嵌入式操作系统 订阅
嵌入式操作系统(Embedded Operating System,简称:EOS)是指用于嵌入式系统的操作系统。嵌入式操作系统是一种用途广泛的系统软件,通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、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。目前在嵌入式领域广泛使用的操作系统有:嵌入式实时操作系统µC/OS-II、嵌入式Linux、Windows Embedded、VxWorks等,以及应用在智能手机和平板电脑的Android、iOS等。 展开全文
嵌入式操作系统(Embedded Operating System,简称:EOS)是指用于嵌入式系统的操作系统。嵌入式操作系统是一种用途广泛的系统软件,通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、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。目前在嵌入式领域广泛使用的操作系统有:嵌入式实时操作系统µC/OS-II、嵌入式Linux、Windows Embedded、VxWorks等,以及应用在智能手机和平板电脑的Android、iOS等。
信息
外文名
Embedded Operating System
简    称
EOS
类    型
系统软件
中文名
嵌入式操作系统
应用领域
工业控制和国防系统
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。
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  • 嵌入式操作系统

    千次阅读 2017-12-18 10:15:47
    教材:嵌入式系统及应用,罗蕾、李允、陈丽蓉等,电子工业出版...嵌入式软件系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统可以统称为应用在嵌入式系统的操作系统,它具有一般操作系统的功能,同时具有嵌入式软件的特点,主要有 可

    教材:嵌入式系统及应用,罗蕾、李允、陈丽蓉等,电子工业出版社


    嵌入式软件系统

    嵌入式操作系统

    嵌入式操作系统可以统称为应用在嵌入式系统的操作系统,它具有一般操作系统的功能,同时具有嵌入式软件的特点,主要有

    • 可固化
    • 可配置、可剪裁
    • 独立的板级支持包,可修改
    • 不同的CPU有不同的版本
    • 应用的开发需要有集成的交叉开发工具

    目前嵌入式操作系统的市场在不断细分,出现了针对不同领域的产品,这些产品按领域的要求和标准提供特定的功能

    嵌入式操作系统的演变

    • 无操作系统阶段

    • 简单操作系统阶段

    • 实时操作系统阶段

    • 面向Internet的阶段

    嵌入式操作系统分类

    • 从应用领域来分

    • 从实时性的角度来分

    • 从嵌入式系统的商业模式来分类

      • 商用型:功能稳定、可靠,有完善的技术支持和售后服务,开发费用+版税
      • 开源型:开放源码,只收服务费,没有版税。 如Embedded linux,RTEMS,eCOS

    嵌入式操作系统体系结构

    • 体系结构是操作系统的基础,它定义了硬件与软件的界限、内核与操作系统其它组件(文件、网络、GUI等)的组织关系、系统与应用的接口

    • 体系结构是确保系统的性能、可靠性、灵活性、可移植性、可扩展性的关键

    • 目前操作系统的体系结构可分为:单块结构、层次结构和客户/服务器(微内核)结构

    • 目前嵌入式操作系统主要采用分层和模块化相结合的结构或微内核结构

    • DeltaCORE的体系结构:层次+模块结构
      DeltaCORE

    嵌入式操作系统的组成

    嵌入式内核

    内核是嵌入式操作系统的基础,也是必备的部分;内核还提供特定的应用编程接口,但目前没有统一的标准。

    • 任务管理
      • 内核的核心部分,具有任务调度、创建任务、删除任务、挂起任务、解挂任务、设置任务优先级等功能
      • 通用计算机的操作系统追求的是最大的吞吐率,为了达到最佳整体性能,其调度原则是公平,采用Round-Robin或可变优先级调度算法,调度时机主要以时间片为主驱动
      • 嵌入式操作系统多采用基于静态优先级的可抢占的调度,任务优先级是在运行前通过某种策略静态分配好的,一旦有优先级更高的任务就绪就马上进行调度
    • 内存管理
      • 嵌入式操作系统的内存管理比较简单
      • 通常不采用虚拟存储管理,而采用静态内存分配和动态内存分配(固定大小内存分配和可变大小内存分配)相结合的管理方式
      • 有些内核利用MMU机制提供内存保护功能
    • 通信、同步和互斥机制
      • 这些机制提供任务间、任务与中断处理程序间的通信、同步和互斥功能
      • 一般包括信号量、消息、事件、管道、异步信号和共享内存等功能
      • 嵌入式操作系统需要解决在这些机制的使用中出现的优先级反转问题
    • 中断管理
      • 安装中断服务程序
      • 中断发生时,对中断现场进行保存,并且转到相应的服务程序上执行
      • 中断退出前,对中断现场进行恢复
      • 中断栈切换
      • 中断退出时的任务调度
    • 时间管理
      • 提供高精度、应用可设置的系统时钟,该时钟是嵌入式系统的时基,可设置为十毫秒以下
      • 提供日历时间,负责与时间相关的任务管理工作如任务对资源有限等待的计时、时间片轮转调度等,提供软定时器的管理功能等
      • 通用操作系统的系统时钟的精度由操作系统确定,应用不可调,且一般是几十个毫秒
    • 任务扩展功能
      • 在内核中设置一些Hook的调用点
      • Hook调用点有任务创建、任务切换、任务删除、出错处理等

    嵌入式TCP/IP

    • 嵌入式TCP/IP网络系统提供符合TCP/IP协议标准的协议栈,提供Socket编程接口

    • TC/PIP协议
      TCPIP协议

    • 嵌入式TCP/IP网络系统具有以下的特点

      • 可剪裁
      • 采用“零拷贝”(Zero Copy)技术,提高实时性
      • 采用静态分配技术

    嵌入式文件系统

    • 嵌入式文件系统较为简单,主要具有文件的存储、检索、更新等功能,一般不提供保护和加密等安全机制

    • 它以系统调用和命令方式提供对文件的各种操作,主要有

      • 设置和修改对文件和目录的存取权限
      • 提供建立、修改、改变、删除目录等服务
      • 提供创建、打开、读、写、关闭、撤消文件等服务

    嵌入式实时操作系统µC/OS-II

    • µC/OS-II是一个抢占式实时多任务内核。它是用ANSI的C语言编写的,包含一小部分汇编语言代码,使之可以提供给不同架构的微处理器使用

    • 至今,从8位到64位,µC/OS-II已经在40多种不同架构的微处理器上使用

    • µC/OS-II全部以源代码的方式提供,大约有5500行

    • CPU相关的部分使用的是针对Intel80x86微处理器的代码

    • µC/OS-II可以很容易地移植到不同架构的嵌入式微处理器上

    • µC/OS-II 不是自由软件,用于商业目的时须取得许可证

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  • 嵌入式系统和嵌入式操作系统

    千次阅读 2016-07-09 16:54:42
    嵌入式系统和嵌入式操作系统   一 什么是嵌入式系统     嵌入式系统一般指非PC系统,有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。它是以应用为中心,软硬件可裁减的,适应应用系统对功能、可靠性、成本、...

    嵌入式系统和嵌入式操作系统   
      一 什么是嵌入式系统 
       
       嵌入式系统一般指非PC系统,有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。它是以应用为中心,软硬件可裁减的,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。简单地说,嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体,类似于PC中BIOS的工作方式,具有软件代码小、高度 自动化、响应速度快等特点,特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成,它是可独立工作的“器件”。 
       
      嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备,如掌上PDA、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。 
       
       嵌入式系统的硬件部分,包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统,它不具备像硬盘那 样大容量的存储介质,而大多使用EPROM、EEPROM或闪存(Flash Memory)作为存储介质。软件部分包括操作系统软件(要求实时和多任务操作)和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为;而操作系统控制着应用 程序编程与硬件的交互作用。 
       
       
      二 嵌入式处理器 
       
      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4个特点:(1)对实时和多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 实时操作系统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,以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处理器; (4)嵌入式微处理器的功耗必须很低,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,功耗只能为mW甚至μW级。 
       
       据不完全统计,目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000种,流行的体系结构有30多个系列。其中8051体系占多半,生产这种单片机的半导体 厂家有20多个,共350多种衍生产品,仅Philips就有近100种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器,越来越多的公司有自己的处理器设 计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从64kB到16MB,处理速度为0.1~2000MIPS,常用封装8~144个引脚。 
       
      根据现状,嵌入式计算机可分成下面几类。 
       
      (1)嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU) 
       
       嵌入式微处理器采用“增强型”通用微处理器。由于嵌入式系统通常应用于环境比较恶劣的环境中,因而嵌入式微处理器在工作温度、电磁兼容性以及可靠性方面的要求较通用的标准微处理器高。但是,嵌入式微处理器在功能方面与标准的微处理器基本上是一样的。根据实际嵌入式应用要求,将嵌入式微处理器装配在专门设 计的主板上,只保留和嵌入式应用有关的主板功能,这样可以大幅度减小系统的体积和功耗。和工业控制计算机相比,嵌入式微处理器组成的系统具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点,但在其电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件,从而降低了系统的可靠性,技术保密性也较差。由嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路主板上构成一个通常所说的单板机系统。嵌入式处理器目前主要有Am186/88、386EX、SC- 400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。 
       
      (2)嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU) 
       
       嵌入式微控制器又称单片机,它将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心,根据某些典型的应用,在芯片内部集成了 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等各种必要功能部件和外设。为适应不同的应用需求,对功能的设置和外设的配置进行必要的修改和裁减定制,使得一个系列的单片机具有多种衍生产品,每种衍生产品的处理器内核都相同,不同的是存储器和外设的配置及功能的设置。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配,从而减少整个系统 的功耗和成本。和嵌入式微处理器相比,微控制器的单片化使应用系统的体积大大减小,从而使功耗和成本大幅度下降、可靠性提高。由于嵌入式微控制器目前在产品的品种和数量上是所有种类嵌入式处理器中最多的,而且上述诸多优点决定了微控制器是嵌入式系统应用的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富,适合于 控制,因此称为微控制器。通常,嵌入式微处理器可分为通用和半通用两类,比较有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS- 96/196/296、C166/167、68300等。而比较有代表性的半通用系列,如支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541;支持I2C、CAN总线、LCD等的众多专用MCU和兼容系列。目前MCU约占嵌入式系统市场份额的70%。

    (3)嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP) 
       
       在数字信号处理应用中,各种数字信号处理算法相当复杂,这些算法的复杂度可能是O(nm)的,甚至是NP的,一般结构的处理器无法实时的完成这些运算。 由于DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计,使其适合于实时地进行数字信号处理。在数字滤波、FFT、谱分析等方面,DSP算法正大量进入嵌入式领 域,DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能,过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器有两类:(1)DSP处理器经过单片化、 EMC改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器,TI的TMS320C2000/C5000等属于此范畴;(2)在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器,例如Intel的MCS-296和Infineon(Siemens)的TriCore。另外,在有关智能方面的应用中,也需要嵌入式DPS处理 器,例如各种带有智能逻辑的消费类产品,生物信息识别终端,带有加解密算法的键盘,ADSL接入、实时语音压解系统,虚拟现实显示等。这类智能化算法一般 都是运算量较大,特别是向量运算、指针线性寻址等较多,而这些正是DSP处理器的优势所在。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TI的TMS320系 列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列、移动通信的C5000系列,以及性能更高的 C6000和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000、DSP56100、DSP56200和DSP56300等几个不同系列 的处理器。另外,Philips公司最近也推出了基于可重置嵌入式DSP结构,采用低成本、低功耗技术制造的R. E. A. L DSP处理器,其特点是具备双Harvard结构和双乘/累加单元,应用目标是大批量消费类产品。 
       
      (4)嵌入式片上系统(System _disibledevent="left">三 嵌入式操作系统 
       
      嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件,它 是嵌入式系统(包括硬、软件系统)极为重要的组成部分,通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等 Browser。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点,如能够有效管理越来越复杂的系统资源;能够把硬件虚拟化,使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来;能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序 。与通用操作系统相比较,嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 
       
      1. 嵌入式操作系统的种类 
       
       一般情况下,嵌入式操作系统可以分为两类,一类是面向控制、通信等领域的实时操作系统,如WindRiver公司的VxWorks、ISI的pSOS、 QNX系统软件公司的QNX、ATI的Nucleus等;另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统,这类产品包括个人数字助理(PDA)、移动电话、机顶盒、电子书、WebPhone等。 
       
      a. 非实时操作系统 
       
      早期的嵌入式系统中没有操作系统的 概念,程序员编写嵌入式程序通常直接面对裸机及裸设备。在这种情况下,通常把嵌入式程序分成两部分,即前台程序和后台程序。前台程序通过中段来处理事件,其结构一般为无限循环;后台程序则掌管整个嵌入式系统软、硬件资源的分配、管理以及任务的调度,是一个系统管理调度程序。这就是通常所说的前后台系统。一 般情况下,后台程序也叫任务级程序,前台程序也叫事件处理级程序。在程序运行时,后台程序检查每个任务是否具备运行条件,通过一定的调度算法来完成相应的操作。对于实时性要求特别严格的操作通常由中断来完成,仅在中断服务程序中标记事件的发生,不再做任何工作就退出中断,经过后台程序的调度,转由前台程序 完成事件的处理,这样就不会造成在中断服务程序中处理费时的事件而影响后续和其他中断。 
       
      实际上,前后台系统的实时性比预计 的要差。这是因为前后台系统认为所有的任务具有相同的优先级别,即是平等的,而且任务的执行又是通过FIFO队列排队,因而对那些实时性要求高的任务不可 能立刻得到处理。另外,由于前台程序是一个无限循环的结构,一旦在这个循环体中正在处理的任务崩溃,使得整个任务队列中的其他任务得不到机会被处理,从而造成整个系统的崩溃。由于这类系统结构简单,几乎不需要RAM/ROM的额外开销,因而在简单的嵌入式应用被广泛使用。 
       
      b. 实时操作系统 
       
      实时系统是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件做出响应的计算机系统。其操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度,而且与这些操作进行的时间有关。“在确定的时间内”是该定义的核心。也就是说,实时系统是对响应时间有严格要求的。 
       
       实时系统对逻辑和时序的要求非常严格,如果逻辑和时序出现偏差将会引起严重后果。实时系统有两种类型:软实时系统和硬实时系统。软实时系统仅要求事件响应是实时的,并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成;而在硬实时系统中,不仅要求任务响应要实时,而且要求在规定的时间内完成事件的处理。通常,大多 数实时系统是两者的结合。实时应用软件的设计一般比非实时应用软件的设计困难。实时系统的技术关键是如何保证系统的实时性。 
       
       实时多任务操作系统是指具有实时性、能支持实时控制系统工作的操作系统。其首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务,其次才着眼于提高计算机系统的使用效率,重要特点是要满足对时间的限制和要求。实时操作系统具有如下功能:任务管理(多任务和基于优先级的任务调度)、任务间同步和通信(信号量和 邮箱等)、存储器优化管理(含ROM的管理)、实时时钟服务、中断管理服务。实时操作系统具有如下特点:规模小,中断被屏蔽的时间很短,中断处理时间短,任务切换很快。 
       
      实时操作系统可分为可抢占型和不可抢占型两类。对于基于优先级的系统而言,可抢占型实时操作系统是指内核可 以抢占正在运行任务的CPU使用权并将使用权交给进入就绪态的优先级更高的任务,是内核抢了CPU让别的任务运行。不可抢占型实时操作系统使用某种算法并决定让某个任务运行后,就把CPU的控制权完全交给了该任务,直到它主动将CPU控制权还回来。中断由中断服务程序来处理,可以激活一个休眠态的任务,使之进入就绪态;而这个进入就绪态的任务还不能运行,一直要等到当前运行的任务主动交出CPU的控制权。使用这种实时操作系统的实时性比不使用实时操作系统的系统性能好,其实时性取决于最长任务的执行时间。不可抢占型实时操作系统的缺点也恰恰是这一点,如果最长任务的执行时间不能确定,系统的实时性就不能确 定。 
       
      可抢占型实时操作系统的实时性好,优先级高的任务只要具备了运行的条件,或者说进入了就绪态,就可以立即运行。也就是 说,除了优先级最高的任务,其他任务在运行过程中都可能随时被比它优先级高的任务中断,让后者运行。通过这种方式的任务调度保证了系统的实时性,但是,如果任务之间抢占CPU控制权处理不好,会产生系统崩溃、死机等严重后果。

    2. 嵌入式操作系统的发展 
       
      嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展经历了4个比较明显的阶段。 
       
       ·第一阶段是无操作系统的嵌入算法阶段,是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统,同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中,一般没有操作系统的支持,通过汇编语言编程对系统进行直接控制,运行结束后清除内存。这一阶段系统的主要特点是:系统 结构和功能都相对单一,处理效率较低,存储容量较小,几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格很低,以前在国内工业领域应用较为普遍,但是已经远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。 
       
      ·第二阶段是以嵌入式CPU为 基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是:CPU种类繁多,通用性比较差;系统开销小, 效率高;一般配备系统仿真器,操作系统具有一定的兼容性和扩展性;应用软件较专业,用户界面不够友好;系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 
       
      ·第三阶段是通用的嵌入式实时操作系统阶段,是以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是:嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上,兼容性好;操作系统内核精小、效率高,并且具有高度的模块化和扩展性;具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络 支持、图形窗口以及用户界面等功能;具有大量的应用程序接口(API),开发应用程序简单;嵌入式应用软件丰富。 
       
      ·第四阶段是以基于Internet为标志的嵌入式系统,这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外,但随着Internet的发展以及Internet技术与 
    信息家电、工业控制技术等结合日益密切,嵌入式设备与Internet的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。 
       
      3. 使用实时操作系统的必要性 
       
      嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛,尤其在功能复杂、系统庞大的应用中显得愈来愈重要。 
       
       ·首先,嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。在控制系统中,出于安全方面的考虑,要求系统起码不能崩溃,而且还要有自愈能力。不仅要求在硬件设计方面提高系统的可靠性和抗干扰性,而且也应在软件设计方面提高系统的抗干扰性,尽可能地减少安全漏洞和不可靠的隐患。长期以来的前后台系统软件设计在遇到强 干扰时,使得运行的程序产生异常、出错、跑飞,甚至死循环,造成了系统的崩溃。而实时操作系统管理的系统,这种干扰可能只是引起若干进程中的一个被破坏,可以通过系统运行的系统监控进程对其进行修复。通常情况下,这个系统监视进程用来监视各进程运行状况,遇到异常情况时采取一些利于系统稳定可靠的措施,如 把有问题的任务清除掉。 
       
      ·其次,提高了开发效率,缩短了开发周期。在嵌入式实时操作系统环境下,开发一个复杂的应用程序,通常可以按照软件工程中的解耦原则将整个程序分解为多个任务模块。每个任务模块的调试、修改几乎不影响其他模块。商业软件一般都提供了良好的多任务调试环境。 
       
       ·再次,嵌入式实时操作系统充分发挥了32位CPU的多任务潜力。32位CPU比8、16位CPU快,另外它本来是为运行多用户、多任务操作系统而设计的,特别适于运行多任务实时系统。32位CPU采用利于提高系统可靠性和稳定性的设计,使其更容易做到不崩溃。例如, CPU运行状态分为系统态和用户态。将系统堆栈和用户堆栈分开,以及实时地给出CPU的运行状态等,允许用户在系统设计中从硬件和软件两方面对实时内核的运行实施保护。如果还是采用以前的前后台方式,则无法发挥32位CPU的优势。 
       
      从某种意义上说,没有操作系统的计算机(裸机)是没有用的。在嵌入式应用中,只有把CPU嵌入到系统中,同时又把操作系统嵌入进去,才是真正的计算机嵌入式应用。 
       
      4. 实时操作系统的优缺点 
       
       在嵌入式实时操作系统环境下开发实时应用程序使程序的设计和扩展变得容易,不需要大的改动就可以增加新的功能。通过将应用程序分割成若干独立的任务模块,使应用程序的设计过程大为简化;而且对实时性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的处理。通过有效的系统服务,嵌入式实时操作系统使得系统资源得到更好 的利用。 
       
      但是,使用嵌入式实时操作系统还需要额外的ROM/RAM开销,2~5%的CPU额外负荷,以及内核的费用。

     

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    慕课电子科技大学.嵌入式系统.第六章.嵌入式软件系统概述.嵌入式操作系统

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    6 嵌入式软件系统概述

    6.2 嵌入式操作系统

    6.2.1课堂重点

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    6.2.2测试与作业

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  • 国产嵌入式操作系统发展思考

    千次阅读 多人点赞 2019-10-10 15:34:20
    嵌入式操作系统历史悠久、门类繁多、用途广泛,不仅包括嵌入式实时多任务操作者系统(RTOS)、开源的 Linux、机器人和路由器操作系统,还包括新型的物联网操作系统,以及边缘计算操作系统平台。笔者认为,只要是国人...

     

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    作者 | 何小庆

    责编 | 屠敏

    出品 | CSDN(ID:CSDNnews)
    嵌入式操作系统历史悠久、门类繁多、用途广泛,不仅包括嵌入式实时多任务操作者系统(RTOS)、开源的 Linux、机器人和路由器操作系统,还包括新型的物联网操作系统,以及边缘计算操作系统平台。笔者认为,只要是国人开发的,国人参与维护的开源项目,都是广义上的“国产嵌入式操作系统”,随着中国物联网产业迅猛发展,国产装备自主可控需求旺盛,国产嵌入式操作系统发展步入快车道。

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    国产物联网操作系统颇具影响力
     
    睿赛德电子科技公司这个名字大家不是很熟悉,但是他们的产品合作和支持芯片和厂商众多、社区开发者踊跃、组件丰富、应用领域广泛的国产物联网操作系统。2017 年以前,RT-Thread 还是一个传统的嵌入式操作系统,经过过去两年的发展,RT-Thread 在缩短产品开发周期、加快端云互联对接和提升设备端软件质量等方面做了大量工作,取得显著的成效。
    华为 LiteOS 是另外一个在物联网领域颇具影响力的嵌入式操作系统。今天名气已经很大的华为可穿戴产品,比如 Huawei WatchGT,2015 年开始使用 LiteOS。超低功耗和超小的尺寸要求,给了 LiteOS 一个发展成熟的机会,到了 2017 年正式推出开源的物联网操作系统,LiteOS 已经初具规模很快在 NB-IoT 领域站稳了市场,特别是 OPEN CPU 的 NB-IOT 芯片和模组方案里面,都有 LiteOS 身影。在 HDC 2019 大会上,
     
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    开源嵌入式操作系统助力创新发展
     
    Zephyr 是 2016 年由 Intel、Synopsys、NXP 等公司发起的开源实时操作系统平台项目,现在由 Linux 基金会管理。项目旨在联合整个行业的领导者,构建针对资源小型受限设备,开发一个可扩展的嵌入式实时操作系统。Zephyr 虽然历史比较短,但起点很高,是发起公司和组织多年的经验教训的总结,最初的代码来自风河,风河的 vxwork RTOS 在工业和航空航天极有影响力。Zephyr 虽然只有 3 年的历史,相对 FreeRTOS 和 Contiki 等开源 RTOS,Zephyr 比较完备,中间件丰富。在安全设计方面 Zephyr 有缜密的考量,在代码规范中,Zephyr 用 MISRA C;在功能安全认证上,Zephyr 选择 IEC61508,这些功能开源嵌入式操作系统里面还没有其他项目能做到。Zephyr 有一个充满活力的国际开发社区,它和物联网操作系统中的 ARM Mbed OS、nuttX 和 RIOT 比较,活跃度很高。虽然 Zephyr 目前在中国关注度目前比较低,但技术上产品发展思路很值得国内同行的借鉴。
     
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    自主可控、安全先行
     
    国产嵌入式操作系统发展一个重要方向就是打造航空航天、工业装备和轨道交通、通信设备和汽车电子的自主可控的操作系统。面向装备与国防系统的嵌入式操作系统在可靠性、环境适应性、电磁兼容性、实时控制性方面都有自己的一套要求。华为在嵌入式操作系统方面的起步比较早,目前已经有基于开源的 Linux 自研的高可靠、高安全与高实时性的操作系统,覆盖了公司通信产品中的各个业务。华为的 RTOS 面向 5G 万物互联的物联网时代,对于操作系统安全方面的考虑尤其重视,可满足安全、可靠、自主的嵌入式实时操作系统要求。
    上海华元创信研发的锐华高安全嵌入式操作系统(ReWorks Cert),符合功能安全标准 IEC 61508 SIL/SC3(通用)和EN 50128 SW SIL4(轨道交通),是国内目前少数通过国际第三方认证公司认证的嵌入式实时操作系统。目前ReWorks Cert 已率先成功应用于轨道交通信号领域龙头公司卡斯柯信号有限公司的安全计算机平台中,该计算机平台已成功通过 EN 50126 SIL4 等级认证。ReWorks Cert 有望在城市轨道交通领域获得规模化应用。
     
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    技术发展、标准领航
     
    嵌入式操作系统的发展离不开相关国家标准的制定,中国电子技术标准化研究院物联网中心正在着手物联网操作系统国家标准体系制订的前期研究工作。物联网操作系统的应用领域比较广泛,包括智慧城市、智能家居、交通运输、智能电网等场景,物联网操作系统标准的制定,工作需要产业和学术届的支持和帮助,为物联网的标准化建设贡献力量。物联网操作系统标准制定,对于物联网产业生态建设将更为重要,期待政府出台一些政策来促进物联网操作系统的健康良性发展等。
     
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    嵌入式操作系统发展新趋势
     
    物联网安全需要嵌入式操作系统通过安全认证,比如医疗电子 IEC 60601/62304、汽车电子 ISO 26262、航空电子 DO-178B/C 和核电 IEC 61513。老牌的嵌入式操作系统 QNX、Vxwork、Integrity 和 SafeRTOS 在安全认证起步比较早,Thread-X、uC/OS 和 embOS 这两年也迎头赶上,开源的 Zephery 正在做认证的工作,将要成为首家通过安全认证的开源嵌入式操作系统。上面讲到上海锐华的 RTOS 成功应用于轨道交通信号领域龙头公司卡斯柯信号有限公司的安全认证计算机平台中, 这说明国产嵌入式操作系统已经具备安全的能力并具备相应的技术能力。
    嵌入式操作系统的虚拟化已经由来已久,几乎所有大的 RTOS 公司都有自己 Hypervisor 比如 ENEA 和风河,但是 Hypervisor 存在性能不高和缺少统一设备驱动的问题。随着容器技术在服务器和云计算成功采用,容器技术被证明具备应用级安全,这样轻量型容器技术受到物联网和嵌入式系统的关注。目前基于 Linux 轻量级容器技术研究进展比较大,比如 Canonical 推出的针对物联网以及边缘计算平台 Ubuntu Core 和它类似 Docker 的 Snap package 包管理软件,以及针对 IoT 的支持容器技术 ResinOS(现更名为 BalenaOS)。IoT 设备大量使用 MCU,无法运行 Linux,包括翼辉信息和华为等企业推出轻量级安全容器技术,即在它们 RTOS 基础上实现容器技术,已满足物联网时代安全、实时和快速布置和管理的新的需求。
    嵌入式操作系统的内核继续呈现百花齐放局面,基于宏内核的 RTOS 仍占多数。微内核技术应用在商业 RTOS 的历史可以追溯到 90 年初,比如 VRTXsa,目前依然活跃在市场上代表性产品是 QNX,因为实时性等因素,微内核技术在代码受限的 MCU 上应用很少,比如 uc/OS、FreeRTOS 和 RT-Thread 都是宏内核技术。在 MCU 中如何能享受到大型 OS 的一些特性,同时保留 RTOS 在尺寸、实时性等方面的优势呢?AliOS Things 在 ARM 架构Cortex M 和 A 处理器上做了有益尝试,他们实现安全、多应用、内核可靠和动态低流量升级等技术特征。
    AIOT 应用的对传统的操作系统提出新的课题,比如可扩展的内核技术、功能安全和信息安全、边缘计算架构的支持和应用 App 的便捷布置和管理。传统的移动操作系统比如 Android 和开源的 Linux 无法满足功能安全认证和强实时性的需要,传统的基于宏内核的 RTOS 无法满足系统扩展、维护和应用便捷的需要,针对 AIOT 场景的广义的嵌入式操作系统和泛 IoT OS 技术正在探索和研究中,比如无人驾驶汽车上的操作系统技术正在吸引产业和学术界关注。
     
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    结束语
     
    可以预见,嵌入式操作系统和 IoT OS 将向大型复杂和可配置、更小更安全和硬化两个方向发展,以适应物联网和人工智能时代,计算架构和应用软件平台发展的新需求。嵌入式软件经历了 80 年代微处理器和硬件设计占主导地位,软件在系统中比例很低;90 年代商业 RTOS 出现,解决了一部分软件复杂性问题;2000 年之后开源软件大规模采用,开发方法发生巨大的变革;2010 年之后 IoT 架构和应用驱动分布式实时软件回归;预计到了 2020 年“软件定义硬件”将驱动嵌入式软件开发方法变革,包括嵌入式和 IoT OS 的操作系统技术将迎来新的发展机遇。
    作者:何小庆,嵌入式系统知名专家、长期从事嵌入式与物联网技术、产业和教育方面工作,著有《嵌入式操作系统风云录:历史演进与物联网未来》等五本书籍和数十篇论文。

    【END】

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