嵌入式操作系統(tǒng)介紹及選型原則
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一、嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展
作為嵌入式系統(tǒng)（包括硬、軟件系統(tǒng)）極為重要的組成部分的嵌入式操作系統(tǒng)，通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統(tǒng)內核、設備驅動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點，如能夠有效管理越來越復雜的系統(tǒng)資源；能夠把硬件虛擬化，使得開發(fā)人員從繁忙的驅動程序移植和維護中解脫出來；能夠提供庫函數(shù)、驅動程序、工具集以及應用程序。與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固態(tài)化以及應用的專用性等方面具有較為突出的特點。
嵌入式操作系統(tǒng)伴隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了四個比較明顯的階段：
第一階段：無操作系統(tǒng)的嵌入算法階段，以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)，具有與監(jiān)測、伺服、指示設備相配合的功能。應用于一些專業(yè)性極強的工業(yè)控制系統(tǒng)中，通過匯編語言編程對系統(tǒng)進行直接控制，運行結束后清除內存。系統(tǒng)結構和功能都相對單一，處理效率較低，存儲容量較小，幾乎沒有用戶接口。
第二階段：以嵌人式CPU為基礎、簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。CPU種類繁多，通用性比較差；系統(tǒng)開銷小，效率高；一般配備系統(tǒng)仿真器，操作系統(tǒng)具有一定的兼容性和擴展性；應用軟件較專業(yè)，用戶界面不夠友好；系統(tǒng)主要用來控制系統(tǒng)負載以及監(jiān)控應用程序運行。
第三階段：通用的嵌人式實時操作系統(tǒng)階段，以嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。能運行于各種類型的微處理器上，兼容性好；內核精小、效率高，具有高度的模塊化和擴展性；具備文件和目錄管理、設備支持、多任務、網(wǎng)絡支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；具有大量的應用程序接口（APl）；嵌入式應用軟件豐富。
第四階段：以基于Intemet為標志的嵌入式系統(tǒng)。這是一個正在迅速發(fā)展的階段。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于lnlemet之外，但隨著Intemet的發(fā)展以及Intemet技術與信息家電、工業(yè)控制技術等結合日益密切，嵌入式設備與Intemet的結合將代表著嵌入式技術的真正未來。
二、使用實時操作系統(tǒng)的必要性
嵌入式實時操作系統(tǒng)在目前的嵌入式應用中用得越來越廣泛，尤其在功能復雜、系統(tǒng)龐大的應用中顯得愈來愈重要。
1．嵌人式實時操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性。在控制系統(tǒng)中，出于安全方面的考慮，要求系統(tǒng)起碼不能崩潰，而且還要有自愈能力。不僅要求在硬件設計方面提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性，而且也應在軟件設計方面提高系統(tǒng)的抗干擾性，盡可能地減少安全漏洞和不可靠的隱患。長期以來的前后臺系統(tǒng)軟件設計在遇到強干擾時，使得運行的程序產(chǎn)生異常、出錯、跑飛，甚至死循環(huán)，造成了系統(tǒng)的崩潰。而實時操作系統(tǒng)管理的系統(tǒng)，這種干擾可能只是引起若干進程中的一個被破壞，可以通過系統(tǒng)運行的系統(tǒng)監(jiān)控進程對其進行修復。通常情況下，這個系統(tǒng)監(jiān)視進程用來監(jiān)視各進程運行狀況，遇到異常情況時采取一些利于系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的措施，如把有問題的任務清除掉。
2．提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期。在嵌入式實時操作系統(tǒng)環(huán)境下，開發(fā)一個復雜的應用程序，通?？梢园凑哲浖こ讨械慕怦钤瓌t將整個程序分解為多個任務模塊。每個任務模塊的調試、修改幾乎不影響其他模塊。商業(yè)軟件一般都提供了良好的多任務調試環(huán)境。
3．嵌入式實時操作系統(tǒng)充分發(fā)揮了32位CPU的多任務潛力。32位CPU比8、16位CPU快，另外它本來是為運行多用戶、多任務操作系統(tǒng)而設計的，特別適于運行多任務實時系統(tǒng)。32位CPU采用利于提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的設計，使其更容易做到不崩潰。例如，CPU運行狀態(tài)分為系統(tǒng)態(tài)和用戶態(tài)。將系統(tǒng)堆棧和用戶堆棧分開，以及實時地給出CPU的運行狀態(tài)等，允許用戶在系統(tǒng)設計中從硬件和軟件兩方面對實時內核的運行實施保護。如果還是采用以前的前后臺方式，則無法發(fā)揮32位CPU的優(yōu)勢。從某種意義上說，沒有操作系統(tǒng)的計算機（裸機）是沒有用的。在嵌入式應用中，只有把CPU嵌入到系統(tǒng)中，同時又把操作系統(tǒng)嵌入進去，才是真正的計算機嵌入式應用。
三、嵌入式操作系統(tǒng)選型
當我們在設計信息電器、數(shù)字醫(yī)療設備等嵌入式產(chǎn)品時，嵌入式操作系統(tǒng)的選擇至關重要。一般而言，在選擇嵌入式操作系統(tǒng)時，可以遵循以下原則?？偟膩碚f，就是“做加法還是做減法”的問題。
（一）市場進入時間
制定產(chǎn)品時間表與選擇操作系統(tǒng)有關系，實際產(chǎn)品和一般演示是不同的。目前是Windows程序員可能是人力資源最豐富的。現(xiàn)成資源最多的也就可能是WinCE。使用WinCE能夠很快進入市場。因為WinCE+X86做產(chǎn)品實際上是在做減法，去掉你不要的功能，能很快出產(chǎn)品，但伴隨的可能是成本高，核心競爭力差。而某些高效的操作系統(tǒng)可能由于編程人員缺乏，或由于這方面的技術積累不夠，影響開發(fā)進度。
（二）可移植性
操作系統(tǒng)相關性。當進行嵌入式軟件開發(fā)時，可移植性是要重點考慮的問題。良好的軟件移植性應該比較好，可以在不同平臺、不同系統(tǒng)上運行，跟操作系統(tǒng)無關。軟件的通用性和軟件的性能通常是矛盾的。即通用以損失某些特定情況下的優(yōu)化性能為代價。很難設想開發(fā)一個嵌入式瀏覽器而僅能在某一特定環(huán)境下應用。反過來說，當產(chǎn)品與平臺和操作系統(tǒng)緊密結合時，往往你的產(chǎn)品的特色就蘊含其中。
（三）可利用資源
產(chǎn)品開發(fā)不同于學術課題研究，它是以快速、低成本、高質量的推出適合用戶需求的產(chǎn)品為目的的。集中精力研發(fā)出產(chǎn)品的特色，其他功能盡量由操作系統(tǒng)附加或采用第三方產(chǎn)品，因此操作系統(tǒng)的可利用資源對于選型是一個重要參考條件。Linux和WinCE都有大量的資源可以利用，這是他們被看好的重要原因。其他有些實時操作系統(tǒng)由于比較封閉，開發(fā)時可以利用的資源比較少，因此多數(shù)功能需要自己獨立開發(fā)。從而影響開發(fā)進度。近來的市場需求顯示，越來越多的嵌入式系統(tǒng)，均要求提供全功能的Web瀏覽器。而這要求有一個高性能、高可靠的GUI的支持。
（四）系統(tǒng)定制能力
信息產(chǎn)品不同于傳統(tǒng)PC的Wintel結構的單純性，用戶的需求是千差萬別的，硬件平臺也都不一樣，所以對系統(tǒng)的定制能力提出了要求。要分析產(chǎn)品是否對系統(tǒng)底層有改動的需求，這種改動是否伴隨著產(chǎn)品特色?Linux由于其源代碼開放的天生魅力，在定制能力方面具有優(yōu)勢。隨著WinCE3.0原碼的開放，以及微軟在嵌入式領域力度的加強，其定制能力會有所提升。
（五）成本
成本是所有產(chǎn)品不得不考慮的問題。操作系統(tǒng)的選擇會對成本有什么影響呢?Linux免費，WinCE等商業(yè)系統(tǒng)需要支付許可證使用費，但這都不是問題的答案。成本是需要綜合權衡以后進行考慮的——選擇某一系統(tǒng)可能會對其他一系列的因素產(chǎn)生影響，如對硬件設備的選型、人員投入、以及公司管理和與其他合作伙伴的共同開發(fā)之間的溝通等許多方面的影響。
（六）中文內核支持
國內產(chǎn)品需要對中文的支持。由于操作系統(tǒng)多數(shù)是采用西文方式，是否支持雙字節(jié)編碼方式，是否遵循GBK，GBl8030等各種國家標準，是否支持中文輸入與處理，是否提供第三方中文輸入接口是針對國內用戶的嵌入式產(chǎn)品的必需考慮的重要因素。
上面提到用WinCE+x86出產(chǎn)品是減法，這實際上就是所謂PC家電化；另外一種做法是加法，利用家電行業(yè)的硬件解決方案（絕大部分是非x86的）加以改進，加上嵌入式操作系統(tǒng)，再加上應用軟件。這是所謂家電PC化的做法，這種加法的優(yōu)勢是成本低，特色突出，缺點是產(chǎn)品研發(fā)周期長，難度大（需要深入了解硬件和操作系統(tǒng)）。如果選擇這種做法，Linux是一個好選擇，它讓你能夠深入到系統(tǒng)底層，如果你愿意并且有能力。
四、幾種代表性嵌入式操作系統(tǒng)比較
（一）VxWorks
VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS），是Tornado嵌入式開發(fā)環(huán)境的關鍵組成部分。良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌人式實時操作系統(tǒng)領域逐漸占據(jù)一席之地。
VxWorks具有可裁剪微內核結構；高效的任務管理；靈活的任務間通訊；微秒級的中斷處理；支持POSIX 1003．1b實時擴展標準；支持多種物理介質及標準的、完整的TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議等。
然而其價格昂貴。由于操作系統(tǒng)本身以及開發(fā)環(huán)境都是專有的，價格一般都比較高，通常需花費10萬元人民幣以上才能建起一個可用的開發(fā)環(huán)境，對每一個應用一般還要另外收取版稅。一般不通供源代碼，只提供二進制代碼。由于它們都是專用操作系統(tǒng)，需要專門的技術人員掌握開發(fā)技術和維護，所以軟件的開發(fā)和維護成本都非常高。支持的硬件數(shù)量有限。
（二）Windows CE
Windows CE與Windows系列有較好的兼容性，無疑是Windows CE推廣的一大優(yōu)勢。其中WinCE3.0是一種針對小容量、移動式、智能化、32位、了解設備的模塊化實時嵌人式操作系統(tǒng)。為建立針對掌上設備、無線設備的動態(tài)應用程序和服務提供了一種功能豐富的操作系統(tǒng)平臺，它能在多種處理器體系結構上運行，并且通常適用于那些對內存占用空間具有一定限制的設備。它是從整體上為有限資源的平臺設計的多線程、完整優(yōu)先權、多任務的操作系統(tǒng)。它的模塊化設計允許它對從掌上電腦到專用的工業(yè)控制器的用戶電子設備進行定制。操作系統(tǒng)的基本內核需要至少200KB的ROM。由于嵌入式產(chǎn)品的體積、成本等方面有較嚴格的要求，所以處理器部分占用空間應盡可能的小。系統(tǒng)的可用內存和外存數(shù)量也要受限制，而嵌入式操作系統(tǒng)就運行在有限的內存（一般在ROM或快閃存儲器）中，因此就對操作系統(tǒng)的規(guī)模、效率等提出了較高的要求。從技術角度上講，Windows CE作為嵌入式操作系統(tǒng)有很多的缺陷：沒有開放源代碼，使應用開發(fā)人員很難實現(xiàn)產(chǎn)品的定制；在效率、功耗方面的表現(xiàn)并不出色，而且和Windows一樣占用過的系統(tǒng)內存，運用程序龐大；版權許可費也是廠商不得不考慮的因素。
（三）嵌入式Linux
這是嵌入式操作系統(tǒng)的一個新成員，其最大的特點是源代碼公開并且遵循GPL協(xié)議，在近一年多以來成為研究熱點，據(jù)IDG預測嵌入式Linux將占未來兩年的嵌入式操作系統(tǒng)份額的50%。
由于其源代碼公開，人們可以任意修改，以滿足自己的應用，并且查錯也很容易。遵從GPL，無須為每例應用交納許可證費。有大量的應用軟件可用。其中大部分都遵從GPL，是開放源代碼和免費的?？梢陨约有薷暮髴糜谟脩糇约旱南到y(tǒng)。 有大量的免費的優(yōu)秀的開發(fā)工具，且都遵從GPL，是開放源代碼的。有龐大的開發(fā)人員群體。無需專門的人才，只要懂Unix/Linux和C語言即可。隨著Linux在中國的普及，這類人才越來越多。所以軟件的開發(fā)和維護成本很低。優(yōu)秀的網(wǎng)絡功能，這在Internet時代尤其重要。穩(wěn)定——這是Linux本身具備的一個很大優(yōu)點。內核精悍，運行所需資源少，十分適合嵌入式應用。
支持的硬件數(shù)量龐大。嵌入式Linux和普通Linux并無本質區(qū)別，PC上用到的硬件嵌入式Linux幾乎都支持。而且各種硬件的驅動程序源代碼都可以得到，為用戶編寫自己專有硬件的驅動程序帶來很大方便。
在嵌入式系統(tǒng)上運行Linux的一個缺點是Linux體系提供實時性能需要添加實時軟件模塊。而這些模塊運行的內核空間正是操作系統(tǒng)實現(xiàn)調度策略、硬件中斷異常和執(zhí)行程序的部分。由于這些實時軟件模塊是在內核空間運行的，因此代碼錯誤可能會破壞操作系統(tǒng)從而影響整個系統(tǒng)的可靠性，這對于實時應用將是一個非常嚴重的弱點。
（四）μC/OS一Ⅱ
μC/OS一Ⅱ是著名的源代碼公開的實時內核，是專為嵌入式應用設計的，可用于8位，16位和32位單片機或數(shù)字信號處理器（DSP）。它是在原版本μC/OS的基礎上做了重大改進與升級，并有了近十年的使用實踐，有許多成功應用該實時內核的實例。它的主要特點如下：
公開源代碼，容易就能把操作系統(tǒng)移植到各個不同的硬件平臺上；
可移植性，絕大部分源代碼是用C語言寫的，便于移植到其他微處理器上；
可固化；
可裁剪性，有選擇的使用需要的系統(tǒng)服務，以減少斗所需的存儲空間；
占先式，完全是占先式的實時內核，即總是運行就緒條件下優(yōu)先級最高的任務；
多任務，可管理64個任務，任務的優(yōu)先級必須是不同的，不支持時間片輪轉調度法；
可確定性，函數(shù)調用與服務的執(zhí)行時間具有其可確定性，不依賴于任務的多少；
實用性和可靠性，成功應用該實時內核的實例，是其實用性和可靠性的最好證據(jù)。
由于μC/OS一Ⅱ僅是一個實時內核，這就意味著它不像其他實時存在系統(tǒng)那樣提供給用戶的只是一些API函數(shù)接口，還有很多工作需要用戶自己去完成。
五、結束語
在嵌入式應用中，使用實時操作系統(tǒng)（RTOS）是當前嵌入式應用的一個特點，一種趨勢，也是單片機應用從低水平向高水平的一個進步。在實際的應用中，根據(jù)不同的要求和條件選擇合適的操作系統(tǒng)，使開發(fā)工作更容易，設計出更完美的嵌入式系統(tǒng)。
參考文獻
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