特定应用嵌入式实时操作系统

伴随 着众 多新 型嵌 入 式产 品的 推出和嵌 入式 实时操作 系统 的发 展， 一个 以面 向 Internet 网络的、特定应用的嵌入式操作系统正日益引起人们的重视，成为极为重要的发 展方向。

Internet 与网络的迅速普及应用，并向家庭领域不断扩展，使消费电子、计算机、通 信(3C)一体化趋势日趋明显，嵌入式系统再度成为研究与应用的热点。

嵌入式操作是一种实时的、支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统 (包括硬、软件系统)极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内 核、设备驱动接口、通信协议、图形界面。标准化浏览器(Browser)等。与通用操作系统相 比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专 用性等方面具有较为突出的特点。嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展经历了三个比 较明显的阶段。

(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-9、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。

伴随着通用型嵌入式实时操作系统的发展，一个以面向 Internett 和特定应用的嵌入式 操作系统正日益引起人们的重视，成为极为重要的发展方向。嵌入式系统与 Internet 的真 正结合、嵌入式操作系统与应用设备的无缝结合代表着嵌入式操作系统发展的真正未来。

在工业控制及其他相关领域的长期应用与商业竞争中已逐渐形成了一些较为成功的嵌 入 式操 作系 统，其中 主流 的嵌入式 操作 系统有 Windows CE、 Palm OS、Embedded Linux、VxWorks、PSOS 及 OS-9 等。通过对这些系统进行分析，我们认为，它们虽然提 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，其共 同的缺点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，

因此，迫切需要面向应用的、专用特制的新一代嵌入式操作系统(即 ASOS)。

1. ASOS 概念

特定应用的嵌入式实时操作系统(application specific operating systems，ASOS)是指面 向应用的、专用特制的嵌入式实时操作系统。它除具有基本的处理多任务、文件及设备驱 动的操作系统功能之外，还具有如下系统特性。

l 面向特定应用的简化型系统调用接口，专门支持一种或一类嵌入式应用。

l 最小内核处理集，系统开销小，运行效率高，并可用于各种非计算机设备。

l 可伸缩、可裁剪的系统体系结构，提供多层次的系统体系结构。

l 具有各种即插即用的设备驱动接口；

l 具有网络如 Internet 或无线接入功能，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。

l ASOS 与通用型 RTOS 相比较，至少有以下差别。

l ASOS 更强调面向应用的功能专用性，如面向某一(组)应用的高可靠性的部分功 能集，而并不像RTOS 的系统通用性与系统资源可配置性；

l ASOS 更强调面向应用的实时高性能，而并不像 RTOS 强调的系统整体效率；

l ASOS 更强调系统结构的可伸缩性和可裁剪性，一个极典型的例子是传真机操作 系统(OS for FAX Machine)；

l ASOS 更强调与 Internet 的连接，特别是无线接入接口。

2. ASOS 体系结构

ASOS 的系统结构是一个可伸缩、可裁剪的，提供多层次的、功能对象化的系统体系 结构。多层次的构造有利于操作系统的系统功能规整和可伸缩性；面向对象的系统功能划 分有利于系统的裁剪与增添。

(1) 层次化的、可伸缩性的体系结构

ASOS 的一个较为理想的概念模型是 4 层体系结构，即硬件接口层(hardware interface layer)、内核层(kernel layer)、系统层(system layer)、系统服务接口层(system server layer)。

各层的主要功能如下。

l 硬件接口层

提供与嵌入式硬件系统的接口。

l 内核结构层

系统内核精小，控制在非常小的代码(如 10KB)以内，能运行在多种嵌入式处理器构 架上。内核针对应用提供几种最基本的操作，如系统时钟、电源管理、程序装载与运行、

进程/线程调度、内存管理等。应提供一个实时系统所需要的基本要素，如实现多任务、

由优先级驱动的急者优先式调度方法和快速现场切换机制。

l 系统层

系统功能模块化和对象化，提供面向对象的系统资源管理功能，如 FFS Flash 内存管 理、文件与目录管理、设备管理、网络协议管理等。可根据实际应用的需要选择应用特制 的功能模块或部件。每个系统级模块又都提供标准的系统服务的API 接口，向用户开放，

便于在其上扩充新的功能。

l 系统服务接口层

提供基于系统功能的、面向应用的系统功能调用与服务接口。

系统内核的微小化、系统功能的对象化、系统服务接口的应用化是 ASOS 体系结构构 造的基本特点。

(2) 面向对象的系统功能划分

面向对象的操作系统的系统功能划分是实现系统可裁剪性的基础。在特定应用的嵌入 式操作系统的系统构造，特别是系统层的功能划分与框架上，需要采用面向对象的方法进 行设计。至少有以下两个例子说明在 Windows 用户界面设计与设备驱动资源的规划方面 很有必要采用面向对象的方法。

ASOS 提供类似 Windows 窗口功能的系统外壳和面向图形化窗口功能的用户界面，

包括菜单、按钮、单选框、复选框、编辑框、列表框、组合框、静态控制框、滚动条、对 话框和默认窗口等多种窗口界面对象(控件)。利用系统本身提供的 API 和消息，便可编制 各种基于图形界面的应用程序，以满足用户的实际应用需要。可以不改代码、不用重新编 译或稍改一些接口API，这些 Windows 应用程序即可使用。

ASOS 所提供的设备驱动程序通常包括目前在市场上流行的各种输入、输出设备，如 通用视频驱动、键盘、鼠标、笔、触摸屏等其他输入设备接口。面向对象的设备驱动的构 造支持可重构造的、可拆卸的系统接口。

3. ASOS 的构造方法

ASOS 的设计方法研究是构造嵌入式操作系统的关键问题，我们认为至少存在以下两 种方法。

(1) 面向应用的裁剪生成方法

面向应用的裁剪生成方法(application oriented plus-and-minus method for ASOS)是针对 应用问题，在原嵌入式操作系统的基础上增加或裁剪，定制而成一个 ASOS。在 4 层构架 面向对象构件的系统结构中，依据应用的需求，采用面向对象的原型软件开发方法，对于 面向对象部件的裁剪与增添，二次开发特制而成一个针对某一种或一组应用的专用化嵌入 式实时操作系统。

(2) 基于模式的生成方法

基于模式的生成方法(pattern-based generation method for ASOS)，就是在原嵌入式操作 系统的基础上，依据生成模式产生一个 ASOS。生成模式可采用规则表达或框架系统。依 据应用的需求，并基于生成模式规则，在设计专家的交互参与下，在原嵌入式操作系统的 基础上，生成针对某一种或一组应用的专用化嵌入式实时操作系统。基于模式的生成方法 可进一步开发成计算机辅助的ASOS 的开发系统。

4. ASOS 的应用前景分析

ASOS 的发展前景将非常广阔。嵌入式系统具有巨大的市场需求前景，仅就美国市场 而言21 世纪接入 Internet 的将有大量汽车、几亿台个人通信装置、每个家庭中 5～20 个联 网的家用电器以及数以百万计的工厂系统。业界分析家认为，嵌入式系统在 IP 电话、游 戏装置和手持式通信装置的推动下将会有突飞猛进的发展。

这类嵌入式操作系统不仅在传统的工业控制和商业管理领域有极其广泛的应用空间，

如智能工控设备、POS/ATM 机、IC 卡等，而且在信息家电领域的应用更具有极为广泛的 潜力，例如机顶盒、WebTV、网络冰箱、网络空调等众多的消费类和医疗保健类电子设 备，以及在车载盒、智能交通等领域的应用也呈现出前所未有的生机。

(1) 信息家电领域

机顶盒、WebTV、网络冰箱、网络空调等众多的消费类和家庭医疗保健类电子设备 将在未来几年取得快速发展，信息家电的个性化、区域化以及季节化的趋势，为特定应用 的嵌入式操作系统提供了应用发展空间。据估计，未来 10 年是信息家电发展的黄金时 期，以机顶盒为例，估计10 年间总量可达到 1 亿～1.5 亿台，总市场需求将达到 900 亿～

1500 亿元。信息智能家居是未来发展的方向，估计几年内将在中国得到快速发展。

1500 亿元。信息智能家居是未来发展的方向，估计几年内将在中国得到快速发展。