嵌入式ARM-嵌入式操作系統(tǒng).

1、嵌入式操作系統(tǒng) EOS( EmbeddedOperatingSystem )是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，過去它主 要應用于工業(yè)控制和國防系統(tǒng)領域。 EOS負責嵌人系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度工 作，控制協(xié)調(diào)并發(fā)活動； 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到系統(tǒng) 所要求的功能。目前，已推出一些應用比較成功的 EOS產(chǎn)品系列。隨著In ternet技術的發(fā) 展、信息家電的普及應用及 EOS的微型化和專業(yè)化，EOS開始從單一的弱功能向高專業(yè)化的 強功能方向發(fā)展。 嵌人式操作系統(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。 EOS

2、是相對于一般操作系統(tǒng)而言的，它除具備了 一般操作系統(tǒng)最基本的功能，如任務調(diào)度、同步機制、中斷處理、文件功能等外，還有以下 特點： (1) 可裝卸性。開放性、可伸縮性的體系結(jié)構(gòu)。 (2) 強實時性。EOS實時性一般較強，可用于各種設備控制當中。 (3) 統(tǒng)一的接口。提供各種設備驅(qū)動接日 . (4) 操作方便、簡單、提供友好的圖形 GUI，圖形界面，追求易學易用 (5) 提供強大的網(wǎng)絡功能，支持 TCP門P協(xié)議及其它協(xié)議，提供 TCP/ UDPZIP / PPP協(xié)議支 持及統(tǒng)一的MAC訪問層接口，為各種移動計算設備預留接口 (6) 強穩(wěn)定性，弱交互性。嵌入式系統(tǒng)一旦開始運行就不需要用戶過多的干預，

3、這就要負責 系統(tǒng)管理的EOS臭有較強的穩(wěn)定性。嵌入式操作系統(tǒng)的用戶接日一般不提供操作命令， 它通 過系統(tǒng)調(diào)用命令向用戶程序提供服務。 (7) 固化代碼。 在嵌入系統(tǒng)中， 嵌入式操作系統(tǒng)和應用軟件被固化在嵌入式系統(tǒng)計算機的 ROM 中。輔助存儲器在嵌入式系統(tǒng)中很少使用， 因此， 嵌入式操作系統(tǒng)的文件管理功能應該能夠 很容易地拆卸，而用各種內(nèi)存文件系統(tǒng) . (8) 更好的硬件適應性，也就是良好的移植性 . 國際上用于信息電器的嵌入式操作系統(tǒng)有 40種左右?，F(xiàn)在，市場上非常流行的 EOS產(chǎn)品， 包括3Corn公司下屬子公司的 Palm OS,全球占有份額達 50%, Micros。fi公司的 Win

4、d。 ws CE不過29%。在美國市場， Palm OS更以80%的占有率遠超 Windows CE。開放源代碼 的 Linux 很適于做信息家電的開發(fā) . 比如：中科紅旗軟件技術有限公司開發(fā)的紅旗嵌入式 Linux 和美商網(wǎng)虎公司開發(fā)的基于 Xlinux 的嵌人式操作系統(tǒng)“夸克”。 “夸克”是目前全世界最小的 Linux ,它有兩個很突出 的特點，就是體積小和使用 GCS編碼。 常見的嵌入式系統(tǒng)有 :Linux 、 uClinux 、 WinCE、 PalmOS、 Symbian、 eCos、 uCOS-II 、 VxWorks、 pSOS、 Nucleus 、 ThreadX 、 Rtem

5、s 、 QNX、 INTEGRITY、 OSE、 C Executive . 嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展 1 引言 嵌入式操作系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)密不可分。 嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式微處理器、 外圍硬件設備、 嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應用程序等四個部分組成， 它是集軟硬件于一體的可獨立工作的 “器件”。 嵌入式技術的發(fā)展，大致經(jīng)歷了四個階段 1 。 第一階段是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)， 同時具有與監(jiān)測、 伺服、 指示設備 相配合的功能。 這種系統(tǒng)大部分應用于一些專業(yè)性極強的工業(yè)控制系統(tǒng)中， 一般沒有操作系 統(tǒng)的支持，通過匯編語言編程對系統(tǒng)進行直接控制，運行結(jié)束后清除內(nèi)存。 第二階段是以嵌入式

6、 CPU為基礎、以簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。 這一階段的操作系 統(tǒng)具有一定的兼容性和擴展性，但用戶界面不夠友好。 第三階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標志的嵌入式系統(tǒng)。 這一階段系統(tǒng)的主要特點是： 嵌入式操 作系統(tǒng)能運行于各種不同類型的微處理器上， 兼容性好； 操作系統(tǒng)內(nèi)核精小、效率高， 并且 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 （API）,開發(fā)應用程序簡單；嵌入式應用 軟件豐富。 第四階段是以基于 Internet 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 Int

7、ernet 之外, 但隨著 Internet 的發(fā)展以及 Internet 技術與信 息家電、工業(yè)控制技術等結(jié)合日益密切,嵌入式設備與 Internet 的結(jié)合將代表著嵌入式技 術的真正未來 2 。 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展對嵌入式操作系統(tǒng)提出了更高的要求。因此,對嵌入式操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、 設計、用戶界面等諸多方面進行深入研究,將有助于嵌入式系統(tǒng)的應用和發(fā)展。 2 嵌入式操作系統(tǒng)的特點 2.1 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人員對操作系統(tǒng)的依賴性 早期的硬件設備很簡單, 軟件的編程和調(diào)試工具也很原始, 與硬件系統(tǒng)配套的軟件都必須從 頭編寫。程序大都采用宏匯編語言, 調(diào)試是一件很麻煩的事。 隨著系統(tǒng)越來越復雜,操作系

8、統(tǒng)就顯得很必要。 （1） 操作系統(tǒng)能有效管理越來越復雜的系統(tǒng)資源。 （2） 操作系統(tǒng)能夠把硬件虛擬化, 使得開發(fā)人員從繁忙的驅(qū)動程序移植和維護中解脫出來。 （ 3）操作系統(tǒng)能夠提供庫函數(shù)、驅(qū)動程序、工具集以及應用程序。 在 70 年代的后期, 出現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。 在 80 年代末, 市場上出現(xiàn)了幾個著名的 商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)，包括 Vxwork、Neculeus、QNX和Windows CE等，這些系統(tǒng)提供性能 良好的開發(fā)環(huán)境,提高了應用系統(tǒng)的開發(fā)效率。 22 嵌入式操作系統(tǒng)的特點 與其他類型的操作系統(tǒng)相比,嵌入式操作系統(tǒng)具有以下一些特點。 （1）體積小。嵌入式系統(tǒng)有別于一般的計算機

9、處理系統(tǒng),它不具備像硬盤那樣大容量的存 儲介質(zhì)，而大多使用閃存（Flash Memory）作為存儲介質(zhì)。這就要求嵌入式操作系統(tǒng)只能運 行在有限的內(nèi)存中, 不能使用虛擬內(nèi)存, 中斷的使用也受到限制。 因此,嵌入式操作系統(tǒng)必 須結(jié)構(gòu)緊湊,體積微小。 （ 2）實時性。大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是實時系統(tǒng),而且多是強實時多任務系統(tǒng),要求相應的 嵌入式操作系統(tǒng)也必須是實時操作系統(tǒng) （RTOS）8 。實時操作系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)的一個重要 分支已成為研究的一個熱點,主要探討實時多任務調(diào)度算法和可調(diào)度性、死鎖解除等問題。 （3） 特殊的開發(fā)調(diào)試環(huán)境。提供完整的集成開發(fā)環(huán)境是每一個嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員所期待 的。一個完整的

10、嵌入式系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境一般需要提供的工具是編譯 /連接器、 內(nèi)核調(diào)試 / 跟蹤器和集成圖形界面開發(fā)平臺。 其中的集成圖形界面開發(fā)平臺包括編輯器、 仿真器和監(jiān)視器等。 3 嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展狀況 國外嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)從簡單走向成熟，主要有 Vxwork、QNX、PalmOS Windows CE等。 國內(nèi)的嵌入式操作系統(tǒng)研究開發(fā)有 2 種類型， 一類是基于國外操作系統(tǒng)二次開發(fā)完成的， 如 海信的基于 Windows CE 的機頂盒系統(tǒng)；另一類是中國自主開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，如凱思 集團公司自主研制開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng) Hopen OS ( “女媧計劃”)等。 Windows CE 內(nèi)核較小

11、，能作為一種嵌入式操作系統(tǒng)應用到工業(yè)控制等領域。其優(yōu)點在于便 攜性、提供對微處理器的選擇以及非強行的電源管理功能。 內(nèi)置的標準通信能力使 Windows CE能夠訪問In ternet 并收發(fā) 調(diào)試器、 軟件 E_mail或瀏覽 Web除此之外，Win dows CE特有的與 Win dows 類似的用戶界面使最終用戶易于使用。 Windows CE 的缺點是速度慢、效率低、價格偏高、 開發(fā)應用程序相對較難。 3Com公司的Palm OS在掌上電腦和 PDA市場上獨占其霸主地位， 它有開放的操作系統(tǒng)應用 程序接口 (API) ，開發(fā)商可根據(jù)需要自行開發(fā)所需的應用程序。 QNX是由加拿大QSSL

12、公司開發(fā)的分布式實時操作系統(tǒng)，它由微內(nèi)核和一組共操作的進程組成 , 具有高度的伸縮性，可靈活地剪裁，最小配置只占用幾十 KB內(nèi)存。因此，可以廣泛地嵌入到 智能機器、智能儀器儀表、機頂盒、通訊設備、 PDA等應用中去7。 Hopen OS 是凱思集團自主研制開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，由一個體積很小的內(nèi)核及一些可以 根據(jù)需要進行定制的系統(tǒng)模塊組成。其核心 Hopen Kernel 一般為10KB左右大小，占用空間 小，并具有實時、多任務、多線程的系統(tǒng)特征。 在眾多的實時操作系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)產(chǎn)品中， WindRiver 公司的 VxWorks 是較為有特色 的一種實時操作系統(tǒng) 5 。 VxWorks

13、 支持各種工業(yè)標準，包括 POSIX、 ANSI C 和 TCP/IP 網(wǎng) 絡協(xié)議。 VxWorks 運行系統(tǒng)的核心是一個高效率的微內(nèi)核， 該微內(nèi)核支持各種實時功能， 包 括快速多任務處理、 中斷支持、 搶占式和輪轉(zhuǎn)式調(diào)度。 微內(nèi)核設計減輕了系統(tǒng)負載并可快速 響應外部事件。 在美國宇航局的“極地登陸者”號、 “深空二號”和火星氣候軌道器等登陸 火星探測器上，就采用了 VxWorks，負責火星探測器全部飛行控制，包括飛行糾正、載體自 旋和降落時的高度控制等，而且還負責數(shù)據(jù)收集和與地球的通信工作。目前在全世界裝有 VxWorks 系統(tǒng)的智能設備數(shù)以百萬計， 其應用范圍遍及互聯(lián)網(wǎng)、 電信和數(shù)據(jù)通信、

14、 數(shù)字影像、 網(wǎng)絡、醫(yī)學、計算機外設、汽車、火控、導航與制導、航空、指揮、控制、通信和情報、聲 納與雷達、空間與導彈系統(tǒng)、模擬和測試等眾多領域。 4 Linux 41 嵌入式 Linux 的應用開發(fā)前景 Linux 是個與生俱來的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，成熟而且穩(wěn)定。 Linux 是源代碼開放軟件，不存在黑 箱技術，任何人都可以修改它，或者用它開發(fā)自己的產(chǎn)品。 Linux 系統(tǒng)是可以定制的，系統(tǒng) 內(nèi)核目前已經(jīng)可以做得很小。一個帶有中文系統(tǒng)及圖形化界面的核心程序也可以做到不足 1MB而且同樣穩(wěn)定。Linux作為一種可裁減的軟件平臺系統(tǒng)，是發(fā)展未來嵌入設備產(chǎn)品的 絕佳資源，遍布全球的眾多Linux愛好者又能

15、給予Linux開發(fā)者強大的技術支持。因此，Linux 作為嵌入式系統(tǒng)新的選擇，是非常有發(fā)展前途的。 (1) 與硬件芯片的緊密結(jié)合 后PC時代的智能設備已經(jīng)逐漸地模糊了硬件與軟件的界限， SOC系統(tǒng)(System On Chip) 的發(fā)展就是這種軟硬件無縫結(jié)合趨勢的證明。 隨著處理器片內(nèi)微碼的發(fā)展， 在將來可能出現(xiàn) 在處理器片內(nèi)嵌進操作系統(tǒng)的代碼模塊。 嵌入式Linux的一大特點是：與硬件芯片(如SOC等)的緊密結(jié)合。它不是一個純軟件的 Linux 系統(tǒng)， 而比一般操作系統(tǒng)更加接近于硬件。 嵌入式 Linux 的進一步發(fā)展， 逐步地具備了嵌入 式RTOS勺一切特征：實時性及與嵌入式處理器的緊密結(jié)

16、合。 （2） 開放的源代碼 嵌入式Linux的另一大特點是：代碼的開放性。代碼的開放性是與后 PC時代的智能設備的 多樣性相適應的。代碼的開放性主要體現(xiàn)在源代碼可獲得上， Linux 代碼開發(fā)就像是“集市 式”開發(fā)，任意選擇并按自己的意愿整合出新的產(chǎn)品。 對于嵌入式 Linux ，事實上是把 BIOS 層的功能實現(xiàn)在 Linux 的 driver 層。目前，在 Linux 領域，已經(jīng)出現(xiàn)了專門為 Linux操作系統(tǒng)定制的自由軟件的 BIOS代碼，并在多款主板上實 現(xiàn)此類的BIOS層功能。 （3） 嵌入式 Linux 與硬件芯片的緊密結(jié)合 對于許多信息家電的應用來說， 嵌入的性能指標是最難滿足的

17、， 只有靠提高芯片的集成度與 裝配密度來解決。 嵌入式 Linux 與標準 Linux 的一個重要區(qū)別是嵌入式 Linux 與硬件芯片的 緊密結(jié)合。這是一個不可逾越的難點，也是嵌入式 Linux 技術的關鍵之處。嵌入式 Linux 和商用專用 RTOS-樣，需要編寫 BSP（ Board Support Package），這相當于編寫 PC的BIOS。 這不僅僅是嵌入式 Linux的難點，也是使用商用專用 RTOS開發(fā)的難點。硬件芯片（SOC芯 片或者是嵌入式處理器） 的多樣性也決定了代碼開放的嵌入式 Linux 的成功。 嵌入式系統(tǒng)的 發(fā)展， 必然導致軟硬件無縫結(jié)合的趨勢， 逐漸地模糊了硬件

18、與軟件的界限， 在將來可能出現(xiàn) SOC片內(nèi)的操作系統(tǒng)代碼模塊。 隨著處理器片內(nèi)微碼的發(fā)展，在將來應出現(xiàn)在處理器片內(nèi)嵌進操作系統(tǒng)的代碼模塊 ,很顯然 模塊將具有安全性好、 健壯性強、 代碼執(zhí)行效率高等特點。 著眼于未來的嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展， 我們基于對嵌入式 Linux技術的深入研究，對嵌入式處理器及 SOC系統(tǒng)的深刻理解和研究； 對EDA技術的深入研究；對模擬數(shù)字混合集成電路芯片的深入研究； 對SOC片內(nèi)進行嵌入式 Linux操作系統(tǒng)代碼的植入研究。此類的研究有可能減輕系統(tǒng)開發(fā)者對 BSP開發(fā)的難度要求， 并使得嵌入式 Linux 能夠成為普及的嵌入式操作系統(tǒng)，而大大提高嵌入式 Linux 的易

19、用性， 提高其開發(fā)出的高智能設備的安全性、 穩(wěn)定性， 同時也大大提高智能設備的計算能力、 處理 能力。 42 部分嵌入式 Linux 產(chǎn)品 34 嵌入式 Linux 一般是按照嵌入式目標系統(tǒng)的要求而設計，由一個體積很小的內(nèi)核及一些可 以根據(jù)需要進行隨意裁減的系統(tǒng)模塊組成。一般來說整個系統(tǒng)所占用的空間不會超過幾 M 大小。 目前，國外不少大學、研究機構(gòu)和知名公司都加入了嵌入式 Linux 的開發(fā)工作， 較成 熟的嵌入式 Linux 產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。 由美國新墨西哥理工學院開發(fā)的基于標準 Linux的嵌入式操作系統(tǒng) RTLinux，已成功地應用 于航天飛機的空間數(shù)據(jù)采集、科學儀器測控、電影特技圖像處

20、理等領域。 RTLinux 開發(fā)者并 沒有針對實時操作系統(tǒng)的特性重寫 Linux 的內(nèi)核， 這樣做工作量會非常大， 而且要保證兼容 性也非常困難。 為此， RTLinux 提供了一個精巧的實時內(nèi)核， 并把標準的 Linux 核心作為實 時核心的一個進程同用戶的實時進程一起調(diào)度， 這樣做的好處是對 Linux 的改動量最小， 充 分利用了 Linux 平臺下現(xiàn)有的豐富的軟件資源。 由嵌入式Linux行業(yè)主要廠商之一 Lineo推出的Embedix,是根據(jù)嵌入式應用系統(tǒng)的特點重 新設計的Linux發(fā)行版本。Embedix提供了超過25種的Linux系統(tǒng)服務，包括 Web服務器 等。系統(tǒng)需要最小 8

21、M內(nèi)存，3M只讀內(nèi)存或閃存。Embedix基于Linux 2.2 核心，并已經(jīng)成 功地移植到了 In tel X86 和PowerPC處理器系列上。 由美國網(wǎng)虎公司推出的 XLinux ,號稱是世界上最小的嵌入式 Linux 系統(tǒng),核心只有 143K 字 節(jié),而且還在不斷減小。 致力于國產(chǎn)嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)和應用軟件開發(fā)的廣州博利思軟件公司推出的嵌入式 Linux中文操作系統(tǒng) POCKETIX基于標準的Linux內(nèi)核，并包括一些可以根據(jù)需要進行定制的系統(tǒng)模塊。支持標準以太網(wǎng)和 TCP/ IP協(xié)議、支持標準的 X Window，中文支持采用國際 化標準，提供桌面和窗口管理功能、帶WEB覽器和文件管理器，并支持智能拼音和五筆字 型輸入?？蛇m應個人 PDA WAP手機、機頂盒等廣泛的智能信息產(chǎn)品。 43 開發(fā)嵌入式 Li