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什麽是嵌入式產品的擴充接口

嵌入式操作系統EOS(Embedded OperatingSystem)是壹種用途廣泛的系統軟件,過去它主要應用於工業控制和國防系統領域。EOS負責嵌人系統的全部軟、硬件資源的分配、調度工作,控制協調並發活動;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,已推出壹些應用比較成功的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開始從單壹的弱功能向高專業化的強功能方向發展。嵌人式操作系統在系統實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固態化以及應用的專用性等方面具有較為突出的特點。EOS是相對於壹般操作系統而言的,它除具備了壹般操作系統最基本的功能,如任務調度、同步機制、中斷處理、文件功能等外,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實時性壹般較強,可用於各種設備控制當中。

(3)統壹的接口。提供各種設備驅動接日.

(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門P協議及其它協議,提供TCP/UDP/IP/PPP協議支持及統壹的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。嵌入式系統壹旦開始運行就不需要用戶過多的幹預,這就要負責系統管理的EOS臭有較強的穩定性。嵌入式操作系統的用戶接日壹般不提供操作命令,它通過系統調用命令向用戶程序提供服務。

(7)固化代碼。在嵌入系統中,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.

國際上用於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3Corn公司下屬子公司的Palm OS,全球占有份額達50%,MicroS。fi公司的Wind。ws CE不過29%。在美國市場,Palm OS更以80%的占有率遠超Windows CE。開放源代碼的Linux很適於做信息家電的開發.

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於Xlinux的嵌人式操作系統“誇克”。“誇克”是目前全世界最小的Linux,它有兩個很突出的特點,就是體積小和使用GCS編碼。

常見的嵌入式系統有:Linux、uClinux、WinCE、PalmOS、Symbian、eCos、uCOS-II、VxWorks、pSOS、Nucleus、ThreadX 、Rtems 、QNX、INTEGRITY、OSE、C Executive .

嵌入式操作系統的發展

1. 引言

嵌入式操作系統與嵌入式系統密不可分。嵌入式系統主要由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶的應用程序等四個部分組成,它是集軟硬件於壹體的可獨立工作的“器件”。

嵌入式技術的發展,大致經歷了四個階段[1]。

第壹階段是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統,同時具有與監測、伺服、指示設備相配合的功能。這種系統大部分應用於壹些專業性極強的工業控制系統中,壹般沒有操作系統的支持,通過匯編語言編程對系統進行直接控制,運行結束後清除內存。

第二階段是以嵌入式CPU為基礎、以簡單操作系統為核心的嵌入式系統。這壹階段的操作系統具有壹定的兼容性和擴展性,但用戶界面不夠友好。

第三階段是以嵌入式操作系統為標誌的嵌入式系統。這壹階段系統的主要特點是:嵌入式操作系統能運行於各種不同類型的微處理器上,兼容性好;操作系統內核精小、效率高,並且具有高度的模塊化和擴展性;具備文件和目錄管理、設備支持、多任務、網絡支持、圖形窗口以及用戶界面等功能;具有大量的應用程序接口(API),開發應用程序簡單;嵌入式應用軟件豐富。

第四階段是以基於Internet 為標誌的嵌入式系統,這是壹個正在迅速發展的階段。目前大多數嵌入式系統還孤立於Internet之外,但隨著Internet的發展以及 Internet技術與信息家電、工業控制技術等結合日益密切,嵌入式設備與Internet的結合將代表著嵌入式技術的真正未來[2]。

嵌入式系統的發展對嵌入式操作系統提出了更高的要求。因此,對嵌入式操作系統的結構、設計、用戶界面等諸多方面進行深入研究,將有助於嵌入式系統的應用和發展。

2. 嵌入式操作系統的特點

2.1 嵌入式系統的開發人員對操作系統的依賴性

早期的硬件設備很簡單,軟件的編程和調試工具也很原始,與硬件系統配套的軟件都必須從頭編寫。程序大都采用宏匯編語言,調試是壹件很麻煩的事。隨著系統越來越復雜,操作系統就顯得很必要。

(1)操作系統能有效管理越來越復雜的系統資源。

(2)操作系統能夠把硬件虛擬化,使得開發人員從繁忙的驅動程序移植和維護中解脫出來。

(3)操作系統能夠提供庫函數、驅動程序、工具集以及應用程序。

在70年代的後期,出現了嵌入式系統的操作系統。在80年代末,市場上出現了幾個著名的商業嵌入式操作系統,包括Vxwork、Neculeus、QNX和Windows CE等,這些系統提供性能良好的開發環境,提高了應用系統的開發效率。

2.2 嵌入式操作系統的特點

與其他類型的操作系統相比,嵌入式操作系統具有以下壹些特點。

(1)體積小。嵌入式系統有別於壹般的計算機處理系統,它不具備像硬盤那樣大容量的存儲介質,而大多使用閃存(Flash Memory)作為存儲介質。這就要求嵌入式操作系統只能運行在有限的內存中,不能使用虛擬內存,中斷的使用也受到限制。因此,嵌入式操作系統必須結構緊湊,體積微小。

(2)實時性。大多數嵌入式系統都是實時系統,而且多是強實時多任務系統,要求相應的嵌入式操作系統也必須是實時操作系統(RTOS)[8]。實時操作系統作為操作系統的壹個重要分支已成為研究的壹個熱點,主要探討實時多任務調度算法和可調度性、死鎖解除等問題。

(3)特殊的開發調試環境。提供完整的集成開發環境是每壹個嵌入式系統開發人員所期待的。壹個完整的嵌入式系統的集成開發環境壹般需要提供的工具是編譯/連接器、內核調試/跟蹤器和集成圖形界面開發平臺。其中的集成圖形界面開發平臺包括編輯器、調試器、軟件仿真器和監視器等。

3. 嵌入式操作系統的發展狀況

國外嵌入式操作系統已經從簡單走向成熟,主要有Vxwork、 QNX、PalmOS、Windows CE等。國內的嵌入式操作系統研究開發有2種類型,壹類是基於國外操作系統二次開發完成的,如海信的基於Windows CE的機頂盒系統;另壹類是中國自主開發的嵌入式操作系統,如凱思集團公司自主研制開發的嵌入式操作系統Hopen OS(“女媧計劃”)等。

Windows CE內核較小,能作為壹種嵌入式操作系統應用到工業控制等領域。其優點在於便攜性、提供對微處理器的選擇以及非強行的電源管理功能。內置的標準通信能力使 Windows CE能夠訪問Internet並收發E_mail或瀏覽Web。除此之外,Windows CE特有的與Windows類似的用戶界面使最終用戶易於使用。Windows CE的缺點是速度慢、效率低、價格偏高、開發應用程序相對較難。

3Com公司的Palm OS在掌上電腦和PDA市場上獨占其霸主地位,它有開放的操作系統應用程序接口(API),開發商可根據需要自行開發所需的應用程序。

QNX是由加拿大QSSL公司開發的分布式實時操作系統,它由微內核和壹組***操作的進程組成,具有高度的伸縮性,可靈活地剪裁,最小配置只占用幾十KB內存。因此,可以廣泛地嵌入到智能機器、智能儀器儀表、機頂盒、通訊設備、PDA等應用中去[6][7]。

Hopen OS是凱思集團自主研制開發的嵌入式操作系統,由壹個體積很小的內核及壹些可以根據需要進行定制的系統模塊組成。其核心Hopen Kernel壹般為10KB左右大小,占用空間小,並具有實時、多任務、多線程的系統特征。

在眾多的實時操作系統和嵌入式操作系統產品中,WindRiver公司的VxWorks是較為有特色的壹種實時操作系統[5]。VxWorks 支持各種工業標準,包括POSIX、ANSI C 和TCP/IP網絡協議。VxWorks 運行系統的核心是壹個高效率的微內核,該微內核支持各種實時功能,包括快速多任務處理、中斷支持、搶占式和輪轉式調度。微內核設計減輕了系統負載並可快速響應外部事件。在美國宇航局的“極地登陸者”號、“深空二號”和火星氣候軌道器等登陸火星探測器上,就采用了VxWorks,負責火星探測器全部飛行控制,包括飛行糾正、載體自旋和降落時的高度控制等,而且還負責數據收集和與地球的通信工作。目前在全世界裝有VxWorks 系統的智能設備數以百萬計,其應用範圍遍及互聯網、電信和數據通信、數字影像、網絡、醫學、計算機外設、汽車、火控、導航與制導、航空、指揮、控制、通信和情報、聲納與雷達、空間與導彈系統、模擬和測試等眾多領域。

4. Linux

4.1 嵌入式Linux的應用開發前景

Linux是個與生俱來的網絡操作系統,成熟而且穩定。Linux是源代碼開放軟件,不存在黑箱技術,任何人都可以修改它,或者用它開發自己的產品。Linux系統是可以定制的,系統內核目前已經可以做得很小。壹個帶有中文系統及圖形化界面的核心程序也可以做到不足1MB,而且同樣穩定。Linux作為壹種可裁減的軟件平臺系統,是發展未來嵌入設備產品的絕佳資源,遍布全球的眾多Linux愛好者又能給予Linux開發者強大的技術支持。因此,Linux作為嵌入式系統新的選擇,是非常有發展前途的。

(1)與硬件芯片的緊密結合

後PC時代的智能設備已經逐漸地模糊了硬件與軟件的界限,SOC系統(System On Chip)的發展就是這種軟硬件無縫結合趨勢的證明。隨著處理器片內微碼的發展,在將來可能出現在處理器片內嵌進操作系統的代碼模塊。

嵌入式Linux的壹大特點是:與硬件芯片(如SOC等)的緊密結合。它不是壹個純軟件的Linux系統,而比壹般操作系統更加接近於硬件。嵌入式Linux的進壹步發展,逐步地具備了嵌入式RTOS的壹切特征:實時性及與嵌入式處理器的緊密結合。

(2)開放的源代碼

嵌入式Linux的另壹大特點是:代碼的開放性。代碼的開放性是與後PC時代的智能設備的多樣性相適應的。代碼的開放性主要體現在源代碼可獲得上,Linux代碼開發就像是“集市式”開發,任意選擇並按自己的意願整合出新的產品。

對於嵌入式Linux,事實上是把BIOS層的功能實現在Linux的driver層。目前,在Linux領域,已經出現了專門為Linux操作系統定制的自由軟件的BIOS代碼,並在多款主板上實現此類的BIOS層功能。

(3)嵌入式Linux與硬件芯片的緊密結合

對於許多信息家電的應用來說,嵌入的性能指標是最難滿足的,只有靠提高芯片的集成度與裝配密度來解決。嵌入式Linux與標準Linux的壹個重要區別是嵌入式Linux與硬件芯片的緊密結合。這是壹個不可逾越的難點,也是嵌入式Linux技術的關鍵之處。嵌入式Linux和商用專用RTOS壹樣,需要編寫BSP(Board Support Package),這相當於編寫PC的BIOS。這不僅僅是嵌入式Linux的難點,也是使用商用專用RTOS開發的難點。硬件芯片(SOC芯片或者是嵌入式處理器)的多樣性也決定了代碼開放的嵌入式Linux的成功。嵌入式系統的發展,必然導致軟硬件無縫結合的趨勢,逐漸地模糊了硬件與軟件的界限,在將來可能出現SOC片內的操作系統代碼模塊。

隨著處理器片內微碼的發展,在將來應出現在處理器片內嵌進操作系統的代碼模塊,很顯然模塊將具有安全性好、健壯性強、代碼執行效率高等特點。著眼於未來的嵌入式系統的發展,我們基於對嵌入式Linux技術的深入研究,對嵌入式處理器及SOC系統的深刻理解和研究;對EDA技術的深入研究;對模擬數字混合集成電路芯片的深入研究;對SOC片內進行嵌入式Linux操作系統代碼的植入研究。此類的研究有可能減輕系統開發者對BSP開發的難度要求,並使得嵌入式Linux能夠成為普及的嵌入式操作系統,而大大提高嵌入式Linux的易用性,提高其開發出的高智能設備的安全性、穩定性,同時也大大提高智能設備的計算能力、處理能力。

4.2 部分嵌入式Linux產品[3][4]

嵌入式Linux 壹般是按照嵌入式目標系統的要求而設計,由壹個體積很小的內核及壹些可以根據需要進行隨意裁減的系統模塊組成。壹般來說整個系統所占用的空間不會超過幾M 大小。目前,國外不少大學、研究機構和知名公司都加入了嵌入式Linux的開發工作,較成熟的嵌入式Linux產品不斷湧現。

由美國新墨西哥理工學院開發的基於標準Linux 的嵌入式操作系統RTLinux,已成功地應用於航天飛機的空間數據采集、科學儀器測控、電影特技圖像處理等領域。RTLinux開發者並沒有針對實時操作系統的特性重寫Linux的內核,這樣做工作量會非常大,而且要保證兼容性也非常困難。為此,RTLinux提供了壹個精巧的實時內核,並把標準的 Linux核心作為實時核心的壹個進程同用戶的實時進程壹起調度,這樣做的好處是對Linux的改動量最小,充分利用了Linux平臺下現有的豐富的軟件資源。

由嵌入式Linux行業主要廠商之壹Lineo推出的Embedix,是根據嵌入式應用系統的特點重新設計的Linux發行版本。Embedix提供了超過25種的Linux系統服務,包括Web服務器等。系統需要最小8M內存,3M只讀內存或閃存。Embedix基於Linux 2.2核心,並已經成功地移植到了Intel X86和PowerPC處理器系列上。

由美國網虎公司推出的XLinux,號稱是世界上最小的嵌入式Linux系統,核心只有143K字節,而且還在不斷減小。

致力於國產嵌入式Linux 操作系統和應用軟件開發的廣州博利思軟件公司推出的嵌入式Linux中文操作系統POCKETIX,基於標準的Linux內核,並包括壹些可以根據需要進行定制的系統模塊。支持標準以太網和TCP/IP協議、支持標準的X Window,中文支持采用國際化標準,提供桌面和窗口管理功能、帶WEB瀏覽器和文件管理器,並支持智能拼音和五筆字型輸入。可適應個人PDA、WAP 手機、機頂盒等廣泛的智能信息產品。

4.3 開發嵌入式Linux的幾個問題

(1)Linux的移植。如果Linux不支持選用的平臺,就需要把Linux內核中與硬件平臺相關的部分改寫,使之支持所選用的平臺。

(2)內核的裁剪。嵌入式產品的可用資源比較少,所以它的內核相對嵌入式系統來說就顯得有點大,需要進行剪裁到可利用的大小。

(3)桌面系統。現代的操作系統如果沒有壹個友好的界面是沒有說服力的。現在的臺式機Linux系統使用了傳統的X Window系統的模式—Client/Server結構。和硬件有關的部分即是Server端,實現壹個標準的顯示接口;應用程序通過對Server的服務請求,實現程序的顯示。在此之上,實現窗口的管理功能。但X Window對於嵌入式系統來說顯得很龐大。現在國內有MiniGUI,國外有MicroWindow,都在致力於嵌入式Linux GUI的開發。適用於嵌入式Linux上的X Window的工作也在進行。

(4)驅動程序的開發。Linux內核更新的很快,許多最新的硬件驅動很快就被支持。但嵌入式系統應用領域是多種多樣的,所選用的硬件設備也不同,並且不可能都有Linux的驅動程序,因此,設備驅動程序的開發也是重要的工作。

(5)應用軟件的開發。

(6)中文的支持。

5. 結束語

目前,絕大部分嵌入式系統的硬件平臺還掌握在外國公司的手中,國產的嵌入式操作系統在技術含量、兼容性、市場運作模式等方面也還有很多工作要做,我們應該在跟蹤國外嵌入式操作系統的最新技術的同時,堅持自主產權,力爭找到自己的突破點,探索出壹條自己的發展道路。

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