陳建杰

(中國空空導彈研究院凱邁(洛陽)電子有限公司，河南 洛陽 471009)

隨著半導體工藝的發(fā)展和系統(tǒng)設計水平的進步，單片機的性能大幅度地提高，因而應用的領域更加廣闊。而由于網(wǎng)絡和通信的迅速發(fā)展，近年來嵌入式系統(tǒng)在硬件和軟件上都出現(xiàn)了許多新的特點。

1 嵌入式處理器

嵌入式系統(tǒng)的核心處理器已經(jīng)向兩個方向分化：一個是8 bit/16 bit的處理器經(jīng)過擴展實現(xiàn)嵌入式Internet；另一個是32 bit的RISC處理器用在如交換機、路由器一類的通信領域。

Ubicom公司(前稱為 Scenix，提供 SX系列高速 8 bit單片機和虛擬外設技術)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，實現(xiàn)了確定性的指令執(zhí)行和中斷響應時間，特別適合于8 bit單片機嵌入式 Internet系統(tǒng)應用[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系列處理器的內核由IBM、Motorola和Apple三家公司聯(lián)合開發(fā)，當時的目標是替代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內核目前在日本應用較多，如日立半導體公司產(chǎn)品，MIPS內核處理器中最著名的是用于Sony游戲機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。這種把RISC核與DSP等結合起來的產(chǎn)品SoC(System on Chip)是未來的一種趨勢，即嵌入式系統(tǒng)的應用人員應該關心SoC而不是核。

ARM處理器也是內核類應用，因為幾乎沒有使用ARM“芯片”。ARM的開發(fā)公司在英國，稱為增強的RISC機器(Advanced RISC Machine)。大約十幾年前，ARM內核曾經(jīng)是業(yè)界的驕傲，因為它使用了大約十萬門器件實現(xiàn)了當時最快的CISC處理器的性能。但RISC的主要困難在于C語言編譯程序，單獨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各相關芯片開發(fā)商來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(特別是手持設備，如手機)中有著廣泛的應用。如TI公司的TMS320C5410采用了DSPC549和ARM7內核封裝在一個芯片中，還包含有Intel的IXP1200網(wǎng)絡處理機。

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。近來嵌入式系統(tǒng)出現(xiàn)了許多新的特點，特別是嵌入式DSP技術和嵌入式Internet技術的出現(xiàn)，使得這些成熟的RTOS表現(xiàn)出了一定程度的不適應性。由于無處不在的數(shù)字化和無處不在的通信，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)迫切需要面向應用的、可裁剪的嵌入式實時操作系統(tǒng)(即特定應用的嵌入式實時操作系統(tǒng))。

特定應用的嵌入式實時操作系統(tǒng)ASOS(Application Specific Operating Systems)是指面向應用的、專用特制的嵌入式實時操作系統(tǒng)。它除具有基本的處理多任務、文件及設備驅動的操作系統(tǒng)功能外，還應具有如下系統(tǒng)特性：

(1)面向特定應用的簡化型系統(tǒng)調用接口，專門支持一種或一類嵌入式應用。

(2)最小內核處理集，系統(tǒng)開銷小，運行效率高，并可用于各種非計算機設備。

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

(4)具有各種即插即用的設備驅動接口。

(5)具有網(wǎng)絡如Internet或無線接入功能，提供TCP/UDP/IP/PPP協(xié)議支持及統(tǒng)一的MAC訪問層接口，為各種移動計算設備預留接口。

ASOS與通用型RTOS相比較，有以下差別：

(1)ASOS更強調面向應用的功能專用性，如面向某一(組)應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更強調面向應用的實時高性能，而RTOS強調系統(tǒng)的整體效率。

(3)ASOS更強調系統(tǒng)結構的可伸縮性和可裁剪性，其極典型的例子是傳真機操作系統(tǒng)OS for FAX Machine。

(4)ASOS更強調與Internet的連接，特別是無線接入接口。

面向應用的嵌入式操作系統(tǒng)ASOS已經(jīng)引起許多相關行業(yè)的重視，出現(xiàn)了一些專門的研制開發(fā)公司，隨著對應用高性能、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：一個針對TI TMSC62x DSP，一個針對嵌入式Internet的IP2022。它們都是各自公司與器件配套開發(fā)的產(chǎn)品，具有強大的主機開發(fā)支持工具，靈活的可配置、可裁剪性。不過在名稱上，它們都沒有直接被稱作“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開發(fā)的系統(tǒng)軟件模塊集。IpModules利用預先構建好的軟件模塊實現(xiàn)各種傳統(tǒng)硬件功能，可以靈活、高效地實現(xiàn)10 baseT以太網(wǎng)和USB接口，包括核心操作系統(tǒng)服務(ipOS)、IP協(xié)議棧(ipStack)、Ethernet虛擬外設(ipEthernet)以及其他的IO服務(ipIO)。此外，還有一個HTTP/1.1(超文本傳輸協(xié)議 v1.1)和 Web服務器(ipWeb)。這些特點使得IP2022特別適合于8 bit單片機嵌入式Internet系統(tǒng)應用。

(2)TI公司的DSP/BIOS

DSP/BIOS可運行于TMS320C5x和TMS320C6x系列DSP器件上，整個系統(tǒng)由實時庫和應用程序接口、主機配置工具以及插件(PlugIns)三大部分組成。實時庫和應用程序接口提供應用程序直接調用的接口函數(shù)，RTOS的基本功能由這一部分實現(xiàn)。主機配置工具用來靜態(tài)定義應用系統(tǒng)組成，用戶可以使用這個工具描述系統(tǒng)功能，實現(xiàn)操作系統(tǒng)的伸縮和裁剪。插件用來支持調試、主機數(shù)據(jù)傳遞和軟件儀器等諸多功能。DSP芯片上的JTAG邊界掃描接口實現(xiàn)目標系統(tǒng)和PC主機的數(shù)據(jù)交換。為了降低CPU的開銷和減少系統(tǒng)存儲器的占用，DSP/BIOS同樣采用了一些新的思想。通過這些措施，DSP/BIOS實現(xiàn)了高效、簡潔的結構[2]。

Internet與網(wǎng)絡的迅速普及應用，并向家庭領域不斷擴展，使消費電子、計算機、通信(3C)一體化趨勢日趨明顯，嵌入式系統(tǒng)再度成為研究與應用的熱點。嵌入式系統(tǒng)應用的特點也將發(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.