嵌入式操作系统概述

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1、1嵌入式操作系统北京电子科技学院北京电子科技学院汪永好汪永好2教 材及参考资料q罗蕾主编. 嵌入式实时操作系统及应用开 发（第2版）. 北京航空航天大学出版社. qJean J.Labrosse著，邵贝贝等译. 嵌入 式实时操作系统uC/OS-II(第2版). 北京航空航 天大学出版社. q蓝枫叶编著. 嵌入式操作系统设计与实现. 电子工业出版社.q（美）Wayne Wolf. 嵌入式计算系统设计 原理，Computers as Components： Principles of Embedded Computing System Design.3一、嵌入式操作系统概述二、嵌入式操作系统基本概

2、念三、嵌入式实时操作系统C/OS第一章 嵌入式操作系统概述4一、嵌入式操作系统概述l概述 l嵌入式操作系统的演变 l嵌入式操作系统的分类 l嵌入式操作系统的体系结构 l嵌入式操作系统的组成l嵌入式操作系统的关键设计因素5概 述（1/2）嵌入式操作系统可以统称为应用在嵌入式系 统的操作系统，它具有一般操作系统的功能，同时具有 嵌入式软件的特点，主要有： v可固化 v可配置、可剪裁 v独立的板级支持包，可修改 v不同的CPU有不同的版本 v应用的开发需要有集成的交叉开发工具6q近十年来，嵌入式操作系统得到飞速的发展 v从支持8位微处理器到16位、32位甚至64位微处理 器； v从支持单一品种的微处

3、理器芯片到支持多品种微 处理器芯片； v从只有内核到除了内核外还提供其他功能模块， 如文件系统，TCP/IP网络系统，窗口图形系统等。 q随着嵌入式系统应用领域的扩展，目前嵌入式操作 系统的市场在不断细分，出现了针对不同领域的产品， 这些产品按领域的要求和标准提供特定的功能。概 述（2/2）7嵌入式操作系统的演变（1/7）* *Percent of total software supplied by RTOS vendor in a typical embedded devicePercent of total software supplied by RTOS vendor in a ty

4、pical embedded device 10%*Kernel30%*KernelNetworkingFile System75%*KernelNetworkingFile SystemMultiprocessingMemory ManagementNetworking UtilityWindows APIApplicationApplicationApplication Application90%*90%*KernelNetworkingFile SystemMultiprocessingFault ToleranceDistributed ObjectsAdvanced Network

5、ingAdvanced InterconnectJavaBrowser / GUI8在嵌入式系统的发展过程中，从操作系统的 角度来看，大致经历了以下及几个阶段： v无操作系统阶段 v简单操作系统阶段 v实时操作系统阶段 v面向Internet的阶段嵌入式操作系统的演变（2/7）9q无操作系统阶段 v嵌入式系统最初的应用是基于单片机的，大多以可编程控制器的 形式出现，具有监测、伺服、设备指示等功能，通常应用于各类工 业控制和飞机、导弹等武器装备中，一般没有操作系统的支持，只 能通过汇编语言对系统进行直接控制，运行结束后再清除内存。 v这些装置虽然已经初步具备了嵌入式的应用特点，但仅仅只是使 用8

6、位的CPU芯片来执行一些单线程的程序，因此严格地说还谈不上 “系统“的概念。 v这一阶段嵌入式系统的主要特点是：系统结构和功能相对单一， 处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入 式系统使用简便、价格低廉，因而曾经在工业控制领域中得到了非 常广泛的应用，但却无法满足现今对执行效率、存储容量都有较高 要求的信息家电等场合的需要。嵌入式操作系统的演变（3/7）10q简单操作系统阶段 v20世纪80年代，随着微电子工艺水平的提高，IC制造商开始把 嵌入式应用中所需要的微处理器、I/O接口、串行接口以及RAM、 ROM等部件统统集成到一片VLSI中，制造出面向I/O设计的微控 制器，

7、并一举成为嵌入式系统领域中异军突起的新秀。与此同时， 嵌入式系统的程序员也开始基于一些简单的“操作系统“开发嵌入式 应用软件，大大缩短了开发周期、提高了开发效率。 v这一阶段嵌入式系统的主要特点是：出现了大量高可靠、低功 耗的嵌入式CPU（如Power PC等），各种简单的嵌入式操作系统 开始出现并得到迅速发展。此时的嵌入式操作系统虽然还比较简单 ，但已经初步具有了一定的兼容性和扩展性，内核精巧且效率高， 主要用来控制系统负载以及监控应用程序的运行。嵌入式操作系统的演变（4/7）11q实时操作系统阶段 v20世纪90年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息 家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系

8、统进一步飞速发展，而面向 实时信号处理算法的DSP产品则向着高速度、高精度、低功耗的 方向发展。随着硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模 也不断扩大，逐渐形成了实时多任务操作系统（RTOS），并开 始成为嵌入式系统的主流。 v这一阶段嵌入式系统的主要特点是：操作系统的实时性得到 了很大改善，已经能够运行在各种不同类型的微处理器上，具有 高度的模块化和扩展性。此时的嵌入式操作系统已经具备了文件 和目录管理、设备管理、多任务、网络、图形用户界面（GUI） 等功能，并提供了大量的应用程序接口（API），从而使得应用 软件的开发变得更加简单。嵌入式操作系统的演变（5/7）12q面向Interne

9、t的阶段 v21世纪无疑将是一个网络的时代，将嵌入式系统应用到各种网 络环境中去的呼声自然也越来越高。目前大多数嵌入式系统还孤 立于Internet之外，随着Internet的进一步发展，以及Internet技术 与信息家电、工业控制技术等的结合日益紧密，嵌入式设备与 Internet的结合才是嵌入式技术的真正未来。 v信息时代和数字时代的到来，为嵌入式系统的发展带来了巨大 的机遇，同时也对嵌入式系统厂商提出了新的挑战。 嵌入式操作系统的演变（6/7）13q各类嵌入式Linux操作系统迅速发展，由于具有源 代码开放、系统内核小、执行效率高、网络结构完整等特 点，很适合信息家电等嵌入式系统的需要

10、，目前已经形成 了能与Windows CE、Symbian等嵌入式操作系统进行有 力竞争的局面。 q网络化、信息化的要求随着Internet技术的成熟和带 宽的提高而日益突出，以往功能单一的设备如电话、手机 、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构变得更加复杂，网 络互联成为必然趋势。 q精简系统内核，优化关键算法，降低软硬件成本和 功耗。 q提供更加友好的多媒体人机交互界面。嵌入式操作系统的演变（7/7）14q从应用领域来分： v面向信息家电的嵌入式操作系统 v面向智能手机的嵌入式操作系统，如 SymbianOS、MS Mobile OS、PalmOS、 Embedded Linux等 v面向汽车

11、电子的嵌入式操作系统 v面向工业控制的嵌入式操作系统 v .嵌入式操作系统的分类（1/3）15q从实时性的角度来看，嵌入式操作系统可分为 v嵌入式实时操作系统：具有强实时特点，如 VxWorks、QNX、Nuclear、OSE、DeltaOS、各种 ITRON OS等。 v非实时嵌入式操作系统：一般只具有弱实时特点 ，如WinCE、版本众多的嵌入式Linux、PalmOS等 。 嵌入式操作系统的分类（2/3）16q从嵌入式系统的商业模式来分类，可以分为商用型 和开源型。 v商用型：功能稳定、可靠，有完善的技术支持和 售后服务，开发费用+版税。 v开源型：开放源码，只收服务费，没有版税。 如 E

12、mbedded linux，RTEMS，eCOS。嵌入式操作系统的分类（3/3）17q体系结构是操作系统的基础，它定义了硬件与软件 的界限、内核与操作系统其它组件（文件、网络、GUI等 ）的组织关系、系统与应用的接口。 q体系结构是确保系统的性能、可靠性、灵活性、可 移植性、可扩展性的关键，就好比房子的梁架，只有梁架 搭牢固了才提得上房子的质量，再做一些锦上添花的工作 才有意义。 q目前操作系统的体系结构可分为：单块结构、层次 结构和客户/服务器（微内核）结构。嵌入式操作系统体系结构（1/7）18硬 件系统服务用户态核心态应用程序应用程序 单块结构嵌入式操作系统体系结构（2/7）19层次结构嵌

13、入式操作系统体系结构（3/7）应用程序硬 件硬件抽象层应用编程接口硬件无关层20硬 件进程服务 用户态核心态应用程序客户内存服务微内核文件服务网络服务显示服务发送应答客户/服务器结构（微内核结构）嵌入式操作系统体系结构（4/7）21q目前嵌入式操作系统主要采用分层和模块化相结合 的结构或微内核结构。 v分层和模块化结合的结构将操作系统分为硬件无关 层、硬件抽象层和硬件相关层，每层再划分功能模块 。 v这样移植工作便集中在硬件相关层，与其余两层无 关，功能的伸缩则集中在模块上，从而确保其具有良 好的可移植性和可伸缩性。 v而采用微内核结构，则可利用其可伸缩的特点适应 硬件的发展，便于扩展。 嵌入

14、式操作系统体系结构（5/7）22应用程序任务管理硬 件用户扩展处理调度管理硬件抽象层应用编程接口内存管理中断管理时钟/定时器管理 I/O管理出错处理同步、通信管理（消息队列，信号量，事件 ，异步信号)）DeltaCORE的体系结构：层次模块结构嵌入式操作系统体系结构（6/7）23用户模式应用应用应用网络管理器图形管理器设备管理器文件系统管理器网络驱动图形驱动设备驱动文件系统驱动硬 件内核模式 内核（微内核）QNX4.25的体系结构：客户/服务器结构嵌入式操作系统体系结构（7/7）24q嵌入式操作系统一般由内核、嵌入式TCP/IP网络 系统、嵌入式文件系统等组成。 q内核 v内核是嵌入式操作系统

15、的基础，也是必备的部分 。 v它提供任务管理、内存管理、通信、同步与互斥 机制、中断管理、时间管理及任务扩展等功能。 v内核还提供特定的应用编程接口，但目前没有统 一的标准。 嵌入式操作系统的组成（1/12）25q任务管理 v内核的核心部分，具有任务调度、创建任务、删除 任务、挂起任务、解挂任务、设置任务优先级等功能。 v通用计算机的操作系统追求的是最大的吞吐率，为 了达到最佳整体性能，其调度原则是公平，采用Round -Robin或可变优先级调度算法，调度时机主要以时间片 为主驱动。 v而嵌入式操作系统多采用基于静态优先级的可抢占 的调度，任务优先级是在运行前通过某种策略静态分配 好的，一旦

16、有优先级更高的任务就绪就马上进行调度。内 核（2/12）26q内存管理 v通用操作系统广泛使用了虚拟内存的技术，为 用户提供一个功能强大的虚存管理机制。v嵌入式操作系统的内存管理比较简单。 v通常不采用虚拟存储管理，而采用静态内存分 配和动态内存分配（固定大小内存分配和可变大小 内存分配）相结合的管理方式。 v有些内核利用MMU机制提供内存保护功能。 内 核（3/12）27q通信、同步和互斥机制 v这些机制提供任务间、任务与中断处理程序间的 通信、同步和互斥功能。 v一般包括信号量、消息、事件、管道、异步信号 和共享内存等功能。 v与通用操作系统不同的是，嵌入式操作系统需要 解决在这些机制的使用中出现的优先级反转问题。内 核（4/12）28q中断管理：一般具有以下功能： v安装中断服务程序 v中断发生时，对中断现场进行保存，并且转到 相应的服务程序上执行 v中断退出前，对中断现场进行恢复 v中断栈切换 v中断退出时的任务调度 内 核（5/12）29q时间管理 v提