電腦嵌入式系統(tǒng)與嵌入式操作系統(tǒng)

（一）電腦嵌入式系統(tǒng)的基本概

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠根據(jù)用戶(hù)需求(功能、可靠性、成本、體積、功耗、環(huán)境等)靈活裁剪軟件硬件模塊的專(zhuān)用電腦系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件組成。嵌入式系統(tǒng)的軟件包括操作系統(tǒng)、中間件和應(yīng)用程序。嵌入式系統(tǒng)的硬件包括信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器、通信模塊（輸入輸出接口）等。

相比于一般的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，各種嵌入式系統(tǒng)存在較大的差異性。嵌入式系統(tǒng)沒(méi)有大容量的存儲(chǔ)功能，因?yàn)闆](méi)有與之相匹配的大容量存儲(chǔ)介質(zhì)。

嵌入式系統(tǒng)廣泛用于工業(yè)控制、智能汽車(chē)、高端精密尖端儀器、智能手機(jī)、智能家用電器、武器裝備（如坦克、導(dǎo)彈、雷達(dá)）等，如下圖所示：

（二）嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展階段

嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：

第一階段：嵌入技術(shù)的早期階段，無(wú)操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)以單片機(jī)為核心的可編程控制器形式存在，具有監(jiān)測(cè)、伺服、設(shè)備指示等功能。這種系統(tǒng)大部分應(yīng)用于各類(lèi)工業(yè)控制和坦克、飛機(jī)、導(dǎo)彈等武器裝備中。

第二階段：以高端嵌入式CPU和嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志。這一階段嵌入式系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是計(jì)算機(jī)硬件出現(xiàn)了高可靠、低功耗的嵌入式CPU，如ARM、PowerPC等，而且支持操作系統(tǒng)和復(fù)雜應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)、運(yùn)行。

第三階段：以芯片技術(shù)和Internet（互聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)為標(biāo)志。由于微電子技術(shù)迅速發(fā)展，SoC（片上系統(tǒng)）使嵌入式系統(tǒng)越來(lái)越小，功能卻越來(lái)越多。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還獨(dú)立于互聯(lián)網(wǎng)之外。今后，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將與工業(yè)控制技術(shù)、智能設(shè)備、智能家電等密切結(jié)合，很多嵌入式系統(tǒng)將與Internet（互聯(lián)網(wǎng)）聯(lián)結(jié)。

（三）嵌入式硬件系統(tǒng)的主要種類(lèi)

以下各節(jié)，我們討論第三階段嵌入式系統(tǒng)的類(lèi)型和軟件。

從硬件角度看，嵌入式系統(tǒng)主要有下列四種類(lèi)型：

（1）嵌入式微處理器（MicroProcessor Unit，MPU）

現(xiàn)在的嵌入式微處理器(MPU)是由通用計(jì)算機(jī)中的CPU演變而來(lái)的。它是具有32位以上的處理器。與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

主要的嵌入式處理器類(lèi)型有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等。

（2）嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit， MCU）

早期的微控制器（Microcontroller Unit，MCU）是將一個(gè)計(jì)算機(jī)集成到一個(gè)芯片中，實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用，故又稱(chēng)單片機(jī)（single chip microcomputer）。

單片機(jī)是一種集成電路芯片，是構(gòu)成一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)的主機(jī)。與微型計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I/O（輸入/輸出）設(shè)備。

與嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器適合于實(shí)時(shí)控制，因此稱(chēng)為微控制器。

MCU擁有的品種最多。比較有代表性的MCU有Intel8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68000系列，以及8XC930/931、C540、C541，并且還有支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專(zhuān)用MCU和兼容系列。

（3）嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor， EDSP)

DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）是專(zhuān)門(mén)用于信號(hào)處理方面的處理器。它具有很高的編譯效率和指令執(zhí)行速度，能夠極快地進(jìn)行離散時(shí)間信號(hào)處理。

應(yīng)用最廣的DSP是TI（德州儀器）的TMS320C2000/C5000系列和Motorola（摩托羅拉）的5600X系列；其次是Intel（英特爾）的MCS-296，Siemens（西門(mén)子）的TriCore，等等。

（4）嵌入式片上系統(tǒng)(System OnChip)

嵌入式片上系統(tǒng)(SoC)是具有很大包容性的集成器件。SoC最大的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了軟硬件無(wú)縫結(jié)合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。

比較典型的SoC產(chǎn)品是Philips（菲利普）的Smart XA。其它的SOC有Siemens（西門(mén)子）的TriCore，Motorola（摩托羅拉）的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片，等等。

（四）嵌入式軟件系統(tǒng)的概念

（A）嵌入式軟件系統(tǒng)的基本概念

嵌入式軟件系統(tǒng)的組成如下：

（1）系統(tǒng)軟件，包括操作系統(tǒng)（系統(tǒng)軟件的核心）、中間件等，用于控制、管理微系統(tǒng)的資源；

（2）支撐軟件，輔助軟件開(kāi)發(fā)的工具，包括設(shè)計(jì)工具、仿真工具、測(cè)試工具、維護(hù)工具等；

（3）應(yīng)用軟件，包括微系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用軟件。

（B）嵌入式操作系統(tǒng)的基本概念

嵌入式操作系統(tǒng)（EmbeddedOperating System，EOS）是指用于嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。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)負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟件、硬件資源的分配，任務(wù)調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)系統(tǒng)的活動(dòng)。

EOS能夠通過(guò)裝入某些模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)增加的功能。

嵌入式操作系統(tǒng)大多數(shù)是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。

手機(jī)操作系統(tǒng)都是嵌入式操作系統(tǒng)。

（C）嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real Time Operating System，RTOS）能夠在指定或確定的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)時(shí)系統(tǒng)的功能。RTOS標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核是一段嵌入在目標(biāo)代碼中的程序，系統(tǒng)復(fù)位后首先執(zhí)行。RTOS相當(dāng)于用戶(hù)的主程序，其它程序都建立在RTOS之上。

RTOS的特性如下：

? 具有實(shí)時(shí)性、并行性、多路性和交互性；

? 具有約束性，包括時(shí)間約束、資源約束、執(zhí)行順序約束等；

? 具有可預(yù)測(cè)性，其執(zhí)行時(shí)間和結(jié)果是可預(yù)測(cè)的；

? 具有可靠性。

（五）嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展階段

嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了下列四個(gè)階段：

第一階段：無(wú)操作系統(tǒng)階段，20世紀(jì)70年代；嵌入式系統(tǒng)的硬件以51單片機(jī)為代表。

第二階段：簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)階段，20世紀(jì)80年代；嵌入式系統(tǒng)的硬件是超大規(guī)模集成電路(VLSI)。

第三階段：實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段，20世紀(jì)90年代；實(shí)時(shí)、多任務(wù)系統(tǒng)是嵌入式操作系統(tǒng)的主流；嵌入式系統(tǒng)的硬件仍然是超大規(guī)模集成電路(VLSI)。

第四階段：面向Internet階段，可以使用Java開(kāi)發(fā)；系統(tǒng)軟件有嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)CORBA等，有完善的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

（六）國(guó)際上常用的通用嵌入式操作系統(tǒng)

國(guó)際上的嵌入式操作系統(tǒng)（EOS）有50種左右。國(guó)際上廣泛使用的通用嵌入式操作系統(tǒng)如下：

? Palm OS，通用EOS，由3Com公司下屬子公司開(kāi)發(fā)，占全球市場(chǎng)份額高達(dá)50%。在美國(guó)市場(chǎng)，Palm OS更以80%的占有率，遙遙領(lǐng)先。

?Windows Embedded，微軟公司開(kāi)發(fā)，在美國(guó)的市場(chǎng)占有率很高，僅次于Palm OS。

?VxWorks，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，由美國(guó)WindRiver 公司開(kāi)發(fā)。

? μC/OS-III，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，由Micrium公司開(kāi)發(fā)，開(kāi)源。

? 嵌入式Linux，種類(lèi)很多，其小型化版是μCLinux，開(kāi)源。

? 專(zhuān)用于手機(jī)和平板電腦的Android（安卓），谷歌公司開(kāi)發(fā)，開(kāi)源。

? 專(zhuān)用于蘋(píng)果公司手機(jī)的iOS，蘋(píng)果公司開(kāi)發(fā)，只適用于蘋(píng)果公司產(chǎn)品。

上述操作系統(tǒng)全部是美國(guó)的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的。

華為公司的鴻蒙系統(tǒng)（HarmonyOS）專(zhuān)用于華為公司的手機(jī)、平板電腦、自動(dòng)駕駛汽車(chē)和其它智能產(chǎn)品。

（七）嵌入式Linux系統(tǒng)的特點(diǎn)

嵌入式Linux是把Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行剪裁、修改，使之能夠在嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的操作系統(tǒng)。

嵌入式Linux具有如下特點(diǎn)：

? 嵌入式Linux的源代碼完全開(kāi)放，不存在“后門(mén)”和黑箱技術(shù)。

? 嵌入式Linux內(nèi)核?。ㄗ钚≌咧挥?34KB），效率高；內(nèi)核可以任意剪裁。

? 嵌入式Linux可移植性好，已經(jīng)被移植到20多種CPU架構(gòu)，包括x86、ARM、MIPS、IA64、AVR32、M68K、S390等。

? 嵌入式Linux都是免費(fèi)的操作系統(tǒng)，在價(jià)格上具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

? 全世界有超過(guò)1000名Linux專(zhuān)家級(jí)的“義工”，免費(fèi)為嵌入式Linux提供技術(shù)支持。

嵌入式Linux主要有下列三種類(lèi)型：

（1）專(zhuān)門(mén)為嵌入式特性設(shè)計(jì)的Linux，其內(nèi)核很小、移植性很好；

（2）專(zhuān)門(mén)為實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)的Linux，其可控性好，實(shí)時(shí)功能強(qiáng)；

（3）把嵌入式特征和實(shí)時(shí)性特征結(jié)合起來(lái)而設(shè)計(jì)的Linux，提供集成開(kāi)發(fā)方案。

（八）嵌入式Linux系統(tǒng)的發(fā)行版

有代表性的嵌入式Linux操作系統(tǒng)發(fā)行版有下列六種：

（1）μClinux，適用于簡(jiǎn)單的微控制器嵌入式系統(tǒng)，內(nèi)核很小；由美國(guó)Lineo公司開(kāi)發(fā)。

（2）RT-Linux，適用于實(shí)時(shí)控制，是實(shí)時(shí)Linux的代表；由美國(guó)墨西哥理工學(xué)院開(kāi)發(fā)。

（3）Embedix，適用于復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，具有調(diào)試工具包、圖形界面瀏覽器等，是完整的嵌入式Linux解決方案；由美國(guó)Luneo公司開(kāi)發(fā)。

（4）QUARK（夸克），由美國(guó)網(wǎng)虎公司（XLinux）開(kāi)發(fā)，是目前全世界最小的Linux，內(nèi)核只有143KB。QUARK不僅具有標(biāo)準(zhǔn)字符集，而且含有12個(gè)國(guó)家和地區(qū)的字符集，適合于國(guó)際性應(yīng)用。

（5）Mizi Linux，內(nèi)核小（512KB）；集成了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器Apache和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)MySQL；配備了功能很強(qiáng)的SDK開(kāi)發(fā)平臺(tái)。由韓國(guó)Mizi公司開(kāi)發(fā)。

（6）MidoriLinux，功能強(qiáng)、適用性廣的嵌入式操作系統(tǒng)；不僅操作系統(tǒng)免費(fèi)，而且提供免費(fèi)的開(kāi)發(fā)工具和應(yīng)用程序包；由美國(guó)Monta Vista公司開(kāi)發(fā)。

上述六種嵌入式Linux發(fā)行版，除了MiziLinux是韓國(guó)企業(yè)開(kāi)發(fā)的外，五種都是美國(guó)企業(yè)和大學(xué)開(kāi)發(fā)的。

中科紅旗軟件技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)了紅旗嵌入式Linux，沒(méi)有得到普遍應(yīng)用。

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