嵌入式操作系統(tǒng)與嵌入式處理器

1、嵌入式操作系統(tǒng)與嵌入式處理器嵌入式操作系統(tǒng)與嵌入式處理器1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)(EmbeddedSystem, ES)是將先進(jìn)的微電子技術(shù)、通訊 技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)與各個(gè)具體應(yīng)用領(lǐng)域相結(jié)合的產(chǎn)物，是一個(gè)資金 技術(shù)密集且高度集成創(chuàng)新的知識(shí)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心， 計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠 性、成本、體積和功耗等方面有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。因此， 它具有“嵌入性”、“專有性”和“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”三個(gè)基本要素， 其中“嵌入性”是它的特征，“專有性”是它的靈魂，“計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)”是它的本質(zhì)。根據(jù) IEEE(InstituteofElectricalandElect

2、ronicsEngineers 電 氣電子工程師協(xié)會(huì))從它的用途來定義，嵌入式系統(tǒng)是用來監(jiān)視、控 制或者輔助機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的系統(tǒng)2。其實(shí)嵌入式系統(tǒng)就是微操作 系統(tǒng)和功能軟件的集成，在以微處理器為核心的微型計(jì)算機(jī)硬件體 系中所形成的簡(jiǎn)易便捷，穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的機(jī)電一體化產(chǎn)品。2嵌入式處理器嵌入式處理器(EmbeddedProcessor，EP)與通用處理器最大的區(qū) 別就在于嵌入式處理器大多工作在為不同用戶群所設(shè)計(jì)的特定系統(tǒng) 中，它常常將通用處理器中許多由板卡完成的功能集成到芯片內(nèi)部， 從而有利于實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的微型化，同時(shí)又保證了較高的可 靠性和處理效率。到目前為止，全球嵌入式處理器的種類

3、已經(jīng)超過 1000 多種，其中以 ARM、MIPS、PowerPC、Motorola68K、X86 等體 系結(jié)構(gòu)最為常見，一般將嵌入式處理器分成以下四類：嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit，MCU);嵌入式微處理器(EmbeddedMicroprocessorUnit， EMPU);嵌入式 DSP 處理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor, EDSP);片上系統(tǒng)(SystemOnChip，SOC)。一般在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常用的嵌入式微處理器和體系結(jié)構(gòu)主要 有以下幾種：ARMARM(AdvancedRISCMachines)公司是全球著名的16/3

4、2位精簡(jiǎn)指 令集計(jì)算機(jī) RISC(ReducedInstructionSetComputer)處理器設(shè)計(jì)供 應(yīng)商，通過提供高性能與低功耗的RISC處理器芯片設(shè)計(jì)技術(shù)給各個(gè) 生產(chǎn)廠商來生產(chǎn)滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域要求的芯片。事實(shí)上，由于ARM 處理器一方面支持16位的Thumb指令集和32位的ARM指令集，另 一方面使用了大量的寄存器和靈活的尋址方式來提高系統(tǒng)執(zhí)行的效 率，所以ARM處理器技術(shù)已經(jīng)成為數(shù)字通信、工業(yè)控制、多媒體家 電等嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的RISC標(biāo)準(zhǔn)。ARM系列處理器種類很多，目前 市場(chǎng)上應(yīng)用最為廣泛的是ARM9和ARM10系列處理芯片。ARM9處理 器由于擁有了五級(jí)流水線結(jié)構(gòu)和自帶MMU功

5、能，廣泛應(yīng)用于手持終 端和無(wú)線通訊等領(lǐng)域。ARM10處理器由于采用了更高的六級(jí)流水線 結(jié)構(gòu)和支持DSP指令以及支持64位的AMBA總線接口 5，其性能較 ARM9有了很大的提高，廣泛應(yīng)用于手持PDA以及車載電子等高端領(lǐng) 域。MIPSPowerPCPowerPC(PerformanceoptimizationwithEnhancedRISCperforman ceComputing)簡(jiǎn)稱性能優(yōu)化與增強(qiáng)的RISC性能計(jì)算，是由IBM、 Motorola和Apple公司聯(lián)合開發(fā)的一款高性能32/64位RISC處理 器，其主要特點(diǎn)是可伸縮性好，方便靈活和較高的性價(jià)比。常見的 基于PowerPC架構(gòu)的處

6、理器有IBM公司的PowerPC64S(深藍(lán)內(nèi)部的 CPU)、PowerPC750、PowerPCG3 以及 Motorola 公司的 MC 和 MPC 系 列等。目前，基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)的處理器廣泛應(yīng)用于桌面PC系 統(tǒng)、移動(dòng)PC系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)以及金融電信等行業(yè)。Motorola68KMotorola68K采用復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī) CISC(ComplexInstructionSetComputer)架構(gòu)8,是出現(xiàn)比較早的 嵌入式處理器，在全球的各種嵌入式處理器應(yīng)用領(lǐng)域中取得了巨大 成功。曾經(jīng)Sun微計(jì)算機(jī)公司把這款處理器應(yīng)用于早期的產(chǎn)品開發(fā) 中。X86X86系列處理器起源于Inter架

7、構(gòu)的8080，然后發(fā)展出 286、386、486直到現(xiàn)在的奔騰處理器乃至雙核處理器。從嵌入式 市場(chǎng)分布來看，486DX也是與ARM、68K、MIPS、SuperH齊名的五大 嵌入式處理器之一。目前市場(chǎng)上基于X86體系結(jié)構(gòu)的PC104產(chǎn)品占 有很大的市場(chǎng)份額。3嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)(EmbeddedOperatingSystem，EOS)是嵌入式系統(tǒng) 的重要組成部分，它通常運(yùn)行在嵌入式硬件平臺(tái)之上，對(duì)整個(gè)系統(tǒng) 的軟硬件資源進(jìn)行有效管理控制和協(xié)調(diào)調(diào)度的系統(tǒng)軟件。嵌入式操 作系統(tǒng)可以分為兩大類：嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(EmbeddedReal- timeOperatingSystem，ERTOS

8、)和嵌入式分時(shí)操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)操作系 統(tǒng)是指系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)外部事件的請(qǐng)求，在確定的時(shí)間內(nèi)對(duì)事件進(jìn) 行處理，并控制所有任務(wù)協(xié)調(diào)一致運(yùn)行的操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 對(duì)響應(yīng)時(shí)間有著嚴(yán)格的要求，絕對(duì)不能錯(cuò)過該時(shí)限要求，否則就會(huì) 引起嚴(yán)重的錯(cuò)誤。而分時(shí)操作系統(tǒng)則按照相等的時(shí)間片 (timeslicing)輪流調(diào)度進(jìn)程執(zhí)行，在執(zhí)行的時(shí)間上并沒有實(shí)時(shí)操作 系統(tǒng)要求的那么嚴(yán)格，錯(cuò)過任務(wù)執(zhí)行的最后截止期限或執(zhí)行時(shí)序上 的偏差，并不會(huì)造成系統(tǒng)的崩潰，帶來災(zāi)難性的后果。通常按照對(duì)截止期限(Deadline)要求的不同，嵌入式實(shí)時(shí)操作系 統(tǒng)又可以分為硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)(HardReal-timeOS)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng) (SoftRe

9、al-timeOS)。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有著嚴(yán)格的要 求，在任務(wù)的截止期限內(nèi)必須及時(shí)響應(yīng)，絕對(duì)不能錯(cuò)過任務(wù)處理的 截止期限，否則就會(huì)引起系統(tǒng)崩潰或者導(dǎo)致災(zāi)難性后果。軟實(shí)時(shí)系 統(tǒng)是指系統(tǒng)任務(wù)一般能夠在截止期限到達(dá)前得到處理，但是如果系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間錯(cuò)過處理的截止期限，它并不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰或出現(xiàn)致 命的錯(cuò)誤。1998年，Bernat和Burns兩位科學(xué)家又提出弱硬實(shí)時(shí) (WeaklyHardReal-time)的概念9，即實(shí)時(shí)任務(wù)可以錯(cuò)過截止期限， 但任務(wù)錯(cuò)過的截止期限必須可預(yù)知且被限制在一定的時(shí)間范圍內(nèi)。 從定義上看，弱硬實(shí)時(shí)能夠科學(xué)地定義軟實(shí)時(shí)任務(wù)的實(shí)時(shí)特性及實(shí) 時(shí)要求，是對(duì)軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)的

10、細(xì)化和發(fā)展。兩者相似之處都允許系統(tǒng) 中的實(shí)時(shí)任務(wù)錯(cuò)過截止期限，而不同之處在于弱硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)在軟實(shí) 時(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加了一些對(duì)截止期限的限制，規(guī)定了任務(wù)錯(cuò)過的截 止期限數(shù)必須可預(yù)知且被限定在一定的范圍之內(nèi)。弱硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)的 優(yōu)點(diǎn)就在于能夠?qū)泴?shí)時(shí)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)任務(wù)“軟”的程度進(jìn)行定性， 同時(shí)雖然弱硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)任務(wù)在單個(gè)周期中的特性要求是“軟”的， 但從任務(wù)窗口的角度來看，弱硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)任務(wù)的要求又是“硬” 的，即任務(wù)錯(cuò)過的截止期限必須可預(yù)知且被嚴(yán)格限制。目前國(guó)內(nèi)外常見的嵌入式操作系統(tǒng)主要有以下幾種：WindowsCEWindowsCE是美國(guó)Microsoft公司專門為各種移動(dòng)和便攜式消費(fèi) 類電子產(chǎn)品等嵌入

11、式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一款32位高性能微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的 多任務(wù)多用戶的操作系統(tǒng)。它具有一個(gè)簡(jiǎn)潔高效的基于完整優(yōu)先權(quán) 的可搶占式操作系統(tǒng)內(nèi)核10，支持強(qiáng)大的通信和圖形實(shí)現(xiàn)功能， 能夠適應(yīng)廣泛的系統(tǒng)需求。WindowsCE不需要任何特定的硬件結(jié)構(gòu)， 實(shí)際的硬件結(jié)構(gòu)完全由用戶根據(jù)需要自由設(shè)計(jì)。現(xiàn)在Microsoft公 司又推出了針對(duì)移動(dòng)通信產(chǎn)品應(yīng)用的WindowsMobile操作系統(tǒng)，占 據(jù)了很大的市場(chǎng)份額。VxWorksVxWorks是美國(guó)WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種具有 工業(yè)領(lǐng)導(dǎo)地位的高性能實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)21。VxWorks采用一種微內(nèi) 核結(jié)構(gòu)(最小體積8KB)，包括了進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理

12、、設(shè)備管理、 文件系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及系統(tǒng)應(yīng)用等幾個(gè)部分，為用戶提供高效 的實(shí)時(shí)多任務(wù)管理與調(diào)度的能力、微秒級(jí)的中斷處理能力、系統(tǒng)資 源之間靈活的通信機(jī)制，并且具有優(yōu)先級(jí)排隊(duì)和循環(huán)調(diào)度的能力。 VxWorks支持多種體系結(jié)構(gòu)的處理器，如X86、i960、SunSparc、 Motorola、MC68xxx、ARM、PowerPC等，和廣泛的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如 POSIX1003.b實(shí)時(shí)擴(kuò)展。此外，VxWorks還支持多種物理介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和 完整的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持多處理器并行工作，具有快速多任務(wù) 切換、搶占式任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間通信方式多樣化的特點(diǎn)，并且完全 符合ANSIC的標(biāo)準(zhǔn)，是目前應(yīng)用最為廣泛

13、、市場(chǎng)占有率最高的實(shí)時(shí) 系統(tǒng)之一。3）uC/OS-IIuC/OS-II是一款專門為計(jì)算機(jī)嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的基于靜態(tài)優(yōu) 先級(jí)的搶占式調(diào)度的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是一種免費(fèi)且開源的操 作系統(tǒng)uC/OS-II系統(tǒng)采用MicroWindow圖形系統(tǒng)。由于uC/OS- II不支持文件系統(tǒng)，不支持驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的模塊加載，因此 在進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用程序都是集中編譯的。 經(jīng)過十多年的應(yīng)用和修改，已經(jīng)被移植到多種處理器平臺(tái)上。 uC/OS-II由于內(nèi)核小巧，占用空間小，執(zhí)行效率高，實(shí)時(shí)性能優(yōu) 良和具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。4）QNXQNX是加拿大QNXSoftwareSystem公司于1980年開發(fā)的一款可 擴(kuò)展的分布式微內(nèi)核嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它部分遵循POSIX標(biāo)準(zhǔn)， 如