淺析嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展

摘 要：本文通過闡述嵌入式操作系統(tǒng)的含義，探索其歷史的發(fā)展，掌握其發(fā)展規(guī)律，并據(jù)此闡述該系統(tǒng)的發(fā)展以及應(yīng)用的趨勢。

關(guān)鍵詞：嵌入式操作系統(tǒng)；應(yīng)用；發(fā)展

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以芯片技術(shù)以及軟件技術(shù)為核心的數(shù)字化技術(shù)也迅猛發(fā)展起來，其涉及范圍之廣。領(lǐng)域之寬，都是前所未有的。從國內(nèi)，到國外，都掀起了一場數(shù)字化技術(shù)的變革。

1 嵌入式操作系統(tǒng)的含義及其歷史的發(fā)展

1.1 嵌入式操作系統(tǒng)的含義

所謂嵌入式操作系統(tǒng)，就是指包括與硬件相關(guān)的系統(tǒng)內(nèi)核、通信協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器、底層驅(qū)動(dòng)軟件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、圖像界面等browser的一種系統(tǒng)。其作為一種支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件，是嵌入系統(tǒng)的重要組成部分。嵌入式系統(tǒng)包括了由相關(guān)支撐硬件、嵌入式處理器、嵌入式處理器、嵌入式操作系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等。嵌入式操作系統(tǒng)具備通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)：如能夠把硬件虛擬化、把研發(fā)人員從繁忙的驅(qū)動(dòng)程序移植和維護(hù)中解脫出來、能夠提供庫函數(shù)、驅(qū)動(dòng)程式、工具集連同應(yīng)用程式以及能夠有效管理越來越復(fù)雜的系統(tǒng)資源。與普通操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)具有硬件的相關(guān)依賴性、軟件固體化聯(lián)同應(yīng)用的專業(yè)性性能突出、實(shí)時(shí)性高效等特點(diǎn)。嵌入式操作系統(tǒng)作為一種集軟硬件于一體的可獨(dú)立性工作的“器件”，是以應(yīng)用為中心，對于應(yīng)用系統(tǒng)的絕對功能包括可靠性、體積、成本、功耗等系統(tǒng)中綜合性能有嚴(yán)格要求的一款專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

1.2 嵌入式操作系統(tǒng)歷史的發(fā)展

世界上第一個(gè)嵌入式系統(tǒng)是在1981年由Ready System發(fā)展的商業(yè)性嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核（VRTX32），距今已有30年的歷史了。縱觀歷史，嵌入式系統(tǒng)歷史的發(fā)展有三個(gè)明顯的階段：

階段一，是嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)階段。這一階段的主要特征是：操作系統(tǒng)處理效率低下、存儲(chǔ)容量小、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及功能都相對單一、幾乎沒有用戶接口，受眾群體為各類專業(yè)領(lǐng)域。作為嵌入式系統(tǒng)的早期階段，這種系統(tǒng)以其專用計(jì)算機(jī)簡單的功能或者以可編程控制器的單片機(jī)為核心的形式存在，具備設(shè)備指示、監(jiān)測、伺服等功能，大部分的系統(tǒng)運(yùn)用于各類工業(yè)控制與飛機(jī)、導(dǎo)彈等武器裝備中。由于早期嵌入式系統(tǒng)并沒有操作系統(tǒng)的支持，對系統(tǒng)的控制是通過匯編語言編程直接進(jìn)行的，運(yùn)行結(jié)束后對內(nèi)存進(jìn)行清理。

階段二，是簡單監(jiān)控式的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段。該階段以嵌入式CPU和嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志。隨著計(jì)算機(jī)硬件高可靠、低功耗嵌入CPU，如Power PC等的出現(xiàn)，推動(dòng)了各類商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)相繼出現(xiàn)并以迅雷不及掩耳之勢發(fā)展起來。該階段鮮明的特點(diǎn)是系統(tǒng)開銷小、效率高處理器種類繁多、較差的通用性、由于配備系統(tǒng)仿真器，因此操作系統(tǒng)具有一定的兼容性與擴(kuò)展性。另外，由于軟件較專業(yè)，用戶界面不大友好。該階段嵌入式操作系統(tǒng)主要是用來控制系統(tǒng)的負(fù)載以及監(jiān)控運(yùn)用程序的運(yùn)行。

階段三，在這個(gè)階段，Vx Works、pSoS、OS-9、windowsCE就是典型代表，該階段作為通用型嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段，具有高度模塊化、拓展性；大量的應(yīng)用程序接口（API）以及文件和目錄管理，多任務(wù)；網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口、設(shè)備支持、用戶界面等功能，開發(fā)程序簡單、嵌入式應(yīng)用軟件豐富等特點(diǎn)。這一階段該系統(tǒng)的典型特點(diǎn)就是能夠在各種不同類型強(qiáng)大的微處理器上運(yùn)行。

2 嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用趨勢

使該嵌入式操作系統(tǒng)支持虛擬存儲(chǔ)器是該系統(tǒng)應(yīng)用趨勢之一。標(biāo)準(zhǔn)Linus的核心支持虛擬存儲(chǔ)器，它控制著處理器內(nèi)存的管理單元（MMU），將虛擬內(nèi)存地址映射為物理內(nèi)存地址。使用支持虛擬存儲(chǔ)器的優(yōu)勢有很多，這包括：可以運(yùn)行比物理內(nèi)存還大的程序，并且真正的啟動(dòng)時(shí)間會(huì)縮短。在加載程序方面，可以運(yùn)行部分加載程序，大大縮短了程序員分配與管理內(nèi)存的負(fù)擔(dān)，可以真正實(shí)現(xiàn)代碼共享，并提供相應(yīng)的內(nèi)存保護(hù)等。但從目前系統(tǒng)發(fā)展來看，許多嵌入式CPU中取消了MMU部件，這很容易引發(fā)一系列問題，比如：HCLinux在裝入程序時(shí)，程序的實(shí)際加載地址需要加載器重新完成一個(gè)地址重定位的過程，并且要求該系統(tǒng)要一次性分配出足夠的、連續(xù)的物理內(nèi)存。另一方面，由于不能計(jì)算機(jī)中電腦磁盤并不能實(shí)現(xiàn)空間的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)更容易面臨物理內(nèi)存耗盡的困境。此外，Window系列嵌入式的操作系統(tǒng)有程序員所熟悉的API以及友好的用戶界面，并且有捆綁相應(yīng)的IE、Office等應(yīng)用程序，為其公司W(wǎng)in、CE或者標(biāo)準(zhǔn)的Linux操作系統(tǒng)的開發(fā)爭取到更多的競爭優(yōu)勢與市場份額。

從目前上看，HC/OS-II和HCLinux等嵌入式操作系統(tǒng)是不需要內(nèi)存管理單位（MMU）進(jìn)行支持的，可以自由運(yùn)行在ARM7TDMT硬件平臺(tái)上。由于該ARM7TDMT系列的處理器并不帶MMU功能，因此并不支持Win、CE或者標(biāo)準(zhǔn)的Linux操作系統(tǒng)的使用，倘若用戶需要使用此操作系統(tǒng)并減少軟件開發(fā)的時(shí)間，就需要選擇ARM720T以上攜帶MMU功能的ARM芯片。

3 嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

目前，隨著技術(shù)的發(fā)展，各種嵌入式Linux操作系統(tǒng)正迅速發(fā)展并搶占市場份額，與原先Window CE等嵌入式操作系統(tǒng)形成了一個(gè)相互競爭的局面。各種嵌入式Linux操作系統(tǒng)的迅速發(fā)展，在于它抓住了市場需求。信息時(shí)代的到來，讓人們對系統(tǒng)源碼這一層面上提出要求，人們希望軟件自由并且嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)要有足夠的特制性，嵌入式Linux操作系統(tǒng)就滿足人們這一需求，其不僅僅有開放源代碼，并且具有系統(tǒng)內(nèi)存小、效率高、內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整、裁剪后適用于信息家電等嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)等特點(diǎn)。當(dāng)前，嵌入式Linux操作系統(tǒng)的可靠化以及產(chǎn)品化是制約其更好更快發(fā)展的一個(gè)因素。

Window CE是一個(gè)具有典型性的嵌入式操作系統(tǒng)。由于其嵌入式操作系統(tǒng)是由桌面操作系統(tǒng)演變而來的，雖然提供了大量桌面操作系統(tǒng)的功能，但相較于真正意義上的嵌入式操作系統(tǒng)仍存在差距。一個(gè)突出的地方就是Window CE在進(jìn)行內(nèi)核設(shè)計(jì)時(shí)并沒有考慮到系統(tǒng)的高度以及可裁剪性。

以VxWorks為代表的傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)作為專門為嵌入式微處理器設(shè)計(jì)的高性能、高模塊化的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是當(dāng)前市場率占有最高，使用最為廣泛，較具優(yōu)勢的幾大系統(tǒng)。其突出的安全性、容錯(cuò)性以及系統(tǒng)的靈活性，讓其活躍在每一個(gè)領(lǐng)域，包括：電子消費(fèi)市場、無線通信產(chǎn)品、工業(yè)自動(dòng)化。數(shù)字電信、醫(yī)療儀器以及多媒體設(shè)備等。雖然其提供專用的API接口i，但是其網(wǎng)絡(luò)連接功能較差，應(yīng)用程度并不理想。系統(tǒng)應(yīng)對程序開發(fā)支持相對較弱。目前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜，對于系統(tǒng)專業(yè)化程度的要求也越來越高，對于許多處理器嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用需要而言，仍無法滿足。

為此，下一代嵌入式操作系統(tǒng)需要進(jìn)行系統(tǒng)體系架構(gòu)、調(diào)度算法等方面的調(diào)整。融入面向分布式容錯(cuò)等技術(shù)，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的時(shí)代要求，發(fā)展嵌入式系統(tǒng)可定制。可裁剪等特點(diǎn)，發(fā)展分布式技術(shù)以及定制技術(shù)。

3.1 構(gòu)筑專用的、應(yīng)用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

首先，應(yīng)構(gòu)筑ASOS體系結(jié)構(gòu)。ASOS作為一個(gè)可裁剪、可伸縮、可提供多層次的、實(shí)現(xiàn)功能對象化的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，實(shí)行多層次的構(gòu)筑有利于操作系統(tǒng)功能的規(guī)整與伸縮性，有利于實(shí)現(xiàn)對象系統(tǒng)功能的裁剪與增添。構(gòu)筑ASOS的主要方法有兩個(gè)：面向應(yīng)用的裁剪生成辦法以及基于模式的生成辦法。基于這兩種模式的生成辦法，可以進(jìn)一步地開發(fā)、設(shè)計(jì)ASOS的系統(tǒng)。

3.2 構(gòu)筑分布式計(jì)算設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

構(gòu)筑Spring kemel的分布式環(huán)境，建立一個(gè)用反射內(nèi)存互聯(lián)的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。其具有任務(wù)管理新范型、調(diào)度策略與分發(fā)機(jī)制分離等特點(diǎn)，可以真正實(shí)現(xiàn)調(diào)度策略的優(yōu)化工作完全由人來完成，并通過指定一些可供機(jī)器識(shí)別的緊要性參數(shù)。

4 結(jié)語

全球嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展空間正隨著通信、互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)等市場的發(fā)展而不斷發(fā)展。及時(shí)把握下一代嵌入式微處理器處理結(jié)構(gòu)的靈活性，努力跟蹤技術(shù)新動(dòng)態(tài)，為我國嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展提供一片更為肥沃的土壤。

[參考文獻(xiàn)]

[1]周立功.ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)驗(yàn)[M].廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司，2012.

[2]Jean J.Labrosse.邵白白，等，譯.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)HC/OS-II（第二版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

[3]杜陳磊，編著.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M].清華大學(xué)出版社，2013.