陳建杰

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院凱邁(洛陽(yáng))電子有限公司，河南 洛陽(yáng) 471009)

隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展和系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的進(jìn)步，單片機(jī)的性能大幅度地提高，因而應(yīng)用的領(lǐng)域更加廣闊。而由于網(wǎng)絡(luò)和通信的迅速發(fā)展，近年來(lái)嵌入式系統(tǒng)在硬件和軟件上都出現(xiàn)了許多新的特點(diǎn)。

1 嵌入式處理器

嵌入式系統(tǒng)的核心處理器已經(jīng)向兩個(gè)方向分化：一個(gè)是8 bit/16 bit的處理器經(jīng)過(guò)擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)嵌入式Internet；另一個(gè)是32 bit的RISC處理器用在如交換機(jī)、路由器一類的通信領(lǐng)域。

Ubicom公司(前稱為 Scenix，提供 SX系列高速 8 bit單片機(jī)和虛擬外設(shè)技術(shù))新一代的8 bit互聯(lián)網(wǎng)處理器IP2022可以作為前一類處理器的代表。新一代的高速IP2022具有100 MHz的工作頻率，實(shí)現(xiàn)了確定性的指令執(zhí)行和中斷響應(yīng)時(shí)間，特別適合于8 bit單片機(jī)嵌入式 Internet系統(tǒng)應(yīng)用[1]。

32 bit的嵌入式RISC處理器目前有影響力的系列包括PowerPC、MIPS和ARM三類處理器。

PowerPC系列處理器的內(nèi)核由IBM、Motorola和Apple三家公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)，當(dāng)時(shí)的目標(biāo)是替代Intel的80x86，但是目前也推出了許多嵌入式產(chǎn)品，如用得較多的PowerPC 860和PowerPC 8260等。

MIPS內(nèi)核目前在日本應(yīng)用較多，如日立半導(dǎo)體公司產(chǎn)品，MIPS內(nèi)核處理器中最著名的是用于Sony游戲機(jī)PS2的核心處理器，稱為情感處理器 (Emotion Engine)。該處理器含有MIPS核心和128 bit的矩陣處理機(jī)。這種把RISC核與DSP等結(jié)合起來(lái)的產(chǎn)品SoC(System on Chip)是未來(lái)的一種趨勢(shì)，即嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用人員應(yīng)該關(guān)心SoC而不是核。

ARM處理器也是內(nèi)核類應(yīng)用，因?yàn)閹缀鯖](méi)有使用ARM“芯片”。ARM的開(kāi)發(fā)公司在英國(guó)，稱為增強(qiáng)的RISC機(jī)器(Advanced RISC Machine)。大約十幾年前，ARM內(nèi)核曾經(jīng)是業(yè)界的驕傲，因?yàn)樗褂昧舜蠹s十萬(wàn)門器件實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)最快的CISC處理器的性能。但RISC的主要困難在于C語(yǔ)言編譯程序，單獨(dú)使用其外圍芯片比較麻煩。所以一般ARM以發(fā)售使用許可證的方式授權(quán)各相關(guān)芯片開(kāi)發(fā)商來(lái)研制各自的微處理器。目前，ARM系列處理器在通信終端產(chǎn)品(特別是手持設(shè)備，如手機(jī))中有著廣泛的應(yīng)用。如TI公司的TMS320C5410采用了DSPC549和ARM7內(nèi)核封裝在一個(gè)芯片中，還包含有Intel的IXP1200網(wǎng)絡(luò)處理機(jī)。

2 嵌入式操作系統(tǒng)

在嵌入式操作系統(tǒng)方面，也有一些新變化。近來(lái)嵌入式系統(tǒng)出現(xiàn)了許多新的特點(diǎn)，特別是嵌入式DSP技術(shù)和嵌入式Internet技術(shù)的出現(xiàn)，使得這些成熟的RTOS表現(xiàn)出了一定程度的不適應(yīng)性。由于無(wú)處不在的數(shù)字化和無(wú)處不在的通信，嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)迫切需要面向應(yīng)用的、可裁剪的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(即特定應(yīng)用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))。

特定應(yīng)用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)ASOS(Application Specific Operating Systems)是指面向應(yīng)用的、專用特制的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它除具有基本的處理多任務(wù)、文件及設(shè)備驅(qū)動(dòng)的操作系統(tǒng)功能外，還應(yīng)具有如下系統(tǒng)特性：

(1)面向特定應(yīng)用的簡(jiǎn)化型系統(tǒng)調(diào)用接口，專門支持一種或一類嵌入式應(yīng)用。

(2)最小內(nèi)核處理集，系統(tǒng)開(kāi)銷小，運(yùn)行效率高，并可用于各種非計(jì)算機(jī)設(shè)備。

(3)可伸縮性、可裁剪的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，提供多層次的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

(4)具有各種即插即用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口。

(5)具有網(wǎng)絡(luò)如Internet或無(wú)線接入功能，提供TCP/UDP/IP/PPP協(xié)議支持及統(tǒng)一的MAC訪問(wèn)層接口，為各種移動(dòng)計(jì)算設(shè)備預(yù)留接口。

ASOS與通用型RTOS相比較，有以下差別：

(1)ASOS更強(qiáng)調(diào)面向應(yīng)用的功能專用性，如面向某一(組)應(yīng)用的高可靠性的部分功能集，而并不像RTOS的系統(tǒng)通用性與系統(tǒng)資源可配置性。

(2)ASOS更強(qiáng)調(diào)面向應(yīng)用的實(shí)時(shí)高性能，而RTOS強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的整體效率。

(3)ASOS更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可伸縮性和可裁剪性，其極典型的例子是傳真機(jī)操作系統(tǒng)OS for FAX Machine。

(4)ASOS更強(qiáng)調(diào)與Internet的連接，特別是無(wú)線接入接口。

面向應(yīng)用的嵌入式操作系統(tǒng)ASOS已經(jīng)引起許多相關(guān)行業(yè)的重視，出現(xiàn)了一些專門的研制開(kāi)發(fā)公司，隨著對(duì)應(yīng)用高性能、低成本的不斷追求，ASOS將成為許多產(chǎn)品的核心。本文介紹兩種ASOS類產(chǎn)品：一個(gè)針對(duì)TI TMSC62x DSP，一個(gè)針對(duì)嵌入式Internet的IP2022。它們都是各自公司與器件配套開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，具有強(qiáng)大的主機(jī)開(kāi)發(fā)支持工具，靈活的可配置、可裁剪性。不過(guò)在名稱上，它們都沒(méi)有直接被稱作“RTOS”。

(1)Ubicom公司的IpModules

IpModules是Ubicom公司為其新一代的8 bit互聯(lián)網(wǎng)處理器IP2022開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)軟件模塊集。IpModules利用預(yù)先構(gòu)建好的軟件模塊實(shí)現(xiàn)各種傳統(tǒng)硬件功能，可以靈活、高效地實(shí)現(xiàn)10 baseT以太網(wǎng)和USB接口，包括核心操作系統(tǒng)服務(wù)(ipOS)、IP協(xié)議棧(ipStack)、Ethernet虛擬外設(shè)(ipEthernet)以及其他的IO服務(wù)(ipIO)。此外，還有一個(gè)HTTP/1.1(超文本傳輸協(xié)議 v1.1)和 Web服務(wù)器(ipWeb)。這些特點(diǎn)使得IP2022特別適合于8 bit單片機(jī)嵌入式Internet系統(tǒng)應(yīng)用。

(2)TI公司的DSP/BIOS

DSP/BIOS可運(yùn)行于TMS320C5x和TMS320C6x系列DSP器件上，整個(gè)系統(tǒng)由實(shí)時(shí)庫(kù)和應(yīng)用程序接口、主機(jī)配置工具以及插件(PlugIns)三大部分組成。實(shí)時(shí)庫(kù)和應(yīng)用程序接口提供應(yīng)用程序直接調(diào)用的接口函數(shù)，RTOS的基本功能由這一部分實(shí)現(xiàn)。主機(jī)配置工具用來(lái)靜態(tài)定義應(yīng)用系統(tǒng)組成，用戶可以使用這個(gè)工具描述系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的伸縮和裁剪。插件用來(lái)支持調(diào)試、主機(jī)數(shù)據(jù)傳遞和軟件儀器等諸多功能。DSP芯片上的JTAG邊界掃描接口實(shí)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)和PC主機(jī)的數(shù)據(jù)交換。為了降低CPU的開(kāi)銷和減少系統(tǒng)存儲(chǔ)器的占用，DSP/BIOS同樣采用了一些新的思想。通過(guò)這些措施，DSP/BIOS實(shí)現(xiàn)了高效、簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)[2]。

Internet與網(wǎng)絡(luò)的迅速普及應(yīng)用，并向家庭領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，使消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)、通信(3C)一體化趨勢(shì)日趨明顯，嵌入式系統(tǒng)再度成為研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的特點(diǎn)也將發(fā)生新的變化。

[1]UBICOM.IP2022 Internet processor user′s manual.2002.

[2]TI.TMS320C6000 DSP/BIOS application programming interface(API)ref guide(rev.F)2003.