【正文】 操作系統(tǒng)，一般用戶就很少了解了。 由于大型嵌入式系統(tǒng)需要完成復(fù)雜的功能，所以需要操作系統(tǒng)來(lái)完成各任務(wù)之間的調(diào)度。由于桌面型操作系統(tǒng)的體積，以及實(shí)時(shí)性等特性不能滿足嵌入式系統(tǒng)的要求，從而促進(jìn)了嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展 操作系統(tǒng)的概念和分類 Linux ?C/OS Windows CE 第 1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 31 操作系統(tǒng)的概念和分類 操作系統(tǒng)（ OS， Operating System）的基本思想是隱藏底層不同硬件的差異，向在其上運(yùn)行的應(yīng)用程序提供一個(gè)統(tǒng)一的調(diào)用接口。應(yīng)用程序通過(guò)這一接口實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的使用和控制，不必考慮不同硬件操作方式的差異。操作系統(tǒng)示意圖如下所示。 很多產(chǎn)品廠商選擇購(gòu)買操作系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)自己的應(yīng)用程序，形成產(chǎn)品。事實(shí)上，因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)是將所有程序，包括操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序的程序代碼全部燒寫進(jìn) ROM里執(zhí)行，所以操作系統(tǒng)在這里的角色更像是一套函數(shù)庫(kù)（ Library）。 操作系統(tǒng)主要完成三項(xiàng)任務(wù)：內(nèi)存管理、多任務(wù)管理和外圍設(shè)備管理。 應(yīng)用程序 操作系統(tǒng) 系統(tǒng)界面 驅(qū)動(dòng)程序 硬件 硬件 硬件 硬件 第 1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 32 嵌入式操作系統(tǒng)（ Embedded Operating System） 負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度、控制、協(xié)調(diào)；它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過(guò)加載 /卸載某些模塊來(lái)達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能。 EOS是相對(duì)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(wù)調(diào)度、同步機(jī)制、中斷處理、文件處理等外，還有以下特點(diǎn)。 ? 強(qiáng)穩(wěn)定性，弱交互性：嵌入式系統(tǒng)一旦開始運(yùn)行就不需要用戶過(guò)多的干預(yù)，這就要求負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理的 EOS具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性； ? 較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性： EOS實(shí)時(shí)性一般較強(qiáng)，可用于各種設(shè)備的控制當(dāng)中； ? 可伸縮性：開放、可伸縮性的體系結(jié)構(gòu)； ? 外設(shè)接口的統(tǒng)一性：提供各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口。 嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)核心通常要求體積要很小，因?yàn)橛布?ROM的容量有限，除了應(yīng)用程序之外，不希望操作系統(tǒng)占用太大的存儲(chǔ)空間。事實(shí)上，嵌入式操作系統(tǒng)可以很小，只提供基本的管理功能和調(diào)度功能，縮小到 10KB到 20KB以內(nèi)的嵌入式操作系統(tǒng)比比皆是，相信用慣微軟的 Windows系統(tǒng)的用戶，可能會(huì)覺(jué)得不可思議。 不同的應(yīng)用場(chǎng)合會(huì)產(chǎn)生不同特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)，但都會(huì)有一個(gè)核心（ Kernel）和一些系統(tǒng)服務(wù)（ System Service）。操作系統(tǒng)必須提供一些系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)用程序調(diào)用，包括文件系統(tǒng)、內(nèi)存分配、 I/O存取服務(wù)、中斷服務(wù)、任務(wù)（ Task）服務(wù)、時(shí)間（ Timer）服務(wù)等，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（ Device Driver）則是要建立在 I/O存取和中斷服務(wù)上的。有些嵌入式操作系統(tǒng)也會(huì)提供多種通信協(xié)議，以及用戶接口函數(shù)庫(kù)等。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 33 ? 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（ RealTime Operating System， RTOS），是指操作系統(tǒng)本身要能在一個(gè)固定時(shí)限內(nèi)對(duì)程序調(diào)用（或外部事件）做出正確的反應(yīng)，亦即對(duì)時(shí)序與穩(wěn)定性的要求十分嚴(yán)格。目前國(guó)際較為知名的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有 WindRiver的“ VxWorks‖、 QNX的“ NeutrinoRTOS‖、 Accelerated Technology的“ Nucleus Plus‖、 Radisys的“ OS/9‖、 Mentor Graphic的“ VRTX‖、 LynuxWorks的“ LynuxOS‖，以及 Embedded Linux廠商所提供的 Embedded Linux版本，如TimeSys的“ TimeSys Linux/Real Time‖、 FSMLabs的“ RTLinux‖、 Lynux Works的“ BlueCat RT‖等。其產(chǎn)品主要應(yīng)用于航天、國(guó)防、醫(yī)療、工業(yè)控制等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域的設(shè)備需要高度精確的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，以確保系統(tǒng)任務(wù)的執(zhí)行不會(huì)發(fā)生難以彌補(bǔ)的意外。目前，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)也開始向信息家電等消費(fèi)類電子產(chǎn)品領(lǐng)域擴(kuò)展。例如 WindRiver的“ VxWorks‖原本從航天、國(guó)防領(lǐng)域起家，如今也應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)電話、視頻轉(zhuǎn)換器等消費(fèi)類電子產(chǎn)品上。 ? 通用型操作系統(tǒng)：執(zhí)行性能與反應(yīng)速度比起實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，相對(duì)沒(méi)有那么嚴(yán)格。目前較知名的有 Microsoft的“ Windows CE‖、 Palm source的“ Palm OS‖、Symbian的“ Symbian OS‖以及 Embedded Linux廠商所提供的各式 Embedded Linux版本，如 Metrowerks的“ Embedix‖、 TimeSys的“ TimeSys Linux/GPL‖、LynuxWorks的“ BlueCat Linux‖、 PalmPalm的“ Tynux‖等，其產(chǎn)品主要應(yīng)用于手持式設(shè)備、各式聯(lián)網(wǎng)家電、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)域。 嵌入式操作系統(tǒng)的性能通常取決于核心程序，而核心的工作主要在任務(wù)管理（ Task Management）、任務(wù)調(diào)度（ Task Scheduling）、進(jìn)程間的通信（ IPC）、內(nèi)存管理（ Memory Management）。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 34 Linux Linux是目前最為流行的一款開放源代碼的操作系統(tǒng)，從 1991年問(wèn)世到現(xiàn)在，不僅在 PC平臺(tái)，還在嵌入式應(yīng)用中大放光彩，逐漸形成了與其他商業(yè) EOS抗衡的局面。目前正在開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)中， 70%以上的項(xiàng)目選擇 Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)。 經(jīng)過(guò)改造后的嵌入式 Linux具有適合于嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)。 ? 內(nèi)核精簡(jiǎn)，高性能、穩(wěn)定； ? 良好的多任務(wù)支持； ? 適用于不同的 CPU體系架構(gòu)：支持多種體系架構(gòu)，如 X8 ARM、 MIPS、ALPHA、 SPARC等； ? 可伸縮的結(jié)構(gòu)：可伸縮的結(jié)構(gòu)使 Linux適合于從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各種嵌入式應(yīng)用； ? 外設(shè)接口統(tǒng)一：以設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的方式為應(yīng)用提供統(tǒng)一的外設(shè)接口； ? 開放源碼，軟件資源豐富：廣泛的軟件開發(fā)者的支持，價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)靈活，適用面廣； ? 完整的技術(shù)文檔，便于用戶的二次開發(fā)。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 35 ?C/OSⅡ ?C/OSⅡ 是 Jean J. Labrosse在 1990年前后編寫的一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核。名稱 ?C/OSII來(lái)源于術(shù)語(yǔ) MicroController Operating System（微控制器操作系統(tǒng)）。它通常也稱為 MUCOS或者 UCOS。 嚴(yán)格地說(shuō)， ?C/OSⅡ 只是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，它僅僅包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間通信和同步等基本功能，沒(méi)有提供輸入輸出管理、文件管理、網(wǎng)絡(luò)等額外的服務(wù)。但由于 ?C/OSⅡ 良好的可擴(kuò)展性和源碼開放，這些功能完全可以由用戶根據(jù)需要自己實(shí)現(xiàn)。 ?C/OSⅡ 的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度的搶占式實(shí)時(shí)內(nèi)核，并在這個(gè)內(nèi)核之上提供最基本的系統(tǒng)服務(wù)，例如信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、中斷管理等。雖然 ?C/OSⅡ 并不是一個(gè)商業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，但 ?C/OSⅡ 的穩(wěn)定性和實(shí)用性卻被數(shù)百個(gè)商業(yè)級(jí)的應(yīng)用所驗(yàn)證，其應(yīng)用領(lǐng)域包括便攜式電話、運(yùn)動(dòng)控制卡、自動(dòng)支付終端、交換機(jī)等。 ?C/OSⅡ 獲得廣泛使用不僅僅是因?yàn)樗脑创a開放，還有一個(gè)重要原因，就是它的可移植性。 ?C/OSⅡ 的大部分代碼都是用 C語(yǔ)言寫成的，只有與處理器的硬件相關(guān)的一部分代碼用匯編語(yǔ)言編寫?？梢哉f(shuō)， ?C/OSⅡ 在最初設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到了系統(tǒng)的可移植性，這一點(diǎn)和同樣源碼開放的 Linux很不一樣，后者在開始的時(shí)候只是用于 x86體系結(jié)構(gòu)，后來(lái)才將和硬件相關(guān)的代碼單獨(dú)提取出來(lái)。 目前 ?C/OSⅡ 支持 ARM、 PowerPC、 MIPS、 68k/ColdFire和 x86等多種體系結(jié)構(gòu)。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 36 Windows CE 從多年前發(fā)表 Windows CE開始，微軟就開始涉足嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域，如今歷經(jīng) WinCE 、 ，新一代的 WinCE呼應(yīng)微軟 .NET的意愿，定名為“ Windows ‖（目前最新版本為 ）。 WinCE主要應(yīng)用于 PDA，以及智能電話（ smart phone）等多媒體網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。微軟于 2022年推出了代號(hào)為“ Macallan‖的新版 WinCE系列的操作系統(tǒng)。 Windows ，是讓不同語(yǔ)言所寫的程序可以在不同的硬件上執(zhí)行，也就是所謂的 .NET Compact Framework，在這個(gè) Framework下的應(yīng)用程序與硬件互相獨(dú)立無(wú)關(guān)。而核心本身是一個(gè)支持多線程以及多 CPU的操作系統(tǒng)。在工作調(diào)度方面，為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，主要設(shè)置了 256級(jí)的工作優(yōu)先級(jí)以及可嵌入式中斷處理。 如同在 PC Desktop環(huán)境， Windows CE系列在通信和網(wǎng)絡(luò)的能力，以及多媒體方面極具優(yōu)勢(shì)。其提供的協(xié)議軟件非常完整，如基本的 PPP、 TCP/IP、 IrDA、ARP、 ICMP、 Wireless Tunable TCP/IP、 PPTP、 SNMP、 HTTP，等等幾乎應(yīng)有盡有，甚至還提供了有保密與驗(yàn)證的加密通信，如 PCT/SSL。而在多媒體方面，目前在 PC上執(zhí)行的 Windows Media和 DirectX都已經(jīng)應(yīng)用到 Windows CE 的平臺(tái)。這些包括 Windows Media Technologies 、 Windows Media Player Control、 DirectDraw API、 DirectSound API和 DirectShow API，其主要功能就是對(duì)圖形、影音進(jìn)行編碼譯碼，以及對(duì)多媒體信號(hào)進(jìn)行處理。