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嵌入式操作系統(tǒng)與嵌入式處理器
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛滲入到工業(yè)控制、移動(dòng)通信、電子商務(wù)、信息家電等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)用日益廣泛。下面小編為大家整理了關(guān)于嵌入式操作系統(tǒng)與嵌入式處理器的文章，一起來(lái)看看吧：
1 嵌入式系統(tǒng)
嵌入式系統(tǒng)(Embedded System，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(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。因此，它具有“嵌入性”、“專(zhuān)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(zhuān)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(Institute of Electrical and Electronics Engineers 電氣電子工程師協(xié)會(huì))從它的用途來(lái)定義，嵌入式系統(tǒng)是用來(lái)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(Embedded Processor，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(hù)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(lèi)已經(jīng)超過(guò)1000多種，其中以ARM、MIPS、Power PC、Motorola 68K、X86等體系結(jié)構(gòu)最為常見(jiàn)，一般將嵌入式處理器分成以下四類(lèi)：
1)嵌入式微控制器 (Microcontroller Unit，MCU);
2)嵌入式微處理器 (Embedded Microprocessor Unit，EMPU);
3)嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor，EDSP);
4)片上系統(tǒng)(System On Chip，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：
1) ARM
ARM(Advanced RISC Machines)公司是全球著名的16/32位精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)RISC(Reduced Instruction Set Computer)處理器設(shè)計(jì)供應(yīng)商，通過(guò)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(lái)生產(chǎn)滿(mǎn)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(lái)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(lèi)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(chē)載電子等高端領(lǐng)域。
2) MIPS
MIPS(Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)內(nèi)部互鎖流水級(jí)的微處理器，是美國(guó)MIPS技術(shù)公司推出的一種基于RISC架構(gòu)的高性能高檔次的處理器內(nèi)核。MIPS采用了先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和清晰的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)軟硬件協(xié)同工作以提高處理器性能，同時(shí)簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，采用軟件方法來(lái)避免流水線運(yùn)行中的數(shù)據(jù)相關(guān)問(wèn)題。雖與ARM處理器相比，MIPS體系結(jié)構(gòu)的處理器功耗要高些，但它具備了從32位低端產(chǎn)品到64位高端產(chǎn)品的完整解決方案，而且在知識(shí)產(chǎn)權(quán)的授權(quán)費(fèi)用上MIPS要低于ARM，因此，MIPS內(nèi)核逐漸被越來(lái)越多的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品和工業(yè)控制產(chǎn)品的設(shè)計(jì)所采用。
3) Power PC
PowerPC(Performance optimization with Enhanced RISC performance Computing)簡(jiǎn)稱(chēng)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(kāi)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?xún)r(jià)比。常見(jiàn)的基于Power PC架構(gòu)的處理器有IBM公司的Power PC64S(深藍(lán)內(nèi)部的CPU)、Power PC750、Power PCG3以及Motorola公司的MC和MPC系列等。目前，基于Power PC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)。
4) Motorola 68K
Motorola 68K采用復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)CISC(Complex Instruction Set Computer)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(kāi)發(fā)中。
5) X86
X86系列處理器起源于Inter架構(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(lái)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)(Embedded Operating System，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(lèi)：嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(Embedded Real-time Operating System，ERTOS)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(guò)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(time slicing)輪流調(diào)度進(jìn)程執(zhí)行，在執(zhí)行的時(shí)間上并沒(méi)有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)要求的那么嚴(yán)格，錯(cuò)過(guò)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(lái)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)(Hard Real-time OS)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)(Soft Real-time OS)。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(guò)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(guò)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)(Weakly Hard Real-time)的概念[9]，即實(shí)時(shí)任務(wù)可以錯(cuò)過(guò)截止期限，但任務(wù)錯(cuò)過(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(jiàn)的嵌入式操作系統(tǒng)主要有以下幾種：
1) Windows CE
Windows CE是美國(guó)Microsoft公司專(zhuān)門(mén)為各種移動(dòng)和便攜式消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品等嵌入式應(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(hù)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。Windows CE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(hù)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Windows Mobile操作系統(tǒng)，占據(jù)了很大的市場(chǎng)份額。
2) VxWorks
VxWorks是美國(guó)WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開(kāi)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、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(hù)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、Sun Sparc、Motorola、MC68xxx、ARM、Power PC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、市場(chǎng)占有率最高的實(shí)時(shí)系統(tǒng)之一。
3) μC/OS-II
μC/OS-II是一款專(zhuān)門(mén)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(kāi)源的操作系統(tǒng)。μC/OS-II系統(tǒng)采用MicroWindow圖形系統(tǒng)。由于μC/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(kāi)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(guò)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。μC/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) QNX
QNX是加拿大QNX Software System公司于1980年開(kāi)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POSIX.1(程序接口)和POSIX.2(Shell和工具)以及POSIX.1b(實(shí)時(shí)擴(kuò)展)。用戶(hù)可以把應(yīng)用程序與內(nèi)核直接編譯在一起，生成一個(gè)單一的多線程映像。QNX提供POSIX.1b標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程調(diào)度：32個(gè)進(jìn)程優(yōu)先級(jí)、基于優(yōu)先級(jí)的搶占式進(jìn)程調(diào)度，其進(jìn)程在獨(dú)立的地址空間運(yùn)行。此外，QNX內(nèi)核非常小巧(QNX4.x大約為12Kb)而且運(yùn)行速度極快，但是QNX不能很好支持GUI系統(tǒng)，目前市場(chǎng)占有量不是很大。
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