嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

西安外事學(xué)院工學(xué)院 蘇培華

1.引言

嵌入式操作系統(tǒng)EOS(Embedded Operating System)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，它與嵌入式系統(tǒng)密不可分。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，它是集軟硬件于一體的可獨(dú)立工作的“器件”。

嵌入式技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了四個(gè)階段：第一階段是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)，同時(shí)具有與監(jiān)測(cè)、伺服、指示設(shè)備相配合的功能。第二階段是以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、以簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。第三階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。第四階段是以基于Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)，這是一個(gè)正在迅速發(fā)展的階段。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)提出了更高的要求。因此，對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、用戶界面等諸多方面進(jìn)行深入研究，將有助于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展。

2.嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r

國外嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)從簡(jiǎn)單走向成熟，主要有Vxwork、QNX、Palm OS、Windows CE等。國內(nèi)的嵌入式操作系統(tǒng)研究開發(fā)有2種類型，一類是基于國外操作系統(tǒng)二次開發(fā)完成的，如海信的基于Windows CE的機(jī)頂盒系統(tǒng)；另一類是中國自主開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，如凱思集團(tuán)公司自主研制開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)Hopen OS（“女媧計(jì)劃”）等。

Windows CE內(nèi)核較小，能作為一種嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用到工業(yè)控制等領(lǐng)域。其優(yōu)點(diǎn)在于便攜性、提供對(duì)微處理器的選擇以及非強(qiáng)行的電源管理功能。內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)通信能力使Windows CE能夠訪問Internet并收發(fā)E-mail或?yàn)g覽Web。除此之外，Windows CE特有的與Windows類似的用戶界面使最終用戶易于使用。Windows CE的缺點(diǎn)是速度慢、效率低、價(jià)格偏高、開發(fā)應(yīng)用程序相對(duì)較難。

3Com公司的Palm OS在掌上電腦和PDA市場(chǎng)上獨(dú)占其霸主地位，它有開放的操作系統(tǒng)應(yīng)用程序接口(API)，開發(fā)商可根據(jù)需要自行開發(fā)所需的應(yīng)用程序。

QNX是由加拿大QSSL公司開發(fā)的分布式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它由微內(nèi)核和一組共操作的進(jìn)程組成，具有高度的伸縮性，可靈活地剪裁，最小配置只占用幾十KB內(nèi)存。因此，可以廣泛地嵌入到智能機(jī)器、智能儀器儀表、機(jī)頂盒、通訊設(shè)備、PDA等應(yīng)用中去。

Hopen OS是凱思集團(tuán)自主研制開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，由一個(gè)體積很小的內(nèi)核及一些可以根據(jù)需要進(jìn)行定制的系統(tǒng)模塊組成。其核心Hopen Kernel一般為10KB左右大小，占用空間小，并具有實(shí)時(shí)、多任務(wù)、多線程的系統(tǒng)特征。

在眾多的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)產(chǎn)品中，WindRiver公司的VxWorks是較為有特色的一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。VxWorks支持各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括POSIX、ANSI C和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。VxWorks運(yùn)行系統(tǒng)的核心是一個(gè)高效率的微內(nèi)核，該微內(nèi)核支持各種實(shí)時(shí)功能，包括快速多任務(wù)處理、中斷支持、搶占式和輪轉(zhuǎn)式調(diào)度。微內(nèi)核設(shè)計(jì)減輕了系統(tǒng)負(fù)載并可快速響應(yīng)外部事件。在美國宇航局的“極地登陸者”號(hào)、“深空二號(hào)”和火星氣候軌道器等登陸火星探測(cè)器上，就采用了VxWorks，負(fù)責(zé)火星探測(cè)器全部飛行控制，包括飛行糾正、載體自旋和降落時(shí)的高度控制等，而且還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集和與地球的通信工作。目前在全世界裝有VxWorks系統(tǒng)的智能設(shè)備數(shù)以百萬計(jì)，其應(yīng)用范圍遍及互聯(lián)網(wǎng)、電信和數(shù)據(jù)通信、數(shù)字影像、網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)外設(shè)、汽車、火控、導(dǎo)航與制導(dǎo)、航空、指揮、控制、通信和情報(bào)、聲納與雷達(dá)、空間與導(dǎo)彈系統(tǒng)、模擬和測(cè)試等眾多領(lǐng)域。

3.嵌入式Linux的應(yīng)用開發(fā)前景

Linux是個(gè)與生俱來的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，成熟而且穩(wěn)定。Linux是源代碼開放軟件，不存在黑箱技術(shù)，任何人都可以修改它，或者用它開發(fā)自己的產(chǎn)品。Linux系統(tǒng)是可以定制的，系統(tǒng)內(nèi)核目前已經(jīng)可以做得很小。一個(gè)帶有中文系統(tǒng)及圖形化界面的核心程序也可以做到不足1MB，而且同樣穩(wěn)定。Linux作為一種可裁減的軟件平臺(tái)系統(tǒng)，是發(fā)展未來嵌入設(shè)備產(chǎn)品的絕佳資源，遍布全球的眾多Linux愛好者又能給予Linux開發(fā)者強(qiáng)大的技術(shù)支持。因此，Linux作為嵌入式系統(tǒng)新的選擇，是非常有發(fā)展前途的。

（1）與硬件芯片的緊密結(jié)合

后PC時(shí)代的智能設(shè)備已經(jīng)逐漸地模糊了硬件與軟件的界限，SOC系統(tǒng)（System On Chip）的發(fā)展就是這種軟硬件無縫結(jié)合趨勢(shì)的證明。隨著處理器片內(nèi)微碼的發(fā)展，在將來可能出現(xiàn)在處理器片內(nèi)嵌進(jìn)操作系統(tǒng)的代碼模塊。

嵌入式Linux的一大特點(diǎn)是：與硬件芯片(如SOC等)的緊密結(jié)合。它不是一個(gè)純軟件的Linux系統(tǒng)，而比一般操作系統(tǒng)更加接近于硬件。嵌入式Linux的進(jìn)一步發(fā)展，逐步地具備了嵌入式RTOS的一切特征：實(shí)時(shí)性及與嵌入式處理器的緊密結(jié)合。

（2）開放的源代碼

嵌入式Linux的另一大特點(diǎn)是：代碼的開放性。代碼的開放性是與后PC時(shí)代的智能設(shè)備的多樣性相適應(yīng)的。代碼的開放性主要體現(xiàn)在源代碼可獲得上，Linux代碼開發(fā)就像是“集市式”開發(fā)，任意選擇并按自己的意愿整合出新的產(chǎn)品。

對(duì)于嵌入式Linux，事實(shí)上是把BIOS層的功能實(shí)現(xiàn)在Linux的driver層。目前，在Linux領(lǐng)域，已經(jīng)出現(xiàn)了專門為Linux操作系統(tǒng)定制的自由軟件的BIOS代碼，并在多款主板上實(shí)現(xiàn)此類的BIOS層功能。

（3）嵌入式Linux與硬件芯片的緊密結(jié)合

對(duì)于許多信息家電的應(yīng)用來說，嵌入的性能指標(biāo)是最難滿足的，只有靠提高芯片的集成度與裝配密度來解決。嵌入式Linux與標(biāo)準(zhǔn)Linux的一個(gè)重要區(qū)別是嵌入式Linux與硬件芯片的緊密結(jié)合。這是一個(gè)不可逾越的難點(diǎn)，也是嵌入式Linux技術(shù)的關(guān)鍵之處。嵌入式Linux和商用專用RTOS一樣，需要編寫B(tài)SP(Board Support Package)，這相當(dāng)于編寫PC的BIOS。這不僅僅是嵌入式Linux的難點(diǎn)，也是使用商用專用RTOS開發(fā)的難點(diǎn)。硬件芯片（SOC芯片或者是嵌入式處理器）的多樣性也決定了代碼開放的嵌入式Linux的成功。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，必然導(dǎo)致軟硬件無縫結(jié)合的趨勢(shì)，逐漸地模糊了硬件與軟件的界限，在將來可能出現(xiàn)SOC片內(nèi)的操作系統(tǒng)代碼模塊。

隨著處理器片內(nèi)微碼的發(fā)展，在將來應(yīng)出現(xiàn)在處理器片內(nèi)嵌進(jìn)操作系統(tǒng)的代碼模塊，很顯然模塊將具有安全性好、健壯性強(qiáng)、代碼執(zhí)行效率高等特點(diǎn)。著眼于未來的嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，我們基于對(duì)嵌入式Linux技術(shù)的深入研究，對(duì)嵌入式處理器及SOC系統(tǒng)的深刻理解和研究；對(duì)EDA技術(shù)的深入研究；對(duì)模擬數(shù)字混合集成電路芯片的深入研究；對(duì)SOC片內(nèi)進(jìn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)代碼的植入研究。此類的研究有可能減輕系統(tǒng)開發(fā)者對(duì)BSP開發(fā)的難度要求，并使得嵌入式Linux能夠成為普及的嵌入式操作系統(tǒng)，而大大提高嵌入式Linux的易用性，提高其開發(fā)出的高智能設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性，同時(shí)也大大提高智能設(shè)備的計(jì)算能力、處理能力。

4.開發(fā)嵌入式Linux的幾個(gè)問題

（1）Linux的移植。如果Linux不支持選用的平臺(tái)，就需要把Linux內(nèi)核中與硬件平臺(tái)相關(guān)的部分改寫，使之支持所選用的平臺(tái)。

（2）內(nèi)核的裁剪。嵌入式產(chǎn)品的可用資源比較少，所以它的內(nèi)核相對(duì)嵌入式系統(tǒng)來說就顯得有點(diǎn)大，需要進(jìn)行剪裁到可利用的大小。

（3）桌面系統(tǒng)。現(xiàn)代的操作系統(tǒng)如果沒有一個(gè)友好的界面是沒有說服力的。現(xiàn)在的臺(tái)式機(jī)Linux系統(tǒng)使用了傳統(tǒng)的X Window系統(tǒng)的模式—Client/Server結(jié)構(gòu)。適用于嵌入式Linux上的X Window的工作也在進(jìn)行。

（4）驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。Linux內(nèi)核更新的很快，許多最新的硬件驅(qū)動(dòng)很快就被支持。但嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域是多種多樣的，所選用的硬件設(shè)備也不同，并且不可能都有Linux的驅(qū)動(dòng)程序，因此，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)也是重要的工作。

（5）應(yīng)用軟件的開發(fā)。

（6）中文的支持。

5.結(jié)束語

目前，絕大部分嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)還掌握在外國公司的手中，國產(chǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)在技術(shù)含量、兼容性、市場(chǎng)運(yùn)作模式等方面也還有很多工作要做，我們應(yīng)該在跟蹤國外嵌入式操作系統(tǒng)的最新技術(shù)的同時(shí)，堅(jiān)持自主產(chǎn)權(quán)，力爭(zhēng)找到自己的突破點(diǎn)，探索出一條自己的發(fā)展道路。

[1]吳旭光,何軍紅.嵌入式操作系統(tǒng)原理與應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[2]吳國偉,畢玲,陳慶.嵌入式操作系統(tǒng)原理及應(yīng)用開發(fā)[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[3]王金龍,蘇瑞元,江叔盈,等.嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社,2009.