嵌入式系統關鍵技術分析與開發應用

嵌入式操作系統(Embedded Operating System)種類有一百種以上，代表性的產品有以下幾種：

   1) 專用的實時操作系統（RTOS）。代表性的產品有QNX、VxWorks、pSos、lynx，還有Hopen，中文名稱為"女媧"，它是由中科院開發的中國人自己的嵌入式OS。傳統上，以往的嵌入式應用如果確定了要使用操作系統，一般選上述其中之一。其特點是： 
o 模塊化。 
o 實時性好。 
o 穩定性好。 
o 價格昂貴。由于操作系統本身以及開發環境都是專有的，價格一般都比較高，通常需花費10萬元人民幣以上才能建起一個可用的開發環境，對每一個應用一般還要另外收取版稅。 
o 一般不通供源代碼，只提供二進制代碼。 
o 由于它們都是專用操作系統，需要專門的技術人員掌握開發技術和維護，所以軟件的開發和維護成本都非常高。 
o 支持的硬件數量有限。

   2) Windows CE。 

   微軟的嵌入式OS。與前述OS最大不同是其應用編程接口（API）與Win32 API兼容，這樣Windows上的程序都可以重新編譯后移植到Win CE上來，開發人員可用開發Windows同樣的開發工具來開發Win CE程序。缺點同樣是源代碼不公開，對每一個應用都要收取版稅。例如，某機頂盒采用Win CE，每臺需交納20-30美圓給微軟，另外，Win CE 體積龐大，占用很多的ROM和RAM。

   3) 嵌入式Linux。

   這是嵌入式操作系統的一個新成員，其最大的特點是源代碼公開并且并且遵循GPL協議，在近一年多以來成為研究熱點，據IDG預測嵌入式LINUX將占未來兩年的嵌入式操作系統份額的50%，下面重點對其加以介紹。 
o 由于其源代碼公開，人們可以任意修改，以滿足自己的應用，并且查錯也很容易。 
o 遵從GPL，無須為每例應用交納許可證費。 
o 有大量的應用軟件可用。其中大部分都遵從GPL，是開放源代碼和免費的。可以稍加修改后應用于用戶自己的系統。 
o 有大量的免費的優秀的開發工具，且都遵從GPL，是開放源代碼的。 
o 有龐大的開發人員群體。無需專門的人才，只要懂Unix/Linux和C語言即可。隨著Linux在中國的普及，這類人才越來越多。所以軟件的開發和維護成本很低。 
o 優秀的網絡功能，這在Internet時代尤其重要。 
o 穩定--這是 linux本身具備的一個很大優點。 
o 內核精悍，運行所需資源少，十分適合嵌入式應用。 
o 支持的硬件數量龐大。嵌入式Linux和普通linux并無本質區別，
   PC上用到的硬件嵌入式Linux幾乎都支持。而且各種硬件的驅動程序源代碼都可以得到，為用戶編寫自己專有硬件的驅動程序帶來很大方便。

   在當前數字信息技術和網絡技術高速發展的后PC（Post-PC）時代，嵌入式系統已經廣泛地滲透到科學研究、工程設計、軍事技術、各類產業和商業文化藝術以及人們的日常生活等方方面面中。隨著國內外各種嵌入式產品的進一步開發和推廣，嵌入式技術越來越和人們的生活緊密結合。
　　
   1970年左右出現了嵌入式系統的概念，此時的嵌入式系統很多都不采用操作系統，它們只是為了實現某個控制功能，使用一個簡單的循環控制對外界的控制請求進行處理。當應用系統越來越復雜、利用的范圍越來越廣泛的時候，每添加一項新的功能，都可能需要從頭開始設計。沒有操作系統已成為一個最大的缺點了。 
　　
   C語言的出現使操作系統開發變得簡單。從上世紀80年代開始，出現了各種各樣的商用嵌入式操作系統百家爭鳴的局面，比較著名的有VxWorks、pSOS和Windows CE等等，這些操作系統大部分是為專有系統而開發的。另外，源代碼開放的嵌入式Linux，由于其強大的網絡功能和低成本，近來也得到了越來越多的應用。

   1 嵌入式系統的技術特點
　　
   嵌入式系統通常包括構成軟件的基本運行環境的硬件和操作系統兩部分。嵌入式系統的運行環境和應用場合決定了嵌入式系統具有區別于其它操作系統的一些特點。

   （1）嵌入式處理器
　　
   嵌入式處理器可以分為三類：嵌入式微處理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP（Digital Signal Processor）。嵌入式微處理器就是和通用計算機的微處理器對應的CPU。在應用中，一般是將微處理器裝配在專門設計的電路板上，在母板上只保留和嵌入式相關的功能即可，這樣可以滿足嵌入式系統體積小和功耗低的要求。目前的嵌入式處理器主要包括：PowerPC、Motorola 68000、ARM系列等等。
　　
   嵌入式微控制器又稱為單片機，它將CPU、存儲器（少量的RAM、ROM或兩者都有）和其它外設封裝在同一片集成電路里。常見的有8051。
　　
   嵌入式DSP專門用來對離散時間信號進行極快的處理計算，提高編譯效率和執行速度。在數字濾波、FFT、譜分析、圖像處理的分析等領域，DSP正在大量進入嵌入式市場。

　　
   什么是嵌入式系統和嵌入式微處理器
　　
   嵌入式系統一般指非PC系統，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器／微處理器、存儲器及外設器件和I／O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統軟件（OS）（要求實時和多任務操作）和應用程序編程。有時設計人員把這兩種軟件組合在一起。應用程序控制著系統的運作和行為；而操作系統控制著應用程序編程與硬件的交互作用。
   　　
    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就具備以下4個特點：1）對實時多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，以能最迅速地開展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。

   　　
    阻礙嵌入式LINUX系統開發的因素有哪些 
         　　
    1) 硬件方面：
   　　
    嵌入式32位微處理器系統具有非常廣闊的市場前景，目前國際上已有廠商推出自己的產品，但是設計嵌入式32位微處理器系統對大多數開發者來說卻存在很大困難。嵌入式32位微處理器內部結構非常復雜，工作頻率達幾十兆甚至幾百兆HZ，所用到的外圍器件如存儲器和網絡器件也都是工作在很高頻率上的復雜器件。所以，設計和調試32位微處理器系統硬件，對任何硬件設計人員都是具有挑戰性的工作，產品開發成本很高周期很長。  
        　　
    2) 軟件方面：
   　　
    作為比較新的一個操作系統，開發人員需要研究其工作原理，閱讀大量文檔和源代碼，熟悉許多的開發工具，才能掌握它；作為開放源代碼軟件，許多用戶感覺技術服務難以得到保證；一些用戶必須的文檔缺乏或者寫得不清楚，給用戶開發帶來困難；軟件和用戶的硬件之間存在較大差距，要使嵌入式Linux順暢運行，用戶仍然有許多煩瑣的與硬件接口的底層軟件要做；嵌入式Linux軟件發布有許多種類，可以提供給用戶選擇的硬件平臺卻非常缺乏。