【正文】 類型。硬件接口直接跟硬件打交道的，直接去操作和控制硬件設(shè)備；調(diào)用接口不直接與硬件打交道，它們調(diào)用硬件接口當(dāng)中的函數(shù)，與上層軟件（包括操作系統(tǒng)、中間件和應(yīng)用軟件）打交道的。分層結(jié)構(gòu)把所有與硬件有關(guān)的細(xì)節(jié)都封裝在硬件接口當(dāng)中，在硬件要升級時，只需要改動硬件接口當(dāng)中的函數(shù)即可，而上層接口當(dāng)中的函數(shù)不用做任何修改。 ? 在混合結(jié)構(gòu)中，上層接口和硬件接口的函數(shù)是混在一起、相互調(diào)用的，之間沒有明確的層次關(guān)系。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 19 嵌入式中間件 ? 中間件是一種軟件平臺技術(shù) ，在銀行、證券、電信等行業(yè)的大型計算機應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。近年來，中間件技術(shù)也被引入到嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計中，并與實時多任務(wù)操作系統(tǒng)緊密結(jié)合。利用中間件技術(shù)可以使用戶把精力集中到系統(tǒng)功能的實現(xiàn)上，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計。 ? 嵌入式中間件是指 不包括操作系統(tǒng)內(nèi)核 、 設(shè)備驅(qū)動程序 和 應(yīng)用軟件 在內(nèi)的 所有系統(tǒng)軟件 。嵌入式中間件把原本屬于應(yīng)用軟件層的一些通用的功能模塊抽取出來，形成獨立的一層軟件，為應(yīng)用軟件提供一個靈活、安全、移植性好、相互通信、協(xié)同工作的平臺。 ? 嵌入式中間件可以分為消息中間件、對象中間件、遠(yuǎn)程過程調(diào)用（ Remote Procedure Calls， RPC）、數(shù)據(jù)庫訪問中間件、安全中間件等不同的類型。 ? 一些公司可提供嵌入式中間件集成解決方案，如 Sun公司的嵌入式 Java，微軟公司的 .NET Compact Framework， OMG（ Object Management Group）的嵌入式 CORBA等。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 20 ? ? 在嵌入式系統(tǒng)中工作的操作系統(tǒng)稱為 EOS（ Embedded Operating System，嵌入式操作系統(tǒng)）， EOS的基本功能主要體現(xiàn)在以下兩個方面： ? 1． 構(gòu)成一個易于編程的虛擬機平臺 ? EOS構(gòu)成一個虛擬機平臺， EOS把底層的硬件細(xì)節(jié)封裝起來，為運行在它上面的軟件（如中間件軟件和各種應(yīng)用軟件）提供了一個抽象的編程接口。軟件開發(fā)在這個編程接口的上進(jìn)行，而不直接與機器硬件層打交道。 EOS所提供的編程接口實際上就是操作系統(tǒng)對外提供的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。 ? 2． 系統(tǒng)資源的管理者 ? EOS是一個系統(tǒng)資源的管理者，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)當(dāng)中的各種軟硬件資源，如處理器、內(nèi)存、各種 I/O設(shè)備、文件和數(shù)據(jù)等，使得整個系統(tǒng)能夠高效、可靠地運轉(zhuǎn)。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 21 ? 運行在嵌入式環(huán)境中的 EOS其目標(biāo)是為了完成某一項或有限項功能，而非通用型的操作系統(tǒng)，因此在性能和實時性方面有嚴(yán)格的限制，能耗、成本和可靠性通常是影響設(shè)計的重要因素，要求占用資源少，適合在有限存儲空間運行，要求系統(tǒng)功能可以根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計要求進(jìn)行剪裁、調(diào)整。 ? 所有的 EOS都有一個內(nèi)核（ kernel）， 內(nèi)核是系統(tǒng)當(dāng)中的一個組件，它包含了任務(wù)管理、存儲管理、輸入／輸出（ I/O）設(shè)備管理和文件系統(tǒng)管理四個功能模塊 。其中： ? ● 任務(wù)管理：對嵌入式系統(tǒng)中的運行軟件進(jìn)行描述和管理，并完成處理機資源的分配與調(diào)度； ? ● 存儲管理：用來提高內(nèi)存的利用率，方便用戶的使用，并提供足夠的存儲空間； ? ● I/O設(shè)備管理：方便設(shè)備的使用，提高 CPU和輸入／輸出設(shè)備的利用率； ? ● 文件管理：解決文件資源的存儲、共享、保密和保護(hù)等問題。 ? 注意：不同的嵌入式系統(tǒng)的 EOS所包含的組件可能各不相同，內(nèi)核設(shè)計也可能各不相同的，完全取決于系統(tǒng)的設(shè)計以及實際的應(yīng)用需求 。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 22 ? EOS可以按照系統(tǒng)的類型、響應(yīng)時間和軟件結(jié)構(gòu)等不同的標(biāo)準(zhǔn)來分類。 ? 1．按系統(tǒng)的類型分類 ? 按照系統(tǒng)的類型，可以把 EOS分為商業(yè)化系統(tǒng)、專用系統(tǒng)和開放源代碼系統(tǒng)三大類。 ? （ 1）商業(yè)化系統(tǒng) ? 商業(yè)化的 EOS有風(fēng)河公司（ WindRiver）的 VxWorks，微軟公司的Windows CE， Palm公司的 PalmOS等等，其特點是功能強大，性能穩(wěn)定，輔助軟件工具齊全，應(yīng)用范圍廣泛，但成本較高。 ? （ 2）專用系統(tǒng) ? 專用系統(tǒng)是一些專業(yè)廠家為本公司產(chǎn)品特制的嵌入式操作系統(tǒng)，一般不提供給應(yīng)用開發(fā)者使用。 ? （ 3）開放源代碼系統(tǒng) ? 開放源代碼的嵌入式操作系統(tǒng)有 181。C/OS和各類嵌入式 Linux系統(tǒng)等，具有免費、開源、性能優(yōu)良、資源豐富、技術(shù)支持強等優(yōu)點，是近年來發(fā)展迅速的一類操作系統(tǒng) 。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 23 ? 2．按響應(yīng)時間分類 ? 按照系統(tǒng)對響應(yīng)時間的敏感程度， EOS可以分為 RTOS（ Real Time Operating Systems ，實時操作系統(tǒng)）和非實時操作系統(tǒng)兩大類：。 ? RTOS對響應(yīng)時間有非常嚴(yán)格的要求，當(dāng)某一個外部事件或請求發(fā)生時，相應(yīng)的任務(wù)必須在規(guī)定的時間內(nèi)完成相應(yīng)的處理。 RTOS可以分為硬實時和軟實時兩種情形。 ? （ 1） 硬實時系統(tǒng) ? 硬實時系統(tǒng)對響應(yīng)時間有嚴(yán)格的要求，如果響應(yīng)時間不能滿足可能會引起系統(tǒng)的崩潰或致命的錯誤。 ? （ 2） 軟實時系統(tǒng) ? 軟實時系統(tǒng)對響應(yīng)時間有要求，如果響應(yīng)時間不能滿足，將需要支付能夠接受的額外代價。 ? 非實時系統(tǒng)對響應(yīng)時間沒有嚴(yán)格的要求，各個進(jìn)程分享處理器，以獲得各自所需要的運行時間。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 24 ? 3．按軟件結(jié)構(gòu)分類 ? 按照軟件的體系結(jié)構(gòu)， EOS可以分為單體結(jié)構(gòu)、分層結(jié)構(gòu)和微內(nèi)核結(jié)構(gòu)三大類，如 ～ 。 ? （ 1）單體結(jié)構(gòu) ? 單體結(jié)構(gòu)是一種常見的組織結(jié)構(gòu)，嵌入式 Linux操作系統(tǒng)、 Jbed RTOS、 181。C/OSII和 PDOS都屬于單體內(nèi)核系統(tǒng)。在單體結(jié)構(gòu)（ monolithic）的操作系統(tǒng)中， 中間件和設(shè)備驅(qū)動程序通常就集成在系統(tǒng)內(nèi)核當(dāng)中 ，整個系統(tǒng)通常只有一個可執(zhí)行文件，里面包含了所有的功能組件。 ? 單體結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)由一組功能模塊組成，系統(tǒng)的各個模塊之間可以相互調(diào)用，通信開銷比較小，系統(tǒng)高度集成和相互關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)剪裁、修改、調(diào)試和維護(hù)不方便。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 25 圖 單體結(jié)構(gòu) 圖 分層結(jié)構(gòu) 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 26 ? 采用分層結(jié)構(gòu)（ layered）的操作系統(tǒng)內(nèi)部分為若干個層次（ 0～N），各個層次之間的調(diào)用關(guān)系是單向的，即 某一層次上的代碼只能調(diào)用比它低層的代碼 。分層結(jié)構(gòu)要求在每個層次上都要提供一組 API接口函數(shù)，增加了系統(tǒng)的額外開銷，但系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)較為簡單。典型代表有 MSDOS，其結(jié)構(gòu)就是一個有代表性的、組織良好的分層結(jié)構(gòu)。 ? （ 3）微內(nèi)核結(jié)構(gòu) ? 微內(nèi)核（ microkernel ）結(jié)構(gòu)把操作系統(tǒng)的大部分功能都剝離出去，在內(nèi)核中只保留最核心的功能單元（如進(jìn)程管理和存儲管理），大部分的系統(tǒng)功能都位于內(nèi)核之外，例如，將所有的設(shè)備驅(qū)動程序都被置于內(nèi)核之外，如圖 。 ? 在微內(nèi)核操作系統(tǒng)中，大部分的系統(tǒng)功能被放置在內(nèi)核之外，客戶單元和服務(wù)器單元的內(nèi)存地址空間是相互獨立的，系統(tǒng)具有更高的安全性。新的功能組件也可以被動態(tài)地添加進(jìn)來，擴展、調(diào)試、移植方便。在微內(nèi)核操作系統(tǒng)中，核內(nèi)組件與核外組件之間的通信方式是消息傳遞，而不是直接的函數(shù)調(diào)用，運行速度可能會慢一些。另外，由于它們的內(nèi)存地址空間是相互獨立的，在切換的時候，也會增加額外的開銷。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 27 ? OS C Executive、 VxWorks， CMXRTX、 Nucleus Plus和 QNX等 EOS采用的都是微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。 圖 微內(nèi)核結(jié)構(gòu) 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 28 ? 嵌入式操作系統(tǒng)是操作系統(tǒng)研究領(lǐng)域中的一個重要分支，有許多公司在從事相關(guān)方面的研究，開發(fā)了數(shù)以百計的各具特色的嵌入式操作系統(tǒng)產(chǎn)品，其中比較有影響的系統(tǒng)有 VxWorks、嵌入式Linux、 Windows CE、 181。C/OSII和 PalmOS等。 ? 1． VxWorks ? 美國 WindRiver System公司開發(fā)的嵌入式實時操作系統(tǒng) VxWorks采用基于微內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)由四百多個相對獨立、短小精練的目標(biāo)模塊組成，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇適當(dāng)?shù)哪K，進(jìn)行裁減和配置。 VxWorks采用 GNU類型的編譯和調(diào)試器，專有的 API函數(shù)，支持 x8 Motorola MC68xxx、 Coldfire、PowerPC、 MIPS、 ARM、 i960等主流的 32位處理器，具有良好的可靠性和卓越的實時性，是 目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛、市場占有率最高的商業(yè)系統(tǒng)之一。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 29 ? 在 VxWorks操作系統(tǒng)中，主要包含有實時微內(nèi)核 Wind、 I/O處理系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)處理模塊、虛擬內(nèi)存模塊 VxVMI、板級支持包 BSP等功能模塊。其中： ? 實時微內(nèi)核 Wind包括 基于優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間的通信、同步和互斥、中斷處理、定時器和內(nèi)存管理機制等功能 。與 ANSI C兼容的 I/O系統(tǒng)包括 UNIX標(biāo)準(zhǔn)的緩沖 I/O和 POSIX標(biāo)準(zhǔn)的異步 I/O。文件系統(tǒng)主要包括與 MSDOS兼容的文件系統(tǒng)、與 RT11兼容的文件系統(tǒng)、 Raw Disk文件系統(tǒng)和 SCSI磁帶設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)處理模塊能與如 TCP/IP、 NFS、 UDP、 SNMP、 FTP等許多運行其他協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。虛擬內(nèi)存模塊 VxVMI主要用于對指定內(nèi)存區(qū)的保護(hù)，以加強系統(tǒng)的安全性。板級支持包 BSP由初始化和驅(qū)動程序兩部分組成，用來管理硬件的功能模塊，對各種板卡的硬件功能提供統(tǒng)一的接口。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 30 ? 2．嵌入式 Linux ? 嵌入式 Linux（ Embedded Linux）是指對標(biāo)準(zhǔn) Linux進(jìn)行小型化剪裁處理之后，可固化在存儲器或單片機中，適合于特定嵌入式應(yīng)用場合的專用 Linux操作系統(tǒng)。常見的嵌入式 Linux有 μClinux、 RTLinux、 Embedix和 Hard Hat Linux等，具有如下特點： ? ● 具有高性能、可裁剪的內(nèi)核，其獨特的模塊機制使用戶可以根據(jù)自己的需要，實時地將某些模塊插入到內(nèi)核或從內(nèi)核中移走，很適合于嵌入式系統(tǒng)的小型化的需要。 ? ● 具有完善的網(wǎng)絡(luò)通信和文件管理機制，支持所有標(biāo)準(zhǔn)的Inter網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持 ext2， ? fat16, fat32, romfs等文件系統(tǒng)。 ? ● 可提供完整的工具鏈（ Tool Chain），利用 GNU的 gcc做編譯器，用 gdb, kgdb, xgdb做調(diào)試工具，能夠方便地實現(xiàn)從操作系統(tǒng)到應(yīng)用軟件各個級別的調(diào)試。 ? ● 嵌入式 Linux是開放源碼的自由操作系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)自己的應(yīng)用需要方便地對內(nèi)核進(jìn)行修改和優(yōu)化。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 31 ? ● 支持 x8 ARM、 MIPS、 Alpha、 PowerPC等多種體系結(jié)構(gòu)，支持各種主流硬件設(shè)備和最新硬件技術(shù)。 ? ● 幾乎每一種通用程序在 Linux上都能找到，具有豐富的軟件資源。 ? ● μC linux主要針對沒有 MMU的微處理器； RTLinux是最早實現(xiàn)硬實時支持的 Linux版本； Embedix采用模塊化的設(shè)計方案，方便系統(tǒng)剪裁； Hard Hat Linux是一個嵌入式實時系統(tǒng)，可以針對硬件環(huán)境進(jìn)行配置，以獲得最佳的性能和最小的容量。 ? 3． Windows CE ? Windows CE是一個基于優(yōu)先級的多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)，提供了256個優(yōu)先級別，基本內(nèi)核需要至少 200KB的 ROM，支