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1、嵌入式系統(tǒng)與嵌入式操作系統(tǒng)
1.1嵌入式系統(tǒng)
嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式計(jì)算機(jī)為技術(shù)核心,面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用,軟硬件可裁減的,適用于對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性能有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
嵌入式系統(tǒng)應(yīng)具有的特點(diǎn)是:高可靠性；在惡劣的環(huán)境或突然斷電的情況下,系統(tǒng)仍然能夠正常工作；許多嵌入式應(yīng)用要求實(shí)時(shí)性,這就要求嵌入式操作系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)處理能力；嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起,它的升級(jí)換代也是具體產(chǎn)品同步進(jìn)行；嵌入式系統(tǒng)中的軟件代碼要求高質(zhì)量、高可靠性,一般都固化在只讀存儲(chǔ)器中或閃存中,也就是說(shuō)軟件要求固態(tài)化存儲(chǔ),而不是存儲(chǔ)在磁盤等載體中。
1.2嵌入式操作系統(tǒng)
嵌入式操作系統(tǒng)EOS(EmbeddedOperatingSystem)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件,過(guò)去它主要應(yīng)用于工業(yè)控制和國(guó)防系統(tǒng)領(lǐng)域。EOS負(fù)責(zé)嵌入系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度作,控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動(dòng)；它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征,能夠通過(guò)裝卸某些模塊來(lái)達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能。目前,已推出一些應(yīng)用比較成功的EOS產(chǎn)品系列。隨著Internet技術(shù)的發(fā)展、信息家電的普及應(yīng)用及EOS的微型化和專業(yè)化,EOS開(kāi)始從單一的弱功能向高專業(yè)化的強(qiáng)功能方向發(fā)展。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、軟件固化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。EOS是相對(duì)于一般操作系統(tǒng)而方的,它除具備了一般操作系統(tǒng)最基本的功能,如任務(wù)調(diào)度、同步機(jī)制、中斷處理、文件處理等外,還有以下特點(diǎn):
①可裝卸性。開(kāi)放性、可伸縮性的體系結(jié)構(gòu)。
②強(qiáng)實(shí)時(shí)性。EOS實(shí)時(shí)性一般較強(qiáng),可用于各種設(shè)備控制當(dāng)中。
③統(tǒng)一的接口。提供各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口。
④操作方便、簡(jiǎn)單、提供友好的圖形GUI,圖形界面,追求易學(xué)易用。
⑤提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能,支持TCP/IP協(xié)議及其它協(xié)議,提供TCP/UDP/IP/PPP協(xié)議支持及統(tǒng)一的MAC訪問(wèn)層接口,為各種移動(dòng)計(jì)算設(shè)備預(yù)留接口。
⑥強(qiáng)穩(wěn)定性,弱交互性。嵌入式系統(tǒng)一旦開(kāi)始運(yùn)行就不需要用戶過(guò)多的干預(yù),這就要負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理的EOS具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。嵌入式操作系統(tǒng)的用戶接口一般不提供操作命令,它通過(guò)系統(tǒng)的調(diào)用命令向用戶程序提供服務(wù)。
⑦固化代碼。在嵌入式系統(tǒng)中,嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件被固化在嵌入式系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的ROM中。輔助存儲(chǔ)器在嵌入式系統(tǒng)中很少使用,因此,嵌入式操作系統(tǒng)的文件管理功能應(yīng)該能夠很容易地拆卸,而用各種內(nèi)存文件系統(tǒng)。
⑧更好的硬件適應(yīng)性,也就是良好的移植性。
國(guó)際上用于信息電器的嵌入式操作系統(tǒng)有40種左右。現(xiàn)在,市場(chǎng)上非常流行的EOS產(chǎn)品,包括3Com公司下屬子公司的palmOS,全球占有份額達(dá)50%,Microsoft公司的WindowsCE不過(guò)29%。在美國(guó)市場(chǎng),PalmOS更以80%的占有率遠(yuǎn)超WindowsCE。開(kāi)放源代碼的Linux很適于做信息家電的開(kāi)發(fā)。比如:中科紅旗軟件技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的紅旗嵌入式Linux和美商網(wǎng)虎公司開(kāi)發(fā)的基于Xlinux的嵌入式操作系統(tǒng)“夸克”。“夸克”是目前全世界最小的Linux,它有兩具很突出的特點(diǎn),就是體積小和使用GCS編碼。
2、三種常用的嵌入式操作系統(tǒng)
Palm是3Com公司的產(chǎn)品,其操作系統(tǒng)為PalmOS。PalmOS是一種32位的嵌入式操作系統(tǒng)。Palm提供了串行通信接口和紅外線傳輸接口,利用它可以方便地與其它外部設(shè)備通信、傳輸數(shù)據(jù)；擁有開(kāi)放的OS應(yīng)用程序接口,開(kāi)發(fā)商可根據(jù)需要自行開(kāi)發(fā)所需的應(yīng)用程序。PalmOS是一套具有術(shù)強(qiáng)開(kāi)放性的系統(tǒng),現(xiàn)在有大約數(shù)千種專用為PalmOS編寫的應(yīng)用程序,從程序內(nèi)容上看,小到個(gè)人管理、游戲,大到行業(yè)解決方案,PalmOS無(wú)所不包。在豐富的軟件支持下,基于PalmOS的掌上電腦功能得以不斷擴(kuò)展。
PalmOS是一套專門為掌上電腦開(kāi)發(fā)的OS。在編寫程序時(shí),PalmOS充分考慮了掌上電腦內(nèi)存相對(duì)較小的情況,因此它只占有非常小的內(nèi)存。由于基于PalmOS編寫的應(yīng)用程序占用的空間也非常小(通常只有幾十KB),所以,基于PalmOS的掌上電腦(雖然只有幾MB的RAM)可以運(yùn)行眾多應(yīng)用程序。
由于Palm產(chǎn)品的最大特點(diǎn)是使用簡(jiǎn)便、機(jī)體輕巧,因此決定了PalmOS應(yīng)具有以下特點(diǎn)。
①操作系統(tǒng)的節(jié)能功能。由上掌上電腦要求使用電源盡可能小,因此在PalmOS的應(yīng)用程序中,如果沒(méi)有事件運(yùn)行,則系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)入半休眠(doze)的狀態(tài)；如果應(yīng)用程序停止活動(dòng)一段時(shí)間,則系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入休眠(sleep)狀態(tài)。
②合理的內(nèi)存管理。Palm的存儲(chǔ)器全部是可讀寫的快速RAM,動(dòng)態(tài)RAM(DynamicRAM)類似于PC機(jī)上的RAM,它為全局變量和其它不需永久保存的數(shù)據(jù)提供臨時(shí)的存儲(chǔ)空間；存儲(chǔ)RAM(StorageRAM)類似于PC機(jī)上的硬盤,可以永久保存應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)。
③PalmOS的數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)庫(kù)(database)的格式來(lái)存儲(chǔ)的。數(shù)據(jù)庫(kù)是由一組記錄(records)和一些數(shù)據(jù)庫(kù)頭信息組成的。為保證程序處理速度和存儲(chǔ)器空間,在處理數(shù)據(jù)的時(shí)候,PalmOS不是把數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)堆(StorageHeap)拷貝到動(dòng)態(tài)堆(DynamicHeap)后再進(jìn)行處理,而是在存儲(chǔ)堆中直接處理。為避免錯(cuò)誤地調(diào)用存儲(chǔ)器地址,PalmOS規(guī)定,這一切都必須調(diào)用其內(nèi)存管理器里的API來(lái)實(shí)現(xiàn)。
PalmOS與同步軟件(HotSync)結(jié)合可以使掌上電腦與PC機(jī)上的信息實(shí)現(xiàn)同步,把臺(tái)式同的功能擴(kuò)展到了掌上電腦。Palm應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛,如:聯(lián)絡(luò)及工作表管理、電子郵件及互聯(lián)網(wǎng)通信、銷售人員及組別自動(dòng)化等等。Palm外圍硬件也十分豐富,有數(shù)碼相機(jī)、GPS接收器、調(diào)制解調(diào)器、GSM無(wú)線電話、數(shù)碼音頻播放設(shè)備、便攜鍵盤、語(yǔ)音記錄器、條碼掃描、無(wú)線尋呼接收器、探測(cè)儀。其中Palm與GPS結(jié)合的應(yīng)用,不但可以作導(dǎo)航定位,還可以結(jié)合GPS作氣候的監(jiān)測(cè)、地名調(diào)查等。
WindowsCE是微軟開(kāi)發(fā)的一個(gè)開(kāi)放的、可升級(jí)的32位嵌入式操作系統(tǒng),是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作。它是精簡(jiǎn)的Windows95。WindowsCE的圖形用戶界面相當(dāng)出色。其中CE中的C代表袖珍(Compact)、消費(fèi)(Consumer)、通信能力(Connectivity)和伴侶(Companion)；E代表電子產(chǎn)品(Electronics)。與Windows95/98、WindowsNT不同的是,WindowsCE是所有源代碼全部由微軟自行開(kāi)發(fā)的嵌入式新型操作系統(tǒng),其操作界面雖來(lái)源于Windows95/98,但WindowsCE是基于Win32API重新開(kāi)發(fā)的、新型的信息設(shè)備平臺(tái)。WindowsCE具有模塊化、結(jié)構(gòu)化和基于Win32應(yīng)用程序接口以及與處理器無(wú)關(guān)等特點(diǎn)。WindowsCE不僅繼承了傳統(tǒng)的Windows圖形界面,并且在WindowsCE平臺(tái)上可以使用Windows95/98上的編程工具(如VisualBasic、VisualC++等)、使用同樣的函數(shù)、使用同樣的界面網(wǎng)格,使絕大多數(shù)的應(yīng)用軟件只需簡(jiǎn)單的修改和移植就可以在WindowsCE平臺(tái)上繼續(xù)使用。
WindowsCE的設(shè)計(jì)目標(biāo)是:模塊化及可伸縮性、實(shí)時(shí)性能好,通信能力強(qiáng)大,支持多種CPU。它的設(shè)計(jì)可以滿足多種設(shè)備的需要,這些設(shè)備包括了工業(yè)控制器、通信集線器以及銷售終端之類的企業(yè)設(shè)備,還有像照相機(jī)、電話和家用娛樂(lè)器材之類的消費(fèi)產(chǎn)品。一個(gè)典型的基于WindowsCE的嵌入系統(tǒng)通常為某個(gè)特定用途而設(shè)計(jì),并在不聯(lián)機(jī)的情況下工作。它要求所使用的操作系統(tǒng)體積較小,內(nèi)建有對(duì)中斷的響應(yīng)功能。
WindowsCE的特點(diǎn)有:
①具有靈活的電源管理功能,包括瞬眠/喚醒模式。
②使用了對(duì)象存儲(chǔ)(objectstore)技術(shù),包括文件系統(tǒng)、注冊(cè)表及數(shù)據(jù)庫(kù)。它還具有很多高性能、高效率的操作系統(tǒng)特性,包括按需換頁(yè)、共享存儲(chǔ)、交叉處理同步、支持大容量堆(heap)等。
③擁有良好的通信能力。廣泛支持各種通信硬件,亦支持直接的局域連接以及撥號(hào)連接,并提供與PC、內(nèi)部網(wǎng)以及Internet的連接,還提供與Windows9x/NT的最佳集成和通信。
④支持嵌套中斷。允許更高優(yōu)先級(jí)別的中斷首先得到響應(yīng),而不是等待低級(jí)別的ISR完成。這使得該操作系統(tǒng)具有嵌入式操作系統(tǒng)所要求的實(shí)時(shí)性。
⑤更好的線程響應(yīng)能力。對(duì)高級(jí)別IST(中斷服務(wù)線程)的響應(yīng)時(shí)間上限的要求更加嚴(yán)格,在線程響應(yīng)能力方面的改進(jìn),幫助開(kāi)發(fā)人員掌握線程轉(zhuǎn)換的具體時(shí)間,并通過(guò)增強(qiáng)的監(jiān)控能力和對(duì)硬件的控制能力幫助他們創(chuàng)建新的嵌入式應(yīng)用程序。
⑥256個(gè)優(yōu)先級(jí)別。可以使開(kāi)發(fā)人員在控制嵌入式系統(tǒng)的時(shí)序安排方面有更大的靈活性。
⑦WindowsCE的API是Win32API的一個(gè)子集,支持近1500個(gè)Win32API。有了這些API,足可以編寫任何復(fù)雜的應(yīng)用程序。當(dāng)然,在WindowsCE系統(tǒng)中,所提供的API也可以隨具體應(yīng)用的需求而定。
在掌上型電腦中,WindowsCE包含如下一些重要組件:PocketOutlook及其組件、語(yǔ)音錄音機(jī)、移動(dòng)頻道、遠(yuǎn)程撥號(hào)訪問(wèn)、世界時(shí)鐘、計(jì)算器、多種輸入法、GBK字符集、中文TTF字庫(kù)、英漢雙向詞典、袖珍瀏覽器、電子郵件、PocketOffice、系統(tǒng)設(shè)置、WindowsCEServices軟件。
Linux是一個(gè)類似于Unix的操作系統(tǒng)。它起源于芬蘭一個(gè)名為L(zhǎng)inusTorvalds的業(yè)余愛(ài)好,但是現(xiàn)在已經(jīng)是最為流行的一款開(kāi)放源代碼的操作系統(tǒng)。Linux從1991年問(wèn)世到現(xiàn)在,短短10年的時(shí)間內(nèi)已發(fā)展成為一個(gè)功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)完善的操作系統(tǒng),伴隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)步而發(fā)展起來(lái)的LinuxOS已成為Microsoft公司的DOS和Windows95/98的強(qiáng)勁對(duì)手。Linux系統(tǒng)不僅能夠運(yùn)行于PC平臺(tái),還在嵌入式系統(tǒng)方面大放光芒,在各種嵌入式LinuxOS迅速發(fā)展的狀況下,LinuxOS逐漸形成了可與WindowsCE等EOS進(jìn)行抗衡的局面。目前正在開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)中,49%的項(xiàng)目選擇Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)。Linux現(xiàn)已成為嵌入式操作的理想選擇。
中科紅旗軟件技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的紅旗嵌入式Linux正在成為許多嵌入式設(shè)備廠商的首選。在不到一年的時(shí)間內(nèi),紅旗公司先后推出了PDA、機(jī)頂盒、瘦客戶機(jī)、交換機(jī)用的嵌入式Linux系統(tǒng),并且投入了實(shí)際應(yīng)用。現(xiàn)以紅旗嵌入式Linux為例來(lái)講解嵌入式LinuxOS的特點(diǎn):
①精簡(jiǎn)的內(nèi)核,性能高、穩(wěn)定,多任務(wù)。
②適用于不同的CPU,支持多種體系結(jié)構(gòu),如X86、ARM、MIPS、ALPHA、SPARC等。
③能夠提供完善的嵌入式GUI以及嵌入式X-Windows。
④提供嵌入式瀏覽器、郵件程序、MP3播放器、MPEG播放器、記事本等應(yīng)用程序。
⑤提供完整的開(kāi)發(fā)工具和SDK,同時(shí)提供PC上的開(kāi)發(fā)版本。
⑥用戶可定制,可提供圖形化的定制和配置工具。
⑦常用嵌入式芯片的驅(qū)動(dòng)集,支持大量的周邊硬件設(shè)備,驅(qū)動(dòng)豐富。
⑧針對(duì)嵌入式的存儲(chǔ)方案,提供實(shí)時(shí)版本和完善的嵌入式解決方案。
⑨完善的中文支持,強(qiáng)大的技術(shù)支持,完整的文檔。
⑩開(kāi)放源碼,豐富的軟件資源,廣泛的軟件開(kāi)發(fā)者的支持,價(jià)格低廉,結(jié)構(gòu)靈活,適用面廣。
3、三種嵌入式操作系統(tǒng)的比較
與WindowsCe的比較
嵌入式LinuxOS與Windows CE相比的優(yōu)點(diǎn):第一,Linux是開(kāi)放源代碼的,不在存黑箱技術(shù),遍布全球的眾多Linux愛(ài)好者都是Linux開(kāi)發(fā)者的強(qiáng)大技術(shù)支持者；而 Windows CE是非開(kāi)放性O(shè)S,使第三方很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品定制。第二,Linux的源代碼隨處可得,注釋豐富,文檔齊全,易于解決各種問(wèn)題。第三,Linux的內(nèi)核小、效率高；而Windows CE在這方面是笨拙的,占用過(guò)多的RAM,應(yīng)用程序龐大。第四,Linux是開(kāi)放源代碼的OS,在價(jià)格上極具競(jìng)爭(zhēng)力,適合中國(guó)國(guó)情。Windows CE的版權(quán)費(fèi)用是廠家不得不考慮的因素。第五,Linux不僅支持x86芯片,還是一個(gè)跨平臺(tái)的系統(tǒng)。到目前為止,它可以支持20～30種CPU,很多 CPU(包括家電業(yè)的芯片)廠商都開(kāi)始做Linux的平臺(tái)移植工作,而且移植的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)Java的開(kāi)發(fā)環(huán)境。如果今天采用Linux環(huán)境開(kāi)發(fā)產(chǎn)品,那么將來(lái)更換CPU時(shí)就不會(huì)遇到更換平臺(tái)的困擾。第六,Linux內(nèi)核的結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)方面是非常完整的,它提供了對(duì)包括十兆位、百兆位及千兆位的以太網(wǎng)絡(luò),還有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、Token ring(令牌環(huán))和光纖甚至衛(wèi)星的支持。第七,Linux在內(nèi)核結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中考慮適應(yīng)系統(tǒng)的可裁減性的要求,Windows CE在內(nèi)核結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中并未考慮適應(yīng)系統(tǒng)的高度可裁減性的要求。
嵌入式Linux OS與Windows CE相比的弱點(diǎn):第一,是開(kāi)發(fā)難度較高,需要很高的技術(shù)實(shí)力；第二,是核心調(diào)試工具不全,調(diào)試不太方便,尚沒(méi)有很好的用戶圖形界面；第三,與某些商業(yè)OS 一樣,嵌入式Linux占用較大的內(nèi)存,當(dāng)然,人們可以去掉部分無(wú)用的功能來(lái)減小使用的內(nèi)存,但是如果不仔細(xì),將引起新的問(wèn)題；第四,有些Linux的應(yīng)用程序需要虛擬內(nèi)存,而嵌入式系統(tǒng)中并沒(méi)有或不需要虛擬內(nèi)存,所以并非所有的Linux應(yīng)用程序都可以在嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行。
3.2 palm OS與Windows CE的比較
3Com公司的Palm OS是掌上電腦市場(chǎng)中較為優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng),是針對(duì)這一市場(chǎng)專門設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。它有開(kāi)放的操作系統(tǒng)應(yīng)用程序接口(API),支持開(kāi)發(fā)商根據(jù)需要自行開(kāi)發(fā)所需的應(yīng)用程序,具有十分豐富的應(yīng)用程序。在掌上電腦市場(chǎng)上獨(dú)占其霸主地位已久。
從技術(shù)層面上講,Palm OS是一套專門為掌上電腦開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng),具有許多Windows CE無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)；Windows CE過(guò)于臃腫,不適合應(yīng)用在廉價(jià)的掌上電腦中。
Palm OS是一套具有極強(qiáng)開(kāi)放性的系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)者向用戶免費(fèi)提供Palm OS的開(kāi)發(fā)工具,允許用戶利用該工具在Palm OS基礎(chǔ)上方便地編寫、修改相關(guān)軟件。與之相比,Windows CE的開(kāi)發(fā)工具就顯得復(fù)雜多了,這使得一般用戶很難掌握。這也Palm OS與Windows CE的另一個(gè)主要區(qū)別。
我們從常用EOS的大小、可開(kāi)發(fā)定制、互操作性、通用性、實(shí)時(shí)性及應(yīng)用領(lǐng)域幾個(gè)方面,通過(guò)表1來(lái)歸納如下:
結(jié)語(yǔ)
Palm OS、Windows CE、Linux這三種嵌入式操作系統(tǒng)各有不同的特點(diǎn),不同的用途；但Linux比Palm OS和Windows CE更小、更穩(wěn)定,而且Linux是開(kāi)放的OS,在價(jià)格上極具競(jìng)爭(zhēng)力。如今整個(gè)市場(chǎng)尚未成型,嵌入式操作系統(tǒng)也未形成統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),而且Linux的一系列特征又為我們開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)提供了方便,因此,我們有機(jī)會(huì)在這個(gè)未成熟的市場(chǎng)上占有一席之地。
