用程序的程序設(shè)計人員。目前在其上面運行的共享軟件和免費軟件已超過1萬種。2）SymbianOS“塞班系統(tǒng)”由諾基亞聯(lián)合摩托羅拉、西門子等幾家大型移動通訊設(shè)備商共同出資組建的一個合資公司，專門研發(fā)手機操作系統(tǒng)，并得到了占據(jù)市場份額大多數(shù)的手持通訊設(shè)備廠商的支持。Symbian操作系統(tǒng)的前身是EPOC，而EPOC是ElectronicPieceofCheese取第一個字母而來的，其原意為“使用電子產(chǎn)品時可以像吃乳酪一樣簡單”。在諾基亞的大力倡導(dǎo)下，Symbian已經(jīng)成為一個開放的、易用的、專業(yè)的開發(fā)平臺。支持C＋＋，Java語言，支持藍(lán)牙、USB、IPv4、IPv6、