嵌入式操作系统发展概述.doc

嵌入式操作系统发展概述 嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。一、嵌入式操作系统的发展作为嵌入式系统（包括硬、软件系统）极为重要的组成部分的嵌入式操作系统，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操作系统具备通用操作系统的基本特点，但在实时性、硬件关联、软件固态化及应用的专用性等方面具有较突出的特点。嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展经历了四个比较明显的阶段：第一阶段：无操作系统的嵌入算法阶段。以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。应用于一些专业性极强的工业控制系统中，通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。第二阶段：简单监控式的实时操作系统阶段。这一阶段的嵌入式系统主要以嵌入式处理器为基础、以简单监控式操作系统为核心。系统的特点是处理器种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；系统一般配备系统仿真器，具有一定的兼容性和扩展性；操作系统的用户界面不够友好，其主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。第三阶段：通用的嵌入式实时操作系统阶段。如VxWorks、pSOS、OS-9、Windows CE就是这一阶段的典型代表。这一阶段系统的特点是能运行在各种不同类型强大的微处理器上；具有强大的通用型操作系统的功能，如具备了文件和目录管理、多任务、设备支持、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的丰富的应用程序接口（API）和嵌入式应用软件丰富。第四阶段：以基于Internet为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。二、使用实时操作系统的必要性嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的应用中显得愈来愈重要。1嵌人式实时操作系统提高了系统的可靠性。在控制系统中，出于安全方面的考虑，要求系统起码不能崩溃，而且还要有自愈能力。不仅要求在硬件设计方面提高系统的可靠性和抗干扰性，而且也应在软件设计方面提高系统的抗干扰性，尽可能地减少安全漏洞和不可靠的隐患。长期以来的前后台系统软件设计在遇到强干扰时，使得运行的程序产生异常、出错、跑飞，甚至死循环，造成了系统的崩溃。而实时操作系统管理的系统，这种干扰可能只是引起若干进程中的一个被破坏，可以通过系统运行的系统监控进程对其进行修复。通常情况下，这个系统监视进程用来监视各进程运行状况，遇到异常情况时采取一些利于系统稳定可靠的措施，如把有问题的任务清除掉。2提高了开发效率，缩短了开发周期。在嵌入式实时操作系统环境下，开发一个复杂的应用程序，通常可以按照软件工程中的解耦原则将整个程序分解为多个任务模块。每个任务模块的调试、修改几乎不影响其他模块。商业软件一般都提供了良好的多任务调试环境。3嵌入式实时操作系统充分发挥了32位CPU的多任务潜力。32位CPU比8、16位CPU快，另外它本来是为运行多用户、多任务操作系统而设计的，特别适于运行多任务实时系统。32位CPU采用利于提高系统可靠性和稳定性的设计，使其更容易做到不崩溃。例如，CPU运行状态分为系统态和用户态。将系统堆栈和用户堆栈分开，以及实时地给出CPU的运行状态等，允许用户在系统设计中从硬件和软件两方面对实时内核的运行实施保护。如果还是采用以前的前后台方式，则无法发挥32位CPU的优势。从某种意义上说，没有操作系统的计算机（裸机）是没有用的。在嵌入式应用中，只有把CPU嵌入到系统中，同时又把操作系统嵌入进去，才是真正的计算机嵌入式应用。三、几种代表性嵌入式操作系统VxWorks。VxWorks是美国WindRiver公司的产品,是目前嵌入式系统领域中应用很广泛,市场占有率比较高的嵌入式操作系统。VxWorks实时操作系统由400多个相对独立、短小精悍的目标模块组成,用户可根据需要选择适当的模块来裁剪和配置系统;提供基于优先级的任务调度、任务间同步与通信、中断处理、定时器和内存管理等功能,内建符合POSIX(可移植操作系统接口)规范的内存管理,以及多处理器控制程序;并且具有简明易懂的用户接口,在核心方面甚至可以微缩到8 KB。Windows CE。Windows CE是微软公司开发的一个开放、可升级的32位嵌入式操作系统，是基于掌上型电脑类的电子设备操作系统，是精简的Windows95。Windows CE的图形用户界面相当出色。Windows CE 具有模块化、结构化和基于 Win32 应用程序接口以及与处理器无关等特点。Windows CE 不仅继承了传统的 Windows 图形界面，并且在 Windows CE 平台上可以使用Windows 95/98 上的编程工具（如 Visual Basic、Visual C+等） 、使用同样的函数、使用同样的界面网格， 使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就可以在 Windows CE 平台上继续使用。C/OS-II。C/OS-II是在C/OS的基础上发展起来的,是美国嵌入式系统专家Jean J.Labrosse用C语言编写的一个结构小巧、抢占式的多任务实时内核。C/OS-II能管理64个任务,并提供任务调度与管理、内存管理、任务间同步与通信、时间管理和中断服务等功能,具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点。Clinux。Clinux是一种优秀的嵌入式Linux版本,其全称为micro-control Linux,从字面意思看是指微控制Linux。同标准的Linux相比,Clinux的内核非常小,但是它仍然继承了Linux操作系统的主要特性,包括良好的稳定性和移植性、强大的网络功能、出色的文件系统支持、标准丰富的API,以及TCP/IP网络协议等。因为没有MMU内存管理单元,所以其多任务的实现需要一定技巧。eCos。eCos是Red Hat公司开发的源代码的嵌入式RTOS产品。它是一个源代码开放的可配置、可移植、面向深度嵌入式应用的实时操作系统。最大特点是配置灵活,采用模块化设计,核心部分由不同的组件构成,包括内核、C语言库和底层运行包等。每个组件可提供大量的配置选项(实时内核也可作为可选配置),使用eCos提供的配置工具可以很方便地配置,并通过不同的配置使得eCos能够满足不同的嵌入式应用要求。四、嵌入式操作系统选择当我们在设计嵌入式产品时，嵌入式操作系统的选择至关重要。一般而言，在选择嵌入式操作系统时，可以遵循以下原则。1产品研发时间嵌入式操作系统的选择与产品研发时间密切相关。目前是Windows程序员可能是人力资源最丰富的。Linux和WinCE都有大量的资源可以利用，这是他们被看好的重要原因。但但伴随的可能是成本高，核心竞争力差。其他有些实时操作系统由于比较封闭，开发时可以利用的资源比较少，因此多数功能需要自己独立开发。从而影响开发进度。近来的市场需求显示，越来越多的嵌入式系统，均要求提供全功能的Web浏览器。而这要求有一个高性能、高可靠的GUI的支持。 2可移植性当进行嵌入式软件开发时，可移植性是要重点考虑的问题之一。好的软件移植性好，可以在不同平台、不同系统上运行，跟操作系统无关。软件的通用性和软件的性能通常是矛盾的。即通用以损失某些特定情况下的优化性能为代价。3系统定制能力 信息产品不同于传统PC的Wintel结构的单纯性，用户的需求是千差万别的，硬件平台也都不一样，所以对系统的定制能力提出了要求。要分析产品是否对系统底层有改动的需求，这种改动是否伴随着产品特色?Linux由于其源代码开放的天生魅力，在定制能力方面具有优势。随着WinCE3.0原码的开放，以及微软在嵌入式领域力度的加强，其定制能力会有所提升。4成本 成本是所有产品不得不考虑的问题。操作系统的选择会对成本有什么影响呢?Linux免费，WinCE等商业系统需要支付许可证使用费，但这都不是问题的答案。成本是需要综合权衡以后进行考虑的选择某一系统可能会对其他一系列的因素产生影响，如对硬件设备的选型、人员投入、以及公司管理和与其他合作伙伴的共同开发之间的沟通等许多方面的影响。五嵌入式操作系统的发展前景在市面上应用广泛的传统嵌入式操作系统，虽然具有很好的安全性、容错性以及系统灵活性，提供专有的API接口，但并不适用现在的许多应用需要，迫切需要特定应用的嵌入式实时操作系统（application specific operating systems，ASOS）。ASOS是指面向应用的、专用特制的嵌入式实时操作系统。它除具有基本的处理多任务、文件及设备驱动的操作系统功能之外，与通用型RTOS相比较，更强调面向应用的功能专用性；运行效率高；更强调系统结构的可伸缩性和可裁减性；更强调与Internet的连接，特别是无线接入接口，提供TCP/UDP/IP/PPP协议支持及统一的 MAC 访问层接口，为各种移动计算设备预留接口。ASOS的发展前景将非常广阔。嵌入式系统具有巨大的市场需求前景，业界分析家认为， 嵌入式系统在IP电话、游戏装置和手持式通信装置的推动下将会有突飞猛进的发展。ASOS已引起许多相关行业的高度重视，出现了一些专门对此进行研制开发的公司，如美国ASOS系统有限