嵌入式的发展历程

嵌入式操作系统的发展历程及趋势嵌入式操作系统的发展历程及趋势大四这学期我第一接触到嵌入式操作系统，在我还不了解什么是嵌入式操作 系统的时候，我对这门课程充满了好奇。经过一学期的认真学习我对其起源和发 展渐渐熟悉。它以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统几乎包括了 生活中的所有电器设备，这使得我对这门课程的兴趣大大提高了。下面我就根据 我学习和了解到的有关嵌入式操作系统的发展历程和趋势发表一下简单的见解。随着社会信息化革命的深入以及网络技术的发展,计算机技术也取得了前所 未有的发展。在实际应用过程中,人们为了完成特定的功能而逐渐倾向于采用嵌 入式系统。嵌入式系统作为专用的计算机系统已经逐渐渗透到社会生活的各个领 域,从而深刻的改变着人们的生活方式。嵌入式系统是以应用为中心的知识密集 型产业,具有不断创新的特点,是社会发展的重要推动力。就嵌入式的发展历程来讲，面向Internet的，特定应用的嵌入式操作系统是重 要的发展趋势嵌入式操作系统伴随着嵌入系统的发展经历了三个比较明显的三 个阶段：1. 无操作系统的嵌入算法阶段这一阶段的嵌入式系统是以可编程控制器的形式、以单芯片为核心的系统， 同时具有与一些监测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一 些专业性极强的工业控制系统中，一般没有明显的被称为操作系统（RTOS）的 支持，而是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。这一 阶段系统的主要特点是系统结构和功能都相对单一，针对性强，但无操作系统支 持，几乎没有用户接口。2. 简单监控式的实时操作系统阶段这一阶段的嵌入式系统主要以嵌入式处理器为基础、以简单监控式操作系统 为核心。系统的特点是处理器种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高； 系统一般配备系统仿真器，具有一定的兼容性和扩展性；操作系统的用户界面不 够友好，其主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。3. 通用的嵌入式实时操作系统阶段以通用型嵌入式实时操作系统（RTOS）为标志的嵌入式系统。如VxWorks、 pSOS、OS-Array、Windows CE就是这一阶段的典型代表。这一阶段系统的特点 是能运行在各种不同类型强大的微处理器上；具有强大的通用型操作系统的功 能，如具备了文件和目录管理、多任务、设备支持、网络支持、图形窗口以及用 户界面等功能；具有大量的丰富的应用程序接口（API）和嵌入式应用软件丰富。就嵌入式操作系统的发展前景及趋势来讲。我个人认为嵌入式操作系统发 展前途是光明的，嵌入式操作系统逐步穿插到人们生活的各个领域，为人们生活 提供便利性。嵌入式操作系统应用范围之广，让它成为一个重要且必不可少的技 术。从事嵌入式软件开发的好处是：（1）目前国内外这方面的人都很稀缺。一方面，是因为这一领域入门门槛 较高，不仅要懂较底层软件（例如操作系统级、驱动程序级软件），对软件专业 水平要求较高（嵌入式系统对软件设计的时间和空间效率要求较高），而且必须 懂得硬件的工作原理，所以非专业IT人员很难切入这一领域；另一方面，是因 为这一领域较新，目前发展太快，很多软硬件技术出现时间不长或正在出现（如 ARM 处理器、嵌入式操作系统、 MPEG 技术、无线通信协议等），掌握这些新 技术的人当然很找。嵌入式人才稀缺，身价自然就高，越有经验价格就越高。其 实嵌入式人才稀少，根本原因可能是大多数人无条件接触，这需要相应的嵌入式开 发板和软件，另外需要有经验的人进行指导开发流程。（2）嵌入式领域人才的工作强度通常低一些（但收入不低）。搞企业应用软 件的 IT 企业，这个用户的系统搞完了，又得去搞下一个用户的，而且每个用户 的需求和完成时间都得按客户要求改变，往往疲于奔命，重复劳动。相比而言， 搞嵌入式系统的公司，都有自己的产品计划，按自己的节奏行事。所开发的产品 通常是通用的，不会因客户的不同而修改。一个产品型号开发完了，往往有较长 一段空闲时间（或只是对软件进行一些小修补），有时间进行充电和休整。另外， 从事嵌入式软件的每个人工作范围相对狭窄，所涉及的专业技术范围就是那些 （ARM、RTOS、MPEG、802.11 等），时间长了这些东西会越搞越有经验，卖 卖老本，几句指导也够让那些初入道者琢磨半年的。若搞应用软件，可能下一个 客户要换成一个完全不同的软件开发平台，那就苦了。（3）哪天若想创业，搞自已的产品，那么嵌入式是一个不错的主意，这可 不像应用软件那样容易被盗版。土木学院有一个叫启明星的公司开发出一个好象 叫“工程e”的掌上PDA（南校区门口有广告），施工技术人员用该PDA可当场进 行土木概预算和其它土木计算，据说销路特好。我认识的某大学老师，他开发的 饭馆用的点菜 PDA（WinCE 平台，可无线连网和上网），据他说销路不错，饭 馆点点PDA让客户点菜，多显派头档次。我记得00级2+2班当年有一组同学 在学Windows程序设计课程时用VC+设计了一个功能很强的点菜系统做为课 程项目，当时真想建议他们将这个软件做成PDA,估计会有些销路（上海火车 站南广场的 Macdonald 便使用很漂亮的 PDA 给用户点食品，像摸像样的）。这 些PDA的硬件设计一般都是请其它公司给订做（这叫“贴牌”：OEM），都是通 用的硬件，我们只管设计软件就变成自己的产品了。嵌入式系统具有的产品特征 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的,如果独立于应用自行发展,则会 失去市场。嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁 兼容性等方面均受到应用要求的制约 ,这些也是各个半导体厂商之间竞争的热 点。和通用计算机不同,嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计,量体裁衣、 去除冗余,力争在同样的硅片面 积上实现更高的性能,这样才能在具体应用对处 理器的选择面前更具有竞争力。嵌入式处理器要针对用户的具体需求 ,对芯片配 置进行裁剪和添加才能达到理想的性能;但同时还受用户订货量的制约。因此不 同的处理器面向的用户是不一样的,可能是一般用户,行业用户或单一用户。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起,它的升级换代也是和具体产品同 步进行,因此嵌入式系统产品一旦进入市场,具有较长的生命周期。嵌入式系统中 的软件,一般都固化在只读存储器中,而不是以磁盘为载体,可随意更换,所以嵌入 式系统的应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长。另外 ,各个行业的应用系统 和产品,和通用计算机软件不同 ,很少发生突然性跳跃 ,嵌入式系统中的软件也因 此更强调可继承性和技术衔接性,发展比较稳定。嵌入式处理器的发展也体现出稳定性 ,一个体系一般要存在 8 - 10 年的时 间。一个体系结构及其相关的片上外设、开发工具、库函数、嵌入式应用产品是 一套复杂的知识系统,用户和半导体厂商都不会轻易地放弃一种处理器。嵌入式系统软件的特征嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键 ,对嵌入式处理器 系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同。 软件要求固态化存储 为了提高执行速度和系统可靠性 ,嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯 片或单片机本身中,而不是存贮于磁盘等载体中。 软件代码高质量、高可靠性 尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加 ,但在 大多数应用中,存储空间仍然是宝贵的,还存在实时性的要求。为此要求程序编写 和编译工具的质量要高,以减少程序二进制代码长度、提高执行速度。 系统软件(OS)的高实时性是基本要求 多任务嵌入式系统中,对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证 每个任务及时执行的关键,单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的,这 种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成,因此系统软件的实时性是基本要 求。 多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础 目前各种嵌入式 Linux 操作系统正迅速发展，已经形成了能与 Windows CE等嵌入式操作系统进行有力竞争的局面。嵌入式Linux操作系统的迅速崛起，主 要由于人们对自由软件的渴望与嵌入式系统应用的特制性，要求提供系统源码层 次上的支持，而嵌入式Linux正适应了这一需求，它不仅具有开放源代码，系统 内核小、效率高、内核网络结构完整，裁减后的系统很适于如信息家电等嵌入式 系统的开发。嵌入式Linux操作系统的产品化及可靠性是目前受制约的一个重要 因素。其发展趋势是：操作系统内核将呈现出多平台统一的趋势 传统的操作系统内核主要采用模块化设计技术 ,只能应用于固定的平台。随着组 件化、模块化技术的不断成熟,操作系统内核将呈现出多平台统一的发展趋势,如 Windows XP 采用了组件技术可以灵活地进行扩展和变化 ,既有支持桌面系统的 Windows XP Professional 版本,也有支持嵌入式系统嵌入式系统的 Windows XP Embedded,有效实现了 Windows操作系统内核技术的统一;Linux最新的2.6内核版本也加强了对多平台统一 的支持,2.6 内核不需要用户进行复杂的内核修改和裁剪就可以灵活地实现嵌入 式Linux,同时该内核也可以支持Data Center Linux。功能将不断增加,逐渐形成平台环境 操作系统功能的不断增加有两个方面原因：一个原因是不断满足用户的需求 ,另 一个原因是新技术的不断出现。Mac OS X 10.2比第一版Mac OS X就增加150 余项功能。不断增加的功能并不是每个用户所能用得到的 ,然而操作系统作为一 个标准的套装软件必须满足尽可能多用户的需要,于是系统不断膨胀,功能不断增 加,并逐渐形成从开发工具到系统工具再到应用软件的一个平台环境。微软的 Win CE 是一个较具代表性的、由桌面操作系统演变而成的实时嵌 入式操作系统。虽然提供了较为强大的类似于桌面操作系统的功能，但针对嵌入 式系统的特征与特性而言，Win CE显得笨拙且在内核结构的设计中并未考虑适 应系统的高度可裁减性的要求。以 VxWorks 为代表的传统嵌入式操作系统是应 用最广泛、市场占有率较具优势的几个系统，它们是专门为嵌入式微处理器设计 的高模块化、高性能的实时操作系统，广泛应用于高科技产品中，包括消费电子 设备、工业自动化、无线通信产品、医疗仪器、数字电视与多媒体设备，具有很 好的安全性、容错性以及系统灵活性。虽然它们都提供专有的 API 接口，但是 缺乏应用的高效性，网络连接功能较差，系统对应用程序开发支持相对较弱。对 现在复杂的、网络化的、多处理器的嵌入式系统的许多应用需要而言，它已显得 力不从心。随着硬件技术、应用需求和开发需求的变化，如，微电子技术 -芯片的集 成技术和片上系统；强实时、高可靠应用需求-飞机、火箭控制等；开发需求- 信息家电需要越来越多的研究和设计人员参与嵌入系统的开发，如同台式系统一 样嵌入系统需要使用方便、功能强大的开发系统，嵌入操作系统也需要支持面向 对象和可重用等技术。嵌入式操作系统发展前景趋势大致可以这样说。首先，一体化和集成性SoC的迅猛发展让我们看到了芯片的未来趋势。在 一块芯片上集成许多IP core，不仅可以使嵌入式硬件设计更加简单快速，对于嵌 入式软件，尤其是驱动代码的复用，也是非常有用的。例如，昭营科技在即将推 出的新的自主知识产权CPU中，集成了几乎所有的常用外设控制器，这将极大 地方便嵌入式系统的研发。其次，低功耗。随着嵌入式系统功能的增强，功耗问题也变得越来越重要。 在消费类电子产品领域功耗问题尤为重要。手机领域是一个典型的例子，智能手 机在极大地增强了手机功能的同时，充电越来越频繁也是一个严重的诟病。功耗 问题的产生一方面是由于硬件本身带来的功耗，更重要的原因可能是嵌入式系统 没有完善的电源管理。今后，针对某些具体行业应用的电源管理模块（包括软硬 件模块），可能是嵌入式硬件领域的发展方向之一。第三，网络化，智能化。 Internet 已经改变了人们的生活，我认为今后越来 越多的嵌入式设备都会拥有互联网接入能力。一方面，嵌入式设备通过互联网接 入可以提供更多的功能，另外一方面，嵌入式设备也可以通过互联网与其它嵌入 式设备交互和集成。网络在改变人们生活的同时，也在促进着嵌入式领域的变革。嵌入式控制器的应用几乎无处不在。嵌入控制器因其体积小、可靠性高、功 能强、灵活方便等许多优点,其应用已深入到工业、农业、教育、国防、科研以 及日常生活等各个领域,对各行各业的技术改造、产品更新换代、加速自动化化 进程、提高生产率等方面起到了极其重要的推动作用。它的前景是不可小看的。 它的发展趋势定是直线上升的！