（计算机应用技术专业论文）基于平台的嵌入式软件设计方法的研究与应用.pdf

基于平台的嵌入式软件设计方法的研究与应用 摘要 随着后p c 时代的来临，嵌入式系统在各个领域得到广泛应用。随着设备复杂度 的提高，嵌入式软件系统也越来越复杂。嵌入式产品开发人员希望开发的嵌入式软件 系统可以在多种平台上移植，针对不同的开发需要，只需对相应部分进行移植扩展， 而不需要重新设计整个嵌入式软件系统。但目前各嵌入式操作系统的a p i 没有形成 统一的规范，各厂商都有自己的标准，且对于不同的硬件没有统一的规范和接口。操 作系统技术规范差别之大、使用的微控制器之繁多、各种中间件扩展的不同、各种外 设接口的不同，使得嵌入式软件系统的重用性、移植性及扩展性出现了一系列的问题。 因此，如何提高嵌入式软件的移植性、重用性和扩展性，如何提高嵌入式软件的开发 质量和开发效率成为亟待解决的问题。 嵌入式软件设计开发的难点在于硬件与软件接口、硬件驱动与实时操作系统、硬 件板级设置与实时操作系统、应用程序与底层软件之间没有统一的标准接口。将嵌入 式软件系统的设计和开发建立在一个通用型、移植性、裁剪性、实时性强的层次化、 标准化嵌入式开发平台上是一个很好的解决方案。 本文分析了嵌入式系统及嵌入式软件开发的特点，提出了基于平台的嵌入式软件 系统的层次结构硐i 基于平台的设计方法，对每层的实现方法进行了定义和描述。该层 次结构类似于网络通信中的o s i 模型，将嵌入式软件系统划分为相对独立的层：硬 件抽象层、引导程序b o o t l o a d e r 层、监控程序r o m m o n i t o r 层、硬件设备驱动层、 实时操作系统层、中间件和应用程序层。每层完成相应的功能，并对上层提供支持， 层层之间都有统一的接口规范。搭建一个标准的通用平台当应用需求发生变化时， 只需对相应层进行修改。在此平台上开发设计嵌入式系统，采用层次化、标准化的方 法，可大大缩短系统的开发时间、降低成本、实现嵌入式技术的快速移植和扩展。 根据该方法搭建了基于t - k e r n e l 的嵌入式软件系统。t - k e r n e l 是标准开源实时操 作系统内核，具有移植性和实时性较好的标准化实时内核及标准化硬件、软件、开发 环境及丰富的中间件。按照层次结构设计实现了b o o t l o a d e r 层和r o mm o n i t o r 层， 提出虚拟向量模型，分析t k e r n e l 内核工作机制，对任务调度机制进行分析改进。 基于平台的嵌入式软件设计方法，提高了软件的移植性和重用性，大幅度的提高 开发效率、节约开发成本。搭建的基于t - k e r n e l 的嵌入式软件平台提供了嵌入式软件 开发的学习、研究和实践平台，提供了实时操作系统内核工作机制的学习平台。该平 台采用的标准化层次化的构架，具有标准的a p i 接口和良好的移植性、裁剪性，可 以快速的扩展到其它应用领域，具有较好的理论价值和实用价值。 关键字：嵌入式系统；硬件抽象层：卜k e r n e l 操作系统；r o m 监控程序 s t u d ya n da p p ii c a t i o ni nd e s i g na p p r o a c ho fe m b e d d e d s o f t w a r es y s t e mb a s e do rpia t f o r m a b s t r a c t w i t ht h ec o m i n go fp o s t p e r s o n a lc o m p u t e re r a ，e m b e d d e ds y s t e mi sw i d e l yu s e di n m o r ea n dm o r ef i e l d s t h ee m b e d d e ds o f t w a r es y s t e mi sa l s ob e c o m i n gm u c hm o r e c o m p l i c a t e da n dd i f f i c u l t h o wt ot r a n s p l a n tt h ee m b e d d e ds o f t w a r es y s t e mf r o mo n e p l a t f o r mt oa n o t h e ro n l yb ye x t e n d i n gc o r r e s p o n d i n gl a y e r s ，w i t h o u tr e d e s i g n i n gt h ew h o l e s y s t e m ，i st h eg o a lo fa l lt h ee m b e d d e dd e v e l o p e r sa l lt h et i m e b u tt h e r ei sn os t a n d a r d i n t e r f a c eb e t w e e nd i f f e r e n te m b e d d e ds y s t e ma p i s t h e r ea r es om a n yd i f f e r e n c e sb e t w e e n o sa p i s ，o ss p e c i f i c a t i o n s ，m i d d l e w a r ei n t e r f a c e sa n dh a r d w a r ed r i v e r s i ti sj u s tt h e g r e a td i f f e r e n c e st h a tl e a dt oas e r i e so fp r o b l e m si ne m b e d d e ds o f t w a r es y s t e m s r e u s e ， p o r t a b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t y t h e r e f o r e ，h o w t o i m p r o v e t h ep o r t a b i l i t ya n dt h e e x p a n s i b i l i t yo ft h ee m b e d d e ds o f t w a r ea n dt h eq u a l i t ya n dt h ee f f i c i e n c yo fd e v e l o p i n g b e c o m e sak e ya n dd i f f i c u l tp r o b l e m i no r d e rt or e s o l v et h i sp r o b l e m ，t od e s i g na n dd e v e l o pa ne m b e d d e ds o f t w a r es y s t e m b a s e do nah i e r a r c h i c a la n ds t a n d a r dp l a t f o r mw i t hs t r o n gp o r t a b i l i t ya n dr e a lt i m i n g ，i sa g o o da p p r o a c h a f t e ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe m b e d d e ds y s t e ma n ds o f t w a r e d e v e l o p i n g ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h ef r a m e w o r ko fe m b e d d e ds o f t w a r es y s t e ma n dt h e d e s i g np r o c e s so fe m b e d d e ds o f t w a r eb a s e do up l a t f o r m ，w h e r et h ed e s i g n i n gm e t h o do f e a c hl a y e ri sd e s c r i b e di nd e t a i l s t h i sf r a m e w o r ki ss i m i l a rt oo s im o d e lo ft h en e t w o r k c o m m u n i c a t i o n ，d i v i d i n gt h ee m b e d d e ds o f t w a r es y s t e mi n t os e v e r a li n d e p e n d e n tl e v e l s ， i n c l u d i n gh a r d w a r ea b s t r a c tl a y e r , b o o t l o a d e rl a y e r ，m o n i t o rl a y e r ，h a r d w a r ed e v i c e d r i v e rl a y e r ，r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m l a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e r e a c hl a y e r a c c o m p l i s h e sc o r r e s p o n d i n gf u n c t i o na n dp r o v i d e s s u p p o r tt ou p p e rl a y e r s t h e r ea r e u n i f o r mi n t e r f a c e sb e t w e e nd i f f e r e n tl e v e l s b a s e do nt h i s ，w eo n l yn e e dt o m o d i f y c o r r e s p o n d i n gl a y e r sw h e na p p l i c a t i o nd e m a n dv a r i e s b ya d o p t i n gt h eh i e r a r c h i c a la n d s t a n d a r dm e t h o dt od e v e l o pt h ee m b e d d e ds o f t w a r es y s t e m s ，t h ed e v e l o p e rc a ns h o r t e nt h e s y s t e md e v e l o p i n gt i m ea n dc u tc o s tg r e a t l y a n da c c o r d i n g l y , t h ee m b e d d e dt e c h n o l o g y c a nb et r a n s p l a n t e da n de x t e n d e dq u i c k l y i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o rb u i l d sa ne m b e d d e ds o f t w a r es y s t e mb a s e do nt k e m e lu s i n g t h em e t h o dp r e s e n t e da b o v e t k e r l l e li sas t a n d a r do p e n - s o u r c er e a l t i m eo p e r a t i n g s y s t e mk e r n e l ，w h i c hh a ss t a n d a r dr e a l t i m ek e r n e lw i t hg o o dp o r t a b i l i t ya n dr e a lt i m i n g t - k e r n e la l s op r o v i d e sas t a n d a r dh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t t h e w r i t e rd e s i g n sa n dr e a l i z e st h eb o o t l o a d e rl a y e ra n dr o mm o n i t o rl a y e r , p r e s e n t sv i r t u a l v e c t o rm o d e l ，a n da n a l y z e st h ep o r t a b i l i t ya n dr e u s eo fb o o t l o a d e rl a y e ra n dr o m m o n i t o rl a y e r t h em e t h o dp r e s e n t e di n t h i sp a p e rc a ni m p r o v et h ep o r t a b i l i t ya n dt h er e u s eo f e m b e d d e ds o f l w a r e s ，p r o m o t ed e v e l o p i n ge f f i c i e n c ya n dc u td e v e l o p i n gc o s tg r e a t l y b u i l d i n gs u c ha ne m b e d d e ds o f t w a r ep l a t f o r ma l s op r o v i d e sap l a t f o r mf o rs t u d y i n ga n d r e s e a r c h i n gt h ee m b e d d e ds o f t w a r ed e v e l o p i n ga n dap l a t f o r mf o rl e a r n i n ga b o u tt h er t o s k e r n e lm e c h a n i s m a tt h es a m et i m e ，b e c a u s et h e p l a t f o r me m p l o y ss t a n d a r da n d h i e r a r c h i c a lf r a m e w o r k ，i th a ss t a n d a r da p ii n t e r f a c e sa n dg o o dp o r t a b l eq u a l i t i e s ，w h i c h m a k e si tc a nb ea p p l i e di no t h e rf i e l d sc o n v e n i e n t l y b u i l d i n gs u c hap l a t f o r mh a s c o n s i d e r a b l et h e o r e t i c a lm e a n i n ga n dg r e a tv a l u eo f u t i l i t y k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ：h a r d w a r ea b s t r a c ti a y e r ：t k e r n e io p e r a t i n gs y s t e m r o mm o n i t o r v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得 ! 篷! 翅退直基地盂蔓挂型童盟 笪! 奎拦卫窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：棒侬 签字日期年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位沦文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：芹上詹佚 签字日期：口年j 月四日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签字：c 旁锄 签字1 7 1 期：d 年s 月刁1 7 1 电话 邮编 基- h l 台的嵌入式软件设计方法的研究与应用 1 引言 1 1 国内外研究现状 随着电子技术的快速发展，特别是大规模集成电路的产生而出现的微型计算 机，使现代科学研究取得了质的飞跃，嵌入式微控制器技术的出现则给现代工业 控制领域带来一次新的技术革命。由嵌入式微控制器组成的系统最明显的优势就 是可以嵌入到任何微型或小型仪器、设备中。目前，嵌入式系统已广泛应用于信 息家电、移动通信、手持信息设备、工业控制、p d a 、工业测控领域、精密仪器、 交通运输、军事等领域。 嵌入式系统”1 1 是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机。嵌入式系 统一般指的是非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括微处理器、存储 器及外设器件i o 端1 5 1 和图形控制器等。软件部分包括操作系统软件 7 3 0 1 3 1 ( o s ) ( 要 求实时和多任务操作) 、硬件驱动和应用程序等。 在嵌入式系统的开发过程中，嵌入式系统的软件是实现嵌入式系统功能的关 键。嵌入式系统应用范围的不断扩大、功能不断增强，各个应用领域对于嵌入式 系统的要求越来越苛刻。随着微处理器性能的不断提高，系统结构的不断优化， 价格低廉、结构小巧的c p u 与外设的精简连接提供了稳定可靠的硬件结构，限制 嵌入式系统发展的瓶颈就突出表现在系统软件方面。 嵌入式软件系统b 6 ，7 1 的开发涉及多种c p u 及多种o s ，开发工具种类繁多。同 时由于嵌入式硬件系统千羞万别，软件模块和系统资源也多种多样，要使软件系 统能正常工作，必须要对目标系统具有完全的观察和控制能力，例如硬件的各种 寄存器、内存空间，操作系统的信号量、消息队列、任务、堆栈等。但目前各嵌 入式操作系统的a p i 没有形成统一的标准，各厂商都有自己的标准，且对于不同 的硬件没有统一的规范和接口。操作系统技术规范差别之大、使用的微控制器繁 多、各种中间件扩展的不同、各种外设接口的不同，使得嵌入式软件系统的重用 性、移植性及扩展性出现了一系列的问题。因此，如何提高嵌入式软件的移植性、 重用性和扩展性，如何提高嵌入式软件的开发质量和效率成为亟待解决的问题。 嵌入式软件部分可以划分为启动程序b o o t l o a d e r 、实时操作系统、硬件驱动、 基于平台的嵌入式软件设计方法的研究与应用 应用程序等部分。目前嵌入式系统软件的开发没有一个标准的流程以及一个标准 的平台【1 6 】，每次进行嵌入式产品的开发，除硬件平台外，软件平台从底层的 b o o t l o a d e r 、软件交叉监控调试程序，到实时操作系统内核以及硬件驱动都需要 重新进行选择、设计和移植。嵌入式实时操作系统是嵌入式软件的核心部分，但 目前比较流行的嵌入式实时操作系统中，实时操作系统的a p i 没有形成统一的标 准，各个厂商都定义了各自的标准体系。硬件驱动和实时操作系统的稳定性、可 靠性、移植性和标准化成为嵌入式系统软件开发的最主要的问题。 1 2 论文的研究价值和意义 针对嵌入式软件开发存在的问题，提出基于平台的嵌入式软件设计方法。基于 平台的嵌入式软件设计方法提出并划分了嵌入式软件开发的体系结构和层次结 构，对嵌入式软件系统进行了标准化、层次化。嵌入式软件系统按照o s i 模型的 方法划分为6 个层次，每层从下层得到支持并为上层提供服务，定义了各个层次 完成的功能以及各个层次之间的接口。 基于平台的嵌入式软件开发方法及嵌入式软件的层次化具有以下优点： ( 1 ) 规范化嵌入式软件的层次结构： ( 2 ) 提高了嵌入式软件的移植性和重用性； ( 3 ) 增加了软件的稳定性和可靠性； ( 4 ) 可以针对不同的应用，快速的进行移植可扩展； ( 5 ) 缩短开发时间、提高开发效率、降低开发成本； ( 6 ) 降低软件对硬件变化的敏感性； 作者根据该方法搭建了基于t - k e r n e l 的嵌入式软件平台。t - k e r n e l 是标准开 源的实时操作系统，虽然t - k e r n e l 内核功能具有标准的a p i ，也对硬件接口进行 了标准，但是每个应用都需要根据不同的硬件环境重新建立嵌入式软件开发环境， 这也是t - k e r n e l 在我国尚未得到推广应用的主要原因之一。根据嵌入式软件体系 设计方法搭建该平台，规范标准化不同层次软件的接口和功能，针对不同的开发 需求，不需重新建立嵌入式软件开发环境，只需对相应的层次进行移植和扩展。 由于嵌入式软件的开发不同与一般的软件设计，涉及到很多的计算机理论 7 ”1 1 1 4 2 ( 并发计算理论、队列理论、调度理论、可靠性理论) 以及基于这些理 论的算法( 资源访问控制算法、循环调度算法、优先级驱动算法、时钟驱动算法) 基于平台的嵌入式软件鞋计方法的研究与应用 以及相关模型技术( 中断处理模型、内存管理分配模型、工作负荷模型、周期性 任务模型、多帧任务模型、处理器共享模型、漏斗模型等) 。 该平台同时提供了嵌入式软件系统的学习、开发、调试平台。此外，该开发 平台还提供相关计算机理论学习和研究的平台，提供开发、调式、集成和软件测 试工具。通过参考基于t - k e r n e l 规范的实时内核工作机制尤其是任务调度、内存 分配、中断控制等，可以对现有的一些嵌入式操作系统内核工作机制加以改进， 从而进一步提高其实时性。该软件平台的研究与搭建具有较高的理论价值。 本文提出的基于平台的嵌入式软件设计方法和根据该方法搭建的基于 t - k e r n e l 的嵌入式软件系统具有以下意义： 1 层次化和模块化的嵌入式软件体系结构。按照该方法进行嵌入式设计，针 对不同开发的需要，只需要对相应的层次进行移植，不需要重新设计软件 系统，大大的提高了开发效率和软件的重用性。 2 标准化的软件及开发环境，可以在众多c p u 、开发板上应用，可以满足众 多性能不同的产品开发需求。这是因为由于硬件编程接口、o s 内核a p i 接口、开发环境等规格已经进行标准化。 3 有丰富的软件部件低价流通，可以降低开发成本和周期，提高开发效率。 标准化的开放式构架，对技术人员的培训非常容易。基于该体系结构、层 次结构的嵌入式开发方法的知识也可活用于今后的开发中。 4 移植性和实时性良好的标准化实时内核。由于现有的一些实时操作系统并 没有提供一个标准化的内核a p l ，在研究实现该方法的时候，采用的是基 于t - k e r n e l 的实时操作系统。t - k e r n e l 内核针对每个功能都有独立的a p i ， 便于o s 的裁减和移植。可以利用t - k e r n e l 的内核工作机制对于现有的实 时操作系统以及相应的计算理论的研究改进。 5 对于嵌入式软件的底层程序，提出了虚拟中断处理模型。按照标准化方法 设计实现了b o o tl o a d e r 和底层r o mm o n i t o r 监控程序模块。 6 搭建的基于t - k e r n e l 的嵌入式软件平台，采用层次化的方法，规范了每层 软件的接1 2 1 和功能，该平台可以快速的移植到不同的开发板上，具有较高 的应用价值。 基于平台的嵌入式软件设计方法的研究与应用 1 3 论文的研究内容和结构 在设计实现该课题时，作者所负责的主要工作是设计底层b o o t l o a d e r 和r o m m o n i t o r 交叉监控程序，并分析实时操作系统内核的任务调度和内存管理机制。本 论文的研究内容主要有： 1 针对目前嵌入式软件开发存在的问题，提出了基于平台的嵌入式软件开发 的层次结构，描述各个层次完成的功能，定义各个层次实现的方法。同时提出了 虚拟中断处理模型； 2 根据现有的硬件平台和本文提出的嵌入式软件开发的层次结构，设计实现 了基于t - k e r n e l 的嵌入式软件系统平台。主要设计实现了b o o tl o a d e r 层和r o m m o n i t o r - - hm o n i t o r 交叉监控程序层。b o o tl o a d e r 层和r o mm o n i t o r 层具有标 准的接口定义和很强的移植性。 3 重点描述h - m o n i t o r 核心技术的实现：断点命令、反汇编命令、执行命令 以及加载命令。分析描述了h - m o n i t o r 的移植性和重用性。 4 根据软件系统的层次结构，分析研究了具有标准的a p i 的t - k e r n e l 内核的 工作机制，重点分析了t - k e r n e l 的任务调度机制。实现了基于优先级的轮转调度 和抽签调度模型，并分析了t - k e r n e l 内核的优先级反转和优先级继承和封顶机制。 为了降低风险，采用的硬件平台是性能稳定的手持扫描设备p d t 硬件平台。p d t 的部件包括s c 4 5 1 0 c p o 、1 6 m 内存、2 m f l a s h 、2 8 键键盘、l e d 屏、条码扫描设备 ( 串口) 、以太口等。 本论文的组织结构如下： 第1 章引言，介绍了课题的研究背景，论文的研究意义和论文的研究内容； 第2 章嵌入式系统概述，概述分析嵌入式系统的特点、发展现状以及嵌入式 软件开发存在的问题； 第3 章基于平台的嵌入式软件设计方法，提出基于平台的嵌入式软件设计的 体系结构和层次结构，描述定义每层的功能和实现方法，提出虚拟中断向量模型； 第4 章基于t - k e r n e l 的嵌入式软件系统的设计与实现，介绍了基于t - k e r n e l 软硬件平台，具体描述了基于t - k e m e l 的嵌入式软件系统的体系结构：b o o t l o a d e r 层、r o mm o n i t o r 层一h m o n i t o r 交叉监控程序层及t - k e r n e l 操作系统。介绍了 h - m o n i t o r 的整体框架结构，分析了关键技术的设计与实现； 基于、f 台的嵌入式软件设计方法的研究与应用 第5 章t - k e r e e l 内核分析研究，介绍了t - k e r n e l 工作机制，分析了任务调度 机制和优先级反转、优先级继承和优先级封顶机制，同时对内存管理机制进行了 简要分析； 第6 章总结，对论文的内容进行了总结分析，指出了本论文的创新点、所解 决的关键技术问题及今后改进的方向； 基于平台的嵌入式软件设计方法的研究与应用 2 嵌入式系统概述 2 1 嵌入式微处理器及嵌入式实时操作系统概述 嵌入式系统旧1 1 指的是非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括微处 理器、存储器及外设器件i o 端口和图形控制器等。软件部分包括操作系统软件 ( o s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序等。应用程序控制着嵌入式系统的运 作和行为，而嵌入式操作系统控制着应用程序与硬件的交互。实时操作系统是嵌 入式软件系统的核，t l , ，提供各种设备驱动程序对硬件操作和指挥，同时r t o s 还 提供各种功能和类型的系统a p i 来满足应用程序的需求，达到硬件资源和软件资 源的合理、充分利用。 嵌入式系统是先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各行业具体应用 相结合的产物，这就决定了嵌入式系统是一个技术密集、资金密集、高度分散、 不断创新的知识集成系统。嵌入式计算机的外部设备中包含了多个嵌入式微处理 器，如键盘、硬盘、显示器、网卡、声卡等均是由嵌入式处理器控制的。现在， 嵌入式系统带来的工业年产值已超过1 万亿美元，嵌入式计算机在民用物品以及 军事装备上都得到广泛应用。 国内外著名的处理器生产厂商( 如m o t o r o l a 、i n t e l 、a m d 、日立、n e c 、e p s o n 等) 均有各自的嵌入式微处理器，其中最具有代表性的是m o t o r o l a 公司的 p o w e r p c 系列、i n t e l 公司的s t r o n g a r m 系列、a m d 公司的x 8 6 系列、e p s o n 公司的s 1 c 3 3 系列等。这些微处理器各具特色，性能优越、系统集成度高、扩展 能力强，可以广泛应用于各类嵌入式系统。 除了上面提及到的嵌入式微处理器外，从八十年代起，国际上开始进行一些 商用嵌入式操作系统印l o 1 3 1 和专用操作系统的研究开发，其中比较流行著名的嵌 入式操作系统n 主要有下面几种。 p a l mo s 是一种3 2 位的嵌入式操作系统。p a l m 提供了串行通信接口和红外 线传输接口，利用它可方便地与其它外部设备通信、传输数据。p a l mo s 拥有开 放的o s 应用程序接口，开发商可根据需要自行开发所需的应用程序。p a l mo s 是 一套具有强开放性的系统，现在有大约数千种专用为p a l mo s 编写的应用程序， 从程序内容上看，小到个人管理、游戏，大到行业解决方案，p a l mo s 无所不包。 6 基于平台的嵌入式软件设计方法的研究与应用 在丰富的软件支持下，基于p a l mo s 的掌上电脑功能得以不断扩展。p a l mo s 的 优点是操作系统的节能功能；内存管理简单：数据按照数据库的格式存储。 m i c r o s o f tw i n d o w sc e 是一种简洁、高效的多平台操作系统。w i n c e 不是削 减的w i n d o w s 9 5 版本，而是为有限资源的平台设计的具有多线程、完整优先级、 多任务的操作系统。w i n d o w sc e 的设计目标是：模块化、可伸缩性、实时性能好、 通信能力强大、支持多种c p u 。w i n c e 的设计可满足多种设备的需要，这些设备 包括了工业控制器、通信集线器以及销售终端之类的企业设备，同时还有像照相 机、电话和家用消费产品。w i n d o w sc e 的特点是具有灵活的电源管理功能、对象 存储技术、良好的通信能力、支持嵌套中断以及更好的线程响应能力等。 q n x 是一个实时，可扩充的操作系统。它提供一个很小的微内核以及一些可 选的配合进程。其内核提供四种服务：进程调度，进程问通信、底层网络通信和 中断处理，其进程在独立的地址空间运行。其它所有的o s 服务，都实现为协作的 用户进程。 l i n u x 是以u n i x 为基础发展而成的操作系统，充分利用x 8 6 c p u 的任务切换 机制，实现了真正的多任务、多用户环境。l i n u x 对硬件配置要求相当低。为实时 系统开发的r t l i n u x ，r e d - - l i n u x ，k u r t 等可以让l i n u x 支持硬实时任务。 v x w o r k s 是目前嵌入式系统领域中使用最为广泛、市场占有率最高的系统。 支持多种处理器，使用的是和u n i x 兼容的环境，多数x w o r k sa p i 是专用的。 p s o s 是一个模块化、高性能的实时操作系统，专为嵌入式微处理器设计，提 供一个完全多任务的环境。 l y n xo s 是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统。支持线程概念， 提供2 5 6 个全局用户线程优先级，提供一些传统的、非实时系统的服务特征。 嵌入式实时操作系统与通用的操作系统相比较，在系统实时高效性、硬件的 相关依赖性、软件固态化以及应用的专用化等方面具有较为突出的特点。 除了前面介绍的几种实时操作系统外，还有在日本的嵌入式产品领域占龙头地 位的基于t r o n 的实时操作系统。 t r o n 1 3 1 8 1 ( t h er e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mn u c l e u s ) 是由日本东京大学 坂村健教授于1 9 8 4 年提出的计算机操作系统规范，先后推出了i t r o n ( i n d u s t r i a lt r o n ，嵌入式系统用实时操作系统规范) 、j t r o n ( j a v a 与i t r o n 基于平台的嵌入式软件设计方法的研究与应用 的混合操作系统规范) 、b t r o n ( 计算机及手机信息终端等最终客户直接操作的操 作系统规范体系) 、c t r o n ( 以通信控制及信息处理为目的的操作系统接口规范) 及t r o nh m i ( 面向各种电子机器的人机界面标准) 等规范。其中c t r o n 最为成 功，使日本的通信类产品占领了整个日本市场，包括移动通信采用日本研制的微 蜂窝系统，从手机到基站、移动交换机均为日本产品。i t r o n 和日本的精密机械 工业相结合，使日本在数据系统、工业机器人、办公机器方面处于世界领先地位。 提出t r o n 规范的目的是构筑一种理想的计算机结构，实现新的计算体系 “普遍存在的计算环境”，亦称“泛在计算环境”。所谓“泛在计算环境” 是指将微型计算机嵌入到日常生活中的所有机器、设备、工具中，通过网络相互 通信，协调运行，以实现高度计算机化的社会环境。为了使计算机嵌入到包括移 动通信器等在内的各种机器中，必须需要计算机结构小型化并有很好的实时性能。 基于t r o n 的实时操作系统的嵌入式系统，具有很强的实时性能( 与p c 机相 比实时响应速度要快1 0 0 0 倍) 。广泛应用于汽车电子、移动电话、传真机、电视 机、录像机、数码相机和其他数字家电等多个领域，成为低价高性能嵌入式系统 的典范。将来也可能成为卫星控制、工业控制、医疗器械等领域的重要技术。 “t r o n 项目计划”一直采用自由开源、“弱标准化”的方针，曾经出现过多种 版本的开发环境及操作系统式样。随着嵌入式系统的高功能、网络化、高度h m i 化，软件开发和调试都变得非常复杂。t r o n 相关软件的可移植性、可重用性出现 了问题。加之嵌入软件开发技术人员严重不足，缺乏可以兼容的软件中间件，为 了实现更为理想的实时操作系统的嵌入式计算结构，t r o n 项目计划开始了一次新 的革命启动了t e n g i n e 项目计划。 “t e n g i n e ”u t - 13 3 1 , 3 2 1 ( t 引擎) 是为在短时间内高效开发实时嵌入式系统而设 计的。由标准化硬件结构( te n g i n e ) 与标准开源实时操作系统核心( t k e r n e l ) 组成的嵌入式系统的开放式标准平台。t - k e r n e l t t 3 - t s l 是在t r o n 基础上设计的实时 操作系统规范，并且公布了o s 源码。t - k e r n e l 规定了相应的硬件结构规范、操作 系统内核a p i 规范、对象数据格式规范等要素，使t - k e r n e l 在标准化的基础结构 上，具备充分的外围资源及开发环境。t - e n g i n e 平台的最大目标是将c p u 从基础 结构中独立出来，使在t - k e r n e l 上开发的中问件可不依存于c p u 结构而移植。 基于平台的嵌入式软件设计方法的研究与应用 基于t - k e r n e l 的嵌入式系统通过使用丰富的中间件，可以做到大幅度缩短应 用系统开发时间及降低成本；通过使用高质量的硬件和软件，可方便地进行调试； 在小批量生产时可照原样开发平台；系统既稳定、尺寸又小，很容易使其直接成 为商品，可在很短时间内投向市场。实际上，在全世界的微处理器中用于p c 机以 及服务器的仅占2 ，剩余的9 8 都是用于嵌入式系统。在这9 8 的嵌入式系统 中，有6 0 的是使用以t - k e r n e l 为基础的o s 。t - k e r n e l 源码开放，而且在实时 处理速度上比l i n u x 以及w i n c e 等现有的操作系统更具有优势，实时处理可以到 微秒级。 t - e n g i n e 论坛由大约3 4 0 个公司组成，成员包括瑞萨科技、i b m 、微软、日 立、三菱、n e c 、三星等。论坛致力于t - e n g i n e 架构的研发、标准化和推广及建 立相应的计算环境。2 0 0 4 年4 月日本东京大学教授、y r p 泛在网络研究所所长坂 村健与中科院计算所联合签署了在泛在计算技术( u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ) 领域进行 共同研究的合作意向书，同时宣布“中国科学计算技术研究所t r o n 泛在技术开放 实验室”成立。双方的合作包括引进并进一步开发t - e n g i n e 技术( 基于t r o n 操作 系统的开发平台) 。以开放实验室为中心，研究并推广t - e n g i n e 技术，开展支持中 国泛在d 中心的技术研究与开发。2 0 0 4 年5 月，北京大学软件与微电子学院与日 本最大的半导体生产商瑞萨( r e n e s a s ) 科技旗下的子公司瑞萨亚洲科技有限公司 宣布，成立“北京大学r e n e s a ste n g i n e 联合实验室”，致力于嵌入式系统的 研发，并着重研究应用于嵌入式系统的开放式标准平台t - e n g i n e 。嵌入式系统将 广泛应用于包括移动电话、电子设备和生产控制系统等各个领域。该实验室的研 发项目涉及数字电视及相关应用方案、移动电话及相关应用方案、音视频编解码、 无线网络及相关科技。 2 2 嵌入式实时操作系统 开发复杂的嵌入式系统需要实时多任务的实时操作系统( r e a lt i m e o p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s ) 内核来支持。因为嵌入式的应用不仅仅局限于原来的 面对系统级的需求，而是需要面对用户级的应用，满足在各个层次上尤其是消费 电子产品的需求。在这个方面，嵌入式的应用系统的开发和定制变得越来越重要。 从性能上讲，r t o s 和普通的o s 存在的区别主要是在“实时”二字上。在实 时计算中，系统的正确性不仅仅依赖于计算的逻辑结果而且依赖于结果产生的时 基于平台的嵌入式软件设计方法的研究与应用 间。从这个角度上看，可以把实时系统定义成：能够在确定的时间内完成系统功 能并对外部、内部、同步或异步时间做出响应的系统。这个定义要求： ( 1 ) 系统在事先定义的时间范围内识别和处理离散事件的能力； ( 2 ) 系统能够处理和存储控制系统所需要的大量的数据； 实时操作系统又分为硬实时操作系统和软实时操作系统。硬实时和软实时的 区别就在于对外界事件做出反应的时间。硬实时系统必须对事件做出及时的反应， 不能错过事件处理的d e a d l i n e 。在硬实时系统中如果出现了这种情况就意味着巨 大的损失和灾难。 软实时系统是指在系统负荷较重时，允许发生错过d e a d l i n e ，而且不会造成 太大的危害。硬实时系统和软实时系统的实现区别主要是在选择调度算法上。选 择基于优先级调度的算法足以满足软实时系统的需求，而且可以提供高速的响应 和大的系统吞吐率；而对硬实时系统来说，需要使用的算法就应该是调度方式简 单，反应速度快的实时调度算法了。 一个标准的r t o s 的体系结构可以用图2 1 来表示： l 冀l 圜圈圈圈 型 三 硬件抽象层( h a r d w a r e a b s t r a c tl a y 盯) 碗件c 胁“。， 图2 1r t o s 的体系结构 ( 1 ) 硬件抽象层( h a l ) 包含了所有和硬件平台相关的代码，如上下文切换和 i o 寄存器访问等。它存在于r t o s 的最底层，直接访问控制硬件，对上层的r t o s 的机器无关代码提供访问和控制服务。可以简化r t o s 内核的移植工作，除了设 备驱动程序之外，在移植的时候只需要修改h a l 的代码。 ( 2 ) r t o s 内核( k e r n e l ) 是为大多数程序乃至o s ( 网络、文件系统、驱动程 序) 构建一系列在抽象的文件上工作的抽象机，使用户程序及上层0 s 组件对系 统设备透明。 基于m t 台的嵌入式软件设计方法的研究与成用 ( 3 ) 在提供的r t o s 接口上需要有对用户程序提供的函数接口，专门为用户定 制网络、图形、视频等接口。并且提供驱动程序开发界面，方便开发者对不同需 求的设备定制驱动程序。 一般来说，r t o s 内核的实现都为微内核的体系结构。所谓微内核技术是指将 必需的功能( 如进程管理、任务通信、中断处理、进程调度) 放在内核中，而将 不是非常重要的核心功能和服务( 文件系统、存储管理、网络通信、设备管理) 等作为内核之上可配置的部分。这样，整个操作系统就是由提供一些基本服务机 制的微内核加上一些服务进程构成，系统的各个系统调用和服务都是由内核发消 息到不同的服务进程，服务进程执行相应的操作，然后以消息的方式返回内核。 使用微内核的体系结构，使得r t o s 体积很小，便于直接放在r o m 中，实 现r o m 固化：同时方便迸行模块化的扩展。使用微内核的结构也存在很多的缺 点，如操作系统的服务模块在独立的地址空间运行，虽然可以将不同模块间的内 存错误隔离开来，但是使得进程间通信和上下文切换的时间和开销大大增加，降 低了系统效率。 一般可以从以下几个方面来衡量评价个实时操作系统： ( 1 ) 任务调度机制 r t o s 的实时性和多任务能力在很大程度上取决于它的任务调度机制。从调度