嵌入式操作系统与嵌入式处理器

时间：2024-08-15 09:39:19 文圣嵌入式培训我要投稿

相关推荐

嵌入式操作系统与嵌入式处理器

　　随着计算机技术和通讯技术的快速发展，嵌入式系统已经广泛渗入到工业控制、移动通信、电子商务、信息家电等多个应用领域，应用日益广泛。下面小编为大家整理了关于嵌入式操作系统与嵌入式处理器的文章，一起来看看吧：

　　嵌入式系统

　　嵌入式系统(Embedded System，ES)是将先进的微电子技术、通讯技术和计算机技术与各个具体应用领域相结合的产物，是一个资金技术密集且高度集成创新的知识系统。嵌入式系统是以应用为中心，计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等方面有严格要求的专用计算机系统。因此，它具有“嵌入性”、“专有性”和“计算机系统”三个基本要素，其中“嵌入性”是它的特征，“专有性”是它的灵魂，“计算机系统”是它的本质。

　　根据IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers 电气电子工程师协会)从它的用途来定义，嵌入式系统是用来监视、控制或者辅助机器和设备运行的系统。其实嵌入式系统就是微操作系统和功能软件的集成，在以微处理器为核心的微型计算机硬件体系中所形成的简易便捷，稳定可靠，经济实用的机电一体化产品。

　　嵌入式处理器

　　嵌入式处理器(Embedded Processor，EP)与通用处理器最大的区别就在于嵌入式处理器大多工作在为不同用户群所设计的特定系统中，它常常将通用处理器中许多由板卡完成的功能集成到芯片内部，从而有利于实现嵌入式系统设计的微型化，同时又保证了较高的可靠性和处理效率。到目前为止，全球嵌入式处理器的种类已经超过1000多种，其中以ARM、MIPS、Power PC、Motorola 68K、X86等体系结构最为常见，一般将嵌入式处理器分成以下四类：

　　1)嵌入式微控制器 (Microcontroller Unit，MCU);

　　2)嵌入式微处理器 (Embedded Microprocessor Unit，EMPU);

　　3)嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor，EDSP);

　　4)片上系统(System On Chip，SOC)。

　　一般在嵌入式系统设计中常用的嵌入式微处理器和体系结构主要有以下几种：

　　1) ARM

　　ARM(Advanced RISC Machines)公司是全球著名的16/32位精简指令集计算机RISC(Reduced Instruction Set Computer)处理器设计供应商，通过提供高性能与低功耗的RISC处理器芯片设计技术给各个生产厂商来生产满足不同应用领域要求的芯片。事实上，由于ARM处理器一方面支持16位的Thumb指令集和32位的ARM指令集，另一方面使用了大量的寄存器和灵活的寻址方式来提高系统执行的效率，所以ARM处理器技术已经成为数字通信、工业控制、多媒体家电等嵌入式应用领域的RISC标准。ARM系列处理器种类很多，目前市场上应用最为广泛的是ARM9和ARM10系列处理芯片。ARM9处理器由于拥有了五级流水线结构和自带MMU功能，广泛应用于手持终端和无线通讯等领域。ARM10处理器由于采用了更高的六级流水线结构和支持DSP指令以及支持64位的AMBA总线接口，其性能较ARM9有了很大的提高，广泛应用于手持PDA以及车载电子等高端领域。

　　2) MIPS

　　MIPS(Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)简称无内部互锁流水级的微处理器，是美国MIPS技术公司推出的一种基于RISC架构的高性能高档次的处理器内核。MIPS采用了先进的设计理念和清晰的系统结构，强调软硬件协同工作以提高处理器性能，同时简化了硬件设计，采用软件方法来避免流水线运行中的数据相关问题。虽与ARM处理器相比，MIPS体系结构的处理器功耗要高些，但它具备了从32位低端产品到64位高端产品的完整解决方案，而且在知识产权的授权费用上MIPS要低于ARM，因此，MIPS内核逐渐被越来越多的消费类电子产品和工业控制产品的设计所采用。

　　3) Power PC

　　PowerPC(Performance optimization with Enhanced RISC performance Computing)简称性能优化与增强的RISC性能计算，是由IBM、Motorola和Apple公司联合开发的一款高性能32/64位RISC处理器，其主要特点是可伸缩性好，方便灵活和较高的性价比。常见的基于Power PC架构的处理器有IBM公司的Power PC64S(深蓝内部的CPU)、Power PC750、Power PCG3以及Motorola公司的MC和MPC系列等。目前，基于Power PC体系结构的处理器广泛应用于桌面PC系统、移动PC系统、嵌入式系统以及金融电信等行业。

　　4) Motorola 68K

　　Motorola 68K采用复杂指令集计算机CISC(Complex Instruction Set Computer)架构，是出现比较早的嵌入式处理器，在全球的各种嵌入式处理器应用领域中取得了巨大成功。曾经Sun微计算机公司把这款处理器应用于早期的产品开发中。

　　5) X86

　　X86系列处理器起源于Inter架构的8080，然后发展出286、386、486直到现在的奔腾处理器乃至双核处理器。从嵌入式市场分布来看，486DX也是与ARM、68K、MIPS、SuperH齐名的五大嵌入式处理器之一。目前市场上基于X86体系结构的PC104产品占有很大的市场份额。

　　嵌入式操作系统

　　嵌入式操作系统(Embedded Operating System，EOS)是嵌入式系统的重要组成部分，它通常运行在嵌入式硬件平台之上，对整个系统的软硬件资源进行有效管理控制和协调调度的系统软件。嵌入式操作系统可以分为两大类：嵌入式实时操作系统(Embedded Real-time Operating System，ERTOS)和嵌入式分时操作系统。实时操作系统是指系统能及时响应外部事件的请求，在确定的时间内对事件进行处理，并控制所有任务协调一致运行的操作系统。实时操作系统对响应时间有着严格的要求，绝对不能错过该时限要求，否则就会引起严重的错误。而分时操作系统则按照相等的时间片(time slicing)轮流调度进程执行，在执行的时间上并没有实时操作系统要求的那么严格，错过任务执行的最后截止期限或执行时序上的偏差，并不会造成系统的崩溃，带来灾难性的后果。

　　通常按照对截止期限(Deadline)要求的不同，嵌入式实时操作系统又可以分为硬实时系统(Hard Real-time OS)和软实时系统(Soft Real-time OS)。硬实时系统是指对系统响应时间有着严格的要求，在任务的截止期限内必须及时响应，绝对不能错过任务处理的截止期限，否则就会引起系统崩溃或者导致灾难性后果。软实时系统是指系统任务一般能够在截止期限到达前得到处理，但是如果系统响应时间错过处理的截止期限，它并不会导致系统崩溃或出现致命的错误。

　　1998年，Bernat和Burns两位科学家又提出弱硬实时(Weakly Hard Real-time)的概念，即实时任务可以错过截止期限，但任务错过的截止期限必须可预知且被限制在一定的时间范围内。从定义上看，弱硬实时能够科学地定义软实时任务的实时特性及实时要求，是对软实时系统的细化和发展。两者相似之处都允许系统中的实时任务错过截止期限，而不同之处在于弱硬实时系统在软实时系统的基础上加了一些对截止期限的限制，规定了任务错过的截止期限数必须可预知且被限定在一定的范围之内。弱硬实时系统的优点就在于能够对软实时系统中实时任务“软”的程度进行定性，同时虽然弱硬实时系统对任务在单个周期中的特性要求是“软”的，但从任务窗口的角度来看，弱硬实时系统对任务的要求又是“硬”的，即任务错过的截止期限必须可预知且被严格限制。

　　目前国内外常见的嵌入式操作系统主要有以下几种：

　　1) Windows CE

　　Windows CE是美国Microsoft公司专门为各种移动和便携式消费类电子产品等嵌入式应用系统设计的一款32位高性能微内核结构的多任务多用户的操作系统。它具有一个简洁高效的基于完整优先权的可抢占式操作系统内核，支持强大的通信和图形实现功能，能够适应广泛的系统需求。Windows CE不需要任何特定的硬件结构，实际的硬件结构完全由用户根据需要自由设计。现在Microsoft公司又推出了针对移动通信产品应用的Windows Mobile操作系统，占据了很大的市场份额。

　　2) VxWorks

　　VxWorks是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种具有工业领导地位的高性能实时操作系统。VxWorks采用一种微内核结构(最小体积<8KB)，包括了进程管理、存储管理、设备管理、文件系统管理、网络协议及系统应用等几个部分，为用户提供高效的实时多任务管理与调度的能力、微秒级的中断处理能力、系统资源之间灵活的通信机制，并且具有优先级排队和循环调度的能力。VxWorks支持多种体系结构的处理器，如X86、i960、Sun Sparc、Motorola、MC68xxx、ARM、Power PC等，和广泛的工业标准，如POSIX1003.b实时扩展。此外，VxWorks还支持多种物理介质标准和完整的TCP/IP网络协议，支持多处理器并行工作，具有快速多任务切换、抢占式任务调度、任务间通信方式多样化的特点，并且完全符合ANSIC的标准，是目前应用最为广泛、市场占有率最高的实时系统之一。

　　3) μC/OS-II

　　μC/OS-II是一款专门为计算机嵌入式应用而设计的基于静态优先级的抢占式调度的多任务实时操作系统，是一种免费且开源的操作系统。μC/OS-II系统采用MicroWindow图形系统。由于μC/OS-II不支持文件系统，不支持驱动程序和应用程序的模块加载，因此在进行系统开发时，内核和驱动程序以及应用程序都是集中编译的。经过十多年的应用和修改，已经被移植到多种处理器平台上。μC/OS-II由于内核小巧，占用空间小，执行效率高，实时性能优良和具有较强的可扩展性，广泛应用于航空航天等领域。

　　4) QNX

　　QNX是加拿大QNX Software System公司于1980年开发的一款可扩展的分布式微内核嵌入式实时操作系统。它部分遵循POSIX标准，如POSIX.1(程序接口)和POSIX.2(Shell和工具)以及POSIX.1b(实时扩展)。用户可以把应用程序与内核直接编译在一起，生成一个单一的多线程映像。QNX提供POSIX.1b标准进程调度：32个进程优先级、基于优先级的抢占式进程调度，其进程在独立的地址空间运行。此外，QNX内核非常小巧(QNX4.x大约为12Kb)而且运行速度极快，但是QNX不能很好支持GUI系统，目前市场占有量不是很大。

　　发展趋势

　　嵌入式操作系统将是未来嵌入式系统中必不可少的组件，其未来发展趋势包括：

　　1、定制化：嵌入式操作系统将面向特定应用提供简化型系统调用接口，专门支持一种或一类嵌入式应用。嵌入式操作系统同将具备可伸缩性、可裁减的系统体系结构，提供多层次的系统体系结构。嵌入式操作系统将包含各种即插即用的设备驱动接口；

　　2、节能化：嵌入式操作系统继续采用微内核技术，实现小尺寸、微功耗、低成本以支持小型电子设备。同时，提高产品的可靠性和可维护性。嵌入式操作系统将形成最小内核处理集，减小系统开销，提高运行效率，并可用于各种非计算机设备；

　　3、人性化：嵌入式操作系统将提供精巧的多媒体人机界面，以满足不断提高的用户需求；

　　4、安全化：嵌入式操作系统应能够提供安全保障机制，源码的可靠性越来越高；

　　5、网络化：面向网络、面向特定应用，嵌入式操作系统要求配备标准的网络通信接口。嵌入式操作系统的开发将越来越易于移植和联网。嵌入式操作系统将具有网络接入功能，提供TCP/UDP/IP/PPP协议支持及统一的MAC访问层接口，为各种移动计算设备预留接口；

　　6、标准化：随着嵌入式操作系统的广泛应用的发展，信息交换、资源共享机会增多等问题的出现，需要建立相应的标准去规范其应用。

　　嵌入式操作系统都具有一定的实时性，易于裁剪和伸缩，可以适合于从ARM7到Xscale各种ARMCPU和各种档次的应用，嵌入式操作系统可以使用广泛流行的ARM开发工具，如ARM公司的SDT/ADS和RealView等，也可以使用开发软件，如GCC/GDB、KDE或Eclipe开发环境，市场上还有专用的开发工具，如Tornado、μC/View、μC/KA、CODE/Lab、Metroworks等。

　　核心心

　　嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下4个特点：

　　1.对实时任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。

　　2.具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。

　　3.可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。

　　4.嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW级。

　　处理器分类

　　微处理器

　　嵌入式微处理器（Micro Processor Unit，MPU）是由通用计算机中的CPU演变而来的。它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。

　　其中Arm/StrongArm是专为手持设备开发的嵌入式微处理器，属于中档的价位。

　　微控制器

　　嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)的典型代表是单片机，从70年代末单片机出现到今天，虽然已经经过了20多年的历史，但这种8位的电子器件在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般较丰富，适合于控制，因此称微控制器。

　　由于MCU低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及 MCU 8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。MCU占嵌入式系统约70%的市场份额。Atmel出产的Avr单片机由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性价比，势必将推动单片机获得更高的发展。

　　DSP处理器

　　嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)，是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。

　　DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。MPU较低的处理速度无法满足DSP的算法要求，其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技领域。随着大规模集成电路技术发展，1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。其运算速度比MPU快了几十倍，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。至80年代中期，随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。到80年代后期，DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。90年代后，DSP发展到了第五代产品，集成度更高，使用范围也更加广阔。

　　最为广泛应用的是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。

　　片上系统

　　嵌入式片上系统(System On Chip) ：SoC追求产品系统最大包容的集成器件，是嵌入式应用领域的热门话题之一。SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且SOC具有极高的综合性，在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。

　　由于SOC往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，比较典型的SOC产品是Philips的Smart XA。少数通用系列如Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。

　　预计不久的将来，一些大的芯片公司将通过推出成熟的、能占领多数市场的SOC芯片，一举击退竞争者。SOC芯片也将在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域中发挥重要作用。

【嵌入式操作系统与嵌入式处理器】相关文章：

学习嵌入式03-22