第九单元 嵌入式应用

9.3 嵌入式操作系统

   

        嵌入式操作系统具有和实时操作系统、通用操作系统不同的一些特点。不过嵌入式操作系统的定义比实时操作系统(RTOS)的定义更加含糊;而且,嵌入式操作系统的具体形式千变万化。尽管嵌入式操作系统和通用操作系统的界线并不分明(甚至不断变的更加模糊),但当你见到嵌入式操作系统的时候就能一眼认出来。

        嵌入式系统的数量庞大(超过台式PC机一个数量级);在现代汽车内部,嵌入式系统控制着许多功能;在家用电器和玩具中,也存在着嵌入式系统;关键医疗设备中也存在着嵌入式系统;嵌入式系统也存在于遥控和全球定位设备中;便携电话中也存在嵌入式系统。

       嵌入式操作系统的最简分类如下:

  1. 高端嵌入式操作系统:这类操作系统是从现有通用操作系统简化而来的,去掉了大量“压舱物”。从Linux派生出来的嵌入式操作系统很多;这是因为Linux具有高度模块化的结构以及其源代码可得。采用该类嵌入式操作系统的设备有路由器、交换机、个人数字助理和机顶盒等。
  2. 深度嵌入式操作系统:这类操作系统非常小,仅需要几项基本功能。所以这类操作系统大多是为了特定应用而从头开始设计的。深度嵌入式操作系统不具备以下二项功能:高性能图形用户界面和网络通信功能。采用该类嵌入式操作系统的设备有汽车控制装置、数码相机和便携式电话。

      要成为嵌入式操作系统需具备以下重要特征:

  1. 尺寸要小:设计者不断努力将更多的计算功能置于更小的硬件内,采用更廉价的CPU采用板上数字、模拟输入输出设备。设计者想要把这种CPU集成到各类小巧产品之中。 一个小型嵌入式操作系统占用的RAM、ROM存储器大小往往只有几KB。
  2. 能够无需人工干预而正常运行数年。这就是说硬件、软件永远不应出现故障。因此系统最好不应包含软驱、硬盘等机械部件。机械部件不仅容易出现故障,而且占用更多空间、需要更多能量、花费更长的通信时间,拥有更复杂的驱动机构(例如,机械部件的运动控制)。
  3. 许多嵌入式系统必须控制那些“未按设计工作会出现危险”的设备。因此,这些设备的状态必须定期检查。而嵌入式计算系统本身也是一种“关键”设备,也需检查!因此,需要经常查看嵌入式系统的硬件“看门狗”。“看门狗”通常是连接在处理器“复位”输入端的可重新出发的、单一稳定的定时器。操作系统在指定时间间隔内检查处理器是否正常工作(例如,通过检查状态寄存器中的内容)。然后,操作系统复位“看门狗”。因此,如果操作系统没有成功复位定时器,这就意味着没有正常工作、定时器“跑飞”,需要强迫处理器复位。 假如出现了一些问题而操作系统仍旧工作(例如,某项任务出现了存储器保护错误),操作系统可以启动软件“看门狗”(只是用以调度处理错误服务例程的中断)。软件“看门狗”的一项重要工作是产生“内核堆”,用以分析导致问题的具体状态。
  4. “长期自主运行”也意味着使用尽可能少的能量:嵌入式系统往往要靠电池(如移动电话)工作很长时间,或是作为能源非常有限的大型系统(如卫星)的组成部分。
  5. 假如系统出现故障(尽管设计得很稳健),比如是由存储器保护保护错误而引起的,通常周围是没有用户来采取恰当措施的。因此,系统自身应当自动瞬间(如果要控制关键设备的话)重启进入“安全”状态。可以将这个过程和台式机的启动过程比较一下。后者需要一分钟或更长的时间才能完成并总是进入相同的缺省状态。
  6. 尽可能便宜。嵌入式系统的生产量往往是几千、甚至是几百万。单个系统价格下降一小点就会节省大量资金。
  7. 有的嵌入式系统在投入使用后(例如,已发射的火箭)就再也无法取回进行软件升级了。然而,越来越多的嵌入式系统可以过程访问。因此,需要支持“动态链接”――投入使用时不存在的目标代码可以上载到系统,而且可以在操作系统运行时(无须停止)完成链接。

        许多应用系统需要嵌入式操作系统和实时操作系统的全部特点。移动电话和掌上电脑(个人数字助理)是其中最有名的例子——尺寸要小、功耗要低、以尽可能少的代码而能完成高级的信号处理算法。

        上面提到的几点要求嵌入式操作系统开发人员用最少的软件和硬件来设计系统。大致说来,通用操作系统和实时操作系统的开发人员会对客户这么说:“看看我们的产品多能干!”,而嵌入式操作系统的开发人员会对客户说:“完成客户要求,我们的产品只需做这么一点点!”因此,嵌入式系统往往没有“存储器管理单元”(MMU)、没有“多任务”、没有“网络栈”,也没有“文件系统”。极端情况是在“裸机”上的一段计算机程序,完全不需要任何操作系统。

        从通用操作系统中拿走的功能越多,系统尺寸越小,系统可预测性越高;相反,向嵌入式操作系统中增添的功能越多,它越象通用操作系统。大多数当前的实时操作系统和嵌入式操作系统的应用范围在不断扩大,具备的功能也越来越多。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



 
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