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嵌入式操作系統(tǒng)與嵌入式處理器
隨著計算機技術(shù)和通訊技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛滲入到工業(yè)控制、移動通信、電子商務(wù)、信息家電等多個應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)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(tǒng)與嵌入式處理器的文章，一起來看看吧：
嵌入式系統(tǒng)
嵌入式系統(tǒng)(Embedded System，ES)是將先進的微電子技術(shù)、通訊技術(shù)和計算機技術(shù)與各個具體應(yīng)用領(lǐng)域相結(jié)合的產(chǎn)物，是一個資金技術(shù)密集且高度集成創(chuàng)新的知識系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗等方面有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。因此，它具有“嵌入性”、“專有性”和“計算機系統(tǒng)”三個基本要素，其中“嵌入性”是它的特征，“專有性”是它的靈魂，“計算機系統(tǒng)”是它的本質(zhì)。
根據(jù)IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers 電氣電子工程師協(xié)會)從它的用途來定義，嵌入式系統(tǒng)是用來監(jiān)視、控制或者輔助機器和設(shè)備運行的系統(tǒng)。其實嵌入式系統(tǒng)就是微操作系統(tǒng)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易便捷，穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟實用的機電一體化產(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(qū)別就在于嵌入式處理器大多工作在為不同用戶群所設(shè)計的特定系統(tǒng)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(nèi)部，從而有利于實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的微型化，同時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已經(jīng)超過1000多種，其中以ARM、MIPS、Power PC、Motorola 68K、X86等體系結(jié)構(gòu)最為常見，一般將嵌入式處理器分成以下四類：
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(tǒng)(System On Chip，SOC)。
一般在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中常用的嵌入式微處理器和體系結(jié)構(gòu)主要有以下幾種：
1) ARM
ARM(Advanced RISC Machines)公司是全球著名的16/32位精簡指令集計算機RISC(Reduced Instruction Set Computer)處理器設(shè)計供應(yīng)商，通過提供高性能與低功耗的RISC處理器芯片設(shè)計技術(shù)給各個生產(chǎn)廠商來生產(chǎn)滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域要求的芯片。事實上，由于ARM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提高系統(tǒng)執(zhí)行的效率，所以ARM處理器技術(shù)已經(jīng)成為數(shù)字通信、工業(yè)控制、多媒體家電等嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的RISC標(biāo)準(zhǔn)。ARM系列處理器種類很多，目前市場上應(yīng)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結(jié)構(gòu)和自帶MMU功能，廣泛應(yīng)用于手持終端和無線通訊等領(lǐng)域。ARM10處理器由于采用了更高的六級流水線結(jié)構(gòu)和支持DSP指令以及支持64位的AMBA總線接口，其性能較ARM9有了很大的提高，廣泛應(yīng)用于手持PDA以及車載電子等高端領(lǐng)域。
2) MIPS
MIPS(Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)簡稱無內(nèi)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(gòu)的高性能高檔次的處理器內(nèi)核。MIPS采用了先進的設(shè)計理念和清晰的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，強調(diào)軟硬件協(xié)同工作以提高處理器性能，同時簡化了硬件設(shè)計，采用軟件方法來避免流水線運行中的數(shù)據(jù)相關(guān)問題。雖與ARM處理器相比，MIPS體系結(jié)構(gòu)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(quán)的授權(quán)費用上MIPS要低于ARM，因此，MIPS內(nèi)核逐漸被越來越多的消費類電子產(chǎn)品和工業(yè)控制產(chǎn)品的設(shè)計所采用。
3) Power PC
PowerPC(Performance optimization with Enhanced RISC performance Computing)簡稱性能優(yōu)化與增強的RISC性能計算，是由IBM、Motorola和Apple公司聯(lián)合開發(fā)的一款高性能32/64位RISC處理器，其主要特點是可伸縮性好，方便靈活和較高的性價比。常見的基于Power PC架構(gòu)的處理器有IBM公司的Power PC64S(深藍內(nèi)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(jié)構(gòu)的處理器廣泛應(yīng)用于桌面PC系統(tǒng)、移動PC系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)以及金融電信等行業(yè)。
4) Motorola 68K
Motorola 68K采用復(fù)雜指令集計算機CISC(Complex Instruction Set Computer)架構(gòu)，是出現(xiàn)比較早的嵌入式處理器，在全球的各種嵌入式處理器應(yīng)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(yīng)用于早期的產(chǎn)品開發(fā)中。
5) X86
X86系列處理器起源于Inter架構(gòu)的8080，然后發(fā)展出286、386、486直到現(xiàn)在的奔騰處理器乃至雙核處理器。從嵌入式市場分布來看，486DX也是與ARM、68K、MIPS、SuperH齊名的五大嵌入式處理器之一。目前市場上基于X86體系結(jié)構(gòu)的PC104產(chǎn)品占有很大的市場份額。
嵌入式操作系統(tǒng)
嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded Operating System，EOS)是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，它通常運行在嵌入式硬件平臺之上，對整個系統(tǒng)的軟硬件資源進行有效管理控制和協(xié)調(diào)調(diào)度的系統(tǒng)軟件。嵌入式操作系統(tǒng)可以分為兩大類：嵌入式實時操作系統(tǒng)(Embedded Real-time Operating System，ERTOS)和嵌入式分時操作系統(tǒng)。實時操作系統(tǒng)是指系統(tǒng)能及時響應(yīng)外部事件的請求，在確定的時間內(nèi)對事件進行處理，并控制所有任務(wù)協(xié)調(diào)一致運行的操作系統(tǒng)。實時操作系統(tǒng)對響應(yīng)時間有著嚴格的要求，絕對不能錯過該時限要求，否則就會引起嚴重的錯誤。而分時操作系統(tǒng)則按照相等的時間片(time slicing)輪流調(diào)度進程執(zhí)行，在執(zhí)行的時間上并沒有實時操作系統(tǒng)要求的那么嚴格，錯過任務(wù)執(zhí)行的最后截止期限或執(zhí)行時序上的偏差，并不會造成系統(tǒng)的崩潰，帶來災(zāi)難性的后果。
通常按照對截止期限(Deadline)要求的不同，嵌入式實時操作系統(tǒng)又可以分為硬實時系統(tǒng)(Hard Real-time OS)和軟實時系統(tǒng)(Soft Real-time OS)。硬實時系統(tǒng)是指對系統(tǒng)響應(yīng)時間有著嚴格的要求，在任務(wù)的截止期限內(nèi)必須及時響應(yīng)，絕對不能錯過任務(wù)處理的截止期限，否則就會引起系統(tǒng)崩潰或者導(dǎo)致災(zāi)難性后果。軟實時系統(tǒng)是指系統(tǒng)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(tǒng)響應(yīng)時間錯過處理的截止期限，它并不會導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰或出現(xiàn)致命的錯誤。
1998年，Bernat和Burns兩位科學(xué)家又提出弱硬實時(Weakly Hard Real-time)的概念，即實時任務(wù)可以錯過截止期限，但任務(wù)錯過的截止期限必須可預(yù)知且被限制在一定的時間范圍內(nèi)。從定義上看，弱硬實時能夠科學(xué)地定義軟實時任務(wù)的實時特性及實時要求，是對軟實時系統(tǒng)的細化和發(fā)展。兩者相似之處都允許系統(tǒng)中的實時任務(wù)錯過截止期限，而不同之處在于弱硬實時系統(tǒng)在軟實時系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加了一些對截止期限的限制，規(guī)定了任務(wù)錯過的截止期限數(shù)必須可預(yù)知且被限定在一定的范圍之內(nèi)。弱硬實時系統(tǒng)的優(yōu)點就在于能夠?qū)泴崟r系統(tǒng)中實時任務(wù)“軟”的程度進行定性，同時雖然弱硬實時系統(tǒng)對任務(wù)在單個周期中的特性要求是“軟”的，但從任務(wù)窗口的角度來看，弱硬實時系統(tǒng)對任務(wù)的要求又是“硬”的，即任務(wù)錯過的截止期限必須可預(yù)知且被嚴格限制。
目前國內(nèi)外常見的嵌入式操作系統(tǒng)主要有以下幾種：
1) Windows CE
Windows CE是美國Microsoft公司專門為各種移動和便攜式消費類電子產(chǎn)品等嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的一款32位高性能微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的多任務(wù)多用戶的操作系統(tǒng)。它具有一個簡潔高效的基于完整優(yōu)先權(quán)的可搶占式操作系統(tǒng)內(nèi)核，支持強大的通信和圖形實現(xiàn)功能，能夠適應(yīng)廣泛的系統(tǒng)需求。Windows CE不需要任何特定的硬件結(jié)構(gòu)，實際的硬件結(jié)構(gòu)完全由用戶根據(jù)需要自由設(shè)計�，F(xiàn)在Microsoft公司又推出了針對移動通信產(chǎn)品應(yīng)用的Windows Mobile操作系統(tǒng)，占據(jù)了很大的市場份額。
2) VxWorks
VxWorks是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種具有工業(yè)領(lǐng)導(dǎo)地位的高性能實時操作系統(tǒng)。VxWorks采用一種微內(nèi)核結(jié)構(gòu)(最小體積<8KB)，包括了進程管理、存儲管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及系統(tǒng)應(yīng)用等幾個部分，為用戶提供高效的實時多任務(wù)管理與調(diào)度的能力、微秒級的中斷處理能力、系統(tǒng)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(diào)度的能力。VxWorks支持多種體系結(jié)構(gòu)的處理器，如X86、i960、Sun Sparc、Motorola、MC68xxx、ARM、Power PC等，和廣泛的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如POSIX1003.b實時擴展。此外，VxWorks還支持多種物理介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(diào)度、任務(wù)間通信方式多樣化的特點，并且完全符合ANSIC的標(biāo)準(zhǔn)，是目前應(yīng)用最為廣泛、市場占有率最高的實時系統(tǒng)之一。
3) μC/OS-II
μC/OS-II是一款專門為計算機嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的基于靜態(tài)優(yōu)先級的搶占式調(diào)度的多任務(wù)實時操作系統(tǒng)，是一種免費且開源的操作系統(tǒng)。μC/OS-II系統(tǒng)采用MicroWindow圖形系統(tǒng)。由于μC/OS-II不支持文件系統(tǒng)，不支持驅(qū)動程序和應(yīng)用程序的模塊加載，因此在進行系統(tǒng)開發(fā)時，內(nèi)核和驅(qū)動程序以及應(yīng)用程序都是集中編譯的。經(jīng)過十多年的應(yīng)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(nèi)核小巧，占用空間小，執(zhí)行效率高，實時性能優(yōu)良和具有較強的可擴展性，廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。
4) QNX
QNX是加拿大QNX Software System公司于1980年開發(fā)的一款可擴展的分布式微內(nèi)核嵌入式實時操作系統(tǒng)。它部分遵循POSIX標(biāo)準(zhǔn)，如POSIX.1(程序接口)和POSIX.2(Shell和工具)以及POSIX.1b(實時擴展)。用戶可以把應(yīng)用程序與內(nèi)核直接編譯在一起，生成一個單一的多線程映像。QNX提供POSIX.1b標(biāo)準(zhǔn)進程調(diào)度：32個進程優(yōu)先級、基于優(yōu)先級的搶占式進程調(diào)度，其進程在獨立的地址空間運行。此外，QNX內(nèi)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(tǒng)，目前市場占有量不是很大。
發(fā)展趨勢
嵌入式操作系統(tǒng)將是未來嵌入式系統(tǒng)中必不可少的組件，其未來發(fā)展趨勢包括：
1、定制化：嵌入式操作系統(tǒng)將面向特定應(yīng)用提供簡化型系統(tǒng)調(diào)用接口，專門支持一種或一類嵌入式應(yīng)用。嵌入式操作系統(tǒng)同將具備可伸縮性、可裁減的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，提供多層次的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。嵌入式操作系統(tǒng)將包含各種即插即用的設(shè)備驅(qū)動接口；
2、節(jié)能化：嵌入式操作系統(tǒng)繼續(xù)采用微內(nèi)核技術(shù)，實現(xiàn)小尺寸、微功耗、低成本以支持小型電子設(shè)備。同時，提高產(chǎn)品的可靠性和可維護性。嵌入式操作系統(tǒng)將形成最小內(nèi)核處理集，減小系統(tǒng)開銷，提高運行效率，并可用于各種非計算機設(shè)備；
3、人性化：嵌入式操作系統(tǒng)將提供精巧的多媒體人機界面，以滿足不斷提高的用戶需求；
4、安全化：嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)能夠提供安全保障機制，源碼的可靠性越來越高；
5、網(wǎng)絡(luò)化：面向網(wǎng)絡(luò)、面向特定應(yīng)用，嵌入式操作系統(tǒng)要求配備標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信接口。嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)將越來越易于移植和聯(lián)網(wǎng)。嵌入式操作系統(tǒng)將具有網(wǎng)絡(luò)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(shè)備預(yù)留接口；
6、標(biāo)準(zhǔn)化：隨著嵌入式操作系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用的發(fā)展，信息交換、資源共享機會增多等問題的出現(xiàn)，需要建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)去規(guī)范其應(yīng)用。
嵌入式操作系統(tǒng)都具有一定的實時性，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(yīng)用，嵌入式操作系統(tǒng)可以使用廣泛流行的ARM開發(fā)工具，如ARM公司的SDT/ADS和RealView等，也可以使用開發(fā)軟件，如GCC/GDB、KDE或Eclipe開發(fā)環(huán)境，市場上還有專用的開發(fā)工具，如Tornado、μC/View、μC/KA、CODE/Lab、Metroworks等。
核心心
嵌入式系統(tǒng)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個特點：
1.對實時任務(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(yīng)時間，從而使內(nèi)部的代碼和實時內(nèi)核心的執(zhí)行時間減少到最低限度。
2.具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設(shè)計強大的存儲區(qū)保護功能，同時也有利于軟件診斷。
3.可擴展的處理器結(jié)構(gòu)，以能最迅速地開發(fā)出滿足應(yīng)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線及移動的計算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級。
處理器分類
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演變而來的。它的特征是具有32位以上的處理器，具有較高的性能，當(dāng)然其價格也相應(yīng)較高。但與計算機處理器不同的是，在實際嵌入式應(yīng)用中，只保留和嵌入式應(yīng)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現(xiàn)嵌入式應(yīng)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。主要的嵌入式處理器類型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。
其中Arm/StrongArm是專為手持設(shè)備開發(fā)的嵌入式微處理器，屬于中檔的價位。
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(xiàn)到今天，雖然已經(jīng)經(jīng)過了20多年的歷史，但這種8位的電子器件在嵌入式設(shè)備中仍然有著極其廣泛的應(yīng)用。單片機芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，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(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。
由于MCU低廉的價格，優(yōu)良的功能，所以擁有的品種和數(shù)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及眾多專用MCU和兼容系列。MCU占嵌入式系統(tǒng)約70%的市場份額。Atmel出產(chǎn)的Avr單片機由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性價比，勢必將推動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)，是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進行了特殊設(shè)計，具有很高的編譯效率和指令的執(zhí)行速度。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。
DSP的理論算法在70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于專門的DSP處理器還未出現(xiàn)，所以這種理論算法只能通過MPU等由分立元件實現(xiàn)。MPU較低的處理速度無法滿足DSP的算法要求，其應(yīng)用領(lǐng)域僅僅局限于一些尖端的高科技領(lǐng)域。隨著大規(guī)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，在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。至80年代中期，隨著CMOS技術(shù)的進步與發(fā)展，第二代基于CMOS工藝的DSP芯片應(yīng)運而生，其存儲容量和運算速度都得到成倍提高，成為語音處理、圖像硬件處理技術(shù)的基礎(chǔ)。到80年代后期，DSP的運算速度進一步提高，應(yīng)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(yīng)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(yīng)用范圍。
片上系統(tǒng)
嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip) ：SoC追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件，是嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的熱門話題之一。SOC最大的特點是成功實現(xiàn)了軟硬件無縫結(jié)合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。而且SOC具有極高的綜合性，在一個硅片內(nèi)部運用VHDL等硬件描述語言，實現(xiàn)一個復(fù)雜的系統(tǒng)。用戶不需要再像傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計一樣，繪制龐大復(fù)雜的電路板，一點點的連接焊制，只需要使用精確的語言，綜合時序設(shè)計直接在器件庫中調(diào)用各種通用處理器的標(biāo)準(zhǔn)，然后通過仿真之后就可以直接交付芯片廠商進行生產(chǎn)。由于絕大部分系統(tǒng)構(gòu)件都是在系統(tǒng)內(nèi)部，整個系統(tǒng)就特別簡潔，不僅減小了系統(tǒng)的體積和功耗，而且提高了系統(tǒng)的可靠性，提高了設(shè)計生產(chǎn)效率。
由于SOC往往是專用的，所以大部分都不為用戶所知，比較典型的SOC產(chǎn)品是Philips的Smart XA。少數(shù)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(yù)計不久的將來，一些大的芯片公司將通過推出成熟的、能占領(lǐng)多數(shù)市場的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(tǒng)邏輯等應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。
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