嵌入式操作系統(tǒng)特點(diǎn)分析

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，軟硬件可裁減的，適用于對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。具有軟件代碼小、高度自動(dòng)化、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，特別適合于要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)的體系。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成，它是可獨(dú)立工作的“器件”。

一、嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展

作為嵌入式系統(tǒng)（包括硬、軟件系統(tǒng)）極為重要的組成部分的嵌入式操作系統(tǒng)，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，如能夠有效管理越來越復(fù)雜的系統(tǒng)資源；能夠把硬件虛擬化，使得開發(fā)人員從繁忙的驅(qū)動(dòng)程序移植和維護(hù)中解脫出來；能夠提供庫(kù)函數(shù)、驅(qū)動(dòng)程序、工具集以及應(yīng)用程序。與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。

嵌入式操作系統(tǒng)伴隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)比較明顯的階段：

第一階段：無操作系統(tǒng)的嵌入算法階段，以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)，具有與監(jiān)測(cè)、伺服、指示設(shè)備相配合的功能。應(yīng)用于一些專業(yè)性極強(qiáng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，通過匯編語言編程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行直接控制，運(yùn)行結(jié)束后清除內(nèi)存。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能都相對(duì)單一，處理效率較低，存儲(chǔ)容量較小，幾乎沒有用戶接口。

第二階段：以嵌人式CPU為基礎(chǔ)、簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。CPU種類繁多，通用性比較差；系統(tǒng)開銷小，效率高；一般配備系統(tǒng)仿真器，操作系統(tǒng)具有一定的兼容性和擴(kuò)展性；應(yīng)用軟件較專業(yè)，用戶界面不夠友好；系統(tǒng)主要用來控制系統(tǒng)負(fù)載以及監(jiān)控應(yīng)用程序運(yùn)行。

第三階段：通用的嵌人式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段，以嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。能運(yùn)行于各種類型的微處理器上，兼容性好；內(nèi)核精小、效率高，具有高度的模塊化和擴(kuò)展性；具備文件和目錄管理、設(shè)備支持、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；具有大量的應(yīng)用程序接口（APl）；嵌入式應(yīng)用軟件豐富。

第四階段：以基于Intemet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。這是一個(gè)正在迅速發(fā)展的階段。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于lnlemet之外，但隨著Intemet的發(fā)展以及Intemet技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等結(jié)合日益密切，嵌入式設(shè)備與Intemet的結(jié)合將代表著嵌入式技術(shù)的真正未來。

二、使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的必要性

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在目前的嵌入式應(yīng)用中用得越來越廣泛，尤其在功能復(fù)雜、系統(tǒng)龐大的應(yīng)用中顯得愈來愈重要。

1．嵌人式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性。在控制系統(tǒng)中，出于安全方面的考慮，要求系統(tǒng)起碼不能崩潰，而且還要有自愈能力。不僅要求在硬件設(shè)計(jì)方面提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性，而且也應(yīng)在軟件設(shè)計(jì)方面提高系統(tǒng)的抗干擾性，盡可能地減少安全漏洞和不可靠的隱患。長(zhǎng)期以來的前后臺(tái)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在遇到強(qiáng)干擾時(shí)，使得運(yùn)行的程序產(chǎn)生異常、出錯(cuò)、跑飛，甚至死循環(huán)，造成了系統(tǒng)的崩潰。而實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)管理的系統(tǒng)，這種干擾可能只是引起若干進(jìn)程中的一個(gè)被破壞，可以通過系統(tǒng)運(yùn)行的系統(tǒng)監(jiān)控進(jìn)程對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。通常情況下，這個(gè)系統(tǒng)監(jiān)視進(jìn)程用來監(jiān)視各進(jìn)程運(yùn)行狀況，遇到異常情況時(shí)采取一些利于系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的措施，如把有問題的任務(wù)清除掉。

2．提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期。在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)環(huán)境下，開發(fā)一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用程序，通?？梢园凑哲浖こ讨械慕怦钤瓌t將整個(gè)程序分解為多個(gè)任務(wù)模塊。每個(gè)任務(wù)模塊的調(diào)試、修改幾乎不影響其他模塊。商業(yè)軟件一般都提供了良好的多任務(wù)調(diào)試環(huán)境。

3．嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)充分發(fā)揮了32位CPU的多任務(wù)潛力。32位CPU比8、16位CPU快，另外它本來是為運(yùn)行多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，特別適于運(yùn)行多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)。32位CPU采用利于提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)，使其更容易做到不崩潰。例如，CPU運(yùn)行狀態(tài)分為系統(tǒng)態(tài)和用戶態(tài)。將系統(tǒng)堆棧和用戶堆棧分開，以及實(shí)時(shí)地給出CPU的運(yùn)行狀態(tài)等，允許用戶在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中從硬件和軟件兩方面對(duì)實(shí)時(shí)內(nèi)核的運(yùn)行實(shí)施保護(hù)。如果還是采用以前的前后臺(tái)方式，則無法發(fā)揮32位CPU的優(yōu)勢(shì)。從某種意義上說，沒有操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)（裸機(jī)）是沒有用的。在嵌入式應(yīng)用中，只有把CPU嵌入到系統(tǒng)中，同時(shí)又把操作系統(tǒng)嵌入進(jìn)去，才是真正的計(jì)算機(jī)嵌入式應(yīng)用。

三、嵌入式操作系統(tǒng)選型

當(dāng)我們?cè)谠O(shè)計(jì)信息電器、數(shù)字醫(yī)療設(shè)備等嵌入式產(chǎn)品時(shí)，嵌入式操作系統(tǒng)的選擇至關(guān)重要。一般而言，在選擇嵌入式操作系統(tǒng)時(shí)，可以遵循以下原則?？偟膩碚f，就是“做加法還是做減法”的問題。

（一）市場(chǎng)進(jìn)入時(shí)間

制定產(chǎn)品時(shí)間表與選擇操作系統(tǒng)有關(guān)系，實(shí)際產(chǎn)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?，F(xiàn)成資源最多的也就可能是WinCE。使用WinCE能夠很快進(jìn)入市場(chǎng)。因?yàn)閃inCE+X86做產(chǎn)品實(shí)際上是在做減法，去掉你不要的功能，能很快出產(chǎn)品，但伴隨的可能是成本高，核心競(jìng)爭(zhēng)力差。而某些高效的操作系統(tǒng)可能由于編程人員缺乏，或由于這方面的技術(shù)積累不夠，影響開發(fā)進(jìn)度。

（二）可移植性

操作系統(tǒng)相關(guān)性。當(dāng)進(jìn)行嵌入式軟件開發(fā)時(shí)，可移植性是要重點(diǎn)考慮的問題。良好的軟件移植性應(yīng)該比較好，可以在不同平臺(tái)、不同系統(tǒng)上運(yùn)行，跟操作系統(tǒng)無關(guān)。軟件的通用性和軟件的性能通常是矛盾的。即通用以損失某些特定情況下的優(yōu)化性能為代價(jià)。很難設(shè)想開發(fā)一個(gè)嵌入式瀏覽器而僅能在某一特定環(huán)境下應(yīng)用。反過來說，當(dāng)產(chǎn)品與平臺(tái)和操作系統(tǒng)緊密結(jié)合時(shí)，往往你的產(chǎn)品的特色就蘊(yùn)含其中。

（三）可利用資源

產(chǎn)品開發(fā)不同于學(xué)術(shù)課題研究，它是以快速、低成本、高質(zhì)量的推出適合用戶需求的產(chǎn)品為目的的。集中精力研發(fā)出產(chǎn)品的特色，其他功能盡量由操作系統(tǒng)附加或采用第三方產(chǎn)品，因此操作系統(tǒng)的可利用資源對(duì)于選型是一個(gè)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)由于比較封閉，開發(fā)時(shí)可以利用的資源比較少，因此多數(shù)功能需要自己獨(dú)立開發(fā)。從而影響開發(fā)進(jìn)度。近來的市場(chǎng)需求顯示，越來越多的嵌入式系統(tǒng)，均要求提供全功能的Web瀏覽器。而這要求有一個(gè)高性能、高可靠的GUI的支持。

（四）系統(tǒng)定制能力

信息產(chǎn)品不同于傳統(tǒng)PC的Wintel結(jié)構(gòu)的單純性，用戶的需求是千差萬別的，硬件平臺(tái)也都不一樣，所以對(duì)系統(tǒng)的定制能力提出了要求。要分析產(chǎn)品是否對(duì)系統(tǒng)底層有改動(dòng)的需求，這種改動(dòng)是否伴隨著產(chǎn)品特色?Linux由于其源代碼開放的天生魅力，在定制能力方面具有優(yōu)勢(shì)。隨著WinCE3.0原碼的開放，以及微軟在嵌入式領(lǐng)域力度的加強(qiáng)，其定制能力會(huì)有所提升。

（五）成本

成本是所有產(chǎn)品不得不考慮的問題。操作系統(tǒng)的選擇會(huì)對(duì)成本有什么影響呢?Linux免費(fèi)，WinCE等商業(yè)系統(tǒng)需要支付許可證使用費(fèi)，但這都不是問題的答案。成本是需要綜合權(quán)衡以后進(jìn)行考慮的——選擇某一系統(tǒng)可能會(huì)對(duì)其他一系列的因素產(chǎn)生影響，如對(duì)硬件設(shè)備的選型、人員投入、以及公司管理和與其他合作伙伴的共同開發(fā)之間的溝通等許多方面的影響。

（六）中文內(nèi)核支持

國(guó)內(nèi)產(chǎn)品需要對(duì)中文的支持。由于操作系統(tǒng)多數(shù)是采用西文方式，是否支持雙字節(jié)編碼方式，是否遵循GBK，GBl8030等各種國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，是否支持中文輸入與處理，是否提供第三方中文輸入接口是針對(duì)國(guó)內(nèi)用戶的嵌入式產(chǎn)品的必需考慮的重要因素。

上面提到用WinCE+x86出產(chǎn)品是減法，這實(shí)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(yè)的硬件解決方案（絕大部分是非x86的）加以改進(jìn)，加上嵌入式操作系統(tǒng)，再加上應(yīng)用軟件。這是所謂家電PC化的做法，這種加法的優(yōu)勢(shì)是成本低，特色突出，缺點(diǎn)是產(chǎn)品研發(fā)周期長(zhǎng)，難度大（需要深入了解硬件和操作系統(tǒng)）。如果選擇這種做法，Linux是一個(gè)好選擇，它讓你能夠深入到系統(tǒng)底層，如果你愿意并且有能力。