嵌入式操作系统的发展与应用.pdf

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1、2 0 0 2年 6月 第 2期 教学 与科 技 9 嵌 入 式 操 作 系统 的 发 展 与应 用 李 方 军徐 永 红(中国工程物理研究 院职工 工学院 四川绵 阳 6 2 1 9 0 0)摘要本 文介 绍 了嵌 入 式操 作 系统 的概念，分析 了嵌入 式操 作 系统 的发 展状 况 和应用 前 景，特别 是嵌 入式 L i n u x的研究 和发 展情 况。关键 词操 作 系统嵌入 式L i n u x 引 言 嵌入 式操作系统与嵌 入式 系统 密不 可分。嵌 入式 系统主要 由嵌 入式微 处理 器、外 围硬 件设备、嵌人式操作 系统 以及用 户的应用程序等 四个 部分组 成，它是 集

2、软硬件于一体 的可独 立 工作 的“器件”。嵌入式技 术的发展，大致经历 了 四个 阶段。第 一 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。第 二 阶 段 是 以嵌 入 式 C P U 为 基 础、以 简 单操 作 系统 为 核 心 的 嵌 入 式 系 统。这 一 阶 段 的 操 作 系 统 具 有 一 定 的兼 容 性 和

3、 扩 展 性，但 用 户界 面 不 够 友 好。第 三阶段是 以嵌入式操作 系统 为标 志的嵌入 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(A P I)，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 I n t e me t 为 标 志 的嵌 入 式 系统，这 是 一 个 正 在 迅 速 发 展 的 阶 段

4、。目前 大多数嵌 入式 系统还孤立 于 I n t e me t 之外，但随着 I n t e me t 的发展 以及 I n t e me t 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 I n t e me t 的结合 将代 表着嵌 入式技 术 的真 正 未 来 n 。嵌 入式系统 的发展对嵌入式操 作系统提 出了更高 的要 求。因此，对嵌入 式操作 系统 的 结构、设计、用户界 面等诸多方 面进 行深入研究，将 有助于嵌入式 系统的应用 和发展。1 嵌入式操作 系统 的特点 1 1 嵌入 式 系统的开发人员对操作 系统的依 赖性 早期 的硬 件设 备很简单，软件

5、 的编程和调试工具也 很原始，与硬 件系统配套的软件都必 收 稿 口期：2 0 0 2一O 1 1 5 维普资讯 http:/ 1 0 嵌 入 式操 作 系统 的发 展与 应用 第 l 5卷 须从 头编写。程序 大都采用宏汇编语 言，调试 是一件很麻烦 的事。随着 系统越来越 复杂，操 作 系统 就 显 得 很 必 要。(1)操作 系统能有效管理 越来 越复杂的系统资源。(2)操作 系统 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。(3)操作 系统能够提供库 函数、驱动程序、工具集 以及 应用程序。在 7 0年代 的后 期，出现 了嵌入 式系统 的操

6、作 系统。在 8 0年 代末，市 场上 出现 了几个 著 名的商业嵌入式操 作系统，包括 V x w o r k、N e c u l e u s、Q N X和 Wi n d o w s C E等，这些 系统 提供性 能 良好的开发环境，提 高了应用系统的开发效率。1 2嵌 入式操作 系统 的特点 与 其 他 类 型 的操 作 系 统 相 比，嵌 入 式 操 作 系统 具 有 以 下 一 些 特 点。(1)体积小。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 闪存(F l a s h Me m o r y)作为存储介质。这 就要求 嵌入式

7、操 作 系统 只能运 行 在有 限 的 内存 中，不 能 使 用 虚 拟 内存，中 断 的使 用 也 受 到 限 制。因 此，嵌 入 式 操 作 系 统 必 须 结 构 紧 凑，体 积 微 小。(2)实时性。大多数嵌入式系统都是实 时 系统，而且 多是强 实时 多 任务 系统，要求 相 应 的嵌 入式操作 系统 也必须是实 时操 作 系统(R T O S)。实 时操 作 系统作 为操 作 系统 的一个 重要 分支 已成 为研究 的一个热点，主要 探讨 实时多任务调度 算法和可调度性、死锁解除等 问 题。(3)特殊 的开 发调试 环境。提供完整 的集成 开发环境 是 每一个 嵌入式 系统 开发人

8、 员所 期 待的。一个完整 的嵌 入式系统 的集成开发环境 一般需要 提供 的工具是 编译 连接器、内核 调试 跟踪器 和集成 图形 界面 开发 平 台。其 中 的集成 图形 界 面 开 发平 台包括 编 辑器、调 试 器、软件仿真 器和监视器等。2 嵌 入式 操 作 系统 的发 展 状况 国外 嵌入式操 作 系统 已经 从 简单 走 向成 熟，主 要 有 V x w o r k、Q N X、P a l m O S、Wi n d o w s C E 等。国 内的嵌入式操作 系统研究开发有两种类 型，一类是 基 于 国外操 作系 统二 次开发 完成 的，如海信 的基 于 Wi n d o w s

9、 C E的机顶盒 系统；另一类是 中国 自主开发 的嵌 入式操作 系统，如 凯思 集团公 司 自主研 制开发的嵌 入式操作 系统 H o p e n O S(“女娲计 划”)等。Wi n d o w s C E内核 较 小，能 作 为一 种嵌 入 式 操 作 系 统 应 用 到 工 业 控 制 等 领 域。其 优 点 在 于便携性、提供对 微 处理 器 的选 择 以及 非 强行 的 电 源管 理 功能。内置 的标 准通 信 能力 使 Wi n d o w s C E能 够访 问 I n t e me t 并收 发 E m a i l 或 浏览 We b。除 此之 外，Wi n d o w s

10、C E特 有 的与 Wi n d o w s 类似 的用户界面使最终用 户易于使用。Wi n d o w s C E的缺点是 速度慢、效率 低、价格 偏高、开发应用程序相对较难。3 C o m公 司 的 P a l m O S在 掌 上 电 脑 和 P D A市 场 上 独 占其 霸 主 地 位，它 有 开 放 的操 作 系 统 应用程序接 口(A P I)，开发 商可根据需要 自行开发所需 的应 用程序。Q N X是 由加 拿大 Q S S L公 司开发 的分布 式实 时操 作 系统，它 由微 内核 和一组 共操 作 的 进程组 成，具 有高度 的伸缩性，可灵活地 剪裁，最小 配置只 占用几

11、 十 K B内存。因此，可 以广 泛地嵌 入到智 能机 器、智能仪器仪表、机顶 盒、通讯设备、P D A等应用 中去。维普资讯 http:/ 2 0 0 2年 6月 第 2期 教学 与科 技 H o p e n O S是 凯 思 集 团 自主 研 制 开发 的嵌 入 式 操 作 系 统，由一 个 体 积 很 小 的 内 核 及 一 些 可 以根 据 需 要 进 行 定 制 的 系统 模 块 组 成。其 核 心 H o p e n K e rne l 一 般 为 1 0 K B左 右 大 小，占用 空间小，并具有 实时、多任务、多线程 的系统特征。在 众 多 的 实 时 操 作 系统 和 嵌 入

12、 式 操 作 系 统 产 品 中，Wi n d R i v e r 公 司 的 V x Wo r k s 是 较 为 有 特色 的一种 实时操作 系统。V x Wo r k s 支持各 种工业标准，包 括 P O S I X、A N S I C和 T C P I P网络 协议。V x Wo r k s运行 系统 的核心是一个高效 率的微 内核，该微 内核支持 各种 实时功 能，包 括 快速 多任务处 理、中断支持、抢 占式 和轮转式 调度。微 内核设计 减轻 了系统负载并 可快速 响 应外部事 件。在美 国宇航 局的“极地 登陆者”号、“深空 二号”和火 星气候 轨道 器等登 陆火 星 探测器

13、上，就采用 了 V x Wo r k s，负责火星探测 器全部 飞行 控制，包括 飞行 纠正、载体 自旋和 降 落时 的高度控 制 等，而且 还 负 责 数据 收集 和 与地 球 的通 信 工作。目前 在 全 世 界装 有 v x Wo r k s系统 的智 能设备数 以百万计，其应用范 围遍 及互联 网、电信 和数据通 信、数字影像、网 络、医学、计算 机外设、汽车、火控、导航 与制导、航 空、指 挥、控 制、通 信 和情报、声 纳与雷 达、空 间与导弹系统、模 拟和测试等众 多领域。3 嵌入 式 L i n u x 3 1 嵌入式 L i n u x的应用开发前景 L i n u x是个

14、与生俱 来的 网络操作 系统，成熟而且稳定。L i n u x是源代 码开放 软件，不存在 黑箱技术，任 何人都可 以修改它，或者用它开 发 自己的产品。L i n u x系统是可 以定制 的，系统 内核 目前 已经 可 以做 得 很 小。一 个 带 有 中文 系 统 及 图 形 化 界 面 的核 心 程 序 也 可 以做 到不 足 l MB，而 且 同 样 稳 定。L i n u x作 为 一 种 可 裁 减 的 软 件 平 台 系 统，是 发 展 未 来 嵌 入 设 备 产 品 的 绝 佳 资 源，遍 布 全 球 的 众 多 L i n u x爱 好 者 又 能 给 予 L i n u x

15、开 发 者 强 大 的 技 术 支 持。因 此，L i n u x作 为 嵌 入 式 系 统 新 的选 择，是 非 常 有 发 展 前 途 的。(1)与硬件 芯片的紧密结合 后 P C时代 的智能设备 已经逐渐地模 糊 了硬件与软件 的界 限，S O C系统(S y s t e m O n C h i p)的发展就是这种 软硬件无缝结合趋势 的证 明。随着 处理 器片 内微码 的发展，在将来 可能 出 现在处理器片 内嵌 进操作系统 的代码模块。嵌入式 L i n u x的一大特点是：与硬 件芯片(如 S O C等)的紧 密结 合。它不 是 一个 纯软 件 的 Un u x系 统，而 比一 般

16、 操 作 系 统 更 加 接 近 于 硬 件。嵌 入 式 L i n u x的 进 一 步 发 展，逐 步 地 具 备 了嵌入式 R T O S的一切特征：实时性及 与嵌入式处理器 的紧密结合。(2)开放 的源代码 嵌入式 L i n u x的另一大特点是：代码 的开放性。代码 的开 放性是 与后 P C时代 的智 能设 备 的多样性 相适应的。代码 的开放 性 主要 体 现在源代 码 可获得 上，L i n u x代 码 开发就像 是”集市式”开发，任意选择并按 自己的意愿整合 出新 的产 品。对于嵌入式 L i n u x，事实上是把 B I O S层 的功能实 现在 L i n u)【的

17、 d r i v e r 层。目前，在 L i n u)【领域，已经 出现 了专门为 L i n u x 操 作系统定制 的 自由软件 的 B I O S代码，并在 多款主板上实现 此 类 的 B I O S层 功 能。(3)嵌入式 L i n u x与硬 件芯片 的紧密结合 对于许多信息家 电的应 用来说，嵌入 的性能指标是 最难满足 的，只有靠提高芯 片的集成 度 与 装 配 密 度 来 解 决：嵌 入 式 L i n u x 与 标 准 L i n u x的 一 个 重 要 区 别 是嵌 入 式 L i n u x与 硬 件 芯 维普资讯 http:/ 1 2 嵌 入式 操 作 系统 的

18、发展 与 应用 第 1 5卷 片的紧密结 合。这 是 一 个 不 可 逾 越 的 难点，也 是嵌 入 式 L i n u x技 术 的关 键 之 处。嵌 入 式 L i n u x和商 用 专 用 R T O S一 样，需 要 编 写 B S P(B o a r d S u p p o r t P a c k a g e)，这 相 当 于 编写 P C的 B I O S。这不仅仅是嵌 入 式 L i n u x的难 点，也 是使 用商 用 专 用 R T O S开 发 的难 点。硬件 芯 片(S O C芯片或者是嵌 入式 处理器)的多样 性也决定 了代 码 开放 的嵌 入式 L i n u x

19、的成功。嵌入 式 系统 的发展，必然 导致 软硬件无缝结合 的趋势，逐 渐地 模糊 了硬件 与 软件 的界 限，在将 来 可 能 出现 S O C片 内的 操 作 系 统 代 码 模 块。随着处 理器片 内微码 的发展，在将来 应 出现在处理 器片 内嵌进操作 系统 的代码模块，很 显然模块将具 有安全性好、健壮性强、代码 执行效率 高等特点。着 眼于未来的嵌入式 系统的 发展，我们基于对嵌 入式 L i n u x技术 的深入研究，对嵌 入式处理 器及 S O C系统 的深刻理解 和 研究；对 E D A技术 的深入研究；对模拟 数字混合集成 电路 芯片的深入研究；对 S O C片 内进 行

20、 嵌入式 L i n u x 操 作系统代码 的植 入研究。此类 的研 究有 可能减 轻系统开 发者对 B S P开发 的 难度要求，并使得嵌 入式 L i n u x能 够成 为普 及 的嵌入 式操 作 系统，而 大 大提 高嵌 入 式 L i n u x 的易用性，提高其 开发 出的高智能设备 的安全性、稳 定性，同时也 大大提 高智 能设备 的计 算 能力、处 理 能 力。3 2部分嵌入式 L i n u x产 品 嵌入式 L i n u x一般是按照嵌 入式 目标 系 统 的要 求 而设 计，由一个体 积很 小 的 内核及 一 些 可以根据 需要进行随 意裁 减的系统模块组成。一般来说

21、 整个 系统 所 占用 的空 间不会超 过 几兆 大小。目前，国外不 少大学、研 究 机构 和知 名公 司都 加入 了嵌 入式 L i n u x的 开发工 作，较成熟 的嵌 入式 L i n u x产 品不 断涌现。由美 国 新 墨 西 哥 理 工 学 院 开 发 的 基 于标 准 L i n u x的嵌 入 式 操 作 系 统 R T L i n u x，已成 功 地 应用于航 天飞机 的空 间数据 采集、科学 仪 器测控、电影特技 图像 处理等 领域。R T L i n u x开 发 者并没有针对实时操作 系统的特性重写 L i n u x的 内核，这样 做工作 量会非 常大，而且 要保

22、 证 兼容性 也非 常 困难。为 此，R T L i n u x提 供 了一 个精 巧的实 时 内核，并把标 准 的 L i n u x核 心作 为 实 时核 心 的 一 个 进 程 同 用 户 的 实 时 进 程 一 起 调 度，这 样 做 的 好 处 是 对 L i n u x的 改 动 量 最 小，充分利用 了 L i n u x平 台下现有 的丰富的软件资源。由嵌 入式 L i n u x行业 主要厂商 之 一 L i n e o推 出的 E m b e d i x，是根 据嵌 入式 应 用系 统 的特 点重新设 计的 L i n u x发行 版本。E m b e d i x提供 了超

23、过 2 5种 的 L i n u x系统服务，包括 We b服务 器等。系统需要最小 8 M 内存，3 M 只读 内存或 闪存。E m b e d i x基 于 L i n u x 2 2核 心，并 已经成 功 地 移 植 到 了 I n t e l X 8 6和 P o w e r P C处 理 器 系 列 上。由美 国网虎公 司推 出的 X L i n u x，号称是世界上最小 的嵌 入式 L i n u x系统，核心 只有 1 4 3 K 字 节，而 且 还 在 不 断 减 小。致力于 国产嵌 入式 L i n u x操作 系统 和应用软件 开发 的广 州博利思 软件公 司推 出的嵌 入

24、 式 L i n u x中文操作 系统 P O C K E T I X，基于标准 的 L i n u x内核，并 包括一些可 以根据需 要进行 定 制 的系统模块。支 持标准 以太 网和 T C P I P协议、支持标 准 的 X Wi n d o w，中文 支持采 用 国际 化标准，提供桌面和 窗 口管 理功能、带 WEB浏览器和文 件管理器，并支持智能拼音和 五笔字 型输入。可适 应个人 P D A、WA P手 机、机顶 盒等广泛 的智能信息 产品。3 3开发嵌入式 L i n u x的几个 问题(1)L i n u x的移植。如果 L i n u x不支持选用 的平台，就需 要把 L i

25、 n u x内核 中与 硬件平 台相 关 的部分 改写，使之 支持所选用 的平 台。维普资讯 http:/ 2 0 0 2年 6月第 2期 教学与科技 l 3 (2)内核 的裁 剪。嵌入式产 品的可用资源 比较少，所 以它 的内核相 对嵌入式 系统来 说就 显得 有点大，需要进行剪裁到 可利 用的大小。(3)桌面 系统。现 代的操作系统如果 没有 一个友 好 的界面是 没有说 服 力 的。现在 的台 式 机 L i n u x系统使用 了传 统 的 X Wi n d o w系统 的模式 一C l i e n t S e r v e r 结 构。和硬 件有 关 的部 分即是 S e rve r

26、端，实现一个标 准 的显示 接 E l；应 用程 序通 过对 S e rve r 的服 务请 求，实 现程 序 的显示。在 此之上，实现 窗 口的管理功能。但 X Wi n d o w对 于嵌 入式 系统来 说 显得 很庞 大。现在 国内有 Mi n i G U I，国外有 Mi c r o Wi n d o W，都 在致 力于嵌 入 式 L i n u x G U I的开发。适 用于嵌 入 式 L i n u x上 的 X wi n d o w的工 作 也 在 进 行。(4)驱动 程序的开发。L i n u x内核 更新 的很 快，许 多最新 的硬件 驱动很 快就 被支 持。但 嵌入式 系统

27、应 用领域是多种多样 的，所选用 的硬件设备 也不 同，并 且不可能 都有 L i n u x的驱 动程 序，因此，设备驱动程 序的开 发也是重要 的工作。(5)应用软件 的开发。(6)中文 的支 持。结束 语 目前，绝 大 部 分 嵌 入 式 系统 的硬 件 平 台 还 掌 握 在 外 国公 司 的 手 中，国产 的嵌 入 式 操 作 系 统在技术含量、兼容性、市场运作 模式等方面也 还有很 多工作 要做，我 们应该 在跟 踪 国外 嵌 入 式操作 系统 的最新技 术的同时，坚 持 自主产权，力争 找到 自己的突破 点，探 索 出一条 自己 的发展道路。参考文 献 1 赵海 嵌 入式 I n

28、 t e me t 北 京：清 华 大学 出版 社，2 0 0 1 2邹思 轶 嵌 入式 L i n u x 设 计 与应用 北 京：清华 大学 出版社，2 0 0 2 3侯业 勤等 编译 分布 式嵌 入式 实 时操 作 系统 Q N X 北京：宇航 出 版社，1 9 9 9 The De ve l o p m e nt a nd t he Ap pl i c a t i o n o f Em be dd e d Op e r a t i n g S y s t e ms L i r a n g i u n X u Y o n g h o n g (S t a ff C o l l e g e

29、，C h i n a A c a d e m y o f E n g i n e e ri n g P h y s i c s，Mi a n y a n g 6 2 1 9 0 0，S i c h u a n)Abs t r a c t：I n t h i s p a p e r we i n t r o d u c e the c o n c e p t o f e mb e d d e d o p e r a t i n g s y s t e msW e a l s o a n aly s e the d e v e l o p me nt a nd the a p p l i c a t i o n s o f e mb ed de d o p e rat i n g s y s t e ms，e s p e c i all y e mb e d d e d L i n u x a s a ne w 0ne Ke y wo r d s：Op e r a t i n g s y s t e ms E mb ed d e d Li n u x 维普资讯 http:/