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分类: 嵌入式

2010-12-24 22:11:20

 1 嵌入式系统与嵌入式操作系统

  1.1 嵌入式系统

  嵌入式系统是以嵌入式计算机为技术核心,面向用户、面向产品、面向应用,软硬件可裁减的,适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。

  嵌入式系统应具有的特点是:高可靠性;在恶劣的环境或突然断电的情况下,系统仍然能够正常工作;许多嵌入式应用要求实时性,这就要求嵌入式操作系统具有实时处理能力 ;嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起,它的升级换代也是具体产品同步进行;嵌入式系统中的软件代码要求高质量、高可靠性,一般都固化在只读器中或闪存中,也就是说软件要求固态化存储,而不是存储在磁盘等载体中。

  1.2 嵌入式操作系统

  嵌入式操作系统EOSEmbedded Operating System)是一种用途广泛的系统软件,过去它主要应用于工业控制和国防系统领域。EOS负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、调度作,控制、协调并发活动;它必须体现其所在系统的特征,能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。目前,已推出一些应用比较成功的EOS产品系列。随着Internet技术的发展、信息家电的普及应用及EOS的微型化和专业化,EOS开始从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。EOS是相对于一般操作系统而方的,它除具备了一般操作系统最基本的功能,如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等外,还有以下特点:

  可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。

  强实时性。EOS实时性一般较强,可用于各种设备控制当中。

  统一的接口。提供各种设备驱动接口。

  操作方便、简单、提供友好的图形GUI,图形界面,追求易学易用。

  提供强大的网络功能,支持TCP/IP协议及其它协议,提供TCP/UDP/IP/PPP协议支持及统一的MAC访问层接口,为各种移动计算设备预留接口。

强稳定性,弱交互性。系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预,这就要负责系统管理的EOS具有较强的稳定性。嵌入式的用户接口一般不提供操作命令,它通过系统的调用命令向用户程序提供服务。

  固化代码。在嵌入式系统中,嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系统计算机的ROM中。辅助器在嵌入式系统中很少使用,因此,嵌入式操作系统的文件管理功能应该能够很容易地拆卸,而用各种内存文件系统。

  更好的硬件适应性,也就是良好的移植性。

  国际上用于信息电器的嵌入式操作系统有40种左右。现在,市场上非常流行的EOS产品,包括3Com公司下属子公司的Palm OS,全球占有份额达50%公司的 CE不过29%。在美国市场,Palm OS更以80%的占有率远超Windows CE。开放源代码的很适于做信息家电的开发。比如:中科红旗软件技术有限公司开发的红旗嵌入式Linux和美商网虎公司开发的基于Xlinux的嵌入式操作系统夸克夸克是目前全世界最小的Linux,它有两具很突出的特点,就是体积小和使用GCS编码。

  2 三种常用的嵌入式操作系统

  2.1 Palm OS

  Palm3Com公司的产品,其操作系统为Palm OSPalm OS是一种32位的嵌入式操作系统。Palm提供了串行通信接口和红外线传输接口,利用它可以方便地与其它外部设备通信、传输数据;拥有开放的OS应用程序接口,开发商可根据需要自行开发所需的应用程序。Palm OS是一套具有术强开放性的系统,现在有大约数千种专用为Palm OS编写的应用程序,从程序内容上看,小到个人管理、游戏,大到行业解决方案,Palm OS无所不包。在丰富的软件支持下,基于Palm OS的掌上电脑功能得以不断扩展。

  Palm OS是一套专门为掌上电脑开发的OS。在编写程序时,Palm OS充分考虑了掌上电脑内存相对较小的情况,因此它只占有非常小的内存。由于基于Palm OS编写的应用程序占用的空间也非常小(通常只有几十KB),所以,基于Palm OS的掌上电脑(虽然只有几MBRAM)可以运行众多应用程序。

由于Palm产品的最大特点是使用简便、机体轻巧,因此决定了Palm OS应具有以下特点。

  的节能功能。由上掌上电脑要求使用电源尽可能小,因此在Palm OS的应用程序中,如果没有事件运行,则系统设备进入半休眠(doze)的状态;如果应用程序停止活动一段时间,则系统自动进入休眠(sleep)状态。

  合理的内存管理。Palm器全部是可读写的快速RAM,动态RAMDynamic RAM)类似于PC机上的RAM,它为全局变量和其它不需永久保存的数据提供临时的存储空间;存储RAMStorage RAM)类似于PC机上的硬盘,可以永久保存应用程序和数据。

  Palm OS的数据是以数据库(database)的格式来存储的。数据库是由一组记录(records)和一些数据库头信息组成的。为保证程序处理速度和存储器空间,在处理数据的时候,Palm OS不是把数据从存储堆(Storage Heap)拷贝到动态堆(Dynamic Heap)后再进行处理,而是在存储堆中直接处理。为避免错误地调用存储器地址,Palm OS规定,这一切都必须调用其内存管理器里的API来实现。

  Palm OS与同步软件(HotSync)结合可以使掌上电脑与PC机上的信息实现同步,把台式同的功能扩展到了掌上电脑。Palm应用范围相当广泛,如:联络及工作表管理、电子邮件及通信、销售人员及组别自动化等等。Palm外围硬件也十分丰富,有数码相机、GPS接收器、调制解调器、GSM电话、数码音频播放设备、便携键盘、语音记录器、条码扫描、无线寻呼接收器、探测仪。其中PalmGPS结合的应用,不但可以作导航定位,还可以结合GPS作气候的监测、地名调查等。

  2.2 CE

  Windows CE开发的一个开放的、可升级的32操作系统,是基于掌上型电脑类的电子设备操作。它是精简的Windows 95Windows CE的图形用户界面相当出色。其中CE中的C代表袖珍(Compact)、消费(Consumer)、通信能力(Connectivity)和伴侣(Companion);E代表电子产品(Electronics)。与Windows 95/98Windows NT不同的是,Windows CE是所有源代码全部由微软自行开发的嵌入式新型操作系统,其操作界面虽来源于Windows 95/98,但Windows CE是基于Win32 API重新开发的、新型的信息设备Windows CE具有模块化、结构化和基于Win32应用程序接口以及与处理器无关等特点。Windows CE不仅继承了传统的Windows图形界面,并且在Windows CE平台上可以使用Windows 95/98上的编程工具(如Visual 等)、使用同样的函数、使用同样的界面网格,使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就可以在Windows CE平台上继续使用。

  CE的设计目标是:模块化及可伸缩性、实时性能好,通信能力强大,支持多种CPU。它的设计可以满足多种设备的需要,这些设备包括了工业控制器、通信集线器以及销售终端之类的企业设备,还有像照相机、电话和家用娱乐器材之类的消费产品。一个典型的基于Windows CE的嵌入系统通常为某个特定用途而设计,并在不联机的情况下工作。它要求所使用的体积较小,内建有对中断的响应功能。

  Windows CE的特点有:

  具有灵活的电源管理功能,包括瞬眠/唤醒模式。

  使用了对象object store)技术,包括文件系统、注册表及数据库。它还具有很多高性能、高效率的操作系统特 性,包括按需换页、共享存储、交叉处理同步、支持大容量堆(heap)等。

  拥有良好的通信能力。广泛支持各种通信硬件,亦支持直接的局域连接以及拨号连接,并提供与PC、内部网以及Internet的连接,还提供与Windows 9x/NT的最佳集成和通信。

  支持嵌套中断。允许更高优先级别的中断首先得到响应,而不是等待低级别的ISR完成。这使得该操作系统具有操作系统所要求的实时性。

  更好的线程响应能力。对高级别IST(中断服务线程)的响应时间上限的要求更加严格,在线程响应能力方面的改进,帮助开发人员掌握线程转换的具体时间,并通过增强的监控能力和对硬件的控制能力帮助他们创建新的嵌入式应用程序。

  256个优先级别。可以使开发人员在控制嵌入式系统的时序安排方面有更大的灵活性。

  Windows CEAPIWin32 API的一个子集,支持近1500Win32 API。有了这些API,足可以编写任何复杂的应用程序。当然,在Windows CE系统中,所提供的API也可以随具体应用的需求而定。

  在掌上型电脑中,Windows CE包含如下一些重要组件:Pocket Outlook及其组件、语音录音机、移动频道、远程拨号访问、世界时钟、计算器、多种输入法、GBK字符集、中文TTF字库、英汉双向词典、袖珍浏览器、电子邮件、Pocket 、系统设置、Windows CE Services软件。

2.3

  Linux是一个类似于。它起源于芬兰一个名为Linus Torvalds的业余爱好,但是现在已经是最为流行的一款开放源代码的操作系统。Linux1991年问世到现在,短短10年的时间内已发展成为一个功能强大、设计完善的操作系统,伴随进步而发展起来的Linux OS已成为公司的DOS 95/98的强劲对手。Linux系统不仅能够运行于PC,还在系统方面大放光芒,在各种嵌入式Linux OS迅速发展的状况下,Linux OS逐渐形成了可与Windows CEEOS进行抗衡的局面。目前正在开发的嵌入式系统中,49%的项目选择Linux作为嵌入式操作系统。Linux现已成为嵌入式操作的理想选择。

 现以红旗嵌入式Linux为例来讲解嵌入式Linux OS的特点:

  精简的内核,性能高、稳定,多任务。

  适用于不同的CPU,支持多种体系结构,如X86ARMMIPSALPHASPARC等。

  能够提供完善的嵌入式GUI以及嵌入式X-Windows

  提供嵌入式浏览器、邮件程序、MP3播放器、MPEG播放器、记事本等应用程序。

  提供完整的开发工具和SDK,同时提供PC上的开发版本。

  用户可定制,可提供图形化的定制和配置工具。

  常用嵌入式芯片的驱动集,支持大量的周边硬件设备,驱动丰富。

  针对嵌入式的方案,提供实时版本和完善的嵌入式解决方案。

  完善的中文支持,强大的技术支持,完整的文档。

  开放源码,丰富的软件资源,广泛的软件开发者的支持,价格低廉,结构灵活,适用面广。

3 三种的比较

  3.1 OS Ce的比较

  嵌入式Linux OSWindows CE相比的优点:第一,Linux是开放源代码的,不在存黑箱技术,遍布全球的众多Linux爱好者都是Linux开发者的强大技术支持者;而Windows CE是非开放性OS,使第三方很难实现产品定制。第二,Linux的源代码随处可得,注释丰富,文档齐全,易于解决各种问题。第三,Linux的内核小、效率高;而Windows CE在这方面是笨拙的,占用过多的RAM,应用程序庞大。第四,Linux是开放源代码的OS,在价格上极具竞争力,适合中国国情。Windows CE的版权费用是厂家不得不考虑的因素。第五,Linux不仅支持x86芯片,还是一个跨的系统。到目前为止,它可以支持2030CPU,很多CPU(包括家电业的芯片)厂商都开始做Linux的平台移植工作,而且移植的速度远远超过的开发环境。如果今天采用Linux环境开发产品,那么将来更换CPU时就不会遇到更换平台的困扰。第六,Linux内核的结构在网络方面是非常完整的,它提供了对包括十兆位、百兆位及千兆位的以太网络,还有网络、Token ring(令牌环)和光纤甚至卫星的支持。第七,Linux在内核结构的设计中考虑适应系统的可裁减性的要求,Windows CE在内核结构的设计中并未考虑适应系统的高度可裁减性的要求。

  嵌入式Linux OSWindows CE相比的弱点:第一,是开发难度较高,需要很高的技术实力;第二,是核心调试工具不全,调试不太方便,尚没有很好的用户图形界面;第三,与某些商业OS一样,嵌入式Linux占用较大的内存,当然,人们可以去掉部分无用的功能来减小使用的内存,但是如果不仔细,将引起新的问题;第四,有些Linux的应用程序需要虚拟内存,而嵌入式系统中并没有或不需要虚拟内存,所以并非所有的Linux应用程序都可以在嵌入式系统中运行。

  3.2 Palm OSWindows CE的比较

  3Com公司的Palm OS是掌上电脑市场中较为优秀的嵌入式操作系统,是针对这一市场专门设计的系统。它有开放的操作程序接口(API),支持开发商根据需要自行开发所需的应用程序,具有十分丰富的应用程序。在掌上电脑市场上独占其霸主地位已久。

从技术层面上讲,Palm OS是一套专门为掌上电脑开发的,具有许多 CE无法比拟的优势;Windows CE过于臃肿,不适合应用在廉价的掌上电脑中。

  Palm OS是一套具有极强开放性的系统。开发者向用户免费提供Palm OS的开发工具,允许用户利用该工具在Palm OS基础上方便地编写、修改相关软件。与之相比,Windows CE的开发工具就显得复杂多了,这使得一般用户很难掌握。这也Palm OSWindows CE的另一个主要区别。

  我们从常用EOS的大小、可开发定制、互操作性、通用性、实时性及应用领域几个方面,通过表1来归纳如下:

 

Palm OS

Windows CE 3.0

嵌入Linu

大小

核心几十KB,整个嵌入环境也不大

核心占500KBROM250KBRAM。整个Windows CE操作系统,包括硬件抽象层(HALHardware Abstraction Layer)、Windosw CE KernelUserGDI、文件系统和数据库,大约共1.5MB

核心从几十KB500KB。整个环境最小才100KB左右,并且以后还将越来越小

可开发定制

可以方便地开发定制

用户开发定制不方便,受公司限制较多

用户可以方便地开发定制,可以自由卸装用户模块,不受任何限制

互操作性

互操作性强

互操作性比较强,Windows C可通过OEM的许可协议使用于其它设备

互操作性很强

实用性

比较好

比较好

很好

通用性

适用于多种CPU和多种硬件

适用于多种CPU和多种硬件平台

适用于多种CPU和多种硬件平台

适用的应用领域

应用领域较广,特别适用于掌上电脑的开发

应用领域较广。WindowsC是为新一代非传统的PC设备而设计的,这些设备包括掌上电脑、手持电脑以及用于车载电脑等

由于Linu内核结构及功能等原因,嵌入式Linu 应用领域非常广泛,特别适于进行信息家电的开发

  结语

Palm OSWindows CE这三种嵌入式操作系统各有不同的特点,不同的用途;但LinuxPalm OSWindows CE更小、更稳定,而且Linux是开放的OS,在价格上极具竞争力。如今整个市场尚未成型,嵌入式操作系统也未形成统一的国际,而且Linux的一系列特征又为我们开发国产的嵌入式操作系统提供了方便,因此,我们有机会在这个未成熟的市场上占有一席之地。

附录:其它的嵌入式操作系统介绍

其实,系统并不是一个新生的事物,从八十年代起,国际上就有一些IT组织、公司,开始进行商用系统和专用操作系统的研发。这其中涌现了一些著名的嵌入式系统:

   CE

  Microsoft CE是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对于从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。操作系统的基本内核需要至少200KROM

  VxWorks

  VxWorks是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统。它支持多种处理器,如x86i960Sun SparcMotorola MC68xxxMIPS RX000POWER PC等等。大多数的VxWorks API是专有的。采用GNU的编译和调试器。

  pSOS

  ISI公司已经被WinRiver公司兼并,现在pSOS属于WindRiver公司的产品。这个系统是一个模块化、高性能的实时操作系统,专为嵌入式微处理器设计,提供一个完全多任务环境,在定制的或是商业化的硬件上提供高性能和高可靠性。可以让开发者根据操作系统的功能和内存需求定制成每一个应用所需的系统。开发者可以利用它来实现从简单的单个独立设备到复杂的、网络化的多处理器系统。

  QNX

  QNX是一个实时的、可扩充的操作系统,它部分遵循POSIX相关标准,如:POSIX.1b实时扩展。它提供了一个很小的微内核以及一些可选的配合进程。其内核仅提供4种服务:进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理,其进程在独立的地址空间运行。所有其它OS服务,都实现为协作的用户进程,因此QNX内核非常小巧(QNX4.x大约为12Kb)而且运行速度极快。这个灵活的结构可以使用户根据实际的需求,将系统配置成微小的嵌入式操作系统或是包括几百个处理器的超级虚拟机操作系统。

  Palm OS

  3Com公司的Palm OSPDA市场上占有很大的市场份额,它有开放的操作系统应用程序接口(API),开发商可以根据需要自行开发所需要的应用程序。

  OS-9

  MicrowaveOS-9是为微处理器的关键实时任务而设计的操作系统,广泛应用于高科技产品中,包括消费电子产品、工业自动化、无线通讯产品、医疗仪器、数字电视/多媒体设备。它提供了很好的安全性和容错性。与其他的嵌入式系统相比,它的灵活性和可升级性非常突出。

LynxOS

  Lynx Real-time SystemsLynxOS是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统,它遵循POSIX.1aPOSIX.1bPOSIX.1c标准。LynxOS支持线程概念,提供256个全局用户线程优先级;提供一些传统的、非实时系统的服务特征;包括基于调用需求的虚拟内存,一个基于Motif的用户图形界面,与工业标准兼容的网络系统以及应用开发工具。

 

 

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