淺析嵌入式操作系統的應用與發展

摘 要：本文通過闡述嵌入式操作系統的含義，探索其歷史的發展，掌握其發展規律，并據此闡述該系統的發展以及應用的趨勢。

關鍵詞：嵌入式操作系統；應用；發展

隨著計算機技術的發展，以芯片技術以及軟件技術為核心的數字化技術也迅猛發展起來，其涉及范圍之廣。領域之寬，都是前所未有的。從國內，到國外，都掀起了一場數字化技術的變革。

1 嵌入式操作系統的含義及其歷史的發展

1.1 嵌入式操作系統的含義

所謂嵌入式操作系統，就是指包括與硬件相關的系統內核、通信協議、標準化瀏覽器、底層驅動軟件、設備驅動接口、圖像界面等browser的一種系統。其作為一種支持嵌入式系統應用的操作系統軟件，是嵌入系統的重要組成部分。嵌入式系統包括了由相關支撐硬件、嵌入式處理器、嵌入式處理器、嵌入式操作系統以及應用軟件系統等。嵌入式操作系統具備通用操作系統的基本特點：如能夠把硬件虛擬化、把研發人員從繁忙的驅動程序移植和維護中解脫出來、能夠提供庫函數、驅動程式、工具集連同應用程式以及能夠有效管理越來越復雜的系統資源。與普通操作系統相比較，嵌入式操作系統具有硬件的相關依賴性、軟件固體化聯同應用的專業性性能突出、實時性高效等特點。嵌入式操作系統作為一種集軟硬件于一體的可獨立性工作的“器件”，是以應用為中心，對于應用系統的絕對功能包括可靠性、體積、成本、功耗等系統中綜合性能有嚴格要求的一款專用計算機系統。

1.2 嵌入式操作系統歷史的發展

世界上第一個嵌入式系統是在1981年由Ready System發展的商業性嵌入式實時內核（VRTX32），距今已有30年的歷史了。縱觀歷史，嵌入式系統歷史的發展有三個明顯的階段：

階段一，是嵌入式系統的出現階段。這一階段的主要特征是：操作系統處理效率低下、存儲容量小、系統的結構以及功能都相對單一、幾乎沒有用戶接口，受眾群體為各類專業領域。作為嵌入式系統的早期階段，這種系統以其專用計算機簡單的功能或者以可編程控制器的單片機為核心的形式存在，具備設備指示、監測、伺服等功能，大部分的系統運用于各類工業控制與飛機、導彈等武器裝備中。由于早期嵌入式系統并沒有操作系統的支持，對系統的控制是通過匯編語言編程直接進行的，運行結束后對內存進行清理。

階段二，是簡單監控式的實時操作系統階段。該階段以嵌入式CPU和嵌入式操作系統為標志。隨著計算機硬件高可靠、低功耗嵌入CPU，如Power PC等的出現，推動了各類商業嵌入式操作系統相繼出現并以迅雷不及掩耳之勢發展起來。該階段鮮明的特點是系統開銷小、效率高處理器種類繁多、較差的通用性、由于配備系統仿真器，因此操作系統具有一定的兼容性與擴展性。另外，由于軟件較專業，用戶界面不大友好。該階段嵌入式操作系統主要是用來控制系統的負載以及監控運用程序的運行。

階段三，在這個階段，Vx Works、pSoS、OS-9、windowsCE就是典型代表，該階段作為通用型嵌入式實時操作系統階段，具有高度模塊化、拓展性；大量的應用程序接口（API）以及文件和目錄管理，多任務；網絡支持、圖形窗口、設備支持、用戶界面等功能，開發程序簡單、嵌入式應用軟件豐富等特點。這一階段該系統的典型特點就是能夠在各種不同類型強大的微處理器上運行。

2 嵌入式操作系統的應用趨勢

使該嵌入式操作系統支持虛擬存儲器是該系統應用趨勢之一。標準Linus的核心支持虛擬存儲器，它控制著處理器內存的管理單元（MMU），將虛擬內存地址映射為物理內存地址。使用支持虛擬存儲器的優勢有很多，這包括：可以運行比物理內存還大的程序，并且真正的啟動時間會縮短。在加載程序方面，可以運行部分加載程序，大大縮短了程序員分配與管理內存的負擔，可以真正實現代碼共享，并提供相應的內存保護等。但從目前系統發展來看，許多嵌入式CPU中取消了MMU部件，這很容易引發一系列問題，比如：HCLinux在裝入程序時，程序的實際加載地址需要加載器重新完成一個地址重定位的過程，并且要求該系統要一次性分配出足夠的、連續的物理內存。另一方面，由于不能計算機中電腦磁盤并不能實現空間的轉換，系統更容易面臨物理內存耗盡的困境。此外，Window系列嵌入式的操作系統有程序員所熟悉的API以及友好的用戶界面，并且有捆綁相應的IE、Office等應用程序，為其公司Win、CE或者標準的Linux操作系統的開發爭取到更多的競爭優勢與市場份額。

從目前上看，HC/OS-II和HCLinux等嵌入式操作系統是不需要內存管理單位（MMU）進行支持的，可以自由運行在ARM7TDMT硬件平臺上。由于該ARM7TDMT系列的處理器并不帶MMU功能，因此并不支持Win、CE或者標準的Linux操作系統的使用，倘若用戶需要使用此操作系統并減少軟件開發的時間，就需要選擇ARM720T以上攜帶MMU功能的ARM芯片。

3 嵌入式操作系統的發展趨勢

目前，隨著技術的發展，各種嵌入式Linux操作系統正迅速發展并搶占市場份額，與原先Window CE等嵌入式操作系統形成了一個相互競爭的局面。各種嵌入式Linux操作系統的迅速發展，在于它抓住了市場需求。信息時代的到來，讓人們對系統源碼這一層面上提出要求，人們希望軟件自由并且嵌入式應用系統要有足夠的特制性，嵌入式Linux操作系統就滿足人們這一需求，其不僅僅有開放源代碼，并且具有系統內存小、效率高、內核網絡結構完整、裁剪后適用于信息家電等嵌入式系統的研發等特點。當前，嵌入式Linux操作系統的可靠化以及產品化是制約其更好更快發展的一個因素。

Window CE是一個具有典型性的嵌入式操作系統。由于其嵌入式操作系統是由桌面操作系統演變而來的，雖然提供了大量桌面操作系統的功能，但相較于真正意義上的嵌入式操作系統仍存在差距。一個突出的地方就是Window CE在進行內核設計時并沒有考慮到系統的高度以及可裁剪性。

以VxWorks為代表的傳統嵌入式操作系統作為專門為嵌入式微處理器設計的高性能、高模塊化的實時操作系統，是當前市場率占有最高，使用最為廣泛，較具優勢的幾大系統。其突出的安全性、容錯性以及系統的靈活性，讓其活躍在每一個領域，包括：電子消費市場、無線通信產品、工業自動化。數字電信、醫療儀器以及多媒體設備等。雖然其提供專用的API接口i，但是其網絡連接功能較差，應用程度并不理想。系統應對程序開發支持相對較弱。目前網絡環境復雜，對于系統專業化程度的要求也越來越高，對于許多處理器嵌入式系統的應用需要而言，仍無法滿足。

為此，下一代嵌入式操作系統需要進行系統體系架構、調度算法等方面的調整。融入面向分布式容錯等技術，根據嵌入式系統的時代要求，發展嵌入式系統可定制。可裁剪等特點，發展分布式技術以及定制技術。

3.1 構筑專用的、應用的嵌入式實時操作系統

首先，應構筑ASOS體系結構。ASOS作為一個可裁剪、可伸縮、可提供多層次的、實現功能對象化的系統體系結構，實行多層次的構筑有利于操作系統功能的規整與伸縮性，有利于實現對象系統功能的裁剪與增添。構筑ASOS的主要方法有兩個：面向應用的裁剪生成辦法以及基于模式的生成辦法。基于這兩種模式的生成辦法，可以進一步地開發、設計ASOS的系統。

3.2 構筑分布式計算設計實時操作系統

構筑Spring kemel的分布式環境，建立一個用反射內存互聯的環形網絡。其具有任務管理新范型、調度策略與分發機制分離等特點，可以真正實現調度策略的優化工作完全由人來完成，并通過指定一些可供機器識別的緊要性參數。

4 結語

全球嵌入式操作系統的發展空間正隨著通信、互聯網、計算機等市場的發展而不斷發展。及時把握下一代嵌入式微處理器處理結構的靈活性，努力跟蹤技術新動態，為我國嵌入式操作系統的發展提供一片更為肥沃的土壤。

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