【正文】 件成本。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 對(duì)于此類(lèi)價(jià)格十分敏感的產(chǎn)品，實(shí)時(shí)性、可靠性仍然是非常值得重視的問(wèn)題。因此，實(shí)時(shí)性強(qiáng)是嵌入式系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)，在嵌入式軟件中最核心的莫過(guò)于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。 (3) 可裁剪。首先，從硬件環(huán)境來(lái)看，通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)化的 CPU存儲(chǔ)和 I/O架構(gòu)，而嵌入式系統(tǒng)的硬件環(huán)境只有標(biāo)準(zhǔn)化的 CPU，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)、 I/O和顯示器單元。 其次，從應(yīng)用環(huán)境來(lái)看，通用操作系統(tǒng)面向復(fù)雜多變的應(yīng)用，而嵌入式操作系統(tǒng)面向單一設(shè)備的固定的應(yīng)用。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 最后，從開(kāi)發(fā)界面來(lái)看，通用操作系統(tǒng)給開(kāi)發(fā)者提供一個(gè)“黑箱”，讓開(kāi)發(fā)者通過(guò)一系列標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用來(lái)使用操作系統(tǒng)的功能，而嵌入式操作系統(tǒng)試圖為開(kāi)發(fā)者提供一個(gè)“白箱”，讓開(kāi)發(fā)者可以自主控制系統(tǒng)的所有資源。通用系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)的目標(biāo)是盡可能在不改變自身的前途下具有廣泛的適應(yīng)性，而應(yīng)用于嵌入式環(huán)境的 RTOS，在研發(fā)的時(shí)候就必須立足于面向?qū)ο?，改變自身、開(kāi)放自身，讓開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)硬件環(huán)境和應(yīng)用環(huán)境的不同而對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行靈活的裁剪和配置。由于對(duì)于任何一個(gè)具體的嵌入式設(shè)備，它的功能是確定的，因此只要從原有操作系統(tǒng)中把這個(gè)特定應(yīng)用所需的功能拿來(lái)即可?？刹眉粜栽谲浖こ屉A段是利用軟件配置方法實(shí)現(xiàn)軟件構(gòu)建的“即插即用”。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 (4) 可靠性高。在大多數(shù)情況下，嵌入式系統(tǒng)一旦開(kāi)始運(yùn)行就不需要人的過(guò)多干預(yù)，這就要求負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理的嵌入式操作系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，而通用操作系統(tǒng)則無(wú)需具備這種特點(diǎn)。這導(dǎo)致桌面操作環(huán)境與嵌入式環(huán)境在設(shè)計(jì)思路上有重大的不同。 通用計(jì)算機(jī)的應(yīng)用環(huán)境假定應(yīng)用軟件與操作系統(tǒng)相比而言是不可靠的，而嵌入式環(huán)境假定應(yīng)用軟件與操作系統(tǒng)一樣可靠。這種設(shè)計(jì)思路對(duì)應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員提出了更高的要求，同時(shí)也要求操作系統(tǒng)自身足夠開(kāi)放。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 通用操作系統(tǒng)比較龐大復(fù)雜，而嵌入式操作系統(tǒng)提供的資源有限，由于硬件的限制，嵌入式操作系統(tǒng)必須小巧簡(jiǎn)捷。對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，組成越簡(jiǎn)單，性能越可靠，組成越復(fù)雜，故障概率越大。局部的不足會(huì)導(dǎo)致整體的缺陷，系統(tǒng)中任何部分的不可靠都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)整體的不可靠。 (5) 特殊的開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境。一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)的集成開(kāi)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(kāi)發(fā)平臺(tái)。其中的集成圖形界面開(kāi)發(fā)平臺(tái)包括編輯器、調(diào)試器、軟件仿真器和監(jiān)視器等。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 嵌入式操作系統(tǒng)的分類(lèi) 目前，嵌入式操作系統(tǒng)總數(shù)超過(guò) 150個(gè)。國(guó)外嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)從簡(jiǎn)單走向成熟。國(guó)內(nèi)嵌入式操作系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)有兩種類(lèi)型，一類(lèi)是基于國(guó)外操作系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)完成的，如海信集團(tuán)的基于 Windows CE的機(jī)頂盒系統(tǒng)；另一類(lèi)是中國(guó)自主開(kāi)發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，如凱思集團(tuán)公司自主開(kāi)發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng) Hopen OS(女?huà)z計(jì)劃 )、北京科銀京成技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的 DeltaOS(道系統(tǒng) )等。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 從應(yīng)用面來(lái)分類(lèi)，嵌入式操作系統(tǒng)可分為面向低端設(shè)備的嵌入式操作系統(tǒng)和面向高端設(shè)備的嵌入式操作系統(tǒng)兩類(lèi)。低端設(shè)備如各種工業(yè)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)外設(shè)、民用消費(fèi)品的微波爐、洗衣機(jī)、冰箱等，其典型的操作系統(tǒng)是 μC/OSⅡ 。高端設(shè)備如信息化家電、掌上電腦、機(jī)頂盒、 WAP手機(jī)、路由器，常用的操作系統(tǒng)有 Windows CE、 Linux等。 從專(zhuān)業(yè)化程度來(lái)分類(lèi)，嵌入式操作系統(tǒng)可分為通用型嵌入式操作系統(tǒng)和專(zhuān)用型嵌入式操作系統(tǒng)兩類(lèi)。常見(jiàn)的通用型嵌入式操作系統(tǒng)有 Linux、 VxWorks、 Windows CE、 μC/OSⅡ 等。常用的專(zhuān)用型嵌入式操作系統(tǒng)有 Smart Phone、 Pocket PC、 Symbian等。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 按實(shí)時(shí)性要求來(lái)分類(lèi)，嵌入式操作系統(tǒng)可分為強(qiáng) (硬 )實(shí)時(shí)性嵌入式操作系統(tǒng)和弱 (軟 )實(shí)時(shí)性嵌入式操作系統(tǒng)兩類(lèi)。強(qiáng)實(shí)時(shí)性嵌入式操作系統(tǒng)主要面向控制、通信等領(lǐng)域，如WindRiver公司的 VxWorks、 ISI的 pSOS、 QNX系統(tǒng)軟件公司的 QNX、 ATI的 Nucleus等。弱實(shí)時(shí)性嵌入式操作系統(tǒng)主要面向消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品 (包括 PDA、移動(dòng)電話、機(jī)頂盒、電子書(shū)、 WebPhone等 )，如微軟面向手機(jī)應(yīng)用的 Smart Phone操作系統(tǒng)。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 通用操作系統(tǒng)與嵌入式操作系統(tǒng)的區(qū)別 作為操作系統(tǒng)的一個(gè)分支，嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，但它們的區(qū)別也是很明顯的，主要表現(xiàn)在設(shè)計(jì)目標(biāo)不同、調(diào)度原則不同、內(nèi)存管理機(jī)制不同、實(shí)時(shí)性不同、穩(wěn)定性及交互性不同等幾個(gè)方面。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 (1) 設(shè)計(jì)目標(biāo)不同。通用操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是追求最大的吞吐率，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)整體性能最佳。通用操作系統(tǒng)多數(shù)由分時(shí)操作系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)，大部分支持多用戶(hù)和多進(jìn)程。而分時(shí)操作系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)目標(biāo)是：盡量縮短系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)間，提高系統(tǒng)的吞吐率，在單位時(shí)間內(nèi)為盡可能多的用戶(hù)提供服務(wù)。通用操作系統(tǒng)中采用的很多算法和策略技巧都體現(xiàn)了這種設(shè)計(jì)原則，但也因此喪失了系統(tǒng)行為的可確定性和可預(yù)測(cè)性。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 嵌入式操作系統(tǒng)除了要滿(mǎn)足應(yīng)用的功能需求外，更注重的是滿(mǎn)足應(yīng)用的各種實(shí)時(shí)性要求。而實(shí)時(shí)性目標(biāo)是采用各種算法和策略，始終保證系統(tǒng)行為的可預(yù)測(cè)性?？深A(yù)測(cè)性是指在系統(tǒng)運(yùn)行的任何時(shí)刻、任何情況下，嵌入式操作系統(tǒng)都能為爭(zhēng)奪資源 (包括 CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)帶寬等 )的多個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)合理地分配資源，使每個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求都能得到滿(mǎn)足。系統(tǒng)行為的可預(yù)測(cè)性是嵌入式操作系統(tǒng)與通用操作系統(tǒng)的根本區(qū)別。 由于通用操作系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)原則不同，導(dǎo)致二者在資源調(diào)度策略的選擇上、操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方法上都有較大差異。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 (2) 調(diào)度原則不同。通用操作系統(tǒng)為了達(dá)到最佳整體性能，其調(diào)度原則是公平法則；而嵌入式操作系統(tǒng)為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，多數(shù)采用的是基于優(yōu)先級(jí)的可剝奪的調(diào)度策略。 (3) 內(nèi)存管理機(jī)制不同。通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為了存儲(chǔ)和運(yùn)行海量程序，通常具有海量硬盤(pán)和大容量的內(nèi)存。為了高效率地運(yùn)行程序，通用操作系統(tǒng)使用了虛擬內(nèi)存的技術(shù)，為用戶(hù)提供一個(gè)功能強(qiáng)大的虛擬機(jī)，但因虛存機(jī)制引起的缺頁(yè)掉頁(yè)現(xiàn)象會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)不確定性。而嵌入式系統(tǒng)一般沒(méi)有硬盤(pán)，操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序大多一起固化在 ROM中，內(nèi)存資源也很有限，因此嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)很少或有限地使用虛存技術(shù)。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 (4) 穩(wěn)定性及交互性不同。從硬件環(huán)境上看，通用操作系統(tǒng)針對(duì)的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有標(biāo)準(zhǔn)化的 CPU、存儲(chǔ)和I/O架構(gòu)。為了最大限度地兼容各種軟 /硬件產(chǎn)品，通用操作系統(tǒng)一般都要求面面俱到、具有廣泛的適應(yīng)性，而且通用操作系統(tǒng)通過(guò)屏蔽底層資源，為開(kāi)發(fā)者提供了一系列標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)使用操作系統(tǒng)，所以通用操作系統(tǒng)一般都具有人機(jī)友好的開(kāi)發(fā)界面。嵌入式操作系統(tǒng)的硬件資源則相對(duì)比較苛刻，通常沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化的存儲(chǔ)、 I/O和顯示器架構(gòu)，內(nèi)存容量一般都比較小，能源供給常常也很有限。要在如此緊張的資源下完成復(fù)雜的功能，就要求操作系統(tǒng)必須盡量小巧、高效。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 而且對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，通常都能夠掌握系統(tǒng)的全部資源，具有自主進(jìn)行控制使用全部資源的能力，所以嵌入式操作系統(tǒng)一般不提供、也無(wú)需提供開(kāi)發(fā)界面。即使提供用戶(hù)界面，嵌入式操作系統(tǒng)的用戶(hù)接口一般也不提供操作命令，它通過(guò)系統(tǒng)的調(diào)用命令向用戶(hù)程序提供服務(wù)，控制邏輯相對(duì)固定。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 嵌入式系統(tǒng)的工作過(guò)程是在高度自動(dòng)化和高度專(zhuān)業(yè)化的前提下完成的，通常很少出現(xiàn)人工干預(yù)的情況，這就要求負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理的嵌入式操作系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。 (5) 實(shí)時(shí)性不同。通用操作系統(tǒng)一般是根據(jù)用戶(hù)利用鍵盤(pán)和鼠標(biāo)發(fā)出的命令來(lái)進(jìn)行工作的，在時(shí)序上并不十分嚴(yán)格。嵌入式操作系統(tǒng)主要是對(duì)儀器設(shè)備的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制，有很大一部分都具有嚴(yán)格的時(shí)序要求，特別是在像航空航天器那樣的關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)性的要求可能達(dá)到微秒量級(jí)。在這樣的應(yīng)用環(huán)境中，非實(shí)時(shí)的通用操作系統(tǒng)無(wú)法勝任。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 μC/OSⅡ 操作系統(tǒng)概述 μC/OSⅡ 是 1992年美國(guó)人 Jean Labrosse編寫(xiě)的適合于小巧控制器的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，應(yīng)用面覆蓋了諸多領(lǐng)域，如照相機(jī)、醫(yī)療器械、音響設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)控制、航空器、高速公路電話系統(tǒng)、自動(dòng)提款機(jī)等，其中 μ是指 Micro， C是指Control。 2022年下半年，中國(guó)電力出版社購(gòu)得 μC/OSⅡ 一書(shū)中譯本的版權(quán)，譯者是清華大學(xué)教授邵貝貝先生和他的研究生們。 μC/OSⅡ 一進(jìn)入中國(guó)，就受到了中國(guó)嵌入式系統(tǒng)工程師、高校師生的極大關(guān)注。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 μC/OSⅡ 是專(zhuān)門(mén)為單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，主體代碼用標(biāo)準(zhǔn)的 ANSI C語(yǔ)言編寫(xiě)而成，十分易于移植。目前 μC/OSⅡ 已經(jīng)成功地移植到了 40多種 CPU上，涵蓋 8位、16位、 32位和 64位等多種機(jī)型，其中還包括了部分 DSP芯片。所有的移植范例都能從網(wǎng)站上下載，移植十分容易。有的廠商在推出嵌入式芯片的同時(shí)就提供了 μC/OSⅡ 的移植代碼，如 Motorola的 16位 56800系列單片機(jī)。 μC/OSⅡ 有良好應(yīng)用環(huán)境和相當(dāng)大的應(yīng)用群體，在現(xiàn)在中國(guó)的嵌入式領(lǐng)域，幾乎到處都可以見(jiàn)到 μC/OSⅡ 的影子。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 μC/OSⅡ 的特點(diǎn) μC/OSⅡ 主要有一個(gè)內(nèi)核，只有任務(wù)管理和任務(wù)調(diào)度，無(wú)文件系統(tǒng)、界面系統(tǒng)、外設(shè)管理系統(tǒng)等。其特點(diǎn)是小巧、源代碼公開(kāi)、注解詳細(xì)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可移植性好、多任務(wù) 、基于優(yōu)先級(jí)的可剝奪型調(diào)度。 (1) 源代碼公開(kāi)。許多商業(yè)實(shí)時(shí)內(nèi)核的軟件都提供源代碼，但是 μC/OSⅡ 注解更詳盡，組織更有序，內(nèi)核結(jié)構(gòu)更清晰，工作原理更容易理解，代碼寫(xiě)得干凈漂亮、和諧一致。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 (2) 可移植 (Portable)。 μC/OSⅡ 的絕大部分源代碼是用ANSI C編寫(xiě)的，具有很強(qiáng)的可移植性，只有與微處理器硬件相關(guān)的那部分代碼是用匯編語(yǔ)言寫(xiě)的，而且已經(jīng)壓到了最低限度。 μC/OSⅡ 可以在絕大多數(shù) 8位、 16位、 32位以至 64位微處理器、微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器上運(yùn)行。 μC/OSⅡ 移植到其它微處理器上只需要改寫(xiě)很少的代碼，通常移植的全部工作只需要一兩個(gè)小時(shí)到一兩周的時(shí)間即可完成。μC/OSⅡ 移植的條件是： CPU必須有堆棧指針、有內(nèi)部寄存器入棧和出棧指令，使用的 C編譯器必須支持內(nèi)嵌匯編(Inline Assembly)或者該 C語(yǔ)言可擴(kuò)展、可連接匯編模塊，使得關(guān)中斷、開(kāi)中斷能在 C語(yǔ)言程序中實(shí)現(xiàn)。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 (3) 可固化 (ROMable)。 μC/OSⅡ 是為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，只要具備合適的系列軟件 (C編譯、連接、下載 /固化 )，μC/OSⅡ 就可以嵌入到嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的 ROM中成為其一部分。 (4) 可裁剪 (Scalable)。 μC/OSⅡ 的系統(tǒng)服務(wù)函數(shù)定義了條件編譯開(kāi)關(guān)量，對(duì)不需要的服務(wù)可以通過(guò)條件編譯予以裁剪，只使用 μC/OSⅡ 中應(yīng)用程序需要的那些系統(tǒng)服務(wù)。代碼最小可以裁剪到 2 KB左右，這樣就可以最大限度地減少產(chǎn)品中的 μC/OSⅡ 所需的存儲(chǔ)空間 (RAM和 ROM)。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 (5) 可剝奪 (Preemptive)。 μC/OSⅡ 完全是可剝奪型的實(shí)時(shí)內(nèi)核，即已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)總是可以剝奪正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的 CPU使用權(quán)。這種內(nèi)核的實(shí)時(shí)性比不可剝奪型內(nèi)核要好。大多數(shù)商業(yè)內(nèi)核也是可剝奪型的，μC/OSⅡ 在性能上和它們類(lèi)似。 (6) 多任務(wù)。 μC/OSⅡ 可以管理 64個(gè)任務(wù)，然而目前這一版本 (μC/OSⅡ )需保留 8個(gè)給 μC/OSⅡ 。 μC/OSⅡ的應(yīng)用程序最多可以有 56個(gè)任務(wù)，賦予每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)必須是不同的，這意味著 μC/OSⅡ 不支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法(RoundRobin Scheduling)，該調(diào)度法適用于調(diào)度優(yōu)先級(jí)平等的任務(wù)。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 (7) 可確定性。 μC/OSⅡ 的絕大部分函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間具有可確定性，除了函數(shù) OSTimeTick()和某些事件標(biāo)志服務(wù)外，μC/OSⅡ 系統(tǒng)服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間不依賴(lài)于應(yīng)用程序任務(wù)數(shù)目的多少，用戶(hù)總是能知道 μC/OSⅡ 的函數(shù)調(diào)用與服務(wù)執(zhí)行了多長(zhǎng)時(shí)間。 (8) 任務(wù)棧。 μC/OSⅡ 允許每個(gè)任務(wù)都有自己?jiǎn)为?dú)的棧，不同的任務(wù)有不同的?？臻g，而且每個(gè)?？臻g的大小可以根據(jù)實(shí)際需要單獨(dú)定義，以便壓低系統(tǒng)對(duì) RAM的需求量。應(yīng)用 μC/OSⅡ 的堆棧校驗(yàn)函數(shù)，可以確定每個(gè)任務(wù)到底需要多少?？臻g。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 (9) 系統(tǒng)服務(wù)。 μC/OSⅡ 可以提供很多系統(tǒng)服務(wù)，例如信號(hào)量、互斥性信號(hào)量、事件標(biāo)志、消息郵箱、消息隊(duì)列、信號(hào)量、塊大小固定的內(nèi)存的申請(qǐng)與釋放及時(shí)間管理函數(shù)等。