如何設(shè)計(jì)基于ARM的嵌入式操作系統(tǒng)？

嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded Operation System，EOS)是指用于嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)分為4層，硬件層、驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層，如下圖所示。嵌入式操作系統(tǒng)是負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務(wù)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，是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件。

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/221284.htm

圖1 嵌入式操作系統(tǒng)四層結(jié)構(gòu)

嵌入式LINUX

嵌入式linux 是將日益流行的Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪修改，使之能在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行的一種操作系統(tǒng)。 Linux做嵌入式的優(yōu)勢(shì)，首先，Linux是開放源代碼;其次，Linux的內(nèi)核小、效率高,可以定制,其系統(tǒng)內(nèi)核最小只有約134KB;第三，Linux是免費(fèi)的OS，Linux還有著嵌入式操作系統(tǒng)所需要的很多特色，突出的就是Linux適應(yīng)于多種CPU和多種硬件平臺(tái)而且性能穩(wěn)定，裁剪性很好，開發(fā)和使用都很容易。同時(shí)，Linux內(nèi)核的結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)方面是非常完整的，Linux對(duì)網(wǎng)絡(luò)中最常用的TCP/IP協(xié)議有最完備的支持。提供了包括十兆、百兆、千兆的以太網(wǎng)絡(luò)，以及無線網(wǎng)絡(luò)，Token Ring(令牌環(huán)網(wǎng))、光纖甚至衛(wèi)星的支持。

移植步驟：1.Bootloader的移植;2.嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的移植;3.嵌入式Linux操作系統(tǒng)根文件系統(tǒng)的創(chuàng)建;4.電路板上外設(shè)Linux驅(qū)動(dòng)程序的編寫。

WinCE

WinCE是微軟公司嵌入式、移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)的基礎(chǔ)，它是一個(gè)開放的、可升級(jí)的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作系統(tǒng)，它是精簡(jiǎn)的Windows 95，Win CE的圖形用戶界面相當(dāng)出色。WinCE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)。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。操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核需要至少200K的ROM。

一般來說，一個(gè)WinCE系統(tǒng)包括四層結(jié)構(gòu)：應(yīng)用程序、WinCE內(nèi)核映像、板級(jí)支持包(BSP)、硬件平臺(tái)。而基本軟件平臺(tái)則主要由WinCE系統(tǒng)內(nèi)核映像(OS Image)和板卡支持包(BSP)兩部分組成。因?yàn)閃inCE系統(tǒng)是一個(gè)軟硬件緊密結(jié)合的系統(tǒng)，因此即使CPU處理器相同，但是如果開發(fā)板上的外圍硬件不相同，這個(gè)時(shí)候還是需要修改BSP來完成一個(gè)新的BSP。因此換句話說，就是WinCE的移植過程主要是改寫B(tài)SP的過程。

Android

Android 是一個(gè)包括操作系統(tǒng)，中間件以及一些重要應(yīng)用程序的專門針對(duì)移動(dòng)設(shè)備的層次結(jié)構(gòu)的軟件集。Android 作為一個(gè)完全開源的操作系統(tǒng)，是由操作系統(tǒng)Linux、中間件以及核心應(yīng)用程序組成的軟件棧。通過 android SDK 提供的 API 以及相應(yīng)的開發(fā)工具， 程序員可以很方便的開發(fā)android平臺(tái)上的應(yīng)用程序。其整個(gè)系統(tǒng)由應(yīng)用程序，應(yīng)用程序框架，應(yīng)用程序庫，Android運(yùn)行庫，Linux內(nèi)核(Linux Kernel)五個(gè)部分組成。Android操作系統(tǒng)內(nèi)置了一部分應(yīng)用程序， 包括電子郵件客戶端、SMS程序、日歷、地圖、瀏覽器、通訊錄以及其他的程序，值得一提的是這些所有的程序都是用java編寫的。

移植的主要的工作是驅(qū)動(dòng)，硬件抽象層的移植。為了更好地理解和調(diào)試系統(tǒng)，也應(yīng)該適當(dāng)?shù)亓私馍蠈訉?duì)硬件抽象層的調(diào)用情況。

TinyOS

TinyOS是一個(gè)開源的嵌入式操作系統(tǒng)，它是由加州大學(xué)的伯利克分校開發(fā)出來的，主要應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面。程序采用的是模塊化設(shè)計(jì)，所以它的程序核心往往都很小,一般來說核心代碼和數(shù)據(jù)大概在400 Bytes左右，能夠突破傳感器存儲(chǔ)資源少的限制。TinyOS提供一系列可重用的組件，一個(gè)應(yīng)用程序可以通過連接配置文件(A Wiring Specification)將各種組件連接起來，以完成它所需要的功能。

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)

在工業(yè)控制、 軍事設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間有苛刻的要求，這就需要使用實(shí)時(shí)系統(tǒng)。當(dāng)外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)，能夠接受并以足夠快的速度予以處理，其處理的結(jié)果又能在規(guī)定的時(shí)間之內(nèi)來控制生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)作出快速響應(yīng)，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致運(yùn)行的嵌入式操作系統(tǒng)。故對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的理解應(yīng)該建立在對(duì)嵌入式系統(tǒng)的理解之上加入對(duì)響應(yīng)時(shí)間的要求。

FreeRTOS是一個(gè)迷你操作系統(tǒng)內(nèi)核的小型嵌入式系統(tǒng)。作為一個(gè)輕量級(jí)的操作系統(tǒng)，功能包括：任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號(hào)量、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、記錄功能等，可基本滿足較小系統(tǒng)的需要。FreeRTOS任務(wù)可選擇是否共享堆棧，并且沒有任務(wù)數(shù)限制，多個(gè)任務(wù)可以分配相同的優(yōu)先權(quán)。相同優(yōu)先級(jí)任務(wù)的輪轉(zhuǎn)調(diào)度，同時(shí)可設(shè)成可剝奪內(nèi)核或不可剝奪內(nèi)核。

FreeRTOS 的移植主要需要改寫如下三個(gè)文件。1.portmacro.h 2.port.c 3. port.asm

μTenux

μTenux基于ARM微控制器平臺(tái)，對(duì)uT最適用于ARM Cortex M0-M4系列的微控制器，代碼開源、免費(fèi)，是一個(gè)功能強(qiáng)大的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。μTenux除具有實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)的一般特性：可移植性,可固化,可裁剪等特性以外,它還具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)微內(nèi)核。無MMU, ROM/RAM占用量小,所占ROM最大60KB,最小10KB;RAM最大12KB,最小2KB;(2)開源免費(fèi);(3)支持所有32位ARM7/9和Cortex M系列的微控制器;(4)可配置多達(dá)到256個(gè)任務(wù)以及140個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí);(5)有良好的商業(yè)支持, T-Engine論壇進(jìn)行總的維護(hù)。

移植主要包括：芯片系統(tǒng)時(shí)鐘移植，外設(shè)移植和通用輸出/輸入端口的移植以及看門狗模塊移植。由于考慮到內(nèi)核代碼的重要性以及其在整個(gè)移植中的重要意義，且為了整個(gè)系統(tǒng)有更好的實(shí)時(shí)性，可選用匯編語言編寫操作系統(tǒng)的啟動(dòng)代碼。

VxWorks

VxWorks系統(tǒng)提供多處理器間和任務(wù)間高效的信號(hào)燈、消息隊(duì)列、管道、網(wǎng)絡(luò)透明的套接字。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的另一關(guān)鍵特性是硬件中斷處理。為了獲得最快速可靠的中斷響應(yīng)，VxWorks系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序ISR有自己的上下文。VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)由400多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的、短小精煉的目標(biāo)模塊組成，用戶可根據(jù)需要選擇適當(dāng)模塊來裁剪和配置系統(tǒng)，這有效地保證了系統(tǒng)的安全性和可靠性。系統(tǒng)的鏈接器可按應(yīng)用的需要自動(dòng)鏈接一些目標(biāo)模塊。這樣，通過目標(biāo)模塊之間的按需組合，可得到許多滿足功能需求的應(yīng)用。