33第4章 嵌入式操作系统

第四章嵌入式操作系统嵌入式系统原理与接口技术计算机应用研究所2内容提要实时操作系统常见嵌入式操作系统嵌入式操作系统相关概念嵌入式操作系统概述嵌入式Linux操作系统计算机应用研究所3操作系统的发展计算机系统由硬件和软件构成，在发展初期并没有操作系统这个概念，用户使用监控程序来使用计算机。随着计算机技术的发展，计算机系统的硬件、软件资源越来越丰富，监控程序已不能适应计算机应用的要求。于是在六十年代中期监控程序进一步发展形成了操作系统。到目前为止，主流的操作系统有三种：多道批处理、分时和实时操作系统。计算机应用研究所8嵌入式操作系统概念嵌入式操作系统EOS（EmbeddedOperatingSystem）是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，是嵌入式系统的重要组成部分。嵌入式系统是使用特定嵌入式软件完成特定功能的计算机系统，嵌入式操作系统作为软件的组成部分，为嵌入式软件的开发和运行提供良好的环境。嵌入式系统可以是基于ROM或者是磁盘的系统，类似PC，但它并不能替代通用计算机系统。计算机应用研究所12嵌入式操作系统特点可裁剪性一般需提供可添加或可裁剪的内核及其他功能，让用户按需配置。如调度算法、存储管理、设备驱程序。强实时性大多数嵌入式系统工作在实时性要求很高的环境中，要求嵌入式操作系统必须将实时性作为一个重要的指标来考虑。统一的接口提供各种设备驱动接口提供网络功能支持TCP/IP及其它网络协议。计算机应用研究所13强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预代码固化。软件审美观点固化在嵌入式系统的ROM中。更好的硬件适应性。可移植性计算机应用研究所14嵌入式操作系统与通用操作系统的区别地址空间上的区别进程拥有独立的地址空间---通用操作系统共用一个地址空间---------嵌入式操作系统内存管理上的区别通用操作系统有虚拟内存嵌入式操作系统一般无虚拟内存应用方式上的区别计算机应用研究所15内容提要实时操作系统常见嵌入式操作系统嵌入式操作系统相关概念嵌入式操作系统概述uC/OS-II操作系统计算机应用研究所164.2嵌入式操作系统的相关概念代码临界段资源与共享资源互斥（Mutex)任务与任务切换内核微内核大内核调度可抢占不可抢占堆和栈计算机应用研究所22内容提要实时操作系统常见嵌入式操作系统嵌入式操作系统相关概念嵌入式操作系统概述嵌入式Linux操作系统计算机应用研究所23PalmOSPalmOS是著名的网络设备制造商3COM旗下的PalmComputing掌上电脑公司的产品。PalmOS是一套专门为掌上电脑编写的操作系统，充分考虑到了掌上电脑内存相对较小的情况，所以Palm操作系统本身所占的内存很小，基于Palm操作系统编写的应用程序所占的空间也很小，通常只有几十KB，因此基于Palm操作系统的掌上电脑虽然只有几兆内存却可以运行众多的应用程序。PalmOS在PDA市场上占有很大的市场份额，PalmOS的市场份额占到将近90%，最近下降70％，目前主要与WINCE进行激烈竞争。代表性的产品有Palmm505、Palmm500、PalmIII等。计算机应用研究所24WindowsEmbeddedWindowsCE：一种针对小容量、移动式、智能化、32位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统（缩减的Win95）。针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台，属于软实时操作系统，由于其Windows背景，界面比较统一认可。可以使用大多数Windows开发工具（如VB，VC等），大多数Windows应用程序经过移植后就可以运行在WinCE平台上。操作系统的基本内核需要至少200K的ROM。计算机应用研究所25微软的移动平台更强的功能笔记本PC•复杂的文档编辑和读写•桌面键盘输入•键盘和鼠标输入法•完整的.NETframework支持WindowsXP/XPE平板电脑•复杂的文档编辑和读写•桌面键盘输入•支持数字墨水•可以支持键盘，也可以把键盘拿走•键盘、鼠标、数字墨水和语音输入•完整的.NETframework支持•提供笔，数字墨水，手写和语音识别APIWindowsCE小型个人产品•单向网络•信息消费WindowsMobileSmartphone•信息消费•基本数据浏览•把PDA融入电话•可以与Exchange交互•.NETCompactFramework•ASP.NET移动控件PocketPC•信息消费•浏览和输入数据•把电话融入PDA•可以与Office,Exchange和SQLServer交互•.NETCompactFramework•ASP.NET移动控件计算机应用研究所26WindowsEmbedded家族计算机应用研究所27MicrosoftWindowsCEMicrosoft公司的产品微内核，可剥夺采用页式存储管理，页面换入技术(可以锁定)内核映像既可以在ROM中，也可以在RAM中运行动态连接DLL中断处理分ISR与IST，不支持嵌套设备驱动也分两层Winsock提供网络接口GUI丰富计算机应用研究所28VxWorksVxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域牢牢占据着一席之地。VxWorks所具有的显著特点是：可靠性、实时性和可裁减性。它支持多种处理器，如x86、i960、SunSparc、MotorolaMC68xxx、MIPS、POWERPC等等。计算机应用研究所29以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如火星探测器（1997年7月4日登陆火星表面）。去掉了一些OS模块，因为这些模块在某种程度上会影响系统的实时性(如在内存管理中没有采用页面管理模式，采用的是平板式内存。计算机应用研究所30VxWorks–缺点缺少某些OS特性保证时限要求是设计者自己的任务(系统的灵活性带来的弊端)不支持很多应用和APIs(只支持部分POSIX标准的函数集)尽管采用了平板式内存管理，但是由于内存的动态分配，仍然存在内存段，这样仍然存在时间上的不可预测性应用领域主要局限在对实时性要求较严格的硬实时系统中计算机应用研究所31C/OS及C/OS-IIC/OS—MicroControllerOSC/OS简介美国人JeanLabrosse1992年完成，已应用于数百种产品中。应用面覆盖了诸多领域，如照相机、医疗器械、音响设备、发动机控制、高速公路电话系统、自动提款机等1998年C/OS-II，目前的版本C/OS-IIV2.722000年，得到美国航空管理局（FAA）的认证，可以用于飞行器中是一个源码公开、可移植、可裁减、占用资源少、抢先式的实时多任务操作系统。其绝大部分源码采用ANSIC写的，移植性好。高校教学可免费使用。网站（)计算机应用研究所32SymbianOSSymbian由诺基亚、西门子、索尼爱立信等几家大型移动通讯设备商共同出资组建的一个合资公司，专门研发手机操作系统。Symbian操作系统的前身是EPOC针对PDA及智能手机的，能够提供良好的软实时的操作系统，目前占有60％的智能手机市场与之竞争的有WindowsMobile、PalmOS以及Linux主要版本Series60/90/80/40UIQ计算机应用研究所33嵌入式LinuxLinux是源码开放的，不存在黑箱技术。Linux内核小，功能强大，运行稳定，系统健壮，易于定制裁减，价格上极具优势Linux支持CPU较多开发工具gccgdb得到IBM、SUN等的支持，逐渐形成了可与WindowsCE等抗衡的局面。目前正在开发的嵌入式系统中，49%的项目选择Linux作为嵌入式操作系统。计算机应用研究所34内容提要实时操作系统常见嵌入式操作系统嵌入式操作系统相关概念嵌入式操作系统概述嵌入式Linux操作系统计算机应用研究所35实时性简介对于什么是实时系统，POSIX1003.b作了这样的定义：指系统能够在限定的响应时间内提供所需水平的服务一个计算机系统为了提供对于实时性的支持，它的操作系统必须对于CPU和其他资源进行有效的调度和管理，即实时调度计算机应用研究所37实时操作系统与通用操作系统的区别实时性方面的区别效率还是进程的反应速度公正性还是有优先级充分利用CPU的处理能力，还是实时任务其它区别任务调度策略内存管理中断处理共享资源的互斥访问时间开销系统的可重入性计算机应用研究所46基本概念实时操作系统（RTOS）实时操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户的应用程序是运行于RTOS之上的各个任务，RTOS根据各个任务的要求，进行资源(包括存储器、外设等)管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。在RTOS支持的系统中，每个任务均有一个优先级，RTOS根据各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。计算机应用研究所47是否实时一方面是多大程度上充分发挥硬件潜力，即综合速度快慢的问题另一方面同时也是反映的速度在多大的程度上得到保证的问题计算机应用研究所48实时系统根据其对于实时性要求的不同，可以分为软实时和硬实时两种类型嵌入式非实时操作系统嵌入式硬实时操作系统嵌入式软实时操作系统操作系统嵌入式操作系统计算机应用研究所49内容提要实时操作系统常见嵌入式操作系统嵌入式操作系统相关概念嵌入式操作系统概述嵌入式Linux操作系统计算机应用研究所50嵌入式Linux的定义嵌入式Linux(EmbededLinux)是指对Linux经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几十万字节或几十亿字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用Linux操作系统计算机应用研究所51嵌入式Linux的优势Linux系统是层次结构且内核完全开放强大的网络支持功能Linux具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境，并且可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍Linux具有广泛的硬件支持特性计算机应用研究所52嵌入式Linux的特点较好，但在高性能系统中需要改进较好稳定性需改进，可用PT_Linux等模块弥补好实时性能短，新产品迅速上市，因为有许多公开的代码可以参考和移植长，因为可参考的代码有限应用产品开发周期易，代码开放（有许多应用软件支持）难（因为是封闭系统）软件移植免费且性能优异另加数十万元（RMB）购买网络特性全世界的自由软件开发商提供支持由开发商提供有限的技术支持技术支持免费数十万元（RMB）购买费用免费需要交纳版权费版权费嵌入式Linux操作系统专用嵌入式实时操作系统计算机应用研究所53嵌入式Linux的体系结构嵌入式Linux内核可以分为六部分：进程调度，内存管理，文件系统，进程间通信，网络，设备驱动硬件抽象层网络文件系统进程调度驱动程序进程间通信内存管理硬件表示依赖关系管理系统管理计算机的内存资源，Linux在具有内存管理部件（MMU）的硬件中支持虚拟内存，使用了硬件提供的分页机制，uC-linux就是专门为没有MMU的CPU改造的Linux系统。控制CPU资源的分配，Linux实现基于优先级的抢占式多任务，有些嵌入式的Linux通过改变进程调度来实现实时调度，调度算法在所有硬件平台上实现都是相同的。进程调度的代码主要在kernel/sched.c中实现。与硬件相关的代码在arch/arm/kernel目录下。Linux文件系统的结构和Unix系统类似，有一套虚拟文件系统（VFS）接口，真正的文件系统都挂接在虚拟文件系统下主要的进程间通信方式有：管道（pipe）、文件锁、SystemVIPC、信号