黃良峰

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

計算機(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。本文從若干個方面對計算機(jī)嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行探討。

計算機(jī)嵌入式操作系統(tǒng);簡介;特點;缺點

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,同時也提高了整個系統(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對嵌入式的操作系統(tǒng)進(jìn)行介紹,對其特點進(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)并對其進(jìn)行詳細(xì)的研究與分析,使讀者對計算機(jī)的嵌入式操作系統(tǒng)有所了解。

一、計算機(jī)的嵌入式操作系統(tǒng)簡介

嵌入式的操作系統(tǒng)是一種在計算機(jī)執(zhí)行某種特定的功能時所使用的專用的計算機(jī)操作系統(tǒng)。其主要是通過將微電子芯片嵌入到微型存儲器中所形成的微型操作系統(tǒng)?？梢赃_(dá)到通過控制和應(yīng)用軟件開發(fā)從而實現(xiàn)對計算機(jī)進(jìn)行實時控制、對內(nèi)在數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及對移動計算機(jī)進(jìn)行管理,是計算機(jī)實現(xiàn)可以擁有自動化處理任務(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,并且其自身存儲器或定時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。通過對軟件和硬件的裁剪,做出滿足于系統(tǒng)要求的并且功能強大、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、計算機(jī)嵌入式操作系統(tǒng)的特點

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

首先,嵌入式操作系統(tǒng)在開發(fā)時設(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,使其針對性增強。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,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小的微型芯片上,從而使嵌入式操作系統(tǒng)在設(shè)計時,整體的體積變小,因此便可以彌補以前的操作系統(tǒng)移動能力差的問題,并且也可以將其與網(wǎng)絡(luò)的耦合性增強。其次,嵌入式操作系統(tǒng)不僅僅只包括計算機(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,形成了應(yīng)用型強的嵌入式操作系統(tǒng)。第三,嵌入式操作系統(tǒng)的軟件和硬件在設(shè)計時都應(yīng)該具備較高效率。這樣就需要在設(shè)計硬件和軟件時將不必要的設(shè)計去除掉,使同樣面積的芯片上所能實現(xiàn)的性能更高。這樣,在處理同樣的應(yīng)用程序時,可以運行更快,優(yōu)勢更強。第四,嵌入式操作系統(tǒng)在設(shè)計開發(fā)時,同時注重其具體的應(yīng)用,使在開發(fā)操作系統(tǒng)時,能與具體應(yīng)用更有機(jī)的結(jié)合在一起,可以順應(yīng)時代發(fā)展。所以,嵌入式的操作系統(tǒng)一旦進(jìn)入市場,它的生命周期與市場認(rèn)可度都會明顯高于以前的操作系統(tǒng)。最后,在為了提高整個系統(tǒng)在運行時的速度,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)該存儲于自身的存儲芯片上,而并非存儲在外在的載體上。并且因為嵌入式操作系統(tǒng)其自身的開發(fā)性不強,因此其穩(wěn)定性更強。

除此之外,計算機(jī)嵌入式操作系統(tǒng)有著極強的開放性和可伸縮性,同時具有一定的實時性,這種實時性可以應(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,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

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;在功能和模版都得按照特定的環(huán)境來實現(xiàn)的,因此不能改變,并且傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)沒有提供標(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,因為每個項目基本上都需要重新進(jìn)行開發(fā),沒有一個相對成熟的結(jié)構(gòu)可以反復(fù)進(jìn)行使用;有的地方因為受到電量的限制,使CPU在進(jìn)行選擇時也就有了一定的局限性。同時嵌入式設(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,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)用越來越廣泛。我們所說的應(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。這是通過對一些不必要的系統(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)中若想找出一個符合于計算機(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)件是對使用者的一種考驗,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)件時更加方便快捷。

通過構(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)該是通過構(gòu)件的接口來進(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,還要與各個部分相互協(xié)調(diào)。因此,在設(shè)計開發(fā)新的構(gòu)件時,應(yīng)該對其機(jī)理性能有充分的了解,才能設(shè)計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。

若按實時性分類,主要分為兩大類:實時嵌入型操作系統(tǒng)和非實時嵌入型操作系統(tǒng)。實時嵌入式操作系統(tǒng)主要是針對于對其他計算機(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;而非實時嵌入操作系統(tǒng)主要是面向于大眾所傾向的消費類的電子產(chǎn)品。這類產(chǎn)品主要是由以下幾種構(gòu)成,如PDA、常用的移動電話、接受電視數(shù)字信號的機(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)也屬于非實時嵌入型操作系統(tǒng)。

國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、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,所以運行效率更高。常常被應(yīng)用于政府機(jī)關(guān)、銀行等高級辦公場所。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,通過和美國的商網(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)用中的實現(xiàn)

眾所周知,由于凹凸不平所帶來的困擾,對于嵌入式開發(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)時產(chǎn)生的困難的主要來源。而主機(jī)和目標(biāo)機(jī)、操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)是設(shè)計開發(fā)者在開發(fā)設(shè)計中將開發(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)過程中,可以先對應(yīng)用軟件先進(jìn)行檢測,并在目標(biāo)機(jī)器上對操作系統(tǒng)進(jìn)行檢測,最后將整體的開發(fā)結(jié)果在主機(jī)上進(jìn)行調(diào)試,使整個開發(fā)過程相較于以前變得更加簡單,減少了時間上的耗費。

嵌入式操作系統(tǒng)在現(xiàn)實應(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,便形成了具有不同功能和結(jié)構(gòu)。因此,在設(shè)計開發(fā)時,應(yīng)該注重其應(yīng)用方向,設(shè)計出不同的功能、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)的實用性和靈活性,現(xiàn)在在設(shè)計操作系統(tǒng)時,增加模塊化是如今操作系統(tǒng)的未來發(fā)展的總體趨勢。具體實現(xiàn)的方法主要是通過將操作系統(tǒng)的核心功能進(jìn)行獨立,將其制作成可以拆卸的單獨模塊。

雖然當(dāng)今的計算機(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),但是對于一般的開發(fā)研究者而言,重新設(shè)計一個操作系統(tǒng)所需要的時間還是很長的,因此,為了減少操作系統(tǒng)所帶來的冗雜的工作量,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)計的步驟變得更加的簡潔方便,就需要在設(shè)計時為用戶提供一個較為實用的程序接口。通過上述的方式,便可以實現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng),另外在設(shè)計嵌入式操作系統(tǒng)時,也仍是需要遵循以下幾個原則:首先應(yīng)該充分利用計算機(jī)相關(guān)的技術(shù),使得設(shè)計者所設(shè)計出的操作系統(tǒng)的性價比更高;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)變得簡單,這樣便可以節(jié)約成本,也可以避免資源的浪費。

六、結(jié)束語

隨著嵌入式操作系統(tǒng)在計算機(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,同時讓整個系統(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)展勢頭仍舊處于高峰,并具備一定的競爭優(yōu)勢,但是由于其自身技術(shù)的成熟性較低,因此,在整體的設(shè)計開發(fā)過程中,應(yīng)該不斷的更新自己的思路,不斷總結(jié)經(jīng)驗和進(jìn)行創(chuàng)新,為實現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)在未來計算機(jī)領(lǐng)域可以有一片更好的天地。

[1]許勇剛.嵌入式系統(tǒng)概述 [J].科學(xué)時代,2011 (12):293-294.

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TP311

A

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:計算機(jī)嵌入式。