4-1-嵌入式操作系统概述.pdf

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1、嵌入式操作系统概述嵌入式操作系统概述 明子成明子成 什么是嵌入式操作系统？常用嵌入式操作系统简介 Windows Embedded VxWorks Embedded Linux 什么是嵌入式操作系统？什么是嵌入式操作系统？嵌入式系统发展的四个阶段嵌入式系统发展的四个阶段 无无OSOS的嵌入式系统软件结构的嵌入式系统软件结构 基于基于EOSEOS的嵌入式系统软件结构的嵌入式系统软件结构 常用常用嵌入式操作系统简介嵌入式操作系统简介 Windows EmbeddedWindows Embedded VxWorksVxWorks Embedded LinuxEmbedded Linux 桌面机 Wi

2、ndows(9X,XP Home,XP/2000 Pro)Mac 服务器 Windows(XP/2000 Server&Advanced Server)Unix Varieties 嵌入式 Many 嵌入式操作系统（EOS）通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。EOS具有通 用操作系统的基本特点，比如：能有效管理越来越复杂的系统资源；能把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能提供库函数、驱动程序、工具集及应用程序。与通用操作系统相比较，EOS在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化及应用的专用性等方面特点突出

3、。模块化 可升级 可配置 小内存损耗 CPU支持 设备驱动 等等.OS是对计算机资源进行管理的程序集合，提供人机接口，其结构直接影响系统性能。OS的结构通常分为4种：1.单体结构、2.分层结构、3.虚拟机系统、4.客户/服务器（C/S）系统 实际上是一个无结构的系统，OS是一组过程的集合，每一个过程都可以任意调用其它过程。系统中的每一个过程实现的功能不同，需要不同的I/O参数，有定义好的接口。应用：早期，用户自行设计的监控程序 功能简单 系统安全性差 可靠性差 将功能分层设计，上层调用下层，下层对上层返回调用结果。5 5 操作员操作员 4 用户程序 3 I/O管理 2 进程间通信 1 存储器管

4、理 0 处理机分配和多道程序 分层结构的分层结构的OS 也提供多道程序功能 虚拟机虚拟机 虚拟机虚拟机 虚拟机虚拟机 陷阱 硬件 虚拟机结构的虚拟机结构的OS 客户进程客户进程 客户进程客户进程 服务器服务器 进程进程 文件文件 服务器服务器 其它其它 服务器服务器 OS内核 微内核结构微内核结构 特点：1.小内核：内核所做的工作是完成进程间通信 2.OS的功能通过任务实现，所有服务器进程作为用户进程来运行，不在内核模式运行，安全性高 3.充分利用任务间的通信 4.适合于分布式系统 EOS的发展大致可分四个阶段：1.1.无无OSOS的的嵌入算法嵌入算法阶段阶段 以单芯片为核心的可编程控制器形式

5、的系统 功能：与监测、伺服、指示设备相配合。应用：一些专业性极强的工业控制系统中，通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。特点：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。EOS的发展大致可分四个阶段：2.2.以以嵌入式嵌入式CPUCPU为基础、为基础、简单简单OSOS为为核心的核心的嵌入式系统嵌入式系统。功能：控制系统负载及监控应用程序运行。应用：以单芯片为核心的可编程控制器。特点：CPU种类繁多，通用性比较差；系统开销小，效率高；一般配备系统仿真器，OS有一定兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好。EOS的发展大致可分四个阶段：2.2.

6、以以嵌入式嵌入式CPUCPU为基础、为基础、简单简单OSOS为为核心的核心的嵌入式系统嵌入式系统。功能：控制系统负载及监控应用程序运行。应用：以单芯片为核心的可编程控制器。特点：CPU种类繁多，通用性比较差；系统开销小，效率高；一般配备系统仿真器，OS有一定兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好。EOS的发展大致可分四个阶段：4.4.以基于以基于InternetInternet为标志的嵌入式系统。为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展及Internet技术与信息家电、工控技术等结合日益密切，嵌入式

7、设备与Internet的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。EOS的发展可分两类：1.1.无无OSOS的前后台模式的前后台模式 2.2.中断（事件）驱动系统中断（事件）驱动系统 3.3.巡回服务系统巡回服务系统 Action_1()Action_1()Action_2()Action_2()Action_nAction_n()()后台后台-任务级任务级 后台程序后台程序执行代码执行代码 ISR_1()ISR_1()ISR_2()ISR_2()ISR_mISR_m()()前台前台-中断级中断级 中断服务中断服务程序代码程序代码 时间时间 后台后台：应用程序是一个无限循环，巡回执行多个事件，：应用程

8、序是一个无限循环，巡回执行多个事件，通常在通常在main（）中被调用（）中被调用 前台前台：中断服务程序处理异常事件，实现强实时操作：中断服务程序处理异常事件，实现强实时操作 程序框架后台：mainmain()/*to do/*to do：硬件：硬件初始化初始化*/*/while(1)/*/*后台程序后台程序*/*/action_1（）；action_2();action_1()/*执行动作*/action_n()/*执行动作*/程序框架前台：isr_1()/*中断1的中断服务程序*/action_n()/*中断n的中断服务程序*/前后台系统的特点：1.实时性：中断服务程序提供的数据（实时性数

9、据）只有在后台轮训到时才能得到运行 2.应用：微波炉、洗衣机、空调、电话机、玩具等。原理：整个嵌入式系统软件由中断服务程序构成；主程序完成系统的初始化工作。应用：低功耗系统设计及事件驱动系统 软件构成：主程序：完成系统的初始化 中断服务例程：完成事务处理 中断驱动系统：主程序 main()/*完成系统的硬件与数据结构初始化完成系统的硬件与数据结构初始化*/*to do：系统的初始化：系统的初始化*/while(1)屏幕显示或其他代码或屏幕显示或其他代码或 enter_low_power();中断驱动系统：中断程序 isr_n()/*其中的一个中断服务程序*/*to do：处理中断事件*/应用：

10、嵌入式处理器/控制器的中断源不多的情况下，希望不增加硬件中断源时常用的解决方案。程序模板：main()/*to do：硬件初始化：硬件初始化*/while(1)action_1()；/*巡回检测事件巡回检测事件1并处理并处理*/action_2();/*巡回检测巡回检测事件事件2并并处理处理*/方案3巡回服务系统的缺点：处理器要全速运行，系统开销大、功耗大，不适合电池供电的系统。改进方式：采用基于定时器的巡回服务系统来降低处理器的工作时间。程序模板：主程序+定时器中断服务程序 main()/*to do：硬件初始化：硬件初始化*/*to do：设置定时器：设置定时器*/while(1)屏幕显示

11、或其它代码或屏幕显示或其它代码或 enter_low_power();定时器中断服务程序定时器中断服务程序 Isr_timer()/*定时器的中断服务程序定时器的中断服务程序*/action_1()；/*执行事件执行事件1的处理的处理*/action_2();/*执行执行事件事件2的处理的处理*/无无OSOS的嵌入式系统软件结构较简单，的嵌入式系统软件结构较简单，一般由硬件设计人员就可以完成。一般由硬件设计人员就可以完成。复杂的嵌入式系统，要求支持多任务、支持网络、多种外设、友好的人机交互、支持文件系统等，EOS的选择，可提高系统开发效率，缩短开发周期，增强软件的移植性。基于EOS的系统软件结

12、构有以下几类：1.基于分时系统的软件结构 2.实时嵌入式系统软件结构 EOSEOS 缺点：无法保证事务处理的优先级 应用：PDA等不需要实时处理的设备 定时器定时器 任务调度器任务调度器 任务任务1 1 任务任务2 2 任务任务n n 引起任务调引起任务调度的因素度的因素 任务：包括用户任务和系统任务 OS的任务调度器：根据任务的优先级进行调度任务的执行 引起任务调度的因素：硬件中断、定时器溢出、任务间的通信和同步等 其它程序：主程序、子程序等 任务调度器任务调度器 任务任务 任务任务 任务任务 高高 优先级优先级 低低 软件系软件系 统构成统构成 Microsoft Embedded NT/

13、XP “实时”控制 Windows CE(CE.NET)Internet 设备 Wind River Systems VxWorks pSOS Embedded Linux 更强的功能 笔记本笔记本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.NET framework 支持 Windows XP/XPE 平板电脑平板电脑 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.NET framework支持 提供笔，数字墨水，手写和语音识别API Windows CE 小型个人产小型个人产品品 单向网络

14、信息消费 Windows Mobile Smartphone 信息消费 基本数据浏览 把PDA融入电话 可以与Exchange交互 .NET Compact Framework ASP.NET 移动控件 Pocket PC 信息消费 浏览和输入数据 把电话融入PDA 可以与Office,Exchange和SQL Server交互 .NET Compact Framework ASP.NET 移动控件 VxWorks 是风河公司开发的一款商用硬实时操作系统 主要思想：在嵌入式系统中最大限度地实现内核的时间可预测性，根据用户定义的任务优先级对任务实现调度。给用户最大的控制权 为追求系统的实时性而设

15、计的，并不是以通用OS为设计目标。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。任务调度采用的是基于优先级的抢占式任务调度模式，优先级分256级(0-255)用户可以动态的改变优先级，但是这种做法不提倡 用户可以锁定一个任务使它不被更高的任务或中断抢占 允许使用固定优先级响应时间来检查任务调度的性能 资源共享和优先级继承机制 采用最优化的上下文切换和中断返回机制.内核从不禁止非屏蔽中断 NMI(non-maskable interrupts)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

16、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 带给用户最大的控制权的同时，用户对系统的实时性调度责任也更大 嵌入式Linux概览 使用嵌入式Linux的开发过程 嵌入式Linux与Windows CE 各种设备中各种设备中:NASA 个人助理个人助理 Linux 操操作系统选作系统选择择 操作系统的移植操作系统的移植与改进与改进 Driver and Application software development 从系统设计从系统设计

17、测测试试 Rehat,bluecat,RTLinux,Monta Vista Linux,RTAI,http:/linux.orghttp:/www.gnu.org Tekram,HP,Intel,嵌入式嵌入式Linux Jerry Krasner与与Rick Rehrbraum 之争之争 版权费版权费 开发环境开发环境 功能功能 上市时间上市时间 开人员数开人员数 非常便宜非常便宜 并非所有的嵌入式并非所有的嵌入式windows产品都便宜产品都便宜 更好更好 不同意不同意 更多更多 不同意不同意 更短更短 更少更少 不确定不确定 不确定不确定 硬件支持硬件支持 差不多差不多 Linux更好更好 嵌入式嵌入式Linux 目前嵌入式系统项目中使用的目标操作系统以及目前嵌入式系统项目中使用的目标操作系统以及二年后使用的操作系统，二年后使用的操作系统，2002，数据来自，数据来自EDC 两者都两者都呈强健呈强健的上升的上升趋势趋势!