浅析嵌入式操作系统的应用与发展

摘 要：本文通过阐述嵌入式操作系统的含义，探索其历史的发展，掌握其发展规律，并据此阐述该系统的发展以及应用的趋势。

关键词：嵌入式操作系统；应用；发展

随着计算机技术的发展，以芯片技术以及软件技术为核心的数字化技术也迅猛发展起来，其涉及范围之广。领域之宽，都是前所未有的。从国内，到国外，都掀起了一场数字化技术的变革。

1 嵌入式操作系统的含义及其历史的发展

1.1 嵌入式操作系统的含义

所谓嵌入式操作系统，就是指包括与硬件相关的系统内核、通信协议、标准化浏览器、底层驱动软件、设备驱动接口、图像界面等browser的一种系统。其作为一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，是嵌入系统的重要组成部分。嵌入式系统包括了由相关支撑硬件、嵌入式处理器、嵌入式处理器、嵌入式操作系统以及应用软件系统等。嵌入式操作系统具备通用操作系统的基本特点：如能够把硬件虚拟化、把研发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来、能够提供库函数、驱动程式、工具集连同应用程式以及能够有效管理越来越复杂的系统资源。与普通操作系统相比较，嵌入式操作系统具有硬件的相关依赖性、软件固体化联同应用的专业性性能突出、实时性高效等特点。嵌入式操作系统作为一种集软硬件于一体的可独立性工作的“器件”，是以应用为中心，对于应用系统的绝对功能包括可靠性、体积、成本、功耗等系统中综合性能有严格要求的一款专用计算机系统。

1.2 嵌入式操作系统历史的发展

世界上第一个嵌入式系统是在1981年由Ready System发展的商业性嵌入式实时内核（VRTX32），距今已有30年的历史了。纵观历史，嵌入式系统历史的发展有三个明显的阶段：

阶段一，是嵌入式系统的出现阶段。这一阶段的主要特征是：操作系统处理效率低下、存储容量小、系统的结构以及功能都相对单一、几乎没有用户接口，受众群体为各类专业领域。作为嵌入式系统的早期阶段，这种系统以其专用计算机简单的功能或者以可编程控制器的单片机为核心的形式存在，具备设备指示、监测、伺服等功能，大部分的系统运用于各类工业控制与飞机、导弹等武器装备中。由于早期嵌入式系统并没有操作系统的支持，对系统的控制是通过汇编语言编程直接进行的，运行结束后对内存进行清理。

阶段二，是简单监控式的实时操作系统阶段。该阶段以嵌入式CPU和嵌入式操作系统为标志。随着计算机硬件高可靠、低功耗嵌入CPU，如Power PC等的出现，推动了各类商业嵌入式操作系统相继出现并以迅雷不及掩耳之势发展起来。该阶段鲜明的特点是系统开销小、效率高处理器种类繁多、较差的通用性、由于配备系统仿真器，因此操作系统具有一定的兼容性与扩展性。另外，由于软件较专业，用户界面不大友好。该阶段嵌入式操作系统主要是用来控制系统的负载以及监控运用程序的运行。

阶段三，在这个阶段，Vx Works、pSoS、OS-9、windowsCE就是典型代表，该阶段作为通用型嵌入式实时操作系统阶段，具有高度模块化、拓展性；大量的应用程序接口（API）以及文件和目录管理，多任务；网络支持、图形窗口、设备支持、用户界面等功能，开发程序简单、嵌入式应用软件丰富等特点。这一阶段该系统的典型特点就是能够在各种不同类型强大的微处理器上运行。

2 嵌入式操作系统的应用趋势

使该嵌入式操作系统支持虚拟存储器是该系统应用趋势之一。标准Linus的核心支持虚拟存储器，它控制着处理器内存的管理单元（MMU），将虚拟内存地址映射为物理内存地址。使用支持虚拟存储器的优势有很多，这包括：可以运行比物理内存还大的程序，并且真正的启动时间会缩短。在加载程序方面，可以运行部分加载程序，大大缩短了程序员分配与管理内存的负担，可以真正实现代码共享，并提供相应的内存保护等。但从目前系统发展来看，许多嵌入式CPU中取消了MMU部件，这很容易引发一系列问题，比如：HCLinux在装入程序时，程序的实际加载地址需要加载器重新完成一个地址重定位的过程，并且要求该系统要一次性分配出足够的、连续的物理内存。另一方面，由于不能计算机中电脑磁盘并不能实现空间的转换，系统更容易面临物理内存耗尽的困境。此外，Window系列嵌入式的操作系统有程序员所熟悉的API以及友好的用户界面，并且有捆绑相应的IE、Office等应用程序，为其公司Win、CE或者标准的Linux操作系统的开发争取到更多的竞争优势与市场份额。

从目前上看，HC/OS-II和HCLinux等嵌入式操作系统是不需要内存管理单位（MMU）进行支持的，可以自由运行在ARM7TDMT硬件平台上。由于该ARM7TDMT系列的处理器并不带MMU功能，因此并不支持Win、CE或者标准的Linux操作系统的使用，倘若用户需要使用此操作系统并减少软件开发的时间，就需要选择ARM720T以上携带MMU功能的ARM芯片。

3 嵌入式操作系统的发展趋势

目前，随着技术的发展，各种嵌入式Linux操作系统正迅速发展并抢占市场份额，与原先Window CE等嵌入式操作系统形成了一个相互竞争的局面。各种嵌入式Linux操作系统的迅速发展，在于它抓住了市场需求。信息时代的到来，让人们对系统源码这一层面上提出要求，人们希望软件自由并且嵌入式应用系统要有足够的特制性，嵌入式Linux操作系统就满足人们这一需求，其不仅仅有开放源代码，并且具有系统内存小、效率高、内核网络结构完整、裁剪后适用于信息家电等嵌入式系统的研发等特点。当前，嵌入式Linux操作系统的可靠化以及产品化是制约其更好更快发展的一个因素。

Window CE是一个具有典型性的嵌入式操作系统。由于其嵌入式操作系统是由桌面操作系统演变而来的，虽然提供了大量桌面操作系统的功能，但相较于真正意义上的嵌入式操作系统仍存在差距。一个突出的地方就是Window CE在进行内核设计时并没有考虑到系统的高度以及可裁剪性。

以VxWorks为代表的传统嵌入式操作系统作为专门为嵌入式微处理器设计的高性能、高模块化的实时操作系统，是当前市场率占有最高，使用最为广泛，较具优势的几大系统。其突出的安全性、容错性以及系统的灵活性，让其活跃在每一个领域，包括：电子消费市场、无线通信产品、工业自动化。数字电信、医疗仪器以及多媒体设备等。虽然其提供专用的API接口i，但是其网络连接功能较差，应用程度并不理想。系统应对程序开发支持相对较弱。目前网络环境复杂，对于系统专业化程度的要求也越来越高，对于许多处理器嵌入式系统的应用需要而言，仍无法满足。

为此，下一代嵌入式操作系统需要进行系统体系架构、调度算法等方面的调整。融入面向分布式容错等技术，根据嵌入式系统的时代要求，发展嵌入式系统可定制。可裁剪等特点，发展分布式技术以及定制技术。

3.1 构筑专用的、应用的嵌入式实时操作系统

首先，应构筑ASOS体系结构。ASOS作为一个可裁剪、可伸缩、可提供多层次的、实现功能对象化的系统体系结构，实行多层次的构筑有利于操作系统功能的规整与伸缩性，有利于实现对象系统功能的裁剪与增添。构筑ASOS的主要方法有两个：面向应用的裁剪生成办法以及基于模式的生成办法。基于这两种模式的生成办法，可以进一步地开发、设计ASOS的系统。

3.2 构筑分布式计算设计实时操作系统

构筑Spring kemel的分布式环境，建立一个用反射内存互联的环形网络。其具有任务管理新范型、调度策略与分发机制分离等特点，可以真正实现调度策略的优化工作完全由人来完成，并通过指定一些可供机器识别的紧要性参数。

4 结语

全球嵌入式操作系统的发展空间正随着通信、互联网、计算机等市场的发展而不断发展。及时把握下一代嵌入式微处理器处理结构的灵活性，努力跟踪技术新动态，为我国嵌入式操作系统的发展提供一片更为肥沃的土壤。

[参考文献]

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[3]杜陈磊，编著.ARM体系结构与编程[M].清华大学出版社，2013.