嵌入式系統的新特點

陳建杰

(中國空空導彈研究院凱邁(洛陽)電子有限公司，河南 洛陽 471009)

隨著半導體工藝的發展和系統設計水平的進步，單片機的性能大幅度地提高，因而應用的領域更加廣闊。而由于網絡和通信的迅速發展，近年來嵌入式系統在硬件和軟件上都出現了許多新的特點。

1 嵌入式處理器

嵌入式系統的核心處理器已經向兩個方向分化：一個是8 bit/16 bit的處理器經過擴展實現嵌入式Internet；另一個是32 bit的RISC處理器用在如交換機、路由器一類的通信領域。

Ubicom公司(前稱為 Scenix，提供 SX系列高速 8 bit單片機和虛擬外設技術)新一代的8 bit互聯網處理器IP2022可以作為前一類處理器的代表。新一代的高速IP2022具有100 MHz的工作頻率，實現了確定性的指令執行和中斷響應時間，特別適合于8 bit單片機嵌入式 Internet系統應用[1]。

32 bit的嵌入式RISC處理器目前有影響力的系列包括PowerPC、MIPS和ARM三類處理器。

PowerPC系列處理器的內核由IBM、Motorola和Apple三家公司聯合開發，當時的目標是替代Intel的80x86，但是目前也推出了許多嵌入式產品，如用得較多的PowerPC 860和PowerPC 8260等。

MIPS內核目前在日本應用較多，如日立半導體公司產品，MIPS內核處理器中最著名的是用于Sony游戲機PS2的核心處理器，稱為情感處理器 (Emotion Engine)。該處理器含有MIPS核心和128 bit的矩陣處理機。這種把RISC核與DSP等結合起來的產品SoC(System on Chip)是未來的一種趨勢，即嵌入式系統的應用人員應該關心SoC而不是核。

ARM處理器也是內核類應用，因為幾乎沒有使用ARM“芯片”。ARM的開發公司在英國，稱為增強的RISC機器(Advanced RISC Machine)。大約十幾年前，ARM內核曾經是業界的驕傲，因為它使用了大約十萬門器件實現了當時最快的CISC處理器的性能。但RISC的主要困難在于C語言編譯程序，單獨使用其外圍芯片比較麻煩。所以一般ARM以發售使用許可證的方式授權各相關芯片開發商來研制各自的微處理器。目前，ARM系列處理器在通信終端產品(特別是手持設備，如手機)中有著廣泛的應用。如TI公司的TMS320C5410采用了DSPC549和ARM7內核封裝在一個芯片中，還包含有Intel的IXP1200網絡處理機。

2 嵌入式操作系統

在嵌入式操作系統方面，也有一些新變化。近來嵌入式系統出現了許多新的特點，特別是嵌入式DSP技術和嵌入式Internet技術的出現，使得這些成熟的RTOS表現出了一定程度的不適應性。由于無處不在的數字化和無處不在的通信，嵌入式系統開發迫切需要面向應用的、可裁剪的嵌入式實時操作系統(即特定應用的嵌入式實時操作系統)。

特定應用的嵌入式實時操作系統ASOS(Application Specific Operating Systems)是指面向應用的、專用特制的嵌入式實時操作系統。它除具有基本的處理多任務、文件及設備驅動的操作系統功能外，還應具有如下系統特性：

(1)面向特定應用的簡化型系統調用接口，專門支持一種或一類嵌入式應用。

(2)最小內核處理集，系統開銷小，運行效率高，并可用于各種非計算機設備。

(3)可伸縮性、可裁剪的系統體系結構，提供多層次的系統體系結構。

(4)具有各種即插即用的設備驅動接口。

(5)具有網絡如Internet或無線接入功能，提供TCP/UDP/IP/PPP協議支持及統一的MAC訪問層接口，為各種移動計算設備預留接口。

ASOS與通用型RTOS相比較，有以下差別：

(1)ASOS更強調面向應用的功能專用性，如面向某一(組)應用的高可靠性的部分功能集，而并不像RTOS的系統通用性與系統資源可配置性。

(2)ASOS更強調面向應用的實時高性能，而RTOS強調系統的整體效率。

(3)ASOS更強調系統結構的可伸縮性和可裁剪性，其極典型的例子是傳真機操作系統OS for FAX Machine。

(4)ASOS更強調與Internet的連接，特別是無線接入接口。

面向應用的嵌入式操作系統ASOS已經引起許多相關行業的重視，出現了一些專門的研制開發公司，隨著對應用高性能、低成本的不斷追求，ASOS將成為許多產品的核心。本文介紹兩種ASOS類產品：一個針對TI TMSC62x DSP，一個針對嵌入式Internet的IP2022。它們都是各自公司與器件配套開發的產品，具有強大的主機開發支持工具，靈活的可配置、可裁剪性。不過在名稱上，它們都沒有直接被稱作“RTOS”。

(1)Ubicom公司的IpModules

IpModules是Ubicom公司為其新一代的8 bit互聯網處理器IP2022開發的系統軟件模塊集。IpModules利用預先構建好的軟件模塊實現各種傳統硬件功能，可以靈活、高效地實現10 baseT以太網和USB接口，包括核心操作系統服務(ipOS)、IP協議棧(ipStack)、Ethernet虛擬外設(ipEthernet)以及其他的IO服務(ipIO)。此外，還有一個HTTP/1.1(超文本傳輸協議 v1.1)和 Web服務器(ipWeb)。這些特點使得IP2022特別適合于8 bit單片機嵌入式Internet系統應用。

(2)TI公司的DSP/BIOS

DSP/BIOS可運行于TMS320C5x和TMS320C6x系列DSP器件上，整個系統由實時庫和應用程序接口、主機配置工具以及插件(PlugIns)三大部分組成。實時庫和應用程序接口提供應用程序直接調用的接口函數，RTOS的基本功能由這一部分實現。主機配置工具用來靜態定義應用系統組成，用戶可以使用這個工具描述系統功能，實現操作系統的伸縮和裁剪。插件用來支持調試、主機數據傳遞和軟件儀器等諸多功能。DSP芯片上的JTAG邊界掃描接口實現目標系統和PC主機的數據交換。為了降低CPU的開銷和減少系統存儲器的占用，DSP/BIOS同樣采用了一些新的思想。通過這些措施，DSP/BIOS實現了高效、簡潔的結構[2]。

Internet與網絡的迅速普及應用，并向家庭領域不斷擴展，使消費電子、計算機、通信(3C)一體化趨勢日趨明顯，嵌入式系統再度成為研究與應用的熱點。嵌入式系統應用的特點也將發生新的變化。

[1]UBICOM.IP2022 Internet processor user′s manual.2002.

[2]TI.TMS320C6000 DSP/BIOS application programming interface(API)ref guide(rev.F)2003.