黃良峰

(江蘇廣播電視大學(xué)武進(jìn)學(xué)院,江蘇常州 213167)

計(jì)算機(jī)嵌入式操作系統(tǒng)研究

黃良峰

(江蘇廣播電視大學(xué)武進(jìn)學(xué)院,江蘇常州 213167)

嵌入式操作系統(tǒng)的意義不僅僅局限于表面,更重要的是它可以稱之為嵌入式系統(tǒng)的靈魂所在。本文從若干個(gè)方面對(duì)計(jì)算機(jī)嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行探討。

計(jì)算機(jī)嵌入式操作系統(tǒng);簡(jiǎn)介;特點(diǎn);缺點(diǎn)

隨著嵌入式操作系統(tǒng)的不斷發(fā)展,其構(gòu)造也在不斷的復(fù)雜化,因結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化也導(dǎo)致了操作系統(tǒng)的重要性也在不斷增加,因此便出現(xiàn)了嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)的出現(xiàn)主要可以降低系統(tǒng)在開發(fā)時(shí)所產(chǎn)生的大量的工作量,從而將嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)效率大大地提升了,同時(shí)也提高了整個(gè)系統(tǒng)的科學(xué)性。因此,嵌入式操作系統(tǒng)的意義不僅僅局限于表面,更重要的是它可以稱之為嵌入式系統(tǒng)的靈魂所在。本篇文章主要是通過(guò)對(duì)嵌入式的操作系統(tǒng)進(jìn)行介紹,對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行分析與分類,介紹當(dāng)今比較常見的嵌入式操作系統(tǒng)并對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的研究與分析,使讀者對(duì)計(jì)算機(jī)的嵌入式操作系統(tǒng)有所了解。

一、計(jì)算機(jī)的嵌入式操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介

嵌入式的操作系統(tǒng)是一種在計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種特定的功能時(shí)所使用的專用的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。其主要是通過(guò)將微電子芯片嵌入到微型存儲(chǔ)器中所形成的微型操作系統(tǒng)?？梢赃_(dá)到通過(guò)控制和應(yīng)用軟件開發(fā)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、對(duì)內(nèi)在數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及對(duì)移動(dòng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行管理,是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)可以擁有自動(dòng)化處理任務(wù)的能力。其中,微電子芯片主要包括:微型的處理器和控制器,并且其自身存儲(chǔ)器或定時(shí)器也是由微型的電子芯片組成的。因此,嵌入式的操作系統(tǒng)在實(shí)際的生產(chǎn)生活中,主要依靠它的應(yīng)用領(lǐng)域的不同,將半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)以及通訊技術(shù)作為技術(shù)基礎(chǔ),將硬件與軟件兩者的協(xié)同性進(jìn)行整合。通過(guò)對(duì)軟件和硬件的裁剪,做出滿足于系統(tǒng)要求的并且功能強(qiáng)大、成本低、體積小和功耗小的整合性軟件硬件。根據(jù)不同的功能,可以制造出不同的嵌入式系統(tǒng)軟件。

二、計(jì)算機(jī)嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的通用型計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)相比,計(jì)算機(jī)嵌入式操作系統(tǒng)主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

首先,嵌入式操作系統(tǒng)在開發(fā)時(shí)設(shè)定了特定的應(yīng)用方向,使其應(yīng)用目標(biāo)較為明確。嵌入式的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中的CPU相比于通用型的CPU,它指定了用戶類型,使其針對(duì)性增強(qiáng)。并且嵌入式的操作系統(tǒng)通常具有功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn),并且由于其具備較高的集成度,將大部分的板卡聚集在一個(gè)小的微型芯片上,從而使嵌入式操作系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí),整體的體積變小,因此便可以彌補(bǔ)以前的操作系統(tǒng)移動(dòng)能力差的問(wèn)題,并且也可以將其與網(wǎng)絡(luò)的耦合性增強(qiáng)。其次,嵌入式操作系統(tǒng)不僅僅只包括計(jì)算機(jī)操作技術(shù),還涵蓋了半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù),將三者聯(lián)合起來(lái),形成了應(yīng)用型強(qiáng)的嵌入式操作系統(tǒng)。第三,嵌入式操作系統(tǒng)的軟件和硬件在設(shè)計(jì)時(shí)都應(yīng)該具備較高效率。這樣就需要在設(shè)計(jì)硬件和軟件時(shí)將不必要的設(shè)計(jì)去除掉,使同樣面積的芯片上所能實(shí)現(xiàn)的性能更高。這樣,在處理同樣的應(yīng)用程序時(shí),可以運(yùn)行更快,優(yōu)勢(shì)更強(qiáng)。第四,嵌入式操作系統(tǒng)在設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí),同時(shí)注重其具體的應(yīng)用,使在開發(fā)操作系統(tǒng)時(shí),能與具體應(yīng)用更有機(jī)的結(jié)合在一起,可以順應(yīng)時(shí)代發(fā)展。所以,嵌入式的操作系統(tǒng)一旦進(jìn)入市場(chǎng),它的生命周期與市場(chǎng)認(rèn)可度都會(huì)明顯高于以前的操作系統(tǒng)。最后,在為了提高整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的速度,并且保證嵌入式系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,嵌入式操作系統(tǒng)的軟件應(yīng)該存儲(chǔ)于自身的存儲(chǔ)芯片上,而并非存儲(chǔ)在外在的載體上。并且因?yàn)榍度胧讲僮飨到y(tǒng)其自身的開發(fā)性不強(qiáng),因此其穩(wěn)定性更強(qiáng)。

除此之外,計(jì)算機(jī)嵌入式操作系統(tǒng)有著極強(qiáng)的開放性和可伸縮性,同時(shí)具有一定的實(shí)時(shí)性,這種實(shí)時(shí)性可以應(yīng)用于各種需要控制的設(shè)備中,而且嵌入式系統(tǒng)穩(wěn)定性極強(qiáng),交互性比較弱,所以在日常中為用戶提供服務(wù)更加穩(wěn)定。

三、傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)的缺點(diǎn)

傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng),同樣的操作系統(tǒng)往往要重復(fù)被操作者開發(fā),造成資源的浪費(fèi);在功能和模版都得按照特定的環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)的,因此不能改變,并且傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)沒(méi)有提供標(biāo)準(zhǔn)的接口;開發(fā)周期相較于現(xiàn)在的嵌入式操作系統(tǒng)更加的長(zhǎng),因?yàn)槊總€(gè)項(xiàng)目基本上都需要重新進(jìn)行開發(fā),沒(méi)有一個(gè)相對(duì)成熟的結(jié)構(gòu)可以反復(fù)進(jìn)行使用;有的地方因?yàn)槭艿诫娏康南拗?使CPU在進(jìn)行選擇時(shí)也就有了一定的局限性。同時(shí)嵌入式設(shè)備所使用的操作系統(tǒng)由于不是通用的,而是專門應(yīng)用于某一特定領(lǐng)域中,因此其指向性強(qiáng),適用范圍降低。

隨著科技的不斷進(jìn)步與發(fā)展,微內(nèi)核技術(shù)的出現(xiàn),將操作系統(tǒng)模塊化、靈活化推向了新的巔峰。應(yīng)用可配置的操作系統(tǒng)在操作系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。我們所說(shuō)的應(yīng)用配置的操作系統(tǒng)主要是指操作系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的需求來(lái)設(shè)置出滿足于特定的應(yīng)用領(lǐng)域需求的操作系統(tǒng)或軟件。這是通過(guò)對(duì)一些不必要的系統(tǒng)功能進(jìn)行裁剪,從而獲得更高的性能和更低的系統(tǒng)占用空間。因此,向嵌入式操作系統(tǒng)中加入軟件構(gòu)建,是符合于當(dāng)今嵌入式操作系統(tǒng)的要求。

在嵌入型操作系統(tǒng)中若想找出一個(gè)符合于計(jì)算機(jī)使用的構(gòu)件是比較困難的,大多數(shù)的用戶只是了解自己使用的構(gòu)件主要的功能是什么,具體的名稱卻不是很了解,因此在找出適合自己的構(gòu)件是對(duì)使用者的一種考驗(yàn),因此,將不同的構(gòu)件進(jìn)行一定的分類和檢索可以使用戶在查詢自己所需的構(gòu)件時(shí)更加方便快捷。

通過(guò)構(gòu)件的組合形成的構(gòu)件化的操作系統(tǒng)主要應(yīng)該具備以下幾個(gè)特征:操作系統(tǒng)的組成構(gòu)建之間的連接主要應(yīng)該是通過(guò)構(gòu)件的接口來(lái)進(jìn)行的,接口的功能與屬性則決定了構(gòu)件的功能與屬性,從而起到了契合的作用;操作系統(tǒng)的組成構(gòu)建除了要有其固定的接口之外,還要與各個(gè)部分相互協(xié)調(diào)。因此,在設(shè)計(jì)開發(fā)新的構(gòu)件時(shí),應(yīng)該對(duì)其機(jī)理性能有充分的了解,才能設(shè)計(jì)出更好的嵌入式操作系統(tǒng)。

四、常見的嵌入式操作系統(tǒng)

根據(jù)操作系統(tǒng)的應(yīng)用角度主要可以分為兩大類:通用性嵌入式操作系統(tǒng)和專用型嵌入式操作系統(tǒng)。常見的通用型操作系統(tǒng)主要有Linux、VxWorks、Window s CE.net等,常見的專用型嵌入式操作系統(tǒng)則大多數(shù)為 Smart Phone、Pocket PC、Symbian等。

若按實(shí)時(shí)性分類,主要分為兩大類:實(shí)時(shí)嵌入型操作系統(tǒng)和非實(shí)時(shí)嵌入型操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)主要是針對(duì)于對(duì)其他計(jì)算機(jī)的控制或信息通信等領(lǐng)域的應(yīng)用。例如Wind River公司開發(fā)的Vx Works、ISI的pSOS、QNX公司開發(fā)的QNX、ATI公司的Nucleus等等;而非實(shí)時(shí)嵌入操作系統(tǒng)主要是面向于大眾所傾向的消費(fèi)類的電子產(chǎn)品。這類產(chǎn)品主要是由以下幾種構(gòu)成,如PDA、常用的移動(dòng)電話、接受電視數(shù)字信號(hào)的機(jī)頂盒、可提供圖書資源的電子書以及Web Phone等。微軟面向與廣大手機(jī)用戶的Smart Phone操作系統(tǒng)也屬于非實(shí)時(shí)嵌入型操作系統(tǒng)。

國(guó)際上將嵌入式操作系統(tǒng)用于信息電器的種類繁多,大約為40種左右。但是由于Linux提供開放源代碼,Linux系統(tǒng)的內(nèi)核更為精簡(jiǎn)、效率高并且其自身的系統(tǒng)穩(wěn)定,因此能充分的發(fā)揮硬件的功能,所以運(yùn)行效率更高。常常被應(yīng)用于政府機(jī)關(guān)、銀行等高級(jí)辦公場(chǎng)所。因此適合于在信息家電進(jìn)行開發(fā)。例如中科紅旗軟件技術(shù)有限公司所開發(fā)研究的紅旗嵌入式Linux,通過(guò)和美國(guó)的商網(wǎng)虎公司一起開發(fā)的基于X Linux的嵌入式操作系統(tǒng)“夸克”是目前世界上最小的Linux,因其具備體積小并且使用 GCS編碼,使其在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域被廣泛使用。

嵌入式操作系統(tǒng)的種類很多,常見的嵌入式操作系統(tǒng)主要包括以下幾種:Linux、UC Linux、WinCE、VxWorks、Window s CE.net、Smart Phone、Pocket PC、Symbian、pSOS、QNX、Nucleus等。

五、嵌入式操作系統(tǒng)在日常應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)

眾所周知,由于凹凸不平所帶來(lái)的困擾,對(duì)于嵌入式開發(fā)工具的操作和技術(shù)的還尚不成熟是嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)時(shí)產(chǎn)生的困難的主要來(lái)源。而主機(jī)和目標(biāo)機(jī)、操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)開發(fā)者在開發(fā)設(shè)計(jì)中將開發(fā)工具主要放在主機(jī)上,目標(biāo)機(jī)上則是將操作系統(tǒng)的核心模塊作為主要開發(fā)區(qū)域,而操作系統(tǒng)則又要支持跟蹤和調(diào)試。因此,涉及開發(fā)者在開發(fā)過(guò)程中,可以先對(duì)應(yīng)用軟件先進(jìn)行檢測(cè),并在目標(biāo)機(jī)器上對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè),最后將整體的開發(fā)結(jié)果在主機(jī)上進(jìn)行調(diào)試,使整個(gè)開發(fā)過(guò)程相較于以前變得更加簡(jiǎn)單,減少了時(shí)間上的耗費(fèi)。

嵌入式操作系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中做占據(jù)的領(lǐng)域相當(dāng)廣泛,根據(jù)不同的應(yīng)用目的為出發(fā)點(diǎn),便形成了具有不同功能和結(jié)構(gòu)。因此,在設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí),應(yīng)該注重其應(yīng)用方向,設(shè)計(jì)出不同的功能、結(jié)構(gòu)的嵌入式操作系統(tǒng),這樣便可以增加嵌入式的操作系統(tǒng)的實(shí)用性和靈活性,現(xiàn)在在設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)時(shí),增加模塊化是如今操作系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展的總體趨勢(shì)。具體實(shí)現(xiàn)的方法主要是通過(guò)將操作系統(tǒng)的核心功能進(jìn)行獨(dú)立,將其制作成可以拆卸的單獨(dú)模塊。

雖然當(dāng)今的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到了巔峰,軟件開發(fā)的技術(shù)已經(jīng)高度發(fā)達(dá),但是對(duì)于一般的開發(fā)研究者而言,重新設(shè)計(jì)一個(gè)操作系統(tǒng)所需要的時(shí)間還是很長(zhǎng)的,因此,為了減少操作系統(tǒng)所帶來(lái)的冗雜的工作量,可以充分利用現(xiàn)如今已經(jīng)有的資源,對(duì)其進(jìn)行一系列的修改,從而降低了工作的難度。

因此,為了將以上的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟變得更加的簡(jiǎn)潔方便,就需要在設(shè)計(jì)時(shí)為用戶提供一個(gè)較為實(shí)用的程序接口。通過(guò)上述的方式,便可以實(shí)現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng),另外在設(shè)計(jì)嵌入式操作系統(tǒng)時(shí),也仍是需要遵循以下幾個(gè)原則:首先應(yīng)該充分利用計(jì)算機(jī)相關(guān)的技術(shù),使得設(shè)計(jì)者所設(shè)計(jì)出的操作系統(tǒng)的性價(jià)比更高;要結(jié)合操作系統(tǒng),考慮到其與嵌入式操作系統(tǒng)的匹配性;在已經(jīng)滿足了嵌入式操作系統(tǒng)的功能后,要盡量將系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單,這樣便可以節(jié)約成本,也可以避免資源的浪費(fèi)。

六、結(jié)束語(yǔ)

隨著嵌入式操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用,其構(gòu)造復(fù)雜化的不斷增加,使得操作系統(tǒng)的重要性也在不斷增加,進(jìn)而便出現(xiàn)了嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)可以減少系統(tǒng)在開發(fā)時(shí)的工作量,從而大大提升了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)效率,同時(shí)讓整個(gè)系統(tǒng)的科學(xué)性明顯高于以前的操作系統(tǒng)。然而,盡管嵌入式的操作系統(tǒng)發(fā)展勢(shì)頭仍舊處于高峰,并具備一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),但是由于其自身技術(shù)的成熟性較低,因此,在整體的設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中,應(yīng)該不斷的更新自己的思路,不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和進(jìn)行創(chuàng)新,為實(shí)現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)在未來(lái)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域可以有一片更好的天地。

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1008-7508(2012)05-0128-03

2012-03-06

黃良峰 (1977～),江蘇省常州市人,江蘇廣播電視大學(xué)武進(jìn)學(xué)院,高校講師,碩士,研究方向:計(jì)算機(jī)嵌入式。