【文章內(nèi)容簡介】 對通用的軟硬件基礎(chǔ)，然后在其上開發(fā)出適應(yīng)各種需要的系統(tǒng)，是一個(gè)比較好的開發(fā)模式。目前，國內(nèi)外有很多微內(nèi)核大小不等的嵌入式操作系統(tǒng)，可以根據(jù)實(shí)際的使用進(jìn)行功能擴(kuò)展或者裁減，從而加速嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。 現(xiàn)在當(dāng)講到嵌入式系統(tǒng)時(shí)，一般是指近年來比較熱的具有操 作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)。其基本結(jié)構(gòu)如圖 1所示。 嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用程序 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 硬 件 平 臺 應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)的接口 操作系統(tǒng)與硬件接 口 圖 1 嵌入式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 嵌入式系統(tǒng)在多點(diǎn)溫度控制中的應(yīng)用 12 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（ Real Time Operating System， RTOS） 是根據(jù)操作系統(tǒng)的工作特性而言的，是指具有實(shí)時(shí)性，能支持實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。它的首要任務(wù)是調(diào)度一切可利用的資源完成實(shí)時(shí)控制任務(wù)，提高可靠性，其次才著眼于提高系統(tǒng)的使用效率，要滿足對時(shí)間的限制和要求。 RTOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺，它應(yīng)具有如下的功能： 1)．任務(wù)管理 （多任務(wù)和基于優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度）； 2)．任務(wù)間的 同步和通信 （信號量、郵箱和消息隊(duì)列）； 3). 存儲器優(yōu)化管理（含 ROM 的管理） 4). 實(shí)時(shí)時(shí)鐘服務(wù) 5). 中斷管理服務(wù) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的任務(wù)（ Task） 等同于分實(shí)操作系統(tǒng)中的進(jìn)程（ Process）的概念。系統(tǒng)中的任務(wù)有四種狀態(tài)：運(yùn)行（ Executing）、就緒（ Ready）、掛起（ Suspended）、睡眠（ Dormant）。 運(yùn)行：獲得 CPU控制權(quán)； 就緒：進(jìn)入任務(wù)等待隊(duì)列，通過調(diào)度轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài)； 掛起：任務(wù)發(fā)生阻塞，從任務(wù)等待隊(duì)列中移出，等待系統(tǒng)實(shí)時(shí)事件的發(fā)生而喚醒，從而轉(zhuǎn)為就緒或運(yùn)行狀態(tài)； 睡 眠：任務(wù)完成或者錯(cuò)誤等原因被刪除的任務(wù)。 在任意時(shí)刻，只有一個(gè)任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)。 RTOS 是操作系統(tǒng)研究的一個(gè)重要分支，它與一般商用多任務(wù) OS 如 Unix、Windows 等有共同的一面，也有不同的一面。對商用多任務(wù) OS，其目的是方便用戶管理計(jì)算機(jī)資源，追求系統(tǒng)資源最大利用率；而 RTOS 追求的是調(diào)度的實(shí)時(shí)性、時(shí)間響應(yīng)時(shí)間的可確定性、系統(tǒng)的高度可靠性。評價(jià)一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)一般可以從任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、任務(wù)通訊、內(nèi)存開銷、任務(wù)切換時(shí)間、最大中斷禁止時(shí)間等幾個(gè)方面來衡量。因此， RTOS 要解決的幾個(gè)主要問題如下： ⑴ 任務(wù)調(diào)度機(jī)制： RTOS 的實(shí)時(shí)性和多任務(wù)能力在很大程度上取決于它的任務(wù)調(diào)度機(jī)制。從調(diào)度策略上來講，分優(yōu)先級調(diào)度策略和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度策略；從調(diào)度方式上來講，分可搶占、不可搶占、選擇可搶占調(diào)度方式；從時(shí)間片上來看，分固定與可變時(shí)間片輪轉(zhuǎn)。單純從基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度方式而言，又存在多種優(yōu)先級計(jì)算方法。 在大多數(shù)商用的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，為了讓操作系統(tǒng)能夠在有突發(fā)事件時(shí)，迅速取得系統(tǒng)控制權(quán)以便對時(shí)間作出反應(yīng)，所以大都提供了“搶占式任務(wù)調(diào)度”的功能，也就是操作系統(tǒng)有權(quán)終止應(yīng)用程序（ 應(yīng)用任務(wù)）的執(zhí)行，并且將執(zhí)行權(quán)交給擁有最高優(yōu)先級的任務(wù)。 ⑵ 內(nèi)存管理 如同分時(shí)操作系統(tǒng)一樣，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使用內(nèi)存管理單元（ MMU）進(jìn)行內(nèi)存管理。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)存管理模式可以分為實(shí)模式與保護(hù)模式（主要對 Intel x86 而言）。目前主流的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)一般都可以提供兩種模式，讓用戶根據(jù)應(yīng)用自主選擇。 ⑶ 最小內(nèi)存開銷 RTOS 的設(shè)計(jì)過程中，最小內(nèi)存開銷是一個(gè)較重要的指標(biāo)，這是因?yàn)樵诠I(yè)控嵌入式系統(tǒng)在多點(diǎn)溫度控制中的應(yīng)用 12 制領(lǐng)域中的某些工控機(jī)（如上下位機(jī)控制系統(tǒng)中的下位機(jī)），由于基于 降低成本的考慮，其內(nèi)存的配置一般都不大，而在這有限的空間內(nèi)不僅要裝載實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，還要裝載用戶程序。因此，在 RTOS 的設(shè)計(jì)中，其占用內(nèi)存大小是一個(gè)很重要的指標(biāo)，這是 RTOS 設(shè)計(jì)與其它操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的明顯區(qū)別之一。 ⑷ 最大中斷禁止時(shí)間與中斷延遲時(shí)間 當(dāng) RTOS 運(yùn)行在核心態(tài)或執(zhí)行某些系統(tǒng)調(diào)用的時(shí)候，是不會因?yàn)橥獠恐袛嗟牡絹矶袛鄨?zhí)行的。只用當(dāng) RTOS 重新回到用戶態(tài)才響應(yīng)外部中斷請求，這一過程所需要的最大時(shí)間就是最大中斷禁止時(shí)間。 中斷延遲（ Interrupt Latency） 時(shí)間是 指系統(tǒng)確認(rèn)中斷開始直到執(zhí)行中斷服務(wù)程序的第一條指令為止整個(gè)處理過程所需要的時(shí)間。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的中斷延遲時(shí)間有下列三個(gè)因素決定：處理器硬件電路的延遲時(shí)間，通常這個(gè)時(shí)間可以忽略；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)處理中斷并將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給相關(guān)處理程序所需要的時(shí)間；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的中斷禁止時(shí)間。 ⑸ 任務(wù)切換時(shí)間 (ContextSwitching Time) 當(dāng)由于某種原因使一個(gè)任務(wù)退出運(yùn)行時(shí)， RTOS 保存它的運(yùn)行現(xiàn)場信息、插入相應(yīng)隊(duì)列、并根據(jù)一定的調(diào)度算法重新選擇一個(gè)新任務(wù)使之投入運(yùn)行，這一過程所需時(shí)間稱 為任務(wù)切換時(shí)間。更準(zhǔn)確地說，任務(wù)切換時(shí)間是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)將控制權(quán)從一個(gè)任務(wù)的執(zhí)行中取回，然后交給另一個(gè)任務(wù)所需的時(shí)間。它包括保存目前正在執(zhí)行任務(wù)的現(xiàn)場信息所需要的時(shí)間、 RTOS 決定下一個(gè)調(diào)度任務(wù)所需的調(diào)度時(shí)間以及 RTOS 把另外一個(gè)任務(wù)調(diào)入系統(tǒng)執(zhí)行所需要的時(shí)間。 在上述幾項(xiàng)中，最大中斷禁止時(shí)間和任務(wù)切換時(shí)間是評價(jià)一個(gè) RTOS 實(shí)時(shí)性最重要的兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)。 嵌入式系統(tǒng)的組成 一個(gè)嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)有特定功能或用途的計(jì)算機(jī)軟硬件的集合體，其硬件的核心部件是嵌入式處理器，包括微控制器（ MCU）、數(shù)字信號處理器（ DSP）、嵌入式微處理器（ MPU）、嵌入式片上系統(tǒng)（ System On Chip）等。而軟件的核心部件式嵌入式操作系統(tǒng)，目前流行的嵌入式操作系統(tǒng)有 VxWorks、 pSOS、 QNX、Windows CE、 Palm OS、 QNX、 Linux等。 嵌入式處理器 目前據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過 1000多種，流行的體系結(jié)構(gòu)有 30多個(gè)系列?，F(xiàn)在幾乎每個(gè)半導(dǎo)體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器，根據(jù)其現(xiàn)狀，大致分為以下幾類： 1).嵌入式微處理器（ Embedded Microprocessor Unit, EMPU） 嵌入式處理器的基礎(chǔ)是通用 CPU，在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)應(yīng)用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減少系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、嵌入式系統(tǒng)在多點(diǎn)溫度控制中的應(yīng)用 12 成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但是設(shè)計(jì)中需外加 ROM、 RAM、總線接口、各種外設(shè)等器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，技術(shù)保密性也較差。 嵌入式處理器目前主要有 Aml86/8 386EX、 SC400、 Power PC、 68000、 MIPS、ARM系列等。 2).嵌入式微控制器（ Microcontroller Unit,MCU） 嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，顧名思義，就是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一片芯片中。嵌入式微控制器一般以某種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、 RAM、總線、總線邏輯、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、 WatchDog、 I/O、串行口、脈沖調(diào)制輸出、 A/D、 D/A、 Flash等各種必要功能和外設(shè)。和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減少，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。 嵌入式微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合 于控制，故稱為微控制器。嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的通用系列有 805 P51XA、 MCS251/9 MC68HC05/11/168300等， 3).嵌入式 DSP處理器（ Embedded Digital Signal Processor, EDSP） DSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合于執(zhí)行 DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度快。在數(shù)字濾波、 FFT、譜分析等方面 DSP算法正大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域， DSP應(yīng)用正從在單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn) DSP功能，過渡到采用嵌入式 DSP處理器。嵌入式 DSP處理器有兩個(gè)發(fā)展來源，一是 DSP處理器經(jīng)過單片化、EMC改造、增加片上外設(shè)稱為嵌入式 DSP處理器；二是在通用單片機(jī)或 SOC中增加 DSP協(xié)處理器。 目前嵌入式 DSP處理器比較有代表性的產(chǎn)品是 Texas Instruments的 TMS320系列和 Motorola 的 DSP56000系列。 4).嵌入式片上系統(tǒng)（ System On Chip, SOC） 隨著 EDI的推廣、 VLSI設(shè)計(jì)的普及以及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，可以結(jié)合許多功能區(qū)塊，將功能做在一個(gè)芯片上而構(gòu)成一個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)，這就是 SOC。它結(jié)合了微內(nèi)核，像 ARM RISC、 MIPS RISC、 DSP或是其它的微處理器核心，外加通信接口單元，像 USB、 TCP/IP通信單元、 GPRS通信接口、 GSM通信接口、藍(lán)牙模塊等等。這樣開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)電路板變得很簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。 SOC分為通用和專用兩類，通用系列包括 Siemens的 TriCore， Motorola的MCore，某些 ARM系列器件。專用 SOC一般專用于某個(gè)或某類系統(tǒng)中，一個(gè)有代表性的產(chǎn)品是 Philips的 Smart XA，它將 XA單片機(jī)內(nèi)核和支持超過 2048位復(fù)雜 RSA算法的 CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個(gè)可加載 JAVA或者 C語言的專用 SOC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如 Inter安全方面。 嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng)并不是一個(gè)新生的事物，從 20世紀(jì) 80年代起，國際上就有一些 IT組織、公司開始進(jìn)行商用嵌入式操作系統(tǒng)和專用操作系統(tǒng)的研究，它作為嵌嵌入式系統(tǒng)在多點(diǎn)溫度控制中的應(yīng)用 12 入式系統(tǒng)靈魂，大大提高了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)效率，一改以往嵌入式軟件設(shè)計(jì)只能針對具體的應(yīng)用從頭做起的歷史。在嵌入式操作系統(tǒng)之上開發(fā)嵌入式系統(tǒng)將減少系統(tǒng)開發(fā)的工作量，增強(qiáng)了嵌入式應(yīng)用軟件的可移植性，使 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)方法更具科學(xué)性，可以說嵌入式操作系統(tǒng)的出現(xiàn)為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展鋪平了道路。 嵌入式操作系統(tǒng)是一段在嵌入式系統(tǒng)啟動后首先執(zhí)行的背景程序，用戶的應(yīng)用程序是運(yùn)行于其上的各個(gè)任務(wù)，它根據(jù)各個(gè)任務(wù)的要求，進(jìn)行資源（包括存儲器、外設(shè)等）管理、消息管理、任務(wù)調(diào)度、異常處理等工作。在有嵌入式操作系統(tǒng)支持的系統(tǒng)中，每個(gè)任務(wù)有一個(gè)優(yōu)先級，根據(jù)各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級，動態(tài)地切換各個(gè)任務(wù)，保證對實(shí)時(shí)性的要求。開發(fā)人員在編寫程序時(shí)，可以分別編寫各個(gè)任務(wù)，不必同時(shí)將所有任務(wù)運(yùn)行的各種可能情況記在心中，這樣大大減少了程序編寫的工 作量，而且減少了出錯(cuò)的可能，保證最終程序具有高可靠性。 經(jīng)過多年的發(fā)展，目前世界上已經(jīng)有一大批十分成熟的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，比較流行的嵌入式操作系統(tǒng)如下： ⑴ VxWorks VxWorks 操作系統(tǒng)是美國 WindRiver 公司于 1983 年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)（ RTOS） ，由于具有高性能的系統(tǒng)內(nèi)核和友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域牢牢占據(jù)著一席之地。如美國 JPL 實(shí)驗(yàn)室研制的著名“索杰納 ”火星車采用的就是 VxWorks 操作系統(tǒng)。 VxWorks 的突出特點(diǎn)：可靠 性、實(shí)時(shí)性和可裁減性。它是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛、市場占有率最高的操作系統(tǒng)。它支持多種處理器，如 x8 i960、Sun Sparc、 Motorola Mc68xxx、 MIPS RX000、 Power PC 等。大多數(shù)的 VxWorks API是專有的，采用 GNU 的編譯和調(diào)試器，具有集成開發(fā)環(huán)境 Tornado 系列。 它屬于商業(yè)型操作系統(tǒng)，目前國內(nèi)很多大的公司都采用此操作系統(tǒng)進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，如中興通訊、華為等。 ⑵ pSOS pSOS 原屬 ISI 公司的產(chǎn)品，但 ISI 已 經(jīng)被 WindRiver 公司兼并，現(xiàn)在 pSOS 屬于WindRiver 公司的產(chǎn)品。該系統(tǒng)是一個(gè)模塊化、高性能的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，專為嵌入式微處理器設(shè)計(jì)，提供一個(gè)完全的多任務(wù)環(huán)境，在定制的或者商業(yè)化的硬件上具有高性能和高可靠性，可以讓開發(fā)者根據(jù)操作系統(tǒng)的功能和內(nèi)存需求定制每一個(gè)應(yīng)用所需的系統(tǒng)。開發(fā)者可以利用它來實(shí)現(xiàn)從簡單的單個(gè)獨(dú)立設(shè)備到復(fù)雜的、網(wǎng)絡(luò)化的多處理器系統(tǒng)。 ⑶ Windows Embedded Windows Embedded 產(chǎn)品家族是 Microsoft 的產(chǎn)品，主要是用于建立 支持具有豐富應(yīng)用程序和服務(wù)的 32嵌入時(shí)系統(tǒng)，從而針對廣泛的用戶需求提供靈活解決方案。此外，同支持更快的“產(chǎn)品上市速度”并降低開發(fā)成本， Windows Embedded 產(chǎn)品家族還能保證開發(fā)人員立于競爭前沿。目前 Windows Embedded 產(chǎn)品家族主要有Windows CE 和 Windows NT Embedded 。 ⑷ Palm OS Palm OS 是著名的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商 3COM 旗下的 Palm Computing 掌上電腦公司的產(chǎn)品，在 PDA 市場上占有很大的市 場份額。它具有開放的操作系統(tǒng)應(yīng)用程序接口（ API），開發(fā)商可以根據(jù)需要自行開發(fā)所需要的應(yīng)用程序。 從全球范圍來看，由于 Handspring 公司和 SONY 公司也被授權(quán)使用 Palm OS操作系統(tǒng)，致使 Palm OS