嵌入式操作系统的发展及应用趋势

机电与车辆工程学院课程考核论文 课程名称： 嵌入式系统与应用 题 目：嵌入式操作系统的发展及应用趋势 专 业： 电子信息工程 班 级： 081 姓 名： 艾亚琴 学 号： 1665080101 任课教师： 徐朝胜 嵌入式操作系统的发展及应用趋势摘要:随着嵌入式系统的快速发展, 对嵌入式操作系统的深入研究成为重要课题。通过比较多种嵌入式操作系统, 论述了现代嵌入式操作系统的结构和开发模式, 总结出了未来嵌入式操作系统的开发模式和发展方向。文章还重点介绍了嵌入式操作系统的信息化, 网络化, 智能化趋向和面向构件的体系结构, 对嵌入式操作系统开发人员有一定的参考意义。关键词:嵌入式操作系统;移植;网络化;智能化引言嵌人式操作系统的引人很大程度上降低了系统开发的复杂度、提高了系统开发的灵活性, 增强了嵌人式系统的功能。当前已经有许多包括VxWorks,pSOS,Linux,Delta OS等在内的十分成熟的嵌人式操作系统, 每一种都有其自身的优越性。即便如此, 目前的开发模式相对于快速发展市场的需求而言, 还存在开发周期长、难度大、维护困难、成本高等问题。另外, 嵌人式开发是一项系统工程, 随着其迅速发展的同时, 也对嵌人式的开发生产提出了新的挑战。尤其是信息化、网络化、智能化的要求日趋强烈, 网络互联成为了必然的趋势精简的系统内核、算法, 降低功耗和成本等也是研究的重要方向。分析嵌人式操作系统的现状未来发展趋势, 故提出了新的嵌人式系统软件的开发模式和设计嵌人式操作系统的一些新的思路, 给出了后期的开发工作框架。1.嵌入式操作系统现状嵌人式操作系统的种类很多, 包括实时嵌人式操作系统, 面向应用的嵌人式实时操作系统, 以及基于事件驱动的嵌人式实时操作系统等。以上操作系统均具有各自的优点, 分别应用于相应的领域, 没有一个能够应用于所有的嵌人式系统领域。即使如此, 在嵌人式系统开发模式和操作系统结构上并未发生太多的变化。2.嵌入式系统软件开发2.1嵌入式系统的开发模式嵌入式系统的开发模式主要有两种:传统的嵌人式系统的设计方法和硬件软件协同设计方法。传统的嵌人式系统设计方法采用软件开发和硬件开发分离的方式, 硬件和软件分为两个独立的部分, 由硬件开发人员和软件开发人员分别按照拟定的设计流程分别完成, 到最后将两者开发的部分进行集成测试。硬件软件协同设计过程是硬件和软件统一表示, 在设计过程中, 硬件软件模块的划分是可变的。硬件软件二者协同设计、协同测试、协同验证。2.2嵌入式操作系统的结构嵌人式系统的专用性强, 高实时性是其基本的要求, 因此一般的嵌人式操作系统都具有下列典型特点采用占先式的调度, 响应时间短, 任务执行的时间可确定系统内核小, 具有可裁减、可扩充和可移植性较强的实时性和可靠性。故实时多任务的操作系统内核成为了当前嵌人式系统发展的主流。为了兼顾嵌人式系统的性能、实时、可靠、灵活、可重用等特性, 当前的嵌人式操作系统主要采用分层和模块化相结合及微内核的体系结构, 即硬件抽象层、操作系统层含实时微内核和中间层、应用层。少数操作系统采用客户服务器结构(如QNX)。目前, 也出现了构件化嵌人式操作系统(如Liquid)。2.3操作系统的移植过程嵌人式系统硬件平台的多样性, 给操作系统的移植带来很大的困难。因此, 嵌人式操作系统的移植工作在开发过程中占相当长的时间。虽然很多操作系统生产公司等均提供了其相应的集成开发工具以及一些通用的配置程序, 但是其效果不够理想。开发人员还是必须深人了解处理器指令集及系统中的各个硬件设备的类型等, 才能够将操作系统满意的移植到相应的硬件平台上。一般而言, 将操作系统移植到开发平台上有以下几个步骤:(1)分析所选的硬件平台的特点, 同时依据其他的客观因素, 选取某一类型的嵌人式操作系统作为开发基础;(2)根据开发的需要使用内核配置工具或集成开发工具增减某些功能和服务;(3)修改相应的系统启动文件和初始化文件, 使得内核能在硬件平台上运行;(4)编写驱动程序和GUI程序等。3.未来的嵌入式操作系统的开发3.1通过自动化配置提高系统移植的效率嵌人式操作系统的移植性问题一直在嵌人式系统开发中扮演着重要的角色。为了能够真正让开发人员全身心的投人应用程序的开发, 需要尽量将操作系统的移植工作让开发工具自动完成。开发人员只要告诉集成开发工具所要连接的嵌人式系统的处理器类型等必要的参数, 集成开发工具就能自动探测所连接的其他硬件, 并自动进行配置、编译工作, 最后生成详细的结果报告给开发人员, 以便后期的应用程序的开发。具体的移植过程如下:(1)在集成开发工具上输人所要连接的硬件平台的处理器类型和所要使用的编译器, 以便选择编译相应的探测程序;(2)目标机与宿主机在硬件上的连接, 并分别启动宿主机和目标机;(3)将探测程序下载到目标机上, 目标机复位;(4)探测程序在目标机上运行, 扫描开发平台上的其他硬件信息, 将这些信息传到宿主机, 并以XML文件格式保存;(5)探测程序启动宿主机上的开发工具, 让开发工具依据所得到的硬件信息及以前所编译的相似的系统内核的信息, 智能编译一个操作系统内核(开发人员可以介人), 并报告、保存编译结果, 以备日后使用;(6)探测程序将刚编译的内核下载到目标机, 并最后将自己删除, 重启目标机;(7)移植成功, 系统运行所移植的新的操作系统。这种自动化配置、编译的大量的工作由探测程序和宿主机上的智能编译程序协作完成, 开发人员不必知道硬件开发平台上的所有细节, 也不必查看编译好后的源代码。最后移植的结果, 除了生成新的内核代码之外, 还给出一个详细的报告, 描述了新内核的结构等必要信息。3.2系统性能向信息化、网络化、智能化发展德国趋势杂志2004年5期的一篇文章称：“ 可以估计在未来的5年内家居生活需要一个崭新的工作与管理平台, 即以网络为中心的信息平台（Home.Net平台)。Home.Net平台可由家居网络中心HNC(Home Networks Center)和普通家用电脑组成。家居网络中心是一个多功能网络管理与控制中心, 主要管理由信息家电以及家居中具有简单联网功能的电器, 使它们通过不同通信媒介组成家居网, 相互交换信息, 并实现信息资源共享同时又具有安全路由器和安全网关功能, 将家居网通过宽带接人与Internet互联, 实现远程管理与维护家用电器, 实时监控与获取家居信息。普通家用电脑与家居网络中心通过接口连接, 作为家居智能控制中心。智能控制中心用图形化方式, 利用电脑良好的交互式界面, 自动完成用户预设或即时的各种操控, 管理与控制家居电器, 同时配置家居网络中心的各种控制参数。” 即只要配置好网络参数, 就可以管理和远程控制家里的所有家电, 这就要求嵌人式系统在现有的基础上, 必须向信息化、网络化、智能化的方向发展。3.3面向构件的体系结构要完成嵌人式操作系统的开发过程中的自动配置以提高移植效率, 以及使嵌人式设备在使用中具有自动重配置功能等, 早期操作系统的体系结构已经不能适应这样的要求。故面向构件的体系结构应作如下考虑:构件化操作系统:构件通常使用一种与语言无关的接口定义语言(IDL)来定义接口。构件技术基于面向对象技术, 通过构件二进制的封装以及动态连接技术, 解决诸如动态升级、动态替换的问题。 嵌人式操作系统的构件化是指操作系统所提供的功能模块全部基于构件技术, 开发人员可以拆卸构件, 自动化生产操作系统, 应用系统可以按照需要裁剪组装或者系统在运行时动态加载所需的构件。虽然构件技术的在十几年前已经提出, 但在系统软件开发上对构件的使用正处于研发阶段, 其中有Liquid由浙江大学开发的构件化嵌人式操作系统(国家“863”计划基金资助项目)和欣操作系统(Elastos)由上海科泰世纪科技有限公司研发的基于COM技术的操作系统(国家高技术研究发展计划项目)标准统一的网络通信协议嵌人式系统设备间的互联, 必须有良好的互联协议, 必须有统一的标准。未来操作系统的网络功能要求是完善的、可靠的、快速的、方便灵活的。目前, 家庭互连相关技术和标准有:(1)有线技术a.IEEE 1394或FireWire/i.Link一1394行业协会(1394 Trade Association)b.USB一通用串行总线c.HPNA或HomePNA一家庭电话线网络联盟(Home Phoneline Networking Alliance)d.HomePlug一电力线联盟(HomePlug Powerline Alliance,HomePlug)e.有线电视同轴电缆组网技术:如；Coaxsys推出的PureSpeed同轴电缆以太网平台f.PCI Express (2)无线技术a.UWB一超宽带无线技术(Ultra-WideBand)b.Wi一Fi:即IEEE.802.11标准c.WiMediad.Zigbee:即IEEE.802.15.4标准e.Bluetooth一蓝牙特别兴趣小组f.HomeRF一家庭射频工作组(由于多方面问题, 目前已停止推广) (3)专门互连技术a.HDMI一High一Definition Multimedia Interface, 高清晰度多媒体接口b.DVI一Digital Visual Interface, 数字显示接口c.mLAN (4)软件标准a.UPnP一Universal Plug and Play,通用即插即用b.HAVi一“ 家庭音视频互操作” 用户编程标准c.Jini智能化的应用程序应用程序的智能化建立在嵌人式操作系统构件化的基础之上。智能功能如:设备的自适应功能、用户习惯的学习等。4.后期开发工作通过上述的分析和讨论, 若将操作系统的应用方向定位在智能家电和手机应用上。在后期需要的工作主要是开发一个构件化嵌人式操作系统的内核, 重点放在如何提高系统的性能和建立完善的网络功能, 并在宿主机上建立相应的嵌人式操作系统构件库, 结构如图所示; (2)根据所开发嵌人式操作系统构件库, 开发一套智能移植工具, 主要是创建开发平台的探测程序和配置方案5.结论在家用电脑方面, 微软等各大操作系统开发商正在积极推出或即将推出下一代新的操作系统。为了适应嵌人式系统信息化、智能化、网络化的发展趋势, 传统的嵌人操作系统体系结构必须进行革命性的改变。在嵌人式应用中, 构件化的操作系统极有可能成为未来嵌人式操作系统的主流。参考文献:1罗蕾.嵌人式实时操作系统及应用开发M.北京:北京航空航天大学出版社, 2004.2王田苗.嵌人式系统设计与实例开发M.北京:清华大学出版社, 2002.3魏忠, 蔡勇, 雷红卫.嵌人式开发详解M北京:电子工业出版社.2003.4Don Box,Aaron Skonnard,JoneLam,XML本质论M卓栋涛译.北京:中国电力出版社.2003.5冷波, 陈榕, 赵岳松.基于CAR构件技术的智能掌上设备操作系统J计算机与数字工程, 2005,3:11-14.6江峰, 陈文智, 吴朝晖.Liquid一构件化嵌人式操作系统J计算机工程,2005,2:17-78.7李向蔚, 桑楠, 熊光泽.嵌人式操作系统定制的通用性研究J单片机与嵌人式系统应用 ,2005,3:16-19.8谢克明.嵌人式操作系统研究及开发实例J自动化博览, 2005,1:23-26.5