計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

摘要：傳統(tǒng)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的緩存機(jī)制在執(zhí)行時(shí)會出現(xiàn)許多報(bào)文塊會過度消耗系統(tǒng)CPU使用壽命。為此，文中提出基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在硬件設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)，保留基本服務(wù)在系統(tǒng)內(nèi)核中，將其他功能移出到用戶空間，設(shè)計(jì)以太網(wǎng)控制器，使系統(tǒng)在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)各種功能。在軟件設(shè)計(jì)上，優(yōu)化嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，針對不同的報(bào)文采取不同的處理方式，同時(shí)處理產(chǎn)生的實(shí)時(shí)信號，將信號與報(bào)文結(jié)合在一起，預(yù)測系統(tǒng)下一步操作，達(dá)到實(shí)時(shí)操作的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)內(nèi)存空間占比小，數(shù)據(jù)開銷小，系統(tǒng)CPU使用壽命得到增長。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)操作系統(tǒng);計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù);系統(tǒng)設(shè)計(jì);以太網(wǎng)控制器;緩存機(jī)制;報(bào)文處理;信號處理

引言

嵌入式軟件指的是支持嵌入式裝置運(yùn)行的軟件層或是應(yīng)用軟件層，主要負(fù)責(zé)處理計(jì)算機(jī)發(fā)出的各項(xiàng)控制指令。嵌入式軟件能夠增值嵌入式設(shè)備，通過軟件代碼間的相互作用，實(shí)現(xiàn)軟件的不同功能[1]。隨著嵌入式軟件應(yīng)用面不斷拓展，軟件與局域網(wǎng)間的連接問題逐漸成為研究熱點(diǎn)。國外對嵌入式軟件研究起步較早，在軟件與網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤故障的檢測上也起步較早，借助于解析模型手段，現(xiàn)已研究得到實(shí)時(shí)檢測方法。國內(nèi)在研究嵌入式軟件上的時(shí)間并不久，但在我國研究人員不斷地努力下，已經(jīng)得到了多種檢測方法和測試平臺。文獻(xiàn)[2]提出嵌入式通信系統(tǒng)遠(yuǎn)程高速數(shù)據(jù)準(zhǔn)確識別檢測，分析遠(yuǎn)程高速數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)增高預(yù)警值，建立遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信傳輸模型，利用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)點(diǎn)均值處理系統(tǒng)中的無效數(shù)據(jù)，采用動態(tài)平均線處理方法對通信系統(tǒng)中的有效數(shù)據(jù)缺失進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償，獲得有效數(shù)據(jù)交叉信息鏈，連接相對獨(dú)立的多個(gè)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)點(diǎn)均值，計(jì)算出數(shù)據(jù)的包絡(luò)特征值，用于識別通信系統(tǒng)中的有效數(shù)據(jù)，形成遠(yuǎn)程有效數(shù)據(jù)時(shí)域波形信息分量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確識別檢測。文獻(xiàn)[3]提出采用隨機(jī)Petri網(wǎng)的嵌入式機(jī)載軟件可靠性檢測，針對典型缺陷，建立了嵌入式機(jī)載軟件系統(tǒng)行為模型，給出了典型缺陷的檢測策略和判斷準(zhǔn)則，通過對Petri網(wǎng)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證系統(tǒng)是否存在這種設(shè)計(jì)缺陷，并給出了軟件設(shè)計(jì)運(yùn)行過程的仿真驗(yàn)證算法，以完成可靠性檢測。

1嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)特征

與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)本身所具備的簡便性特征，保證在控制程序中以嵌入式結(jié)構(gòu)作為主體控制功能，深植于各個(gè)設(shè)備載體中，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)運(yùn)行體系的監(jiān)控。此類嵌入式運(yùn)作模式，在工業(yè)生產(chǎn)以及智能操控中具有較大的優(yōu)勢。例如物聯(lián)網(wǎng)體系、自動化生產(chǎn)體系以及智能家居體系中，嵌入式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可將整個(gè)功能建設(shè)在系統(tǒng)運(yùn)行訴求之上，進(jìn)而達(dá)到高質(zhì)量、高效率的運(yùn)行基準(zhǔn)。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的運(yùn)行特征如下。（1）能耗低屬性。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)所搭載的設(shè)備具有小巧型與簡便性，整個(gè)設(shè)備在運(yùn)行過程中可以在短時(shí)間內(nèi)完成高效率處理，降低能源損耗，提高整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命。（2）在存儲量方面。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要是以閃存處理器為主，其所具備的存儲量較小，這也使得在實(shí)際應(yīng)用過程中可以更為優(yōu)質(zhì)的解決小型電子設(shè)備高效率傳輸?shù)膯栴}。但是其也存在一定的局限，無法支撐大容量存儲設(shè)備的運(yùn)行。（3）在可靠性方面。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中可以按照主體指令的下達(dá)，對整個(gè)操作模式進(jìn)行可靠性、穩(wěn)定性的支撐，保證每一類數(shù)據(jù)信息在核對過程中規(guī)避數(shù)據(jù)故障問題，提供更為優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。從結(jié)構(gòu)屬性來講，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)本身所具備的模塊功能，可以按照不同管理機(jī)制建設(shè)出針對性可行性的管控方案。在整個(gè)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的影響，保證每一類機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的獨(dú)立性，利用設(shè)備管理存儲器管理，文件管理等，通過不同專業(yè)機(jī)構(gòu)的設(shè)定，令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用過程中具有層次性與關(guān)聯(lián)性，真正實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息以及相關(guān)質(zhì)量的層次化處理，提高數(shù)據(jù)羅列質(zhì)量。

2計(jì)算機(jī)嵌入實(shí)時(shí)系統(tǒng)的展望

從現(xiàn)有的系統(tǒng)運(yùn)行角度來講，整個(gè)系統(tǒng)處理功能的實(shí)現(xiàn)是建立在網(wǎng)絡(luò)需求之上，同時(shí)受到軟件與硬件方面的制約，操控系統(tǒng)在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的荷載量也在逐漸增大。這就需要系統(tǒng)在未來發(fā)展過程中，按照系統(tǒng)本身所具備定向性功能，進(jìn)行逐步分解與更新，在保證系統(tǒng)關(guān)聯(lián)運(yùn)行功能前提下，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立化操作，真正將整個(gè)功能建設(shè)于系統(tǒng)組織之上。

（1）系統(tǒng)化。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具備的應(yīng)用特征，隨著多類型需求而逐漸擴(kuò)大，這就需要在綜合化、復(fù)雜化的處理工藝下，嵌入式開發(fā)設(shè)計(jì)質(zhì)量也應(yīng)隨之提升，真正實(shí)現(xiàn)以自我核心為基準(zhǔn)的優(yōu)化與改進(jìn)，保證每一項(xiàng)開發(fā)功能，在具體實(shí)現(xiàn)過程中，將系統(tǒng)化作為核心，建立在數(shù)據(jù)信號高效率處理訴求之上。

（2）生活化。隨著嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的逐步應(yīng)用，其已經(jīng)在工業(yè)產(chǎn)業(yè)、交通管理產(chǎn)業(yè)以及智能控制方面得到了更為廣泛的應(yīng)用。為進(jìn)一步提高嵌入式系統(tǒng)與社會技術(shù)需求之間的對接，則必須向生活化方向所轉(zhuǎn)變，保證簡便式的操作，可以扶持各類操控機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)運(yùn)行。例如，目前智能設(shè)備所具備的語音實(shí)時(shí)錄入與轉(zhuǎn)換功能，改變傳統(tǒng)手工錄入的形式，通過系統(tǒng)多功能錄入與識別，保證數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)木珳?zhǔn)性。

（3）網(wǎng)絡(luò)化。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)、5G技術(shù)的到來，互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)組成的萬物互聯(lián)體系，真正與人們?nèi)粘Ｉ钆c工作相結(jié)合，這也認(rèn)證了以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為核心的各類發(fā)展體系，正在逐步滲透在行業(yè)發(fā)展規(guī)律之中，甚至可能形成以科學(xué)技術(shù)為驅(qū)動的客觀發(fā)展體系。對于此，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)必須跟隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程操控，保證每一位功能在對接過程中可以依據(jù)數(shù)字信息、數(shù)字化信號等實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈接，提高整體操控質(zhì)量。

（4）優(yōu)化嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收通過簡單的函數(shù)調(diào)用即可實(shí)現(xiàn)，但是因?yàn)閳?bào)文的不可預(yù)知性，會導(dǎo)致系統(tǒng)額外的開銷增加。因此，本文利用嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議優(yōu)化方法解決上述中的難題。對于短小的報(bào)文，不需要在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)過多的函數(shù)功能，所以利用層次旁路確定協(xié)議層次的協(xié)議規(guī)范。根據(jù)系統(tǒng)功能需求，決定必要的協(xié)議層次功能，將待使用的協(xié)議實(shí)現(xiàn)函數(shù)組合成小型模塊，同時(shí)去除掉無用的協(xié)議層次，避免協(xié)議層次產(chǎn)生的多余開銷[13]。對于長報(bào)文，利用系統(tǒng)內(nèi)部的任務(wù)調(diào)度方法，創(chuàng)建接收數(shù)據(jù)緩存，提供緩存映射指針，調(diào)用OS服務(wù)，使用相關(guān)的協(xié)議處理模塊將其分組，通過內(nèi)存映射直接從緩存中接收數(shù)據(jù)，減少處理長報(bào)文過程中的數(shù)據(jù)拷貝，達(dá)到節(jié)省開銷的目的。

總結(jié)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)持續(xù)性更新發(fā)展下，對相關(guān)設(shè)備載體的運(yùn)行提出更高訴求，這就需要從多個(gè)方面分析出技術(shù)的可優(yōu)化特征，打造出更為完整的技術(shù)框架，提高系統(tǒng)應(yīng)用性能。從嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)可以滿足實(shí)時(shí)操控需求，且系統(tǒng)本身不再局限于邏輯性預(yù)算體系內(nèi)，通過預(yù)測與分析功能，更好地在整個(gè)數(shù)據(jù)體系下完成自主優(yōu)化時(shí)的操作，確保每一類系統(tǒng)功能的開放性與兼容性，實(shí)現(xiàn)對固有計(jì)算機(jī)行業(yè)的有效促進(jìn)。為此，針對嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，需要從多個(gè)角度界定出系統(tǒng)框架的應(yīng)用特征，結(jié)合外部應(yīng)用環(huán)境，創(chuàng)建更為完整的技術(shù)框架，滿足系統(tǒng)運(yùn)行的需求。

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個(gè)人簡介：楊飛飛，男，漢，出生于1978.1.11，陜西咸陽人，學(xué)歷：本科，畢業(yè)院校：西北工業(yè)大學(xué)，職稱：中級，研究方向：嵌入式計(jì)算機(jī)應(yīng)用，郵箱：1578194904@qq.com