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1、程序執行的四個特性 操作系統

嵌入式系統是以應用為中心，軟硬體可裁減的，適用於對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴格要求的專用計算機系統。具有軟體代碼小、高度自動化、響應速度快等特點，特別適合於要求實時和多任務的體系。嵌入式系統主要由嵌入式處理器、相關支撐硬體、嵌入式操作系統及應用軟體系統等組成，它是可獨立工作的「器件」。
一、嵌入式操作系統的發展

作為嵌入式系統（包括硬、軟體系統）極為重要的組成部分的嵌入式操作系統，通常包括與硬體相關的底層驅動軟體、系統內核、設備驅動介面、通信協議、圖形界面、標准化瀏覽器等。嵌入式操作系統具有通用操作系統的基本特點，如能夠有效管理越來越復雜的系統資源；能夠把硬體虛擬化，使得開發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、驅動程序、工具集以及應用程序。與通用操作系統相比較，嵌入式操作系統在系統實時高效性、硬體的相關依賴性、軟體固態化以及應用的專用性等方面具有較為突出的特點。

嵌入式操作系統伴隨著嵌入式系統的發展經歷了四個比較明顯的階段：

第一階段：無操作系統的嵌入演算法階段，以單晶元為核心的可編程式控制制器形式的系統，具有與監測、伺服、指示設備相配合的功能。應用於一些專業性極強的工業控制系統中，通過匯編語言編程對系統進行直接控制，運行結束後清除內存。系統結構和功能都相對單一，處理效率較低，存儲容量較小，幾乎沒有用戶介面。

第二階段：以嵌人式CPU為基礎、簡單操作系統為核心的嵌入式系統。CPU種類繁多，通用性比較差；系統開銷小，效率高；一般配備系統模擬器，操作系統具有一定的兼容性和擴展性；應用軟體較專業，用戶界面不夠友好；系統主要用來控制系統負載以及監控應用程序運行。

第三階段：通用的嵌人式實時操作系統階段，以嵌入式操作系統為核心的嵌入式系統。能運行於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、網路支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；具有大量的應用程序介面（APl）；嵌入式應用軟體豐富。

第四階段：以基於Intemet為標志的嵌入式系統。這是一個正在迅速發展的階段。目前大多數嵌入式系統還孤立於lnlemet之外，但隨著Intemet的發展以及Intemet技術與信息家電、工業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、使用實時操作系統的必要性

嵌入式實時操作系統在目前的嵌入式應用中用得越來越廣泛，尤其在功能復雜、系統龐大的應用中顯得愈來愈重要。

1．嵌人式實時操作系統提高了系統的可靠性。在控制系統中，出於安全方面的考慮，要求系統起碼不能崩潰，而且還要有自愈能力。不僅要求在硬體設計方面提高系統的可靠性和抗干擾性，而且也應在軟體設計方面提高系統的抗干擾性，盡可能地減少安全漏洞和不可靠的隱患。長期以來的前後台系統軟體設計在遇到強干擾時，使得運行的程序產生異常、出錯、跑飛，甚至死循環，造成了系統的崩潰。而實時操作系統管理的系統，這種干擾可能只是引起若干進程中的一個被破壞，可以通過系統運行的系統監控進程對其進行修復。通常情況下，這個系統監視進程用來監視各進程運行狀況，遇到異常情況時採取一些利於系統穩定可靠的措施，如把有問題的任務清除掉。

2．提高了開發效率，縮短了開發周期。在嵌入式實時操作系統環境下，開發一個復雜的應用程序，通常可以按照軟體工程中的解耦原則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。商業軟體一般都提供了良好的多任務調試環境。

3．嵌入式實時操作系統充分發揮了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、多任務操作系統而設計的，特別適於運行多任務實時系統。32位CPU採用利於提高系統可靠性和穩定性的設計，使其更容易做到不崩潰。例如，CPU運行狀態分為系統態和用戶態。將系統堆棧和用戶堆棧分開，以及實時地給出CPU的運行狀態等，允許用戶在系統設計中從硬體和軟體兩方面對實時內核的運行實施保護。如果還是採用以前的前後台方式，則無法發揮32位CPU的優勢。從某種意義上說，沒有操作系統的計算機（裸機）是沒有用的。在嵌入式應用中，只有把CPU嵌入到系統中，同時又把操作系統嵌入進去，才是真正的計算機嵌入式應用。

三、嵌入式操作系統選型

當我們在設計信息電器、數字醫療設備等嵌入式產品時，嵌入式操作系統的選擇至關重要。一般而言，在選擇嵌入式操作系統時，可以遵循以下原則。總的來說，就是「做加法還是做減法」的問題。

（一）市場進入時間

制定產品時間表與選擇操作系統有關系，實際產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做產品實際上是在做減法，去掉你不要的功能，能很快出產品，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可能由於編程人員缺乏，或由於這方面的技術積累不夠，影響開發進度。

（二）可移植性

操作系統相關性。當進行嵌入式軟體開發時，可移植性是要重點考慮的問題。良好的軟體移植性應該比較好，可以在不同平台、不同系統上運行，跟操作系統無關。軟體的通用性和軟體的性能通常是矛盾的。即通用以損失某些特定情況下的優化性能為代價。很難設想開發一個嵌入式瀏覽器而僅能在某一特定環境下應用。反過來說，當產品與平台和操作系統緊密結合時，往往你的產品的特色就蘊含其中。

（三）可利用資源

產品開發不同於學術課題研究，它是以快速、低成本、高質量的推出適合用戶需求的產品為目的的。集中精力研發出產品的特色，其他功能盡量由操作系統附加或採用第三方產品，因此操作系統的可利用資源對於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由於比較封閉，開發時可以利用的資源比較少，因此多數功能需要自己獨立開發。從而影響開發進度。近來的市場需求顯示，越來越多的嵌入式系統，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）系統定製能力

信息產品不同於傳統PC的Wintel結構的單純性，用戶的需求是千差萬別的，硬體平台也都不一樣，所以對系統的定製能力提出了要求。要分析產品是否對系統底層有改動的需求，這種改動是否伴隨著產品特色?Linux由於其源代碼開放的天生魅力，在定製能力方面具有優勢。隨著WinCE3.0原碼的開放，以及微軟在嵌入式領域力度的加強，其定製能力會有所提升。

（五）成本

成本是所有產品不得不考慮的問題。操作系統的選擇會對成本有什麼影響呢?Linux免費，WinCE等商業系統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後進行考慮的——選擇某一系統可能會對其他一系列的因素產生影響，如對硬體設備的選型、人員投入、以及公司管理和與其他合作夥伴的共同開發之間的溝通等許多方面的影響。

（六）中文內核支持

國內產品需要對中文的支持。由於操作系統多數是採用西文方式，是否支持雙位元組編碼方式，是否遵循GBK，GBl8030等各種國家標准，是否支持中文輸入與處理，是否提供第三方中文輸入介面是針對國內用戶的嵌入式產品的必需考慮的重要因素。

上面提到用WinCE+x86出產品是減法，這實際上就是所謂PC家電化；另外一種做法是加法，利用家電行業的硬體解決方案（絕大部分是非x86的）加以改進，加上嵌入式操作系統，再加上應用軟體。這是所謂家電PC化的做法，這種加法的優勢是成本低，特色突出，缺點是產品研發周期長，難度大（需要深入了解硬體和操作系統）。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底層，如果你願意並且有能力。

四、幾種代表性嵌入式操作系統比較

（一）VxWorks

VxWorks操作系統是美國WindRiver公司於1983年設計開發的一種嵌入式實時操作系統（RTOS），是Tornado嵌入式開發環境的關鍵組成部分。良好的持續發展能力、高性能的內核以及友好的用戶開發環境，在嵌人式實時操作系統領域逐漸占據一席之地。

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實時擴展標准；支持多種物理介質及標準的、完整的TCP/IP網路協議等。

然而其價格昂貴。由於操作系統本身以及開發環境都是專有的，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環境，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。由於它們都是專用操作系統，需要專門的技術人員掌握開發技術和維護，所以軟體的開發和維護成本都非常高。支持的硬體數量有限。

（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。為建立針對掌上設備、無線設備的動態應用程序和服務提供了一種功能豐富的操作系統平台，它能在多種處理器體系結構上運行，並且通常適用於那些對內存佔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台設計的多線程、完整優先權、多任務的操作系統。它的模塊化設計允許它對從掌上電腦到專用的工業控制器的用戶電子設備進行定製。操作系統的基本內核需要至少200KB的ROM。由於嵌入式產品的體積、成本等方面有較嚴格的要求，所以處理器部分佔用空間應盡可能的小。系統的可用內存和外存數量也要受限制，而嵌入式操作系統就運行在有限的內存（一般在ROM或快閃記憶體）中，因此就對操作系統的規模、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有很多的缺陷：沒有開放源代碼，使應用開發人員很難實現產品的定製；在效率、功耗方面的表現並不出色，而且和Windows一樣佔用過的系統內存，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的一個新成員，其最大的特點是源代碼公開並且遵循GPL協議，在近一年多以來成為研究熱點，據IDG預測嵌入式Linux將占未來兩年的嵌入式操作系統份額的50%。

由於其源代碼公開，人們可以任意修改，以滿足自己的應用，並且查錯也很容易。遵從GPL，無須為每例應用交納許可證費。有大量的應用軟體可用。其中大部分都遵從GPL，是開放源代碼和免費的。可以稍加修改後應用於用戶自己的系統。 有大量的免費的優秀的開發工具，且都遵從GPL，是開放源代碼的。有龐大的開發人員群體。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。所以軟體的開發和維護成本很低。優秀的網路功能，這在Internet時代尤其重要。穩定——這是Linux本身具備的一個很大優點。內核精悍，運行所需資源少，十分適合嵌入式應用。

支持的硬體數量龐大。嵌入式Linux和普通Linux並無本質區別，PC上用到的硬體嵌入式Linux幾乎都支持。而且各種硬體的驅動程序源代碼都可以得到，為用戶編寫自己專有硬體的驅動程序帶來很大方便。

在嵌入式系統上運行Linux的一個缺點是Linux體系提供實時性能需要添加實時軟體模塊。而這些模塊運行的內核空間正是操作系統實現調度策略、硬體中斷異常和執行程序的部分。由於這些實時軟體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從而影響整個系統的可靠性，這對於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，可用於8位，16位和32位單片機或數字信號處理器（DSP）。它是在原版本µC/OS的基礎上做了重大改進與升級，並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：

1．公開源代碼，容易就能把操作系統移植到各個不同的硬體平台上。

2．可移植性，絕大部分源代碼是用C語言寫的，便於移植到其他微處理器上。

3．可固化。

4．可裁剪性，有選擇的使用需要的系統服務，以減少斗所需的存儲空間。

5．佔先式，完全是佔先式的實時內核，即總是運行就緒條件下優先順序最高的任務。

6．多任務，可管理64個任務，任務的優先順序必須是不同的，不支持時間片輪轉調度法。

7．可確定性，函數調用與服務的執行時間具有其可確定性，不依賴於任務的多少。

8．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。

由於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那樣提供給用戶的只是一些API函數介面，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（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，根據不同的要求和條件選擇合適的操作系統，使開發工作更容易，設計出更完美的嵌入式系統。