嵌入式操作系統與嵌入式處理器

　　隨著(zhù)計算機技術(shù)和通訊技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式系統已經(jīng)廣泛滲入到工業(yè)控制、移動(dòng)通信、電子商務(wù)、信息家電等多個(gè)應用領(lǐng)域，應用日益廣泛。下面小編為大家整理了關(guān)于嵌入式操作系統與嵌入式處理器的文章，一起來(lái)看看吧：

　　嵌入式系統

　　嵌入式系統(Embedded System，ES)是將先進(jìn)的微電子技術(shù)、通訊技術(shù)和計算機技術(shù)與各個(gè)具體應用領(lǐng)域相結合的產(chǎn)物，是一個(gè)資金技術(shù)密集且高度集成創(chuàng )新的知識系統。嵌入式系統是以應用為中心，計算機技術(shù)為基礎，軟硬件可裁剪，適應于應用系統對功能、可靠性、成本、體積和功耗等方面有嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。因此，它具有“嵌入性”、“專(zhuān)有性”和“計算機系統”三個(gè)基本要素，其中“嵌入性”是它的特征，“專(zhuān)有性”是它的靈魂，“計算機系統”是它的本質(zhì)。

　　根據IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers 電氣電子工程師協(xié)會(huì ))從它的用途來(lái)定義，嵌入式系統是用來(lái)監視、控制或者輔助機器和設備運行的系統。其實(shí)嵌入式系統就是微操作系統和功能軟件的集成，在以微處理器為核心的微型計算機硬件體系中所形成的簡(jiǎn)易便捷，穩定可靠，經(jīng)濟實(shí)用的機電一體化產(chǎn)品。

　　嵌入式處理器

　　嵌入式處理器(Embedded Processor，EP)與通用處理器最大的區別就在于嵌入式處理器大多工作在為不同用戶(hù)群所設計的特定系統中，它常常將通用處理器中許多由板卡完成的功能集成到芯片內部，從而有利于實(shí)現嵌入式系統設計的微型化，同時(shí)又保證了較高的可靠性和處理效率。到目前為止，全球嵌入式處理器的種類(lèi)已經(jīng)超過(guò)1000多種，其中以ARM、MIPS、Power PC、Motorola 68K、X86等體系結構最為常見(jiàn)，一般將嵌入式處理器分成以下四類(lèi)：

　　1)嵌入式微控制器 (Microcontroller Unit，MCU);

　　2)嵌入式微處理器 (Embedded Microprocessor Unit，EMPU);

　　3)嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor，EDSP);

　　4)片上系統(System On Chip，SOC)。

　　一般在嵌入式系統設計中常用的嵌入式微處理器和體系結構主要有以下幾種：

　　1) ARM

　　ARM(Advanced RISC Machines)公司是全球著(zhù)名的16/32位精簡(jiǎn)指令集計算機RISC(Reduced Instruction Set Computer)處理器設計供應商，通過(guò)提供高性能與低功耗的RISC處理器芯片設計技術(shù)給各個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)商來(lái)生產(chǎn)滿(mǎn)足不同應用領(lǐng)域要求的芯片。事實(shí)上，由于A(yíng)RM處理器一方面支持16位的Thumb指令集和32位的ARM指令集，另一方面使用了大量的寄存器和靈活的尋址方式來(lái)提高系統執行的效率，所以ARM處理器技術(shù)已經(jīng)成為數字通信、工業(yè)控制、多媒體家電等嵌入式應用領(lǐng)域的RISC標準。ARM系列處理器種類(lèi)很多，目前市場(chǎng)上應用最為廣泛的是ARM9和ARM10系列處理芯片。ARM9處理器由于擁有了五級流水線(xiàn)結構和自帶MMU功能，廣泛應用于手持終端和無(wú)線(xiàn)通訊等領(lǐng)域。ARM10處理器由于采用了更高的六級流水線(xiàn)結構和支持DSP指令以及支持64位的AMBA總線(xiàn)接口，其性能較ARM9有了很大的提高，廣泛應用于手持PDA以及車(chē)載電子等高端領(lǐng)域。

　　2) MIPS

　　MIPS(Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)內部互鎖流水級的微處理器，是美國MIPS技術(shù)公司推出的一種基于RISC架構的高性能高檔次的處理器內核。MIPS采用了先進(jìn)的設計理念和清晰的系統結構，強調軟硬件協(xié)同工作以提高處理器性能，同時(shí)簡(jiǎn)化了硬件設計，采用軟件方法來(lái)避免流水線(xiàn)運行中的數據相關(guān)問(wèn)題。雖與ARM處理器相比，MIPS體系結構的處理器功耗要高些，但它具備了從32位低端產(chǎn)品到64位高端產(chǎn)品的完整解決方案，而且在知識產(chǎn)權的授權費用上MIPS要低于A(yíng)RM，因此，MIPS內核逐漸被越來(lái)越多的消費類(lèi)電子產(chǎn)品和工業(yè)控制產(chǎn)品的設計所采用。

　　3) Power PC

　　PowerPC(Performance optimization with Enhanced RISC performance Computing)簡(jiǎn)稱(chēng)性能優(yōu)化與增強的RISC性能計算，是由IBM、Motorola和Apple公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一款高性能32/64位RISC處理器，其主要特點(diǎn)是可伸縮性好，方便靈活和較高的性?xún)r(jià)比。常見(jiàn)的基于Power PC架構的處理器有IBM公司的Power PC64S(深藍內部的CPU)、Power PC750、Power PCG3以及Motorola公司的MC和MPC系列等。目前，基于Power PC體系結構的處理器廣泛應用于桌面PC系統、移動(dòng)PC系統、嵌入式系統以及金融電信等行業(yè)。

　　4) Motorola 68K

　　Motorola 68K采用復雜指令集計算機CISC(Complex Instruction Set Computer)架構，是出現比較早的嵌入式處理器，在全球的各種嵌入式處理器應用領(lǐng)域中取得了巨大成功。曾經(jīng)Sun微計算機公司把這款處理器應用于早期的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中。

　　5) X86

　　X86系列處理器起源于Inter架構的8080，然后發(fā)展出286、386、486直到現在的奔騰處理器乃至雙核處理器。從嵌入式市場(chǎng)分布來(lái)看，486DX也是與ARM、68K、MIPS、SuperH齊名的五大嵌入式處理器之一。目前市場(chǎng)上基于X86體系結構的PC104產(chǎn)品占有很大的市場(chǎng)份額。

　　嵌入式操作系統

　　嵌入式操作系統(Embedded Operating System，EOS)是嵌入式系統的重要組成部分，它通常運行在嵌入式硬件平臺之上，對整個(gè)系統的軟硬件資源進(jìn)行有效管理控制和協(xié)調調度的系統軟件。嵌入式操作系統可以分為兩大類(lèi)：嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(Embedded Real-time Operating System，ERTOS)和嵌入式分時(shí)操作系統。實(shí)時(shí)操作系統是指系統能及時(shí)響應外部事件的請求，在確定的時(shí)間內對事件進(jìn)行處理，并控制所有任務(wù)協(xié)調一致運行的操作系統。實(shí)時(shí)操作系統對響應時(shí)間有著(zhù)嚴格的要求，絕對不能錯過(guò)該時(shí)限要求，否則就會(huì )引起嚴重的錯誤。而分時(shí)操作系統則按照相等的時(shí)間片(time slicing)輪流調度進(jìn)程執行，在執行的時(shí)間上并沒(méi)有實(shí)時(shí)操作系統要求的那么嚴格，錯過(guò)任務(wù)執行的最后截止期限或執行時(shí)序上的偏差，并不會(huì )造成系統的崩潰，帶來(lái)災難性的后果。

　　通常按照對截止期限(Deadline)要求的不同，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統又可以分為硬實(shí)時(shí)系統(Hard Real-time OS)和軟實(shí)時(shí)系統(Soft Real-time OS)。硬實(shí)時(shí)系統是指對系統響應時(shí)間有著(zhù)嚴格的要求，在任務(wù)的截止期限內必須及時(shí)響應，絕對不能錯過(guò)任務(wù)處理的截止期限，否則就會(huì )引起系統崩潰或者導致災難性后果。軟實(shí)時(shí)系統是指系統任務(wù)一般能夠在截止期限到達前得到處理，但是如果系統響應時(shí)間錯過(guò)處理的截止期限，它并不會(huì )導致系統崩潰或出現致命的錯誤。

　　1998年，Bernat和Burns兩位科學(xué)家又提出弱硬實(shí)時(shí)(Weakly Hard Real-time)的概念，即實(shí)時(shí)任務(wù)可以錯過(guò)截止期限，但任務(wù)錯過(guò)的截止期限必須可預知且被限制在一定的時(shí)間范圍內。從定義上看，弱硬實(shí)時(shí)能夠科學(xué)地定義軟實(shí)時(shí)任務(wù)的實(shí)時(shí)特性及實(shí)時(shí)要求，是對軟實(shí)時(shí)系統的細化和發(fā)展。兩者相似之處都允許系統中的實(shí)時(shí)任務(wù)錯過(guò)截止期限，而不同之處在于弱硬實(shí)時(shí)系統在軟實(shí)時(shí)系統的基礎上加了一些對截止期限的限制，規定了任務(wù)錯過(guò)的截止期限數必須可預知且被限定在一定的范圍之內。弱硬實(shí)時(shí)系統的優(yōu)點(diǎn)就在于能夠對軟實(shí)時(shí)系統中實(shí)時(shí)任務(wù)“軟”的程度進(jìn)行定性，同時(shí)雖然弱硬實(shí)時(shí)系統對任務(wù)在單個(gè)周期中的特性要求是“軟”的，但從任務(wù)窗口的角度來(lái)看，弱硬實(shí)時(shí)系統對任務(wù)的要求又是“硬”的，即任務(wù)錯過(guò)的截止期限必須可預知且被嚴格限制。

　　目前國內外常見(jiàn)的嵌入式操作系統主要有以下幾種：

　　1) Windows CE

　　Windows CE是美國Microsoft公司專(zhuān)門(mén)為各種移動(dòng)和便攜式消費類(lèi)電子產(chǎn)品等嵌入式應用系統設計的一款32位高性能微內核結構的多任務(wù)多用戶(hù)的操作系統。它具有一個(gè)簡(jiǎn)潔高效的基于完整優(yōu)先權的可搶占式操作系統內核，支持強大的通信和圖形實(shí)現功能，能夠適應廣泛的系統需求。Windows CE不需要任何特定的硬件結構，實(shí)際的硬件結構完全由用戶(hù)根據需要自由設計�，F在Microsoft公司又推出了針對移動(dòng)通信產(chǎn)品應用的Windows Mobile操作系統，占據了很大的市場(chǎng)份額。

　　2) VxWorks

　　VxWorks是美國WindRiver公司于1983年設計開(kāi)發(fā)的一種具有工業(yè)領(lǐng)導地位的高性能實(shí)時(shí)操作系統。VxWorks采用一種微內核結構(最小體積<8KB)，包括了進(jìn)程管理、存儲管理、設備管理、文件系統管理、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議及系統應用等幾個(gè)部分，為用戶(hù)提供高效的實(shí)時(shí)多任務(wù)管理與調度的能力、微秒級的中斷處理能力、系統資源之間靈活的通信機制，并且具有優(yōu)先級排隊和循環(huán)調度的能力。VxWorks支持多種體系結構的處理器，如X86、i960、Sun Sparc、Motorola、MC68xxx、ARM、Power PC等，和廣泛的工業(yè)標準，如POSIX1003.b實(shí)時(shí)擴展。此外，VxWorks還支持多種物理介質(zhì)標準和完整的TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，支持多處理器并行工作，具有快速多任務(wù)切換、搶占式任務(wù)調度、任務(wù)間通信方式多樣化的特點(diǎn)，并且完全符合ANSIC的標準，是目前應用最為廣泛、市場(chǎng)占有率最高的實(shí)時(shí)系統之一。

　　3) μC/OS-II

　　μC/OS-II是一款專(zhuān)門(mén)為計算機嵌入式應用而設計的基于靜態(tài)優(yōu)先級的搶占式調度的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統，是一種免費且開(kāi)源的操作系統。μC/OS-II系統采用MicroWindow圖形系統。由于μC/OS-II不支持文件系統，不支持驅動(dòng)程序和應用程序的模塊加載，因此在進(jìn)行系統開(kāi)發(fā)時(shí)，內核和驅動(dòng)程序以及應用程序都是集中編譯的。經(jīng)過(guò)十多年的應用和修改，已經(jīng)被移植到多種處理器平臺上。μC/OS-II由于內核小巧，占用空間小，執行效率高，實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和具有較強的可擴展性，廣泛應用于航空航天等領(lǐng)域。

　　4) QNX

　　QNX是加拿大QNX Software System公司于1980年開(kāi)發(fā)的一款可擴展的分布式微內核嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。它部分遵循POSIX標準，如POSIX.1(程序接口)和POSIX.2(Shell和工具)以及POSIX.1b(實(shí)時(shí)擴展)。用戶(hù)可以把應用程序與內核直接編譯在一起，生成一個(gè)單一的多線(xiàn)程映像。QNX提供POSIX.1b標準進(jìn)程調度：32個(gè)進(jìn)程優(yōu)先級、基于優(yōu)先級的搶占式進(jìn)程調度，其進(jìn)程在獨立的地址空間運行。此外，QNX內核非常小巧(QNX4.x大約為12Kb)而且運行速度極快，但是QNX不能很好支持GUI系統，目前市場(chǎng)占有量不是很大。

　　發(fā)展趨勢

　　嵌入式操作系統將是未來(lái)嵌入式系統中必不可少的組件，其未來(lái)發(fā)展趨勢包括：

　　1、定制化：嵌入式操作系統將面向特定應用提供簡(jiǎn)化型系統調用接口，專(zhuān)門(mén)支持一種或一類(lèi)嵌入式應用。嵌入式操作系統同將具備可伸縮性、可裁減的系統體系結構，提供多層次的系統體系結構。嵌入式操作系統將包含各種即插即用的設備驅動(dòng)接口；

　　2、節能化：嵌入式操作系統繼續采用微內核技術(shù)，實(shí)現小尺寸、微功耗、低成本以支持小型電子設備。同時(shí)，提高產(chǎn)品的可靠性和可維護性。嵌入式操作系統將形成最小內核處理集，減小系統開(kāi)銷(xiāo)，提高運行效率，并可用于各種非計算機設備；

　　3、人性化：嵌入式操作系統將提供精巧的多媒體人機界面，以滿(mǎn)足不斷提高的用戶(hù)需求；

　　4、安全化：嵌入式操作系統應能夠提供安全保障機制，源碼的可靠性越來(lái)越高；

　　5、網(wǎng)絡(luò )化：面向網(wǎng)絡(luò )、面向特定應用，嵌入式操作系統要求配備標準的網(wǎng)絡(luò )通信接口。嵌入式操作系統的開(kāi)發(fā)將越來(lái)越易于移植和聯(lián)網(wǎng)。嵌入式操作系統將具有網(wǎng)絡(luò )接入功能，提供TCP/UDP/IP/PPP協(xié)議支持及統一的MAC訪(fǎng)問(wèn)層接口，為各種移動(dòng)計算設備預留接口；

　　6、標準化：隨著(zhù)嵌入式操作系統的廣泛應用的發(fā)展，信息交換、資源共享機會(huì )增多等問(wèn)題的出現，需要建立相應的標準去規范其應用。

　　嵌入式操作系統都具有一定的實(shí)時(shí)性，易于裁剪和伸縮，可以適合于從ARM7到Xscale各種ARMCPU和各種檔次的應用，嵌入式操作系統可以使用廣泛流行的ARM開(kāi)發(fā)工具，如ARM公司的SDT/ADS和RealView等，也可以使用開(kāi)發(fā)軟件，如GCC/GDB、KDE或Eclipe開(kāi)發(fā)環(huán)境，市場(chǎng)上還有專(zhuān)用的開(kāi)發(fā)工具，如Tornado、μC/View、μC/KA、CODE/Lab、Metroworks等。

　　核心心

　　嵌入式系統的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般具備以下4個(gè)特點(diǎn)：

　　1.對實(shí)時(shí)任務(wù)有很強的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應時(shí)間，從而使內部的代碼和實(shí)時(shí)內核心的執行時(shí)間減少到最低限度。

　　2.具有功能很強的存儲區保護功能。這是由于嵌入式系統的軟件結構已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現錯誤的交叉作用，需要設計強大的存儲區保護功能，同時(shí)也有利于軟件診斷。

　　3.可擴展的處理器結構，以能最迅速地開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足應用的最高性能的嵌入式微處理器。

　　4.嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無(wú)線(xiàn)及移動(dòng)的計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式系統更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級。

　　處理器分類(lèi)

　　微處理器

　　嵌入式微處理器（Micro Processor Unit，MPU）是由通用計算機中的CPU演變而來(lái)的。它的特征是具有32位以上的處理器，具有較高的性能，當然其價(jià)格也相應較高。但與計算機處理器不同的是，在實(shí)際嵌入式應用中，只保留和嵌入式應用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實(shí)現嵌入式應用的特殊要求。和工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。主要的嵌入式處理器類(lèi)型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。

　　其中Arm/StrongArm是專(zhuān)為手持設備開(kāi)發(fā)的嵌入式微處理器，屬于中檔的價(jià)位。

　　微控制器

　　嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)的典型代表是單片機，從70年代末單片機出現到今天，雖然已經(jīng)經(jīng)過(guò)了20多年的歷史，但這種8位的電子器件在嵌入式設備中仍然有著(zhù)極其廣泛的應用。單片機芯片內部集成ROM/EPROM、RAM、總線(xiàn)、總線(xiàn)邏輯、定時(shí)/計數器、看門(mén)狗、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設。和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目嵌入式系統工業(yè)的主流。微控制器的片上外設資源一般較豐富，適合于控制，因此稱(chēng)微控制器。

　　由于MCU低廉的價(jià)格，優(yōu)良的功能，所以擁有的品種和數量最多，比較有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及 MCU 8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專(zhuān)用MCU和兼容系列。MCU占嵌入式系統約70%的市場(chǎng)份額。Atmel出產(chǎn)的Avr單片機由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性?xún)r(jià)比，勢必將推動(dòng)單片機獲得更高的發(fā)展。

　　DSP處理器

　　嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)，是專(zhuān)門(mén)用于信號處理方面的處理器，其在系統結構和指令算法方面進(jìn)行了特殊設計，具有很高的編譯效率和指令的執行速度。在數字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規模的應用。

　　DSP的理論算法在70年代就已經(jīng)出現，但是由于專(zhuān)門(mén)的DSP處理器還未出現，所以這種理論算法只能通過(guò)MPU等由分立元件實(shí)現。MPU較低的處理速度無(wú)法滿(mǎn)足DSP的算法要求，其應用領(lǐng)域僅僅局限于一些尖端的高科技領(lǐng)域。隨著(zhù)大規模集成電路技術(shù)發(fā)展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。其運算速度比MPU快了幾十倍，在語(yǔ)音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應用。至80年代中期，隨著(zhù)CMOS技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，第二代基于CMOS工藝的DSP芯片應運而生，其存儲容量和運算速度都得到成倍提高，成為語(yǔ)音處理、圖像硬件處理技術(shù)的基礎。到80年代后期，DSP的運算速度進(jìn)一步提高，應用領(lǐng)域也從上述范圍擴大到了通信和計算機方面。90年代后，DSP發(fā)展到了第五代產(chǎn)品，集成度更高，使用范圍也更加廣闊。

　　最為廣泛應用的是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的應用范圍。

　　片上系統

　　嵌入式片上系統(System On Chip) ：SoC追求產(chǎn)品系統最大包容的集成器件，是嵌入式應用領(lǐng)域的熱門(mén)話(huà)題之一。SOC最大的特點(diǎn)是成功實(shí)現了軟硬件無(wú)縫結合，直接在處理器片內嵌入操作系統的代碼模塊。而且SOC具有極高的綜合性，在一個(gè)硅片內部運用VHDL等硬件描述語(yǔ)言，實(shí)現一個(gè)復雜的系統。用戶(hù)不需要再像傳統的系統設計一樣，繪制龐大復雜的電路板，一點(diǎn)點(diǎn)的連接焊制，只需要使用精確的語(yǔ)言，綜合時(shí)序設計直接在器件庫中調用各種通用處理器的標準，然后通過(guò)仿真之后就可以直接交付芯片廠(chǎng)商進(jìn)行生產(chǎn)。由于絕大部分系統構件都是在系統內部，整個(gè)系統就特別簡(jiǎn)潔，不僅減小了系統的體積和功耗，而且提高了系統的可靠性，提高了設計生產(chǎn)效率。

　　由于SOC往往是專(zhuān)用的，所以大部分都不為用戶(hù)所知，比較典型的SOC產(chǎn)品是Philips的Smart XA。少數通用系列如Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。

　　預計不久的將來(lái)，一些大的芯片公司將通過(guò)推出成熟的、能占領(lǐng)多數市場(chǎng)的SOC芯片，一舉擊退競爭者。SOC芯片也將在聲音、圖像、影視、網(wǎng)絡(luò )及系統邏輯等應用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

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