嵌入式操作系统

　　历史

　　事实上，在很早以前，嵌入式这个概念就已经存在了。在通信方面，嵌入式系统在20世纪60年代就用于对电子机械电话交换的控制，当时被称为“存储式程序控制系统”（Stored Program Control）。

　　嵌入式计算机的真正发展是在微处理器问世之后。1971年11月，Intel公司成功地把算术运算器和控制器电路集成在一起，推出了第一款微处理器Intel 4004，其后各厂家陆续推出了许多8位、16位的微处理器，包括Intel 8080/8085、8086，Motorola 的6800、68000，以及Zilog的Z80、Z8000等。以这些微处理器作为核心所构成的系统，广泛地应用于仪器仪表、医疗设备、机器人、家用电器等领域。微处理器的广泛应用形成了一个广阔的嵌入式应用市场，计算机厂家开始大量地以插件方式向用户提供OEM产品，再由用户根据自己的需要选择一套适合的CPU板、存储器板以及各式I/O插件板，从而构成专用的嵌入式计算机系统，并将其嵌入到自己的系统设备中。

　　为灵活兼容考虑，出现了系列化、模块化的单板机。流行的单板计算机有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。后来人们可以不必从选择芯片开始来设计一台专用的嵌入式计算机，而是只要选择各功能模块，就能够组建一台专用计算机系统。用户和开发者都希望从不同的厂家选购最适合的OEM产品，插入外购或自制的机箱中就形成新的系统，这样就希望插件是互相兼容的，也就导致了工业控制微机系统总线的诞生。1976年Intel公司推出Multibus，1983年扩展为带宽达40MB/s的MultibusⅡ。1978年由Prolog设计的简单STD总线广泛应用于小型嵌入式系统。

　　20世纪80年代可以说是各种总线层出不穷、群雄并起的时代。随着微电子工艺水平的提高，集成电路制造商开始把嵌入式应用中所需要的微处理器、I/O接口、A/D、D/A转换、串行接口以及RAM、ROM等部件统统集成到一个VLSI中，从而制造出面向I/O设计的微控制器，也就是我们俗称的单片机，成为嵌入式计算机系统异军突起的一支新秀。其后发展的DSP产品则进一步提升了嵌入式计算机系统的技术水平，并迅速地渗入到消费电子、医用电子、智能控制、通信电子、仪器仪表、交通运输等各种领域。

　　20世纪90年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统进一步加速发展。面向实时信号处理算法的DSP产品向着高速、高精度、低功耗发展。Texas推出的第三代DSP芯片TMS320C30，引导着微控制器向32位高速智能化发展。在应用方面，掌上电脑、手持PC机、机顶盒技术相对成熟，发展也较为迅速。特别是掌上电脑，1997年在美国市场上掌上电脑不过四五个品牌，而1998年底，各式各样的掌上电脑如雨后春笋般纷纷涌现出来。此外，Nokia推出了智能电话，西门子推出了机顶盒，Wyse推出了智能终端，NS推出了WebPAD。装载在汽车上的小型电脑，不但可以控制汽车内的各种设备（如音响等），还可以与GPS连接，从而自动操控汽车。

　　21世纪无疑是一个网络的时代，使嵌入式计算机系统应用到各类网络中去也必然是嵌入式系统发展的重要方向。

　　特点

　　1）系统内核小

　　由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如Enea公司的OSE分布式系统，内核只有5K。

　　2）专用性强

　　嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全两个概念。

　　3）系统精简

　　嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。

　　4）高实时性

　　高实时性的系统软件(OS)是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存储，以提高速度；软件代码要求高质量和高可靠性。

　　5）多任务的操作系统

　　嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专用库函数接口，用户必须自行选配RTOS（Real－Time Operating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。

　　6）需要开发工具和环境

　　嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。

　　核心

　　嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下4个特点：

　　1）对实时任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。

　　2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。

　　3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。

　　4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW级。

　　分类

　 　从硬件和软件进行划分

　　基于硬件

　　嵌入式微处理器（Micro Processor Unit，MPU）

　　嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。

　　其中Arm/StrongArm是专为手持设备开发的嵌入式微处理器，属于中档的价位。

　　嵌入式微控制器(Microcontroller Unit， MCU)

　　嵌入式微控制器的典型代表是单片机，从70年代末单片机出现到今天，虽然已经经过了20多年的历史，但这种8位的电子器件在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。

　　由于MCU低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及 MCU 8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列，MCU占嵌入式系统约70%的市场份额，Atmel出产的Avr单片机由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性价比，势必将推动单片机获得更高的发展。

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

　　DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。

　　DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。MPU较低的处理速度无法满足DSP的算法要求，其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技领域。随着大规模集成电路技术发展，1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。其运算速度比MPU快了几十倍，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。至80年代中期，随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。到80年代后期，DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。90年代后，DSP发展到了第五代产品，集成度更高，使用范围也更加广阔。

　　最为广泛应用的是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。

　　嵌入式片上系统(System On Chip)

　　SoC追求产品系统最大包容的集成器件，是嵌入式应用领域的热门话题之一。SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且SOC具有极高的综合性，在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。

　　由于SOC往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，比较典型的SOC产品是Philips的Smart XA。少数通用系列如Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。

　　预计不久的将来，一些大的芯片公司将通过推出成熟的、能占领多数市场的SOC芯片，一举击退竞争者。SOC芯片也将在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域中发挥重要作用。

　　基于软件

　　从软件方面划分，主要可以依据操作系统的类型。嵌入式系统的软件主要有两大类：实时系统和分时系统。其中实时系统又分为两类：硬实时系统和软实时系统。

　　实时嵌入系统是为执行特定功能而设计的，可以严格的按时序执行功能。其最大的特征就是程序的执行具有确定性。在实时系统中，如果系统在指定的时间内未能实现某个确定的任务，会导致系统的全面失败，则系统被称为硬实时系统。而在软实时系统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会导致致命错误。一个硬实时系统往往在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片，而软实时系统则主要在软件方面通过编程实现时限的管理。比如Windows CE就是一个多任务分时系统，而Ucos-II则是典型的实时操作系统。

　　组成

　　硬件层

　　硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用设备接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。

　　嵌入式微处理器

　　嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器与通用CPU最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它将通用CPU许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和

　　嵌入式操作系统

　　可靠性。

　　嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯·诺依曼体系或哈佛体系结构；指令系统可以选用精简指令系统（Reduced Instruction Set Computer，RISC）和复杂指令系统CISC（Complex Instruction Set Computer，CISC）。RISC计算机在通道中只包含最有用的指令，确保数据通道快速执行每一条指令，从而提高了执行效率并使CPU硬件结构设计变得更为简单。

　　嵌入式微处理器有各种不同的体系，即使在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总线宽度，或集成了不同的外设和接口。据不完全统计，全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种，体系结构有30多个系列，其中主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但与全球PC市场不同的是，没有一种嵌入式微处理器可以主导市场，仅以32位的产品而言，就有100种以上的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的。

　　存储器

　　嵌入式系统需要存储器来存放和执行代码。嵌入式系统的存储器包含Cache、主存和辅助存储器。

　　1）Cache

　　Cache是一种容量小、速度快的存储器阵列它位于主存和嵌入式微处理器内核之间，在需要进行数据读取操作时，微处理器尽可能的从Cache中读取数据，而不是从主存中读取，这样就大大改善了系统的性能，提高了微处理器和主存之间的数据传输速率。Cache的主要目标就是：减小存储器（如主存和辅助存储器）给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快，实时性更强。

　　在嵌入式系统中Cache全部集成在嵌入式微处理器内，可分为数据Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的大小依不同处理器而定。一般中高档的嵌入式微处理器才会把Cache集成进去。

　　2）主存

　　主存是嵌入式微处理器能直接访问的寄存器，用来存放系统和用户的程序及数据。它可以位于微处理器的内部或外部，其容量为256KB~1GB，根据具体的应用而定，一般片内存储器容量小，速度快，片外存储器容量大。

　　常用作主存的存储器有：

　　ROM类 NOR Flash、EPROM和PROM等。

　　RAM类 SRAM、DRAM和SDRAM等。

　　其中NOR Flash 凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。

　　3）辅助存储器

　　辅助存储器用来存放大数据量的程序代码或信息，它的容量大、但读取速度与主存相比就慢的很多，用来长期保存用户的信息。

　　嵌入式系统中常用的外存有：硬盘、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等。

　　通用设备接口和I/O接口

　　嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口，如A/D、D/A、I/O等，外设通过和片外其他设备的或传感器的连接来实现微处理器的输入/输出功能。每个外设通常都只有单一的功能，它可以在芯片外也可以内置芯片中。外设的种类很多，可从一个简单的串行通信设备到非常复杂的802.11无线设备。

　　嵌入式系统中常用的通用设备接口有A/D（模/数转换接口）、D/A（数/模转换接口），I/O接口有RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太网接口）、USB（通用串行总线接口）、音频接口、VGA视频输出接口、I2C（现场总线）、SPI（串行外围设备接口）和IrDA（红外线接口）等。

　　中间层

　　硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层（Hardware Abstract Layer，HAL）或板级支持包（Board Support Package，BSP），它将系统上层软件与底层硬件分离开来，使系统的底层驱动程序与硬件无关，上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据BSP 层提供的接口即可进行开发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。BSP具有以下两个特点。

　　硬件相关性：因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，而作为上层软 件与硬件平台之间的接口，BSP需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。

　　操作系统相关性：不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此，不同的操作系统具有特定的硬件接口形式。

　　实际上，BSP是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，包括了系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。设计一个完整的BSP需要完成两部分工作：嵌入式系统的硬件初始化以及BSP功能，设计硬件相关的设备驱动。

　　嵌入式系统硬件初始化

　　系统初始化过程可以分为3个主要环节，按照自底向上、从硬件到软件的次序依次为：片级初始化、板级初始化和系统级初始化。

　　片级初始化

　　完成嵌入式微处理器的初始化，包括设置嵌入式微处理器的核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微处理器核心工作模式和嵌入式微处理器的局部总线模式等。片级初始化把嵌入式微处理器从上电时的默认状态逐步设置成系统所要求的工作状态。这是一个纯硬件的初始化过程。

　　板级初始化

　　完成嵌入式微处理器以外的其他硬件设备的初始化。另外，还需设置某些软件的数据结构和参数，为随后的系统级初始化和应用程序的运行建立硬件和软件环境。这是一个同时包含软硬件两部分在内的初始化过程。

　　系统初始化

　　该初始化过程以软件初始化为主，主要进行操作系统的初始化。BSP将对嵌入式微处理器的控制权转交给嵌入式操作系统，由操作系统完成余下的初始化操作，包含加载和初始化与硬件无关的设备驱动程序，建立系统内存区，加载并初始化其他系统软件模块，如网络系统、文件系统等。最后，操作系统创建应用程序环境，并将控制权交给应用程序的入口。

　　硬件相关的设备驱动程序

　　BSP的另一个主要功能是硬件相关的设备驱动。硬件相关的设备驱动程序的初始化通常是一个从高到低的过程。尽管BSP中包含硬件相关的设备驱动程序，但是这些设备驱动程序通常不直接由BSP使用，而是在系统初始化过程中由BSP将他们与操作系统中通用的设备驱动程序关联起来，并在随后的应用中由通用的设备驱动程序调用，实现对硬件设备的操作。与硬件相关的驱动程序是BSP设计与开发中另一个非常关键的环节。

　　系统软件层

　　系统软件层由实时多任务操作系统（Real-time Operation System，RTOS）、文件系统、图形用户接口（Graphic User Interface，GUI）、网络系统及通用组件模块组成。RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。

　　嵌入式操作系统

　　嵌入式操作系统（Embedded Operation System，EOS）是一种用途广泛的系统软件，过去它主要应用与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、任务调度，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。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言的，它除具有了一般操作系统最基本的功能，还有以下功能：如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等。

　　应用

　　工业控制

　　基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展，已经有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在应用中，网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源主要途径，如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。就传统的工业控制产品而言，低端型采用的往往是8位单片机。但是随着技术的发展，32位、64位的处理器逐渐成为工业控制设备的核心，在未来几年内必将获得长足的发展。

　　交通管理

　　在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌GPS模块，GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几千元，就可以随时随地找到你的位置。

　　信息家电

　　这将称为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使你不在家里，也可以通过电话线、网络进行远程控制。在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地。

　　家庭智能管理

　　水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高，更准确和更安全的性能。在服务领域，如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势。

　　POS网络

　　公共交通无接触智能卡(Contactless Smartcard， CSC)发行系统，公共电话卡发行系统，自动售货机，各种智能ATM终端将全面走入人们的生活，到时手持一卡就可以行遍天下。

　　环境工程与自然

　　水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。在很多环境恶劣，地况复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。

　　机器人

　　嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化，高智能方面优势更加明显，同时会大幅度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。

　　这些应用中，可以着重于在控制方面的应用。就远程家电控制而言，除了开发出支持TCP/IP的嵌入式系统之外，家电产品控制协议也需要制订和统一，这需要家电生产厂家来做。同样的道理，所有基于网络的远程控制器件都需要与嵌入式系统之间实现接口，然后再由嵌入式系统来控制并通过网络实现控制。所以，开发和探讨嵌入式系统有着十分重要的意义。

　　机电产品应用

　　相对于其他的领域，机电产品可以说是嵌入式系统应用最典型最广泛的领域之一。单片机到工控机、SOC在各种机电产品中均有着巨大的市场。

　　移动互联网领域

　　移动互联网领域很多也需要嵌入式开发技术

　　趋势

　　嵌入式操作系统将是未来嵌入式系统中必不可少的组件，其未来发展趋势包括[1]：

　　1、定制化：嵌入式操作系统将面向特定应用提供简化型系统调用接口，专门支持一种或一类嵌入式应用。嵌入式操作系统同将具备可伸缩性、可裁减的系统体系结构，提供多层次的系统体系结构。嵌入式操作系统将包含各种即插即用的设备驱动接口；

　　2、节能化：嵌入式操作系统继续采用微内核技术，实现小尺寸、微功耗、低成本以支持小型电子设备。同时，提高产品的可靠性和可维护性。嵌入式操作系统将形成最小内核处理集，减小系统开销，提高运行效率，并可用于各种非计算机设备；

　　3、人性化：嵌入式操作系统将提供精巧的多媒体人机界面，以满足不断提高的用户需求；

　　4、安全化：嵌入式操作系统应能够提供安全保障机制，源码的可靠性越来越高；

　　5、网络化：面向网络、面向特定应用，嵌入式操作系统要求配备标准的网络通信接口。嵌入式操作系统的开发将越来越易于移植和联网。嵌入式操作系统将具有网络接入功能，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；

　　6、标准化：随着嵌入式操作系统的广泛应用的发展，信息交换、资源共享机会增多等问题的出现，需要建立相应的标准去规范其应用。