嵌入式操作系统

嵌入式操作系统（embedded operating system，简称：eos）是指用于嵌入式系统的操作系统。嵌入式操作系统是一种用途广泛的系统软件，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、标准化浏览器等。

嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动。它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。目前在嵌入式领域广泛使用的操作系统有：

嵌入式实时操作系统c/os-ii、嵌入式linux、windows embedded、vxworks等，以及应用在智能手机和平板电脑的android、ios等。

事实上，在很早以前，嵌入式这个概念就已经存在了。在通信方面，嵌入式系统在20世纪60年代就用于对电子机械**交换的控制，当时被称为“存储式程序控制系统”（stored program control）。

嵌入式计算机的真正发展是在微处理器问世之后。2024年11月，intel公司成功地把算术运算器和控制器电路集成在一起，推出了第一款微处理器intel 4004。

20世纪80年代，随着微电子工艺水平的提高，集成电路制造商开始把嵌入式应用中所需要的微处理器、i/o接口、a/d、d/a转换、串行接口以及ram、rom等部件统统集成到一个vlsi中，从而制造出面向i/o设计的微控制器，也就是我们俗称的单片机，成为嵌入式计算机系统异军突起的一支新秀。

20世纪90年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统进一步加速发展。面向实时信号处理算法的dsp产品向着高速、高精度、低功耗发展。在应用方面，掌上电脑、手持pc机、机顶盒技术相对成熟，发展也较为迅速。

nokia推出了智能**，西门子推出了机顶盒，wyse推出了智能终端，ns推出了webpad。

21世纪无疑是一个网络的时代，使嵌入式计算机系统应用到各类网络中去也必然是嵌入式系统发展的重要方向。

1）系统内核小。

由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如enea公司的ose分布式系统，内核只有5k。

2）专用性强。

嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译**要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全两个概念。

3）系统精简。

嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。

4）高实时性。

高实时性的系统软件(os)是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存储，以提高速度；软件**要求高质量和高可靠性。

5）多任务的操作系统。

嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专用库函数接口，用户必须自行选配rtos（real－time operating system）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。

6）需要开发工具和环境。

嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。

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**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。

硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（sdram、rom、flash等）、通用设备接口和i/o接口（a/d、d/a、i/o等）。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在rom中。

嵌入式微处理器。

嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器与通用cpu最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它将通用cpu许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。

存储器。嵌入式系统需要存储器来存放和执行**。嵌入式系统的存储器包含cache、主存和辅助存储器。

1）cache

cache是一种容量小、速度快的存储器阵列它位于主存和嵌入式微处理器内核之间，在需要进行数据读取操作时，微处理器尽可能的从cache中读取数据，而不是从主存中读取，这样就大大改善了系统的性能，提高了微处理器和主存之间的数据传输速率。cache的主要目标就是：减小存储器（如主存和辅助存储器）给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快，实时性更强。

2）主存。主存是嵌入式微处理器能直接访问的寄存器，用来存放系统和用户的程序及数据。它可以位于微处理器的内部或外部，其容量为256kb~1gb，根据具体的应用而定，一般片内存储器容量小，速度快，片外存储器容量大。

3）辅助存储器。

辅助存储器用来存放大数据量的程序**或信息，它的容量大、但读取速度与主存相比就慢的很多，用来长期保存用户的信息。嵌入式系统中常用的外存有：硬盘、nand flash、cf卡、mmc和sd卡等。

硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层（hardware abstract layer，hal）或板级支持包（board support package，bsp），它将系统上层软件（应用程序）与底层硬件分离开来，使系统的底层驱动程序与上层无关，上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据bsp 层提供的接口即可进行开发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。bsp具有以下两个特点。

硬件相关性：因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，而作为上层软件与硬件平台之间的接口，bsp需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。

操作系统相关性：不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此，不同的操作系统具有特定的硬件接口形式。

系统软件层由实时多任务操作系统（real-time operation system，rtos）、文件系统、图形用户接口（graphic user interface，gui）、网络系统及通用组件模块组成。rtos是嵌入式应用软件的基础和开发平台。

工业控制。基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展，已经有大量的位嵌入式微控制器在应用中，网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源主要途径，如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。就传统的工业控制产品而言，低端型采用的往往是8位单片机。

但是随着技术的发展，32位、64位的处理器逐渐成为工业控制设备的核心，在未来几年内必将获得长足的发展。

交通管理。在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌gps模块，gsm模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。gps设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几千元，就可以随时随地找到你的位置。

信息家电。这将称为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使你不在家里，也可以通过**线、网络进行远程控制。

在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地。

家庭智能管理。

水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高，更准确和更安全的性能。在服务领域，如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势。

pos网络。

公共交通无接触智能卡(contactless smartcard, csc)发行系统，公共**卡发行系统，自动售货机，各种智能atm终端将全面走入人们的生活，到时手持一卡就可以行遍天下。

环境工程与自然。

水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，**监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。在很多环境恶劣，地况复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。

机器人。嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化，高智能方面优势更加明显，同时会大幅度降低机器人的**，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。

这些应用中，可以着重于在控制方面的应用。就远程家电控制而言，除了开发出支持tcp/ip的嵌入式系统之外，家电产品控制协议也需要制订和统一，这需要家电生产厂家来做。同样的道理，所有基于网络的远程控制器件都需要与嵌入式系统之间实现接口，然后再由嵌入式系统来控制并通过网络实现控制。

所以，开发和**嵌入式系统有着十分重要的意义。

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