嵌入式系统高级部分-嵌入式操作系统导论

嵌入式系统原理与应用信 息 安 全 工 程 学 院上 海 交 通 大 学 操作系统基础 内核 内 核 （ kernel） 是 操 作 系 统 的 内 部 核 心 程 序 ，它 向 外 部 提 供 了 对 计 算 机 系 统 资 源 进 行 请求 和 管 理 的 调 用 接 口 和 服 务 内核 可 以 将 操 作 系 统 的 代 码 分 成 两 部 分 ： 内 核 所 在 的 地 址 空 间 称 为 内 核 空 间 ； 而 在 内 核 以 外 ， 剩 下 的 程 序 统 称 为 外 部 管 理 程 序 ， 它们 大 部 分 是 对 外 围 设 备 的 管 理 和 界 面 操 作 ， 外 部 管 理程 序 与 用 户 进 程 所 占 据 的 地 址 空 间 称 为 外 部 空 间 。 通 常 ， 一 个 程 序 会 跨 越 两 个 空 间 。 当 执 行 到 内 核 空 间 的 一 段 代 码 时 ， 称 程 序 处 于 内 核 态 当 程 序 执 行 到 外 部 空 间 代 码 时 ， 称 程 序 处 于 用 户 态 。 操作系统分类1 按 照 操 作 系 统 的 内 核 模 式 可 以 分 为 ：微 内 核大 内 核混 合 式 内 核 微内核模式硬 件内 核 级用 户 级 微 内 核客户进程 设备驱动 文件服务 进程服务 其他管理 微内核 Mach 首 先 使 用 微 内 核 结 构 通 过 划 分 系 统 程 序 和 用 户 程 序 ， 把 所 有 不必 要 的 部 件 移 出 内 核 ， 形 成 一 个 小 内 核 微 内 核 提 供 最 少 量 的 进 程 管 理 、 存 储 管 理 ，以 及 通 信 功 能 微内核特点 接 口 一 致 (Uniform interface)：所 有 进 程 请 求 使 用 统 一 的 接 口 ， 进 程 不 需 要 区分 内 核 模 式 和 用 户 模 式 服 务 ， 由 于 这 些 服 务 全部 通 过 消 息 传 递 提 供 。 微内核特点 扩 展 性 (Extensibility)：由 于 新 型 硬 件 设 备 和 新 型 软 件 技 术 不 断 发 展 ，任 何 操 作 系 统 不 可 避 免 地 需 要 修 改 ， 微 内 核 结构 允 许 加 入 新 的 服 务 ， 支 持 在 同 一 功 能 区 内 提供 多 重 服 务 。 使 用 微 内 核 结 构 ， 加 入 一 个 新 特点 仅 仅 需 要 修 改 或 者 加 入 被 选 择 的 服 务 ， 新 的或 者 修 改 的 服 务 影 响 限 制 在 系 统 的 一 个 子 集 ，进 一 步 地 ， 修 改 不 需 要 建 立 一 个 新 的 内 核 。 微内核特点 移 植 性 (Portability)： 在 微 内 核 结 构 中 ， 所 有 与 特 定 处 理 机 的 代 码仅 仅 存 在 微 内 核 中 ， 因 此 ， 需 要 将 这 个 系 统移 植 到 新 的 处 理 机 需 要 作 的 变 化 可 以 尽 可 能地 少 。 微内核特点 可 靠 性 (Reliability)：软 件 规 模 越 大 ， 确 保 可 靠 性 越 难 。 尽 管 模 块 化设 计 帮 助 我 们 增 强 了 可 靠 性 ， 但 是 微 内 核 结 构带 来 了 更 多 的 收 益 。 一 个 小 型 微 内 核 可 以 严 格地 进 行 测 试 ， 它 使 用 少 量 的 应 用 程 序 接 口 有 助于 内 核 模 式 之 外 的 操 作 系 统 服 务 代 码 提 高 质 量 。系 统 只 需 要 掌 握 一 个 有 限 数 量 的 （ API） ， 程序 员 之 间 的 相 互 交 互 也 有 限 ， 因 而 对 于 系 统 其它 组 件 的 影 响 最 小 。 微内核特点 分 布 系 统 支 持 (Distributed system support)：微 内 核 适 合 于 由 分 布 操 作 系 统 控 制 的 群 集 系 统 。当 一 个 消 息 从 客 户 发 到 服 务 器 进 程 ， 该 消 息 必须 包 含 请 求 服 务 的 标 识 符 。 当 一 个 分 布 系 统（ 如 群 集 系 统 ） 被 配 置 为 所 有 的 进 程 和 服 务 有唯 一 的 标 识 符 ， 那 么 似 乎 在 内 核 模 式 下 存 在 单一 的 系 统 映 象 ， 一 个 进 程 能 够 在 不 知 道 目 标 服务 驻 留 在 哪 台 机 器 情 况 下 发 送 消 息 。 微内核特点 面 向 对 象 操 作 系 统 (Object-oriented operating system)：微 内 核 结 构 非 常 适 合 面 向 对 象 操 作 系 统 的 要 求 ，一 个 面 向 对 象 的 方 法 有 助 于 一 个 微 内 核 的 设 计和 操 作 系 统 的 模 块 化 扩 充 。 将 微 内 核 结 构 和 面向 对 象 操 作 系 统 原 理 结 合 起 来 的 例 子 是 组 件 的使 用 ， 组 件 是 清 楚 定 义 了 接 口 的 对 象 ， 它 们 能够 互 连 起 来 以 预 制 建 筑 块 的 方 式 形 成 软 件 ， 使用 组 件 之 间 的 接 口 实 现 组 件 之 间 的 全 部 相 互 作用 。 大内核模式硬 件进 程 管 理虚 存 管 理I/O设 备 管 理内 部 进 程 通 信文 件 系 统应 用 程 序内 核 级用 户 级 Windows内核 Windows内核变化 Windows号 称 内 核 版 本 7将 走 向 小 内 核 模 式 混合式内核模式硬 件进 程 管 理虚 存 管 理I/O设 备 管 理内 部 进 程 通 信文 件 系 统用 户 进 程内 核 级用 户 级 混 合 式 内 核其 他 管 理 混合式内核 Linux内 核 属 于 混 合 式 内 核参 与 Linux系 统 开 发 的 程 序 员 大 多 数 为 世 界 各地 的 黑 客 们 。 比 起 结 构 的 清 晰 ， 他 们 更 加 注 重功 能 的 强 大 和 高 效 率 的 代 码 。他 们 将 大 量 的 精 力 花 在 优 化 代 码 上 ， 而 这 样 的全 局 性 优 化 必 然 以 损 失 结 构 精 炼 作 为 代 价 ， 导致 Linux中 的 每 个 部 件 都 不 能 被 轻 易 拆 出 ， 否则 必 然 破 坏 整 体 效 率 。 Linux内核 虽 然 Linux是 一 个 混 合 式 内 核 操 作 系 统 ， 但它 与 传 统 的 UNIX操 作 系 统 不 同 。在 普 通 单 一 内 核 系 统 中 ， 所 有 内 核 代 码 都 是 被静 态 编 译 和 链 接 的 。而 在 Linux中 ， 可 以 动 态 装 入 和 卸 载 内 核 中 的部 分 代 码 。 Linux中 将 这 样 的 代 码 段 称 做 模 块（ module） ， 并 对 模 块 给 予 了 强 有 力 的 支 持 。在 Linux中 ， 可 以 在 需 要 时 自 动 装 入 和 卸 载 模块 。 Linux内核的结构 LINUX操作系统的结构 2.4 vs. 2.6内核的实时性比较 Linux 内核 Linux 内 核 主 要 由 5 个 模 块 构 成 ， 它 们 分 别是 ：进 程 调 度 模 块 ： 控 制 进 程 对 CPU 资 源 的 使 用 内 存 管 理 模 块 ： 确 保 所 有 进 程 能 够 安 全 地 共 享机 器 主 内 存 区 ； 虚 拟 内 存 管 理 文 件 系 统 模 块 ： 支 持 对 外 部 设 备 的 驱 动 和 存 储 进 程 间 通 信 模 块 ： 支 持 多 种 进 程 间 的 信 息 交 换方 式 网 络 接 口 模 块 ： 提 供 对 多 种 网 络 通 信 标 准 的 访问 并 支 持 许 多 网 络 硬 件 内核模块之间的依赖关系 内核模块之间的依赖关系 所 有 的 模 块 都 与 进 程 调 度 模 块 存 在 依 赖 关 系 。因 为 它 们 都 需 要 依 靠 进 程 调 度 程 序 来 挂 起 （ 暂停 ） 或 重 新 运 行 它 们 的 进 程 。 通 常 ， 一 个 模 块会 在 等 待 硬 件 操 作 期 间 被 挂 起 ， 而 在 操 作 完 成后 才 可 继 续 运 行 。 内核模块之间的依赖关系 进 程 调 度 子 系 统 需 要 使 用 内 存 管 理 器 来 调 整 一特 定 进 程 所 使 用 的 物 理 内 存 空 间 。 进 程 间 通 信 子 系 统 则 需 要 依 靠 内 存 管 理 器 来 支持 共 享 内 存 通 信 机 制 。 虚 拟 文 件 系 统 也 会 使 用 网 络 接 口 来 支 持 网 络 文件 系 统 （ NFS） ， 同 样 也 能 使 用 内 存 管 理 子 系统 来 提 供 内 存 虚 拟 盘 （ ramdisk） 设 备 。 而 内 存 管 理 子 系 统 也 会 使 用 文 件 系 统 来 支 持 内存 数 据 块 的 交 换 操 作 。 操作系统分类2 按 照 操 作 系 统 的 架 构 可 以 分 为 ：整 体 OS分 层 OS客 户 机 /服 务 器 OS虚 拟 机 OS 整体式操作系统 整 体 式 /单 块 式 操 作 系 统 Monolithic OS操 作 系 统 是 包 含 了 不 同 模 块 的 一 整 块 代 码 集 难 于 调 试 任 何 一 处 修 改 都 可 能 影 响 其 他 模 块 Bug的 修 正 可 能 带 来 其 他 Bug的 出 现 任 何 过 程 可 以 调 用 其 它 任 何 过 程 ， 没 有 考 虑 过 程 相互 之 间 的 依 赖 性 和 互 操 作 性 整体式操作系统结构硬 件系 统 服 务 用 户 态核 心 态应 用 程 序 应 用 程 序整 体 式 结 构 分层操作系统 分 层 操 作 系 统 Layered OS比 Monolithic OS好 ， 如 OSI Layer操 作 系 统 划 分 为 若 干 层 ， 在 低 层 上 构 建 高 层 。底 层 （ 0层 ） 为 硬 件 ； 最 高 层 （ N层 ） 为 用 户层考 虑 模 块 化 ， 层 的 选 择 是 每 层 只 使 用 低 层 次 的功 能 和 服 务 缺 点有 时 操 作 系 统 很 难 按 照 OSI进 行 分 层 层次结构内核硬 件基 本 进 程 管 理虚 存 管 理I/O和 设 备 管 理进 程 间 通 信文 件 系 统用 户用 户 模 式内 核 模 式 层 次 结 构 系统结构 - 简单结构 MS-DOS-以 最 小 的 空 间 提 供 最 多 的 功 能不 划 分 模 块尽 管 MS-DOS有 某 种 结 构 ， 其 接 口 和 功 能 层 没有 划 分 清 楚 MS-DOS UNIX UNIX - 受 硬 件 功 能 限 制 ， 早 期 UNIX只 是 有限 的 结 构 化 。 UNIX包 括 2个 分 离 的 部 分系 统 程 序内 核 包 括 了 在 物 理 硬 件 之 上 ， 系 统 调 用 之 下 的 一 切 提 供 文 件 系 统 ， CPU调 度 ， 存 储 管 理 ， 和 其 他 操 作系 统 功 能 ； 每 一 层 有 大 量 的 功 能 UNIX系统结构 操作系统层 THE OS的层次化结构 THE操 作 系 统 首 先 使 用 层 次 化 设 计 。 有 如 下六 层 ： OS/2层次化结构 DeltaCORE的体系结构：层次模块结构应 用 程 序任 务 管 理 硬 件用 户 扩 展 处 理调 度 管 理硬 件 抽 象 层应 用 编 程 接 口内 存 管 理 中 断 管 理 时 钟 /定 时 器 管 理I/O管 理出 错 处 理同 步 、 通 信 管 理 （ 消 息 队 列 ， 信 号 量 ， 事 件， 异 步 信 号 )）分层次 模块化 客户机/服务器操作系统 客 户 机 /服 务 器 操 作 系 统 Client-Server OS最 新 的 模 型 最 小 的 有 限 的 操 作 系 统 功 能 (scheduler and synchronization primitive) 其 他 所 有 功 能 当 做 系 统 任 务 运 行 应 用 软 件 作 为 客 户 机 通 过 系 统 调 用 要 求 服 务 器 服 务软 件 提 供 服 务 。 客户机/服务器操作系统 优 点易 于 调 试将 任 务 分 配 多 个 微 处 理 器 上 非 常 简 单 。可 以 动 态 装 载 或 卸 载 各 种 模 块 。 缺 点由 于 内 存 保 护 ， 系 统 消 耗 较 大 必 须 保 护 系 统 进 程 当 应 用 软 件 切 换 到 服 务 器 内 存 空 间 时 需 要 消 耗 时 间 。 客户/服务器结构硬 件进 程 服 务 用 户 态核 心 态应 用 程 序 客 户 内 存 服 务微 内 核文 件 服 务 网 络 服 务显 示 服 务发 送 应 答 客 户 /服 务 器 结 构 （ 微 内 核 结 构 ） QNX4.25的体系结构用 户 模 式应 用应 用应 用 网 络 管 理 器图 形 管 理 器设 备 管 理 器文 件 系 统 管 理 器 网 络 驱 动图 形 驱 动设 备 驱 动文 件 系 统 驱 动 硬件 内 核 模 式 内 核 （ 微 内 核 ）QNX4.25的 体 系 结 构 ： 客 户 /服 务 器 结 构 Windows 客户机/服务器结构 虚拟机系统 例 如 ： windowsNT下 的 MS-dos方 式 操作系统分类3 操 作 系 统 按 照 调 度 方 式 区 分可 剥 夺 型 内 核不 剥 夺 型 内 核 不可剥夺型内核 不 可 剥 夺 型 内 核 （ 或 非 抢 占 式 内 核 ， Non-Preemptive Kernel）每 个 任 务 自 我 放 弃 CPU的 所 有 权 。各 个 任 务 彼 此 合 作 共 享 一 个 CPU。异 步 事 件 还 是 由 中 断 服 务 来 处 理 。 中 断 服 务 可 以使 一 个 高 优 先 级 的 任 务 由 挂 起 状 态 变 为 就 绪 状 态 。但 中 断 服 务 以 后 控 制 权 还 是 回 到 原 来 被 中 断 了 的那 个 任 务 ， 直 到 该 任 务 主 动 放 弃 CPU的 使 用 权 时 ，那 个 高 优 先 级 的 任 务 才 能 获 得 CPU的 使 用 权 。 不可剥夺型内核优点 响 应 中 断 快 。 在 任 务 级 ， 允 许 使 用 不 可 重 入 函 数 。 每 个 任 务 都 可 以 调 用 非 可 重 入 性 函 数 ， 而 不 必 担 心 其它 任 务 可 能 正 在 使 用 该 函 数 ， 从 而 造 成 数 据 的 破 坏 。因 为 每 个 任 务 要 运 行 到 完 成 时 才 释 放 CPU的 控 制 权 。当 然 该 不 可 重 入 型 函 数 本 身 不 得 有 放 弃 CPU控 制 权 的企 图 。 几 乎 不 需 要 使 用 信 号 量 保 护 共 享 数 据 。 运 行 着 的 任 务 占 有 CPU， 而 不 必 担 心 被 别 的 任 务 抢 占 。但 这 也 不 是 绝 对 的 ， 在 某 种 情 况 下 ， 信 号 量 还 是 用 得着 的 。 处 理 共 享 I/O设 备 时 仍 需 要 使 用 互 斥 型 信 号 量 。 例 如 ， 在 打 印 机 的 使 用 上 ， 仍 需 要 满 足 互 斥 条 件 。 不可剥夺型内核缺点 最 大 缺 陷 在 于 其 响 应 时 间 。 高 优 先 级 的 任 务 已 经 进 入 就 绪 态 ， 但 还 不 能 运 行 ， 要等 ， 也 许 要 等 很 长 时 间 ， 直 到 当 前 运 行 着 的 任 务 释 放CPU。 与 前 后 系 统 一 样 ， 不 可 剥 夺 型 内 核 的 任 务 级 响 应时 间 是 不 确 定 的 ， 不 知 道 什 么 时 候 最 高 优 先 级 的 任 务才 能 拿 到 CPU的 控 制 权 ， 完 全 取 决 于 应 用 程 序 什 么 时 候释 放 CPU。 不 可 剥 夺 型 内 核 允 许 每 个 任 务 运 行 ， 直 到 该 任 务自 愿 放 弃 CPU的 控 制 权 。 中 断 可 以 打 入 运 行 着 的任 务 。 中 断 服 务 完 成 以 后 将 CPU控 制 权 还 给 被 中断 了 的 任 务 。 任 务 级 响 应 时 间 要 大 大 好 于 前 后 系统 ， 但 仍 是 不 可 知 的 ， 商 业 软 件 几 乎 没 有 不 可 剥夺 型 内 核 。 不可剥夺型内核运行原理低 优 先级 任 务 ISR低 优先 级任 务 高 优先 级任 务 任 务 正 在 运 行中 断 到 来 ,中 断 原 来 任 务执 行 中 断 服 务 子 程 序 ,使 一 个 高 优 先 级 任 务 进 入 就 绪 状 态 由 于 是 不 可 剥 夺 型 内 核 ， 低 优 先 级 任 务 未 执 行 完 毕 ， 高 优 先 级 任 务 不 能 立 即 执 行中 断 返 回继 续 执 行 原 来 任 务任 务 执 行 完 毕 ,控 制 权 交 给 高 优 先 级 、 已 就 绪 任 务高 优 先 级 任 务 开 始 执 行 可剥夺型内核 当 系 统 响 应 时 间 很 重 要 时 ， 要 使 用 可 剥 夺 型 内 核（ 或 抢 占 式 内 核 ， Preemptive Kernel） 。 最 高 优 先 级 的 任 务 一 旦 就 绪 ， 总 能 得 到 CPU的 控 制 权 。 当 一 个 运 行 着 的 任 务 使 一 个 比 它 优 先 级 高 的 任 务 进 入了 就 绪 态 ， 当 前 任 务 的 CPU使 用 权 就 被 剥 夺 了 ， 或 者说 被 挂 起 了 ， 那 个 高 优 先 级 的 任 务 立 刻 得 到 了 CPU的控 制 权 。 如 果 是 中 断 服 务 子 程 序 使 一 个 高 优 先 级 的 任 务 进 入 就绪 态 ， 中 断 完 成 时 ， 中 断 了 的 任 务 被 挂 起 ， 优 先 级 高的 那 个 任 务 开 始 运 行 。 可剥夺型内核 最 高 优 先 级 的 任 务 什 么 时 候 可 以 执 行 ， 可 以 得 到 CPU的控 制 权 是 可 知 的 。 任 务 级 响 应 时 间 得 以 最 优 化 。 使 用 可 剥 夺 型 内 核 时 ， 应 用 程 序 不 应 直 接 使 用 不 可 重 入型 函 数 。 调 用 不 可 重 入 型 函 数 时 ， 要 满 足 互 斥 条 件 ， 这一 点 可 以 用 互 斥 型 信 号 量 来 实 现 。 如 果 调 用 不 可 重 入 型函 数 时 ， 低 优 先 级 的 任 务 CPU的 使 用 权 被 高 优 先 级 任 务剥 夺 ， 不 可 重 入 型 函 数 中 数 据 有 可 能 被 破 坏 。 可 剥 夺 型 内 核 总 是 让 就 绪 态 的 高 优 先 级 的 任 务 先 运 行 ，中 断 服 务 程 序 可 以 抢 占 CPU， 到 中 断 服 务 完 成 时 ， 内 核让 此 时 优 先 级 最 高 的 任 务 运 行 （ 不 一 定 是 那 个 被 中 断 了的 任 务 ） 。 任 务 级 系 统 响 应 时 间 得 到 了 最 优 化 ， 且 是 可知 的 。 可剥夺型内核运行原理低 优 先级 任 务 ISR 高 优先 级任 务 低 优先 级任 务 低 优 先 级 任 务 正 在 运 行中 断 到 来 ， 中 断 当 前 任 务中 断 服 务 完 成 ， 退 出 中 断 进 入 新 的 优 先 级 更 高 的 任 务新 任 务 执 行新 任 务 执 行 完 毕 ， 控 制 权 还 给 原 来 的 任 务继 续 执 行 原 来 的 任 务执 行 中 断 服 务 ， 把 另 一 个 任 务 置 为 高 优 先 级 、 就 绪 状 态 区别应 用 内 核插 入 中 断 应 用内 核ISR 内 核 ISR 退 出ISR 中 断 任 务 响 应中 断 延 时 时 间 重 新 安 排 延 时 时 间任 务 抢 占 式 内 核 非 抢 占 式 内 核 操作系统分类4 顺 序 执 行 系 统 分 时 操 作 系 统 实 时 操 作 系 统 顺序执行系统 顺 序 执 行 系 统 系 统 内 只 含 有 一 个 程 序 ， 独 占 CPU的 运 行 时 间 ， 按 语句 顺 序 执 行 该 程 序 ， 直 至 执 行 完 毕 ， 另 一 程 序 才 能 启动 运 行 。 如 DOS操 作 系 统 。 分时操作系统 分 时 操 作 系 统软 件 的 执 行 在 时 间 上 的 要 求 ， 并 不 严 格 ， 时 间上 的 错 误 ， 一 般 不 会 造 成 灾 难 性 的 后 果 。系 统 内 同 时 可 以 有 多 个 程 序 运 行 ， 把 CPU的 时间 分 按 顺 序 分 成 若 干 片 ， 每 个 时 间 片 内 执 行 不同 的 程 序 。 如 UNIX 实时操作系统 实 时 操 作 系 统 系 统 内 有 多 个 程 序 运 行 ， 每 个 程 序 有 不 同 的 优 先 级 ，只 有 最 高 优 先 级 的 任 务 才 能 占 有 CPU的 控 制 权 。 主 要 任 务 是 对 事 件 进 行 实 时 的 处 理 ， 虽 然 事 件 可 能 在无 法 预 知 的 时 刻 到 达 ， 但 是 软 件 上 必 须 在 事 件 发 生 时能 够 在 严 格 的 时 限 内 作 出 响 应 （ 系 统 响 应 时 间 ） ， 即使 能 够 响 应 ， 但 是 超 出 了 时 限 ， 系 统 时 间 响 应 的 超 时就 意 味 着 致 命 的 失 败 。 另 外 ， 实 时 操 作 系 统 的 重 要 特 点 是 具 有 系 统 的 可 确 定性 ， 即 系 统 能 对 运 行 情 况 的 最 好 和 最 坏 等 的 情 况 能 做出 精 确 的 估 计 嵌入式操作系统 发展历程无 操 作 系 统 的 嵌 入 算 法 阶 段 以 嵌 入 式 CPU为 基 础 、 以 简 单 操 作 系 统 为 核心 的 嵌 入 式 系 统通 用 的 嵌 入 式 实 时 操 作 系 统 阶 段基 于 Internet的 嵌 入 式 系 统 第一阶段 无 操 作 系 统 的 嵌 入 算 法 阶 段 以 单 芯 片 为 核 心 的 可 编 程 控 制 器 形 式 的 系 统 。 具 有 与 监 测 、 伺 服 、 指 示 设 备 相 配 合 的 功 能 。 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 操 作 系 统 的 支 持 ， 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 都 相 对 单 一 处 理 效 率 较 低 存 储 容 量 较 小 几 乎 没 有 用 户 接 口 。 使 用 简 便 、 价 格 很 低 第二阶段 以 嵌 入 式 CPU为 基 础 、 以 简 单 操 作 系 统 为核 心 的 嵌 入 式 系 统 。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 ， 操 作 系 统 具 有 一 定 的 兼 容 性和 扩 展 性 应 用 软 件 较 专 业 ， 用 户 界 面 不 够 友 好 系 统 主 要 用 来 控 制 系 统 负 载 以 及 监 控 应 用 程 序 运 行 第三阶段 通 用 的 以 嵌 入 式 操 作 系 统 为 核 心 的 嵌 入 式实 时 系 统 阶 段特 点 嵌 入 式 操 作 系 统 能 运 行 于 各 种 不 同 类 型 的 微 处 理 器上 ， 兼 容 性 好 ； 操 作 系 统 内 核 精 小 、 效 率 高 ， 并 且 具 有 高 度 的 模 块化 和 扩 展 性 具 备 文 件 和 目 录 管 理 、 设 备 支 持 、 多 任 务 、 网 络 支持 、 图 形 窗 口 以 及 用 户 界 面 等 功 能 具 有 大 量 的 应 用 程 序 接 口 (API)， 开 发 应 用 程 序 简 单 嵌 入 式 应 用 软 件 丰 富 。 第四阶段 基 于 Internet为 标 志 的 嵌 入 式 系 统正 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 以 及 Internet技 术 与 信 息家 电 、 工 业 控 制 技 术 等 结 合 日 益 密 切 ， 嵌 入 式设 备 与 Internet的 结 合 将 代 表 着 嵌 入 式 技 术 的真 正 未 来 。 嵌入式操作系统的演变 10%*Kernel 30%*KernelNetworkingFile System 75%*KernelNetworkingFile SystemMultiprocessingMemory ManagementNetworking UtilityWindows APIApplication Application Application Application KernelNetworkingFile SystemMultiprocessingFault ToleranceDistributed ObjectsAdvanced NetworkingAdvanced InterconnectJava Browser / GUI 依赖于相关技术的发展 嵌入式操作系统技术现状 适 应 不 同 的 嵌 入 式 硬 件 平 台 ， 具 有 可 移 植 、可 伸 缩 能 力 。 采 用 的 主 要 技 术 ：编 程 语 言 普 遍 采 用 高 级 语 言 实 现 ， 主 要 以 C语言 为 主 。体 系 结 构 采 用 分 层 和 模 块 化 结 构 或 微 内 核 结 构 。 嵌入式操作系统技术现状 分 层 和 模 块 化 结 构 ， 将 操 作 系 统 分 为 ： 硬 件 无 关 层 硬 件 抽 象 层 硬 件 相 关 层每 层 再 划 分 功 能 模 块移 植 工 作 集 中 在 硬 件 相 关 层 ， 与 其 余 两 层 无 关功 能 的 伸 缩 集 中 在 模 块 上 ， 从 而 确 保 了 系 统 具有 良 好 的 可 移 植 性 和 可 伸 缩 性 。 嵌入式操作系统技术现状 功 能 复 杂 ， 具 有 可 剪 裁 、 可 配 置 的 能 力 采 用 的 主 要 技 术 ：可 剪 裁 技 术 。 操 作 系 统 以 内 核 为 中 心 ， 包 括 很多 独 立 的 功 能 组 件 如 文 件 、 网 络 等 。 除 内 核 外其 他 组 件 的 选 择 任 意 搭 配 ， 由 应 用 决 定 。可 配 置 技 术 。 每 个 功 能 组 件 都 可 以 根 据 应 用 的要 求 进 行 配 置 ， 比 如 最 大 任 务 数 、 内 存 地 址 、堆 栈 大 小 、 系 统 任 务 的 优 先 级 、 缓 冲 区 大 小 及文 件 数 等 。 嵌入式操作系统技术现状 良 好 的 实 时 性 :时 间 确 定 性 是 嵌 入 式 实 时 操 作 系 统必 备 的 特 点 ， 特 别 对 于 强 实 时 嵌 入 式 系 统 而 言 尤为 重 要 。 采 用 的 主 要 技 术 ： 采 用 实 时 调 度 算 法 。 主 要 采 用 静 态 优 先 级 的 可 抢 占 式调 度 、 比 率 单 调 算 法 等 。 采 用 内 存 静 态 分 配 策 略 和 零 拷 贝 技 术 保 证 确 定 性 。 内 存 管 理 不 采 用 虚 存 管 理 机 制 采 用 优 先 级 继 承 和 优 先 级 天 花 板 两 种 技 术 解 决 优 先 级反 转 （ 倒 置 ） 问 题 嵌入式操作系统技术现状 可 靠 性 和 高 可 用 采 用 的 主 要 技 术 ：利 用 存 储 管 理 单 元 （ MMU） 、 用 户 态 和 核 心态 机 制 ， 实 现 操 作 系 统 与 应 用 程 序 的 隔 离 ， 以及 应 用 程 序 和 应 用 程 序 之 间 的 隔 离 ， 以 防 止 应用 程 序 破 坏 操 作 系 统 的 代 码 、 数 据 。 嵌入式操作系统的发展趋势 体 系 结 构 向 微 内 核 方 向 发 展 可 伸 缩 、 可 移 植 、 可 剪 裁 、 可 配 置 行 业 的 标 准 ： 多 种 操 作 系 统 平 台 ， 应 用 决 定 操 作系 统 结 构 紧 凑 、 功 能 强 大 高 可 用 （ High Available） 、 高 可 靠 （ High Reliable ） 、 支 持 多 处 理 器 和 分 布 式 计 算 可 动 态 加 载 和 升 级 软 件 与 开 发 工 具 有 机 的 结 合 起 来 行业标准 行 业 性 嵌 入 式 软 硬 件 平 台 嵌 入 式 系 统 是 以 应 用 为 中 心 的 系 统 ， 不 会象 PC一 样 只 有 一 种 平 台 吸 取 PC的 成 功 经 验 ， 形 成 不 同 行 业 的 标 准 。 统 一 的 行 业 标 准 具 有 开 放 、 设 计 技 术 共 享 、软 硬 件 重 用 、 构 件 兼 容 、 维 护 方 便 和 合 作生 产 的 特 点 ， 是 增 强 行 业 性 产 品 竞 争 能 力的 有 效 手 段 。 嵌入式操作系统架构BIOS (Boot Loader) Hardware AbstractDriver File System Process schedulerMemory Management Communication between ProcessesNetwork HardwareSystem Abstract (SDK)嵌 入 式 操 作 系 统 实时操作系统内核 文 件 系 统 虚 拟 内 存 管 理 网 络 协 议 栈 I/O系 统 接 口 多 任 务 环 境 （ Kernel） 实时操作系统组成 最简内核纳核 实 时 操 作 系 统 内 核 代 码 大 约 1K到 100K 用 户 可 裁 减 掉 程 序 员 认 为 没 有 使 用 到 的 功能 ， 直 到 只 剩 下 最 简 内 核 （ 任 务 的 管 理 与调 度 ， 称 其 为 纳 核 ， 可 以 只 有 8k） 如 何 得 到 最 简 内 核 是 嵌 入 式 系 统 开 发 中 非常 重 要 的 一 环 ！ 什么样的OS才是实时OS呢？ 实 时 操 作 系 统 IEEE实 时 UNIX分 委 会 要 求异 步 的 事 件 响 应切 换 时 间 和 中 断 延 迟 时 间 确 定优 先 级 中 断 和 调 度抢 占 式 调 度内 存 锁 定连 续 文 件同 步 按实时性分类 强 实 时 系 统 ， 其 系 统 响 应 时 间 在 毫 秒 或 微秒 级 （ 数 控 机 床 ） ； 一 般 实 时 系 统 ， 其 系 统 响 应 时 间 在 毫 秒 几 秒 的 数 量 级 上 ， 其 实 时 性 的 要 求 比 强 实时 系 统 要 差 一 些 （ 电 子 菜 谱 的 查 询 ） 。 弱 实 时 系 统 ， 其 系 统 响 应 时 间 约 为 数 十 秒或 更 长 （ 工 程 机 械 ） 。 移植而来的嵌入式实时操作系统 通 用 操 作 系 统 移 植 到 嵌 入 式 系 统 中 ， 形 成的 嵌 入 式 操 作 系 统 。嵌 入 式 Windows NT/XPSUN Java 操 作 系 统朗 讯 科 技 公 司 Inferno嵌 入 式 Linux 等 实时操作系统 实 时 操 作 系 统WindRiver 公 司 的 VxWorksISI 的 pSOSQNX 系 统 软 件 公 司 的 QNXATI 的 Nucleus中 国 科 学 院 凯 思 集 团 的 Hopen 嵌 入 式 操 作 系统等 等 专用实时操作系统 办 公 设 备WinCE， Palm 手 机Nokia、 Motorala的 EPOC 等 等 硬实时操作系统 客 户 可 以 设 置 任 务 的 优 先 级 任 务 根 据 优 先 级 运 行 抢 先 式 内 核 没 有 虚 拟 内 存 嵌入式操作系统 许 多 嵌 入 式 操 作 系 统 的 内 核 是 微 内 核 结 构 许 多 嵌 入 式 操 作 系 统 都 不 支 持 磁 盘根 本 不 支 持 文 件 系 统结 构 上 为 了 设 备 驱 动 而 支 持 文 件 系 统 ， 但 不 支持 文 件 系 统 的 文 件 存 储 功 能 嵌入式操作系统特点 许 多 嵌 入 式 操 作 系 统 不 采 用 存 储 管 理 技 术 ,即 不 支 持 虚 拟 存 储 技 术 许 多 嵌 入 式 操 作 系 统 不 划 分 “ 系 统 空 间 ”和 “ 用 户 空 间 ”操 作 系 统 的 “ 内 核 ” 与 外 围 应 用 程 序 之 间 不 再有 物 理 的 边 界 ;系 统 中 所 谓 “ 进 程 ” 实 际 上 全 都 是 内 核 线 程 静 态 连 接 、 系 统 调 用 、 进 程 调 度 /切 换 嵌入式操作系统特点对 任 何 一 个 应 用 程 序 做 细 微 的 修 改 ， 都 得 重 新生 成 整 个 系 统 ， 并 且 “ 下 载 ” 之 ；系 统 调 用 的 界 面 太 庞 大 ；共 享 变 量 的 访 问 ， 需 要 谨 慎 对 待 ；把 通 用 操 作 系 统 上 的 应 用 移 植 过 来 需 考 虑 “ 可重 入 ” 的 问 题 ； 嵌入式操作系统特点 不 分 系 统 空 间 和 用 户 空 间 必 须 静 态 连 接如 DOS、 CP/M的 INT21 不 分 系 统 空 间 和 用 户 空 间 不 能 用 页 面 映射 技 术但 只 用 于 不 同 进 程 之 间 ， 而 非 不 同 空 间 之 间 即 使 采 用 了 存 储 管 理 ， 基 本 上 都 不 采 用 页面 交 换 技 术 重 启 动 技 术 （ watch dog） 你听说过哪些实时操作系统？ ucOS 特 点uc/os采 用 可 剥 夺 型 实 时 多 任 务 内 核uc/os适 合 小 型 控 制 系 统 ， 具 有 执 行 效 率 高 、占 用 空 间 小 、 实 时 性 能 优 良 和 可 扩 展 性 强 等 特点 ， 最 小 内 核 可 编 译 至 2k 不 足没 有 网 络 和 文 件 系 统 支 持应 用 软 件 少 WinCE 优 点 ：具 有 和 Windows兼 容 的 GUI开 发 工 具 友 好 缺 点非 实 时 ， 目 前 已 经 向 硬 实 时 发 展$ WinCE6 WinCE6 pSOS 十 分 优 秀 的 RTOS 目 前 已 被 WindRiver收 购 高 实 时 性 （ 任 务 切 换 、 中 断 响 应 ） 在 国 内 的 使 用 逐 年 减 少 VRTX 全 球 最 早 推 出 的 RTOS 实 时 性 、 高 可 靠 较 好 开 发 工 具 功 能 弱 目 前 已 很 少 使 用 VxWorks 目 前 全 球 使 用 最 广 泛 的 RTOS 高 实 时 性 高 可 靠 （ 火 星 探 路 者 Pathfinder使 用 的 就 是 该 系统 ） 微 内 核 结 构 面 向 对 象 方 法 开 发 工 具 功 能 强 大 缺 点 ： $ VxWorks 以 其 良 好 的 可 靠 性 和 卓 越 的 实 时 性 被 广 泛地 应 用 在 通 信 、 军 事 、 航 空 、 航 天 等 高 精尖 技 术 及 实 时 性 要 求 极 高 的 领 域 中 ， 如 卫星 通 讯 、 军 事 演 习 、 弹 道 制 导 、 飞 机 导 航等 。 在 美 国 的 F-16、 FA-18 战 斗 机 、 B-2 隐 形 轰 炸 机 和 爱 国 者 导 弹 上 ， 甚 至 连 1997年 4月 在 火 星 表 面 登 陆 的 火 星 探 测 器 上 也 使用 到 了 VxWorks。 据 称 美 国 市 场 占 有 率 第 一 名 。 VxWorks 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 VxWorks 为 追 求 系 统 的 实 时 性 而 设 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 。 VxWorks 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 VxWorks 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) VxWorks 缺点 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 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 VxWorks 缺点 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 Vxworks 开源嵌入式Linux 优 点 源 码 公 开 ， 可 控 ， 可 裁 减 ， 可 修 改 应 用 软 件 丰 富 支 持 CPU类 型 多 缺 点 实 时 性 差 （ 非 抢 占 式 调 度 ） 调 度 算 法 主 要 考 虑 效 率 和 公 平 性 开 发 工 具 支 持 少 一 体 化 内 核 结 构 ， 不 易 维 护 适 用 领 域 低 成 本 、 实 时 性 要 求 不 高 、 应 用 软 件 复 杂 的 系 统 Linux ucLinux 为 什 么 需 要 ucLinux（ micro-conrol-linux） Linux需 要 硬 件 支 持 虚 拟 内 存 ， 即 CPU具 有 MMU 在 简 单 CPU中 ， 不 支 持 MMU， 如 ARM7TDMI ucLinux就 是 没 有 虚 拟 内 存 的 Linux ucLinux支 持 和 Linux同 样 的 接 口 ， 已 有 很 多 软 件 移植 到 ucLinux； 具 有 和 Linux一 样 强 大 的 网 络 功 能 和 出 色 的 文 件 系统 ucLinux源 码 公 开 注 意 事 项 在 ucLinux中 ， 所 有 进 程 共 享 一 个 地 址 空 间 没 有 隔 离 保 护 RTLinux 在 Linux内 核 与 硬 件 层 之 间 插 入 了 一 层 最 坏 的 情 况 下 在 Intel x86处 理 器 上 响 应 时间 : 15 s RT-Linux 实时操作系统组成 商 业 RTOS开 发 工 具交 叉 编 译 器 ， 主 要 是 C或 C+编 译 器 。RTOS本 身 ， 它 的 核 心 是 Real Time Kernel，包 括 相 关 的 函 数 库 。软 件 调 试 工 具 包 ， 没 有 这 类 工 具 ， 多 任 务 的 应用 程 序 几 乎 是 没 有 办 法 调 试 的 。