發布日期：2022-07-15 點擊率：66
1.1嵌入式系統
嵌入式系統是以嵌入式計算機為技術核心,面向用戶、面向產品、面向應用,軟硬件可裁減的,適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性能有嚴格要求的專用計算機系統。
嵌入式系統應具有的特點是:高可靠性；在惡劣的環境或突然斷電的情況下,系統仍然能夠正常工作；許多嵌入式應用要求實時性,這就要求嵌入式操作系統具有實時處理能力；嵌入式系統和具體應用有機地結合在一起,它的升級換代也是具體產品同步進行；嵌入式系統中的軟件代碼要求高質量、高可靠性,一般都固化在只讀存儲器中或閃存中,也就是說軟件要求固態化存儲,而不是存儲在磁盤等載體中。
1.2嵌入式操作系統
嵌入式操作系統EOS(EmbeddedOperatingSystem)是一種用途廣泛的系統軟件,過去它主要應用于工業控制和國防系統領域。EOS負責嵌入系統的全部軟、硬件資源的分配、調度作,控制、協調并發活動；它必須體現其所在系統的特征,能夠通過裝卸某些模塊來達到系統所要求的功能。目前,已推出一些應用比較成功的EOS產品系列。隨著Internet技術的發展、信息家電的普及應用及EOS的微型化和專業化,EOS開始從單一的弱功能向高專業化的強功能方向發展。嵌入式操作系統在系統實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固化以及應用的專用性等方面具有較為突出的特點。EOS是相對于一般操作系統而方的,它除具備了一般操作系統最基本的功能,如任務調度、同步機制、中斷處理、文件處理等外,還有以下特點:
①可裝卸性。開放性、可伸縮性的體系結構。
②強實時性。EOS實時性一般較強,可用于各種設備控制當中。
③統一的接口。提供各種設備驅動接口。
④操作方便、簡單、提供友好的圖形GUI,圖形界面,追求易學易用。
⑤提供強大的網絡功能,支持TCP/IP協議及其它協議,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。
⑥強穩定性,弱交互性。嵌入式系統一旦開始運行就不需要用戶過多的干預,這就要負責系統管理的EOS具有較強的穩定性。嵌入式操作系統的用戶接口一般不提供操作命令,它通過系統的調用命令向用戶程序提供服務。
⑦固化代碼。在嵌入式系統中,嵌入式操作系統和應用軟件被固化在嵌入式系統計算機的ROM中。輔助存儲器在嵌入式系統中很少使用,因此,嵌入式操作系統的文件管理功能應該能夠很容易地拆卸,而用各種內存文件系統。
⑧更好的硬件適應性,也就是良好的移植性。
國際上用于信息電器的嵌入式操作系統有40種左右。現在,市場上非常流行的EOS產品,包括3Com公司下屬子公司的palmOS,全球占有份額達50%,Microsoft公司的WindowsCE不過29%。在美國市場,PalmOS更以80%的占有率遠超WindowsCE。開放源代碼的Linux很適于做信息家電的開發。比如:中科紅旗軟件技術有限公司開發的紅旗嵌入式Linux和美商網虎公司開發的基于Xlinux的嵌入式操作系統“夸克”。“夸克”是目前全世界最小的Linux,它有兩具很突出的特點,就是體積小和使用GCS編碼。
2、三種常用的嵌入式操作系統
Palm是3Com公司的產品,其操作系統為PalmOS。PalmOS是一種32位的嵌入式操作系統。Palm提供了串行通信接口和紅外線傳輸接口,利用它可以方便地與其它外部設備通信、傳輸數據；擁有開放的OS應用程序接口,開發商可根據需要自行開發所需的應用程序。PalmOS是一套具有術強開放性的系統,現在有大約數千種專用為PalmOS編寫的應用程序,從程序內容上看,小到個人管理、游戲,大到行業解決方案,PalmOS無所不包。在豐富的軟件支持下,基于PalmOS的掌上電腦功能得以不斷擴展。
PalmOS是一套專門為掌上電腦開發的OS。在編寫程序時,PalmOS充分考慮了掌上電腦內存相對較小的情況,因此它只占有非常小的內存。由于基于PalmOS編寫的應用程序占用的空間也非常小(通常只有幾十KB),所以,基于PalmOS的掌上電腦(雖然只有幾MB的RAM)可以運行眾多應用程序。
由于Palm產品的最大特點是使用簡便、機體輕巧,因此決定了PalmOS應具有以下特點。
①操作系統的節能功能。由上掌上電腦要求使用電源盡可能小,因此在PalmOS的應用程序中,如果沒有事件運行,則系統設備進入半休眠(doze)的狀態；如果應用程序停止活動一段時間,則系統自動進入休眠(sleep)狀態。
②合理的內存管理。Palm的存儲器全部是可讀寫的快速RAM,動態RAM(DynamicRAM)類似于PC機上的RAM,它為全局變量和其它不需永久保存的數據提供臨時的存儲空間；存儲RAM(StorageRAM)類似于PC機上的硬盤,可以永久保存應用程序和數據。
③PalmOS的數據是以數據庫(database)的格式來存儲的。數據庫是由一組記錄(records)和一些數據庫頭信息組成的。為保證程序處理速度和存儲器空間,在處理數據的時候,PalmOS不是把數據從存儲堆(StorageHeap)拷貝到動態堆(DynamicHeap)后再進行處理,而是在存儲堆中直接處理。為避免錯誤地調用存儲器地址,PalmOS規定,這一切都必須調用其內存管理器里的API來實現。
PalmOS與同步軟件(HotSync)結合可以使掌上電腦與PC機上的信息實現同步,把臺式同的功能擴展到了掌上電腦。Palm應用范圍相當廣泛,如:聯絡及工作表管理、電子郵件及互聯網通信、銷售人員及組別自動化等等。Palm外圍硬件也十分豐富,有數碼相機、GPS接收器、調制解調器、GSM無線電話、數碼音頻播放設備、便攜鍵盤、語音記錄器、條碼掃描、無線尋呼接收器、探測儀。其中Palm與GPS結合的應用,不但可以作導航定位,還可以結合GPS作氣候的監測、地名調查等。
WindowsCE是微軟開發的一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統,是基于掌上型電腦類的電子設備操作。它是精簡的Windows95。WindowsCE的圖形用戶界面相當出色。其中CE中的C代表袖珍(Compact)、消費(Consumer)、通信能力(Connectivity)和伴侶(Companion)；E代表電子產品(Electronics)。與Windows95/98、WindowsNT不同的是,WindowsCE是所有源代碼全部由微軟自行開發的嵌入式新型操作系統,其操作界面雖來源于Windows95/98,但WindowsCE是基于Win32API重新開發的、新型的信息設備平臺。WindowsCE具有模塊化、結構化和基于Win32應用程序接口以及與處理器無關等特點。WindowsCE不僅繼承了傳統的Windows圖形界面,并且在WindowsCE平臺上可以使用Windows95/98上的編程工具(如VisualBasic、VisualC++等)、使用同樣的函數、使用同樣的界面網格,使絕大多數的應用軟件只需簡單的修改和移植就可以在WindowsCE平臺上繼續使用。
WindowsCE的設計目標是:模塊化及可伸縮性、實時性能好,通信能力強大,支持多種CPU。它的設計可以滿足多種設備的需要,這些設備包括了工業控制器、通信集線器以及銷售終端之類的企業設備,還有像照相機、電話和家用娛樂器材之類的消費產品。一個典型的基于WindowsCE的嵌入系統通常為某個特定用途而設計,并在不聯機的情況下工作。它要求所使用的操作系統體積較小,內建有對中斷的響應功能。
WindowsCE的特點有:
①具有靈活的電源管理功能,包括瞬眠/喚醒模式。
②使用了對象存儲(objectstore)技術,包括文件系統、注冊表及數據庫。它還具有很多高性能、高效率的操作系統特性,包括按需換頁、共享存儲、交叉處理同步、支持大容量堆(heap)等。
③擁有良好的通信能力。廣泛支持各種通信硬件,亦支持直接的局域連接以及撥號連接,并提供與PC、內部網以及Internet的連接,還提供與Windows9x/NT的最佳集成和通信。
④支持嵌套中斷。允許更高優先級別的中斷首先得到響應,而不是等待低級別的ISR完成。這使得該操作系統具有嵌入式操作系統所要求的實時性。
⑤更好的線程響應能力。對高級別IST(中斷服務線程)的響應時間上限的要求更加嚴格,在線程響應能力方面的改進,幫助開發人員掌握線程轉換的具體時間,并通過增強的監控能力和對硬件的控制能力幫助他們創建新的嵌入式應用程序。
⑥256個優先級別。可以使開發人員在控制嵌入式系統的時序安排方面有更大的靈活性。
⑦WindowsCE的API是Win32API的一個子集,支持近1500個Win32API。有了這些API,足可以編寫任何復雜的應用程序。當然,在WindowsCE系統中,所提供的API也可以隨具體應用的需求而定。
在掌上型電腦中,WindowsCE包含如下一些重要組件:PocketOutlook及其組件、語音錄音機、移動頻道、遠程撥號訪問、世界時鐘、計算器、多種輸入法、GBK字符集、中文TTF字庫、英漢雙向詞典、袖珍瀏覽器、電子郵件、PocketOffice、系統設置、WindowsCEServices軟件。
Linux是一個類似于Unix的操作系統。它起源于芬蘭一個名為LinusTorvalds的業余愛好,但是現在已經是最為流行的一款開放源代碼的操作系統。Linux從1991年問世到現在,短短10年的時間內已發展成為一個功能強大、設計完善的操作系統,伴隨網絡技術進步而發展起來的LinuxOS已成為Microsoft公司的DOS和Windows95/98的強勁對手。Linux系統不僅能夠運行于PC平臺,還在嵌入式系統方面大放光芒,在各種嵌入式LinuxOS迅速發展的狀況下,LinuxOS逐漸形成了可與WindowsCE等EOS進行抗衡的局面。目前正在開發的嵌入式系統中,49%的項目選擇Linux作為嵌入式操作系統。Linux現已成為嵌入式操作的理想選擇。
中科紅旗軟件技術有限公司開發的紅旗嵌入式Linux正在成為許多嵌入式設備廠商的首選。在不到一年的時間內,紅旗公司先后推出了PDA、機頂盒、瘦客戶機、交換機用的嵌入式Linux系統,并且投入了實際應用。現以紅旗嵌入式Linux為例來講解嵌入式LinuxOS的特點:
①精簡的內核,性能高、穩定,多任務。
②適用于不同的CPU,支持多種體系結構,如X86、ARM、MIPS、ALPHA、SPARC等。
③能夠提供完善的嵌入式GUI以及嵌入式X-Windows。
④提供嵌入式瀏覽器、郵件程序、MP3播放器、MPEG播放器、記事本等應用程序。
⑤提供完整的開發工具和SDK,同時提供PC上的開發版本。
⑥用戶可定制,可提供圖形化的定制和配置工具。
⑦常用嵌入式芯片的驅動集,支持大量的周邊硬件設備,驅動豐富。
⑧針對嵌入式的存儲方案,提供實時版本和完善的嵌入式解決方案。
⑨完善的中文支持,強大的技術支持,完整的文檔。
⑩開放源碼,豐富的軟件資源,廣泛的軟件開發者的支持,價格低廉,結構靈活,適用面廣。
3、三種嵌入式操作系統的比較
與WindowsCe的比較
嵌入式LinuxOS與Windows CE相比的優點:第一,Linux是開放源代碼的,不在存黑箱技術,遍布全球的眾多Linux愛好者都是Linux開發者的強大技術支持者；而 Windows CE是非開放性OS,使第三方很難實現產品定制。第二,Linux的源代碼隨處可得,注釋豐富,文檔齊全,易于解決各種問題。第三,Linux的內核小、效率高；而Windows CE在這方面是笨拙的,占用過多的RAM,應用程序龐大。第四,Linux是開放源代碼的OS,在價格上極具競爭力,適合中國國情。Windows CE的版權費用是廠家不得不考慮的因素。第五,Linux不僅支持x86芯片,還是一個跨平臺的系統。到目前為止,它可以支持20～30種CPU,很多 CPU(包括家電業的芯片)廠商都開始做Linux的平臺移植工作,而且移植的速度遠遠超過Java的開發環境。如果今天采用Linux環境開發產品,那么將來更換CPU時就不會遇到更換平臺的困擾。第六,Linux內核的結構在網絡方面是非常完整的,它提供了對包括十兆位、百兆位及千兆位的以太網絡,還有無線網絡、Token ring(令牌環)和光纖甚至衛星的支持。第七,Linux在內核結構的設計中考慮適應系統的可裁減性的要求,Windows CE在內核結構的設計中并未考慮適應系統的高度可裁減性的要求。
嵌入式Linux OS與Windows CE相比的弱點:第一,是開發難度較高,需要很高的技術實力；第二,是核心調試工具不全,調試不太方便,尚沒有很好的用戶圖形界面；第三,與某些商業OS 一樣,嵌入式Linux占用較大的內存,當然,人們可以去掉部分無用的功能來減小使用的內存,但是如果不仔細,將引起新的問題；第四,有些Linux的應用程序需要虛擬內存,而嵌入式系統中并沒有或不需要虛擬內存,所以并非所有的Linux應用程序都可以在嵌入式系統中運行。
3.2 palm OS與Windows CE的比較
3Com公司的Palm OS是掌上電腦市場中較為優秀的嵌入式操作系統,是針對這一市場專門設計的系統。它有開放的操作系統應用程序接口(API),支持開發商根據需要自行開發所需的應用程序,具有十分豐富的應用程序。在掌上電腦市場上獨占其霸主地位已久。
從技術層面上講,Palm OS是一套專門為掌上電腦開發的操作系統,具有許多Windows CE無法比擬的優勢；Windows CE過于臃腫,不適合應用在廉價的掌上電腦中。
Palm OS是一套具有極強開放性的系統。開發者向用戶免費提供Palm OS的開發工具,允許用戶利用該工具在Palm OS基礎上方便地編寫、修改相關軟件。與之相比,Windows CE的開發工具就顯得復雜多了,這使得一般用戶很難掌握。這也Palm OS與Windows CE的另一個主要區別。
我們從常用EOS的大小、可開發定制、互操作性、通用性、實時性及應用領域幾個方面,通過表1來歸納如下:
結語
Palm OS、Windows CE、Linux這三種嵌入式操作系統各有不同的特點,不同的用途；但Linux比Palm OS和Windows CE更小、更穩定,而且Linux是開放的OS,在價格上極具競爭力。如今整個市場尚未成型,嵌入式操作系統也未形成統一的國際標準,而且Linux的一系列特征又為我們開發國產的嵌入式操作系統提供了方便,因此,我們有機會在這個未成熟的市場上占有一席之地。
