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嵌入式操作系統

標籤:EOS

嵌入式操作系統(Embedded Operating System,簡稱:EOS)是指用於嵌入式系統的操作系統。嵌入式操作系統是一種用途廣泛的系統軟體,通常包括與硬體相關的底層驅動軟體、系統內核、設備驅動介面、通信協議、圖形界面、標準化瀏覽器等。嵌入式操作系統負責嵌入式系統的全部軟、硬體資源的分配、任務調度,控制、協調併發活動。它必須體現其所在系統的特徵,能夠通過裝卸某些模塊來達到系統所要求的功能。目前在嵌入式領域廣泛使用的操作系統有:嵌入式Linux、Windows Embedded、VxWorks等,以及應用在智能手機和平板電腦的Android、iOS等。

1歷史

事實上,在很早以前,嵌入式這個概念就已經存在了。在通信方面,嵌入式系統在20世紀60年代就用於對電子機械電話交換的控制,當時被稱為「存儲式程序控制系統」(Stored Program Control)。
嵌入式計算機的真正發展是在微處理器問世之後。1971年11月,Intel公司成功地把算術運算器和控制器電路集成在一起,推出了第一款微處理器Intel 4004,其後各廠家陸續推出了許多8位、16位的微處理器,包括Intel 8080/8085、8086,Motorola 的6800、68000,以及Zilog的Z80、Z8000等。以這些微處理器作為核心所構成的系統,廣泛地應用於儀器儀錶、醫療設備、機器人、家用電器等領域。微處理器的廣泛應用形成了一個廣闊的嵌入式應用市場,計算機廠家開始大量地以插件方式向用戶提供OEM產品,再由用戶根據自己的需要選擇一套適合的CPU板、存儲器板以及各式I/O插件板,從而構成專用的嵌入式計算機系統,並將其嵌入到自己的系統設備中。
為靈活兼容考慮,出現了系列化、模塊化的單板機。流行的單板計算機有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。後來人們可以不必從選擇晶元開始來設計一台專用的嵌入式計算機,而是只要選擇各功能模塊,就能夠組建一台專用計算機系統。用戶和開發者都希望從不同的廠家選購最適合的OEM產品,插入外購或自製的機箱中就形成新的系統,這樣就希望插件是互相兼容的,也就導致了工業控制微機系統匯流排的誕生。1976年Intel公司推出Multibus,1983年擴展為帶寬達40MB/s的MultibusⅡ。1978年由Prolog設計的簡單STD匯流排廣泛應用於小型嵌入式系統。
20世紀80年代可以說是各種匯流排層出不窮、群雄並起的時代。隨著微電子工藝水平的提高,集成電路製造商開始把嵌入式應用中所需要的微處理器、I/O介面、A/D、D/A轉換、串列介面以及RAM、ROM等部件統統集成到一個VLSI中,從而製造出面向I/O設計的微控制器,也就是我們俗稱的單片機,成為嵌入式計算機系統異軍突起的一支新秀。其後發展的DSP產品則進一步提升了嵌入式計算機系統的技術水平,並迅速地滲入到消費電子、醫用電子、智能控制、通信電子、儀器儀錶、交通運輸等各種領域。
20世紀90年代,在分佈控制、柔性製造、數字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下,嵌入式系統進一步加速發展。面向實時信號處理演算法的DSP產品向著高速、高精度、低功耗發展。Texas推出的第三代DSP晶元TMS320C30,引導著微控制器向32位高速智能化發展。在應用方面,掌上電腦、手持PC機、機頂盒技術相對成熟,發展也較為迅速。特別是掌上電腦,1997年在美國市場上掌上電腦不過四五個品牌,而1998年底,各式各樣的掌上電腦如雨後春筍般紛紛湧現出來。此外,Nokia推出了智能電話,西門子推出了機頂盒,Wyse推出了智能終端,NS推出了WebPAD。裝載在汽車上的小型電腦,不但可以控制汽車內的各種設備(如音響等),還可以與GPS連接,從而自動操控汽車。
21世紀無疑是一個網路的時代,使嵌入式計算機系統應用到各類網路中去也必然是嵌入式系統發展的重要方向。

2特點

2)專用性強
嵌入式系統的個性化很強,其中的軟體
4種嵌入式操作系統的調度機制

  4種嵌入式操作系統的調度機制

系統和硬體的結合非常緊密,一般要針對硬體進行系統的移植,即使在同一品牌、同一系列的產品中也需要根據系統硬體的變化和增減不斷進行修改。同時針對不同的任務,往往需要對系統進行較大更改,程序的編譯下載要和系統相結合,這種修改和通用軟體的「升級」是完全兩個概念。
4)高實時性
高實時性的系統軟體(OS)是嵌入式軟體的基本要求。而且軟體要求固態存儲,以提高速度;軟體代碼要求高質量和高可靠性。
6)需要開發工具和環境
嵌入式系統開發需要開發工具和環境。由於其本身不具備自舉開發能力,即使設計完成以後用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改的,必須有一套開發工具和環境才能進行開發,這些工具和環境一般是基於通用計算機上的軟硬體設備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。開發時往往有主機和目標機的概念,主機用於程序的開發,目標機作為最後的執行機,開發時需要交替結合進行。

3核心

嵌入式系統的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般具備以下4個特點:
1)對實時任務有很強的支持能力,能完成多任務並且有較短的中斷響應時間,從而使內部的代碼和實時內核心的執行時間減少到最低限度。
2)具有功能很強的存儲區保護功能。這是由於嵌入式系統的軟體結構已模塊化,而為了避免在軟體模塊之間出現錯誤的交叉作用,需要設計強大的存儲區保護功能,同時也有利於軟體診斷。
3)可擴展的處理器結構,以能最迅速地開發出滿足應用的最高性能的嵌入式微處理器。
4)嵌入式微處理器必須功耗很低,尤其是用於攜帶型的無線及移動的計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式系統更是如此,如需要功耗只有mW甚至μW級。

4分類

從硬體和軟體進行劃分。
基於軟體
從軟體方面劃分,主要可以依據操作系統的類型。嵌入式系統的軟體主要有兩大類:實時系統和分時系統。其中實時系統又分為兩類:硬實時系統和軟實時系統。
實時嵌入系統是為執行特定功能而設計的,可以嚴格的按時序執行功能。其最大的特徵就是程序的執行具有確定性。在實時系統中,如果系統在指定的時間內未能實現某個確定的任務,會導致系統的全面失敗,則系統被稱為硬實時系統。而在軟實時系統中,雖然響應時間同樣重要,但是超時卻不會導致致命錯誤。一個硬實時系統往往在硬體上需要添加專門用於時間和優先順序管理的控制晶元,而軟實時系統則主要在軟體方面通過編程實現時限的管理。比如Windows CE就是一個多任務分時系統,而Ucos-II則是典型的實時操作系統。

5組成

中間層
硬體層與軟體層之間為中間層,也稱為硬體抽象層(Hardware Abstract Layer,HAL)或板級支持包(Board Support Package,BSP),它將系統上層軟體與底層硬體分離開來,使系統的底層驅動程序與硬體無關,上層軟體開發人員無需關心底層硬體的具體情況,根據BSP 層提供的介面即可進行開發。該層一般包含相關底層硬體的初始化、數據的輸入/輸出操作和硬體設備的配置功能。BSP具有以下兩個特點。
硬體相關性:因為嵌入式實時系統的硬體環境具有應用相關性,而作為上層軟 件與硬體平台之間的介面,BSP需要為操作系統提供操作和控制具體硬體的方法。
操作系統相關性:不同的操作系統具有各自的軟體層次結構,因此,不同的操作系統具有特定的硬體介面形式。
實際上,BSP是一個介於操作系統和底層硬體之間的軟體層次,包括了系統中大部分與硬體聯繫緊密的軟體模塊。設計一個完整的BSP需要完成兩部分工作:嵌入式系統的硬體初始化以及BSP功能,設計硬體相關的設備驅動。
嵌入式系統硬體初始化
系統初始化過程可以分為3個主要環節,按照自底向上、從硬體到軟體的次序依次為:片級初始化、板級初始化和系統級初始化。
片級初始化
完成嵌入式微處理器的初始化,包括設置嵌入式微處理器的核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微處理器核心工作模式和嵌入式微處理器的局部匯流排模式等。片級初始化把嵌入式微處理器從上電時的默認狀態逐步設置成系統所要求的工作狀態。這是一個純硬體的初始化過程。
板級初始化
完成嵌入式微處理器以外的其他硬體設備的初始化。另外,還需設置某些軟體的數據結構和參數,為隨後的系統級初始化和應用程序的運行建立硬體和軟體環境。這是一個同時包含軟硬體兩部分在內的初始化過程。
系統初始化
該初始化過程以軟體初始化為主,主要進行操作系統的初始化。BSP將對嵌入式微處理器的控制權轉交給嵌入式操作系統,由操作系統完成餘下的初始化操作,包含載入和初始化與硬體無關的設備驅動程序,建立系統內存區,載入並初始化其他系統軟體模塊,如網路系統、文件系統等。最後,操作系統創建應用程序環境,並將控制權交給應用程序的入口。
硬體相關的設備驅動程序
BSP的另一個主要功能是硬體相關的設備驅動。硬體相關的設備驅動程序的初始化通常是一個從高到低的過程。儘管BSP中包含硬體相關的設備驅動程序,但是這些設備驅動程序通常不直接由BSP使用,而是在系統初始化過程中由BSP將他們與操作系統中通用的設備驅動程序關聯起來,並在隨後的應用中由通用的設備驅動程序調用,實現對硬體設備的操作。與硬體相關的驅動程序是BSP設計與開發中另一個非常關鍵的環節。
工業控制
基於嵌入式晶元的工業自動化設備將獲得長足的發展,已經有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在應用中,網路化是提高生產效率和產品質量、減少人力資源主要途徑,如工業過程式控制制、數字機床、電力系統、電網安全、電網設備監測、石油化工系統。就傳統的工業控制產品而言,低端型採用的往往是8位單片機。但是隨著技術的發展,32位、64位的處理器逐漸成為工業控制設備的核心,在未來幾年內必將獲得長足的發展。
信息家電
這將稱為嵌入式系統最大的應用領域,冰箱、空調等的網路化、智能化將引領人們的生活步入一個嶄新的空間。即使你不在家裡,也可以通過電話線、網路進行遠程控制。在這些設備中,嵌入式系統將大有用武之地。
POS網路
公共交通無接觸智能卡(Contactless Smartcard, CSC)發行系統,公共電話卡發行系統,自動售貨機,各種智能ATM終端將全面走入人們的生活,到時手持一卡就可以行遍天下。
機器人
嵌入式晶元的發展將使機器人在微型化,高智能方面優勢更加明顯,同時會大幅度降低機器人的價格,使其在工業領域和服務領域獲得更廣泛的應用。
這些應用中,可以著重於在控制方面的應用。就遠程家電控制而言,除了開發出支持TCP/IP的嵌入式系統之外,家電產品控制協議也需要制訂和統一,這需要家電生產廠家來做。同樣的道理,所有基於網路的遠程控制器件都需要與嵌入式系統之間實現介面,然後再由嵌入式系統來控制並通過網路實現控制。所以,開發和探討嵌入式系統有著十分重要的意義。

機電產品應用

相對於其他的領域,機電產品可以說是嵌入式系統應用最典型最廣泛的領域之一。單片機到工控機、SOC在各種機電產品中均有著巨大的市場。
移動互聯網領域
移動互聯網領域很多也需要嵌入式開發技術

6趨勢

1)嵌入式開發是一項系統工程,因此要求嵌入式系統廠商不僅要提供嵌入式軟硬體系統本身,同時還需要提供強大的硬體開發工具和軟體包支持。
2)網路化、信息化。
3)網路互聯成為必然趨勢。
4)精簡系統內核、演算法,降低功耗和軟硬體成本。
術,如Java、Web和WAP等。
5)提供友好的多媒體人機界面

7微軟新品

微軟計劃在2013年的3月份推出Windows Embedded 8嵌入式操作系統,即Windows 8的拼圖形式,Windows Embedded 8 Standard操作系統是一個模塊化版本的Windows,它運行類似Linux式的定製,允許製造商對其進行修改和定製,而且新的觸摸和基於手勢的界面都會在這個嵌入式操作系統上得到應用。
人們已經熟知VOIP電話、DVD播放器、GPS接收器和印表機等具有嵌入式操作系統的設備。隨著越來越多的設備加入電腦晶元採用嵌入式操作系統,而通過軟體來管理這些設備成為一個不斷增長的需求。在過去,准系統版本的LINUX是嵌入式操作系統的一個選擇,這要歸功於它對系統的低要求和易於定製。 越來越多的家用物品開始進入智能和數字領域,激起了人們對「物聯網」的興趣,而這個網路可以把你家裡所有的電腦化物品聯繫在一起,讓它們的主人易於控制,搜索東西就像在電腦上查找文件那樣簡單。
Windows Embedded 8或許只是微軟復興大計的一步,這個計劃將會把微軟從一個軟體公司轉變成為一個「設備和服務」性質的公司。微軟人正在尋求釋放一個嵌入式路線圖,最有可能是向股票持有人展示他們並不是笨重的恐龍會被即將到來的移動大潮毀滅。 事實上Windows嵌入式操作系統已經存在了一段時間,最早的Win3.x便有一個嵌入式的版本可以在POS終端上運行。但是真正的Windows嵌入式設備則始建於1999年叫做Windows NT Embedded。Windows XP的代碼在那時被用作創建「XP embedded」。緊隨其步伐的是Windows Embedded緊湊型,一些人對這個名字很陌生,不過你一定聽過它的另一個被人們所熟知的名字Windows CE。這個產品更多的是被用於機頂盒,特別是它在被用於Sega ill-fated Dreamcast控制台之後被人們廣泛所熟知。
2009年,Windows XP Embedded升級為Windows Embedded Standard,它提供了完整的Win32 API,但是不像Windows CE那樣可以在ARM、MIPS和SuperH多種處理器上運行,Windows Embedded Standard只能在x86上面運行。它完全兼容「標準」項目,如NET框架,IE7、Windows媒體播放器、Silverlight等。Windows Embedded Standard允許製造商對系統進行定製,刪除不需要的部分,同時保留系統的核心功能部分。而這一特色已經被一些聰明人在過去用於Windows現場CDS的生產如BartPE。

8常見系統

μTenux
uC/OS II
RT-thread
uCLinux
FreeRTOS
RTX
Arm-Linux
VxWorks
RTEMS
pSOS
Nucleus
PalmOS
Windows CE
Windows XP Embedded
Windows Vista Embedded
嵌入式Linux
ECOS
QNX
Lynx
Symbian
HOPEN OS
Android
Maemo
Meego
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