《嵌入式Linux操作系统》1 嵌入式Linux操作系统简介

华清远见嵌入式学院：华清远见嵌入式学院：《嵌入式Linux操作系统》——第1章嵌入式Linux操作系统简介华清远见嵌入式学院：操作系统简介本章内容在所有的操作系统中，Linux是一个发展最快、应用最为广泛的操作系统。Linux本身的种种特性使其成为嵌入式开发中的首选。在进入市场的头两年中，嵌入式Linux设计通过广泛应用获得了巨大的成功。随着嵌入式Linux的的成熟，提供更小的尺寸和更多类型的处理器支持，并从早期的试用阶段迈进到嵌入式的主流，它抓住了电子消费类设备的开发者们的想像力。《嵌入式Linux操作系统》——第1章嵌入式Linux操作系统简介华清远见嵌入式学院：操作系统操作系统（OperatingSystem，简称OS），是电子计算机系统中负责支撑应用程序运行环境以及用户操作环境的系统软件，同时也是计算机系统的核心与基石。它的职责常包括对硬件的直接监管、对各种计算资源（如内存、处理器时间等）的管理、以及提供诸如作业管理之类的面向应用程序的服务等等。根据操作系统在用户界面的使用环境和功能特征的不同，操作系统一般可分为三种基本类型，即批处理系统、分时系统和实时系统。随着计算机体系结构的发展，又出现了许多种操作系统，它们是嵌人式操作系统、个人操作系统、网络操作系统和分布式操作系统。（1）批处理操作系统批处理(BatchProcessing)操作系统的工作方式是：用户将作业交给系统操作员，系统操作员将许多用户的作业组成一批作业，之后输入到计算机中，在系统中形成一个自动转接的连续的作业流，然后启动操作系统，系统自动、依次执行每个作业。最后由操作员将作业结果交给用户。批处理操作系统的特点是：多道和成批处理。（2）分时操作系统分时(TimeSharing)操作系统的工作方式是：一台主机连接了若干个终端，每个终端有一个用户在使用。用户交互式地向系统提出命令请求，系统接受每个用户的命令，采用时间片轮转方式处理服务请求，并通过交互方式在终端上向用户显示结果。用户根据上步结果发出下道命。分时操作系统将CPU的时间划分成若干个片段，称为时间片。操作系统以时间片为单位，轮流为每个终端用户服务。每个用户轮流使用一个时间片而使每个用户并不感到有别的用户存在。分时系统具有多路性、交互性、“独占”性和及时性的特征。多路性指，伺时有多个用户使用一台计算机，宏观上看是多个人同时使用一个CPU，微观上是多个人在不同时刻轮流使用CPU。交互性是指，用户根据系统响应结果进一步提出新请求(用户直接干预每一步)。“独占”性是指，用户感觉不到计算机为其他人服务，就像整个系统为他所独占。及时性指，系统对用户提出的请求及时响应。常见的通用操作系统是分时系统与批处理系统的结合。其原则是：分时优先，批处理在后。“前台”响应需频繁交互的作业，如终端的要求；“后台”处理时间性要求不强的作业。（3）实时操作系统《嵌入式Linux操作系统》——第1章嵌入式Linux操作系统简介华清远见嵌入式学院：实时操作系统(RealTimeOperatingSystem，RTOS)是指使计算机能及时响应外部事件的请求在规定的严格时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作的操作系统。实时操作系统要追求的目标是：对外部请求在严格时间范围内做出反应，有高可靠性和完整性。（4）嵌入式操作系统嵌入式操作系统(EmbeddedOperatingSystem)是运行在嵌入式系统环境中，对整个嵌入式系统以及它所操作、控制的各种部件装置等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件。程，并使整个系统能高效地运行。（5）个人计算机操作系统个人计算机操作系统是一种单用户多任务的操作系统。个人计算机操作系统主要供个人使用，功能强、价格便宜，可以在几乎任何地方安装使用。它能满足一般人操作、学习、游戏等方面的需求。个人计算机操作系统的主要特点是计算机在某一时间内为单个用户服务；采用图形界面人机交互的工作方式，界面友好；使用方便，用户无需专门学习，也能熟练操纵机器。（6）网络操作系统网络操作系统是基于计算机网络的，是在各种计算机操作系统上按网络体系结构协议标准开发的软件，包括网络管理、通信、安全、资源共享和各种网络应用。其目标是相互通信及资源共享。（7）分布式操作系统大量的计算机通过网络被连结在一起，可以获得极高的运算能力及广泛的数据共享。这种系统被称作分布式系统(DistributedSystem)。操作系统的主要功能简单总结为操作系统位于底层硬件与用户之间，是两者沟通的桥梁。用户可以通过操作系统的用户界面，输入命令。操作系统则对命令进行解释，驱动硬件设备，实现用户要求。1.2嵌入式系统嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面有特殊要求的专用计算机系统。嵌入式系统与通用计算机系统的本质区别在于系统应用不同，嵌入式系统是将一个计算机系统嵌入到对象系统中。这个对象可能是庞大的机器，也可能是小巧的手持设备，用户并不关心这个计算机系统的存在。《嵌入式Linux操作系统》——第1章嵌入式Linux操作系统简介华清远见嵌入式学院：嵌入式系统一般包含嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和应用程序4个部分。嵌入式领域已经有丰富的软硬件资源可以选择，涵盖了通信、网络、工业控制、消费电子、汽车电子等各种行业。嵌入式计算机系统与通用计算机系统相比具有以下特点。（1）嵌入式系统是面向特定系统应用的。嵌入式处理器大多数是专门为特定应用设计的，具有低功耗、体积小、集成度高等特点，一般是包含各种外围设备接口的片上系统。（2）嵌入式系统涉及计算机技术、微电子技术、电子技术、通信和软件等各行各业。它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。（3）嵌入式系统的硬件和软件都必须具备高度可定制性。只有这样才能适用嵌入式系统应用的需要，在产品价格性能等方面具备竞争力。（4）嵌入式系统的生命周期相当长。当嵌入式系统应用到产品以后，还可以进行软件升级，它的生命周期与产品的生命周期几乎一样长。（5）嵌入式系统不具备本地系统开发能力，通常需要有一套专门的开发工具和环境。在计算机后PC技术时代，嵌入式系统将拥有最大的市场。计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一个角落。各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过通用计算机，任何一个普通人可能拥有从大到小的各种使用嵌入式技术的电子产品，小到MP3、PDA等微型数字化产品，大到网络家电、智能家电、车载电子设备。而在工业和服务领域中，使用嵌入式技术的数字机床、智能工具、工业机器人、服务机器人也将逐渐改变传统的工业和服务方式。美国著名的未来学家尼葛洛庞帝在1999年访华时曾预言，4～5年后嵌入式系统将是继PC和Internet之后最伟大的发明。这个预言已经成为现实，现在的嵌入式系统正处于高速发展阶段。1.3嵌入式操作系统嵌入式操作系统的一个重要特性是实时性。所谓实时性，就是在确定的时间范围内响应某个事件的特性。操作系统的实时性在某些领域是至关重要的，比如工业控制、航空航天等领域。想像飞机正在空中飞行，如果嵌入式系统不能及时响应飞行员的控制指令，那么极有可能导致空难事故。有些嵌入式系统应用并不需要绝对的实时性，比如PDA播放音乐，个别音频数据丢失并不影响效果。这可以使用软实时的概念来《嵌入式Linux操作系统》——第1章嵌入式Linux操作系统简介华清远见嵌入式学院：衡量。据调查，目前全世界的嵌入式操作系统已经有两百多种。从20世纪80年代开始，出现了一些商用嵌入式操作系统，它们大部分都是为专有系统而开发的。随着嵌入式领域的发展，各种各样嵌入式操作系统相继问世。有许多商业的嵌入式操作系统，也有大量开放源码的嵌入式操作系统。其中著名的嵌入式操作系统有：μC/OS、VxWorks、Neculeus、Linux和WindowsCE等。下面介绍一些主流的嵌入式操作系统。（1）Linux在所有的操作系统中，Linux是一个发展最快、应用最为广泛的操作系统。Linux本身的种种特性使其成为嵌入式开发中的首选。在进入市场的头两年中，嵌入式Linux设计通过广泛应用获得了巨大的成功。随着嵌入式Linux的的成熟，提供更小的尺寸和更多类型的处理器支持，并从早期的试用阶段迈进到嵌入式的主流，它抓住了电子消费类设备的开发者们的想像力。图1.1所示是业内人士对国内Linux软件市场的预测。根据IDC的报告，Linux已经成为全球第二大操作系统。预计在服务器市场上，Linux在未来几年内将以每年25%的速度增长，中国的Linux市场更是保持40%左右的增长速度。而在Linux操作系统方面，IDC对中国在2001～2006年的市场预测发现，其市场占有率从2001年的4.47%平稳地上升到2006年的26.77%。嵌入式Linux版本还有多种变体。例如：RTLinux通过改造内核实现了实时的Linux；54321060%50%40%30%20%10%0%销售额（亿元）增长率（%）200420052006200720080.9947.3%1.4849.4%2.1142.6%2.9338.5%3.9635.1%图1.12004～2008年国内Linux软件市场总量预测RTAI、Kurt和Linux/RK也提供了实时能力；还有μCLinux去掉了Linux的MMU（内存管理单元），能够支持没有MMU的处理器等。《嵌入式Linux操作系统》——第1章嵌入式Linux操作系统简介华清远见嵌入式学院：（2）μC/OSμC/OS是一个典型的实时操作系统。该系统从1992年开始发展，目前流行的是第2个版本，即μC/OSII。它的特点是：公开源代码，代码结构清晰，注释详尽，组织有条理，可移植性好；可裁剪，可固化；抢占式内核，最多可以管理60个任务。自从清华大学邵贝贝教授将JeanJ.Labrosse的《μC/OS-Ⅱ：theRealTimeKernel》翻译后，在国内掀起μC/OSII的热潮，特别是在教育研究领域。该系统短小精悍，是研究和学习实时操作系统的首选。（3）WindowsCEWindowsCE是微软的产品，它是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。WindowsCE采用模块化设计，并允许它对于从掌上电脑到专用的工控电子设备进行定制。操作系统的基本内核需要至少200KB的ROM。从SEGA的DreamCast游戏机到现在大部分的高价掌上电脑都采用了WindowsCE。随着嵌入式操作系统领域日益激烈的竞争，微软不得不应付来自Linux等免费系统的冲击。微软在WindowsCE.Net4.2版中，将增加一项授权价仅3美元的精简版本WinCE.NetCore。WinCE.NetCore具有基本的功能，包括实时OS核心（RealTimeOSKernel）、档案系统；IPv4、IPv6、WLAN、蓝牙等联网功能；WindowsMediaCodec；.Net开发框架以及SQLServer.ce。微软推出低价版本WinCE.Net，主要是看好语音电话、WLAN的无线桥接器和个性化视听设备的成长潜力。（4）VxWorksVxWorks是WindRiver公司专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统软件，为程序员提供了高效的实时任务调度、中断管理，实时的系统资源以及实时的任务间通信。应用程序员可以将尽可能多的精力放在应用程序本身，而不必再去关心系统资源的管理。该系统主要应用在单板机、数据网络（以太网交换机、路由器）和通信方面等多方面。其核心功能主要有以下几个。•微内核wind•任务间通信机制•网络支持•文件系统和I/O管理•POSIX标准实时扩展•C++以及其他标准支持