嵌入式操作系統與嵌入式處理器

嵌入式操作系統與嵌入式處理器

　　隨著計算機技術和通訊技術的快速發展，嵌入式系統已經廣泛滲入到工業控制、移動通信、電子商務、信息家電等多個應用領域，應用日益廣泛。下面小編為大家整理了關于嵌入式操作系統與嵌入式處理器的文章，一起來看看吧：

　　嵌入式系統

　　嵌入式系統(Embedded System，ES)是將先進的微電子技術、通訊技術和計算機技術與各個具體應用領域相結合的產物，是一個資金技術密集且高度集成創新的知識系統。嵌入式系統是以應用為中心，計算機技術為基礎，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用計算機系統。因此，它具有“嵌入性”、“專有性”和“計算機系統”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”是它的本質。

　　根據IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers 電氣電子工程師協會)從它的用途來定義，嵌入式系統是用來監視、控制或者輔助機器和設備運行的系統。其實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易便捷，穩定可靠，經濟實用的機電一體化產品。

　　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，從而有利于實現嵌入式系統設計的微型化，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超過1000多種，其中以ARM、MIPS、Power PC、Motorola 68K、X86等體系結構最為常見，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(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)公司是全球著名的16/32位精簡指令集計算機RISC(Reduced Instruction Set Computer)處理器設計供應商，通過提供高性能與低功耗的RISC處理器芯片設計技術給各個生產廠商來生產滿足不同應用領域要求的芯片。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執行的效率，所以ARM處理器技術已經成為數字通信、工業控制、多媒體家電等嵌入式應用領域的RISC標準。ARM系列處理器種類很多，目前市場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結構和自帶MMU功能，廣泛應用于手持終端和無線通訊等領域。ARM10處理器由于采用了更高的六級流水線結構和支持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，廣泛應用于手持PDA以及車載電子等高端領域。

　　2) MIPS

　　MIPS(Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)簡稱無內部互鎖流水級的微處理器，是美國MIPS技術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采用了先進的設計理念和清晰的系統結構，強調軟硬件協同工作以提高處理器性能，同時簡化了硬件設計，采用軟件方法來避免流水線運行中的數據相關問題。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位低端產品到64位高端產品的完整解決方案，而且在知識產權的授權費用上MIPS要低于ARM，因此，MIPS內核逐漸被越來越多的消費類電子產品和工業控制產品的設計所采用。

　　3) Power PC

　　PowerPC(Performance optimization with Enhanced RISC performance Computing)簡稱性能優化與增強的RISC性能計算，是由IBM、Motorola和Apple公司聯合開發的一款高性能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PC系統、嵌入式系統以及金融電信等行業。

　　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域中取得了巨大成功。曾經Sun微計算機公司把這款處理器應用于早期的產品開發中。

　　5) X86

　　X86系列處理器起源于Inter架構的8080，然后發展出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體系結構的PC104產品占有很大的市場份額。

　　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，對整個系統的軟硬件資源進行有效管理控制和協調調度的系統軟件。嵌入式操作系統可以分為兩大類：嵌入式實時操作系統(Embedded Real-time Operating System，ERTOS)和嵌入式分時操作系統。實時操作系統是指系統能及時響應外部事件的請求，在確定的時間內對事件進行處理，并控制所有任務協調一致運行的操作系統。實時操作系統對響應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。而分時操作系統則按照相等的時間片(time slicing)輪流調度進程執行，在執行的時間上并沒有實時操作系統要求的那么嚴格，錯過任務執行的最后截止期限或執行時序上的偏差，并不會造成系統的崩潰，帶來災難性的后果。

　　通常按照對截止期限(Deadline)要求的不同，嵌入式實時操作系統又可以分為硬實時系統(Hard Real-time OS)和軟實時系統(Soft Real-time OS)。硬實時系統是指對系統響應時間有著嚴格的要求，在任務的截止期限內必須及時響應，絕對不能錯過任務處理的截止期限，否則就會引起系統崩潰或者導致災難性后果。軟實時系統是指系統任務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間錯過處理的截止期限，它并不會導致系統崩潰或出現致命的錯誤。

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

　　目前國內外常見的嵌入式操作系統主要有以下幾種：

　　1) Windows CE

　　Windows CE是美國Microsoft公司專門為各種移動和便攜式消費類電子產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多用戶的操作系統。它具有一個簡潔高效的基于完整優先權的可搶占式操作系統內核，支持強大的通信和圖形實現功能，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，實際的硬件結構完全由用戶根據需要自由設計。現在Microsoft公司又推出了針對移動通信產品應用的Windows Mobile操作系統，占據了很大的市場份額。

　　2) VxWorks

　　VxWorks是美國WindRiver公司于1983年設計開發的一種具有工業領導地位的高性能實時操作系統。VxWorks采用一種微內核結構(最小體積<8KB)，包括了進程管理、存儲管理、設備管理、文件系統管理、網絡協議及系統應用等幾個部分，為用戶提供高效的實時多任務管理與調度的能力、微秒級的中斷處理能力、系統資源之間靈活的通信機制，并且具有優先級排隊和循環調度的能力。VxWorks支持多種體系結構的處理器，如X86、i960、Sun Sparc、Motorola、MC68xxx、ARM、Power PC等，和廣泛的工業標準，如POSIX1003.b實時擴展。此外，VxWorks還支持多種物理介質標準和完整的TCP/IP網絡協議，支持多處理器并行工作，具有快速多任務切換、搶占式任務調度、任務間通信方式多樣化的特點，并且完全符合ANSIC的標準，是目前應用最為廣泛、市場占有率最高的實時系統之一。

　　3) μC/OS-II

　　μC/OS-II是一款專門為計算機嵌入式應用而設計的基于靜態優先級的搶占式調度的多任務實時操作系統，是一種免費且開源的操作系統。μC/OS-II系統采用MicroWindow圖形系統。由于μC/OS-II不支持文件系統，不支持驅動程序和應用程序的模塊加載，因此在進行系統開發時，內核和驅動程序以及應用程序都是集中編譯的。經過十多年的應用和修改，已經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，實時性能優良和具有較強的可擴展性，廣泛應用于航空航天等領域。

　　4) QNX

　　QNX是加拿大QNX Software System公司于1980年開發的一款可擴展的分布式微內核嵌入式實時操作系統。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(實時擴展)。用戶可以把應用程序與內核直接編譯在一起，生成一個單一的多線程映像。QNX提供POSIX.1b標準進程調度：32個進程優先級、基于優先級的搶占式進程調度，其進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，目前市場占有量不是很大。

　　發展趨勢

　　嵌入式操作系統將是未來嵌入式系統中必不可少的組件，其未來發展趨勢包括：

　　1、定制化：嵌入式操作系統將面向特定應用提供簡化型系統調用接口，專門支持一種或一類嵌入式應用。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接口；

　　2、節能化：嵌入式操作系統繼續采用微內核技術，實現小尺寸、微功耗、低成本以支持小型電子設備。同時，提高產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，減小系統開銷，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，以滿足不斷提高的用戶需求；

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

　　5、網絡化：面向網絡、面向特定應用，嵌入式操作系統要求配備標準的網絡通信接口。嵌入式操作系統的開發將越來越易于移植和聯網。嵌入式操作系統將具有網絡接入功能，提供TCP/UDP/IP/PPP協議支持及統一的MAC訪問層接口，為各種移動計算設備預留接口；

　　6、標準化：隨著嵌入式操作系統的廣泛應用的發展，信息交換、資源共享機會增多等問題的出現，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和各種檔次的應用，嵌入式操作系統可以使用廣泛流行的ARM開發工具，如ARM公司的SDT/ADS和RealView等，也可以使用開發軟件，如GCC/GDB、KDE或Eclipe開發環境，市場上還有專用的開發工具，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個特點：

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

　　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，以能最迅速地開發出滿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線及移動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

　　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，當然其價格也相應較高。但與計算機處理器不同的是，在實際嵌入式應用中，只保留和嵌入式應用緊密相關的功能硬件，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嵌入式應用的特殊要求。和工業控制計算機相比，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是專為手持設備開發的嵌入式微處理器，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年代末單片機出現到今天，雖然已經經過了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極其廣泛的應用。單片機芯片內部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數器、看門狗、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，因此稱微控制器。

　　由于MCU低廉的價格，優良的功能，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及眾多專用MCU和兼容系列。MCU占嵌入式系統約70%的市場份額。Atmel出產的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，其在系統結構和指令算法方面進行了特殊設計，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年代就已經出現，但是由于專門的DSP處理器還未出現，所以這種理論算法只能通過MPU等由分立元件實現。MPU較低的處理速度無法滿足DSP的算法要求，其應用領域僅僅局限于一些尖端的高科技領域。隨著大規模集成電路技術發展，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用。至80年代中期，隨著CMOS技術的進步與發展，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，成為語音處理、圖像硬件處理技術的基礎。到80年代后期，DSP的運算速度進一步提高，應用領域也從上述范圍擴大到了通信和計算機方面。90年代后，DSP發展到了第五代產品，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追求產品系統最大包容的集成器件，是嵌入式應用領域的熱門話題之一。SOC最大的特點是成功實現了軟硬件無縫結合，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，在一個硅片內部運用VHDL等硬件描述語言，實現一個復雜的系統。用戶不需要再像傳統的系統設計一樣，繪制龐大復雜的電路板，一點點的連接焊制，只需要使用精確的語言，綜合時序設計直接在器件庫中調用各種通用處理器的標準，然后通過仿真之后就可以直接交付芯片廠商進行生產。由于絕大部分系統構件都是在系統內部，整個系統就特別簡潔，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聯合研制的Neuron芯片等。

　　預計不久的將來，一些大的芯片公司將通過推出成熟的、能占領多數市場的SOC芯片，一舉擊退競爭者。SOC芯片也將在聲音、圖像、影視、網絡及系統邏輯等應用領域中發揮重要作用。

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