嵌入式處理器和嵌入式操作系統

1.2.1 嵌入式微處理器
??? 嵌入式微處理器有許多種流行的處理器核，芯片生產廠家一般都基于這些處理器核生產不同型號的芯片。本節將主要介紹以下幾種嵌入式處理器的架構，以及典型芯片制造商生產的芯片型號。
1. ARM／StrongARM
ARM(Advanced RISC Machines)公司是全球領先的16/32位RISC微處理器知識產權設計供應商。
ARM公司通過轉讓高性能、低成本、低功耗的RISC微處理器、外圍和系統芯片設計技術給合作伙伴，使他們能用這些技術來生產各具特色的芯片。
ARM已成為移動通信、手持設備、多媒體數字消費嵌入式解決方案的RISC標準。
ARM處理器有三大特點：
小體積、低功耗、低成本而高性能；16/32位雙指令集；全球的合作伙伴眾多。
2. MIPS
MIPS是Microprocessor without Inter---locked Pipeline Stages的縮寫，是一種處理器內核標準，它是由MIPS技術公司開發的。
MIPS技術公司是一家設計制造高性能、高檔次的嵌入式32位和64位處理器的廠商，在RISC處理器方面占有重要地位。
2000年，MIPS 公司發布了針對MIPS 32 4Kc的新版本以及未來64位MIPS 64 20Kc處理器內核。
MIPS技術公司既開發MIPS處理器結構，又自己生產基于MIPS的32位／64位芯片。
為了使用戶更加方便地應用MIPS處理器，MIPS公司推出了一套集成的開發工具，稱為MIPSIDF(Integrated Dev--elopment Framework)，特別適用于嵌入式系統的開發。
3. PowerPC
??PowerPC架構的特點是可伸縮性好，方便靈活。PowerPC處理器品種很多，既有通用的處理器，又有嵌入式控制器和內核，應用范圍非常廣泛，從高端的工作站、服務器到桌面計算機系統，從消費類電子產品到大型通信設備等各個方面。
目前PowerPC獨立微處理器與嵌入式微處理器的主頻從25MHz~700MHz不等，它們的能量消耗、大小、整合程度、價格差異懸殊，主要產品模塊有主頻350MHz~700MHz PowerPC 750CX和750CXe以及主頻400MHz的PowerPC 440GP等。
嵌入式的PowerPC 405(主頻最高為266MHz) 和PowerPC440 (主頻最高為550MHz) 處理器內核可以用于各種集成的系統芯片(SOC)設備上，在電信、金融和其它許多行業具有廣泛的應用。
4. x86
x86系列處理器是我們最熟悉的了，它起源于Intel架構的8080,再發展出286、386、486，直到現在的Pentium4、Athlon和AMD的64位處理器Hammer。從嵌入式市場來看，486DX是當時和ARM、68K、MIPS和SuperH齊名的五大嵌入式處理器之一，8080是第一款主流的處理器。
今天的Pentium和當初的8080使用相同的指令集，這有利也有弊，利是可以保持兼容性，至少10年前寫的程序在現在的機器上還能運行；弊是限制了CPU性能的提高。
5. 68K/Cold fire
??Motorola 68000(68K) 是出現得比較早的一款嵌入式處理器，68K采用的是CISC結構，與現在的PC指令集保持了二進制兼容。
????????? CISC是個人電腦CPU常用的，Intel、AMD、VIA都采用了CISC指令集，只有Apple電腦中的Power PC使用了RISC架構。最初使用CISC指令集是有道理的，因為CISC指令數量少，執行效率更高，而且當時的CPU時鐘頻率不同，沒有牽涉到現在的超標量和超流水線的問題。
???? RISC是精簡指令集，每條指令長度都一樣，有利于簡化譯碼結構，減少處理器的晶體管數量，這對于嵌入式處理器來說是很重要的。
1994年，Motorola又推出了基于RISC結構的68K/Cold Fire系統微處理器。
目前基于該架構的嵌入式微處理器主要有MCF5272，它基于第二代ColdFire V2核心，在66MHz下操作速度為63Dhrystone 2.1MIPS，是迄今最高的V2性能。

1.2.2 嵌入式操作系統
下面介紹國外和國內常用的實時操作系統。
1. 國外著名的實時操作系統
國外實時操作系統已經從簡單走向成熟，有代表性的產品主要有VxWorks，QNX，Palm OS，Windows CE等，占據了機頂盒、PDA等的絕大部分市場。
其實，實時操作系統并不是一個新生的事物，從20世紀80年代起，國際上就有一些IT組織、公司開始進行商用嵌入式系統和專用操作系統的研發。
(1) VxWorks
VxWorks操作系統是美國WindRiver公司于1983年設計開發的一種實時操作系統。VxWorks擁有良好的持續發展能力、高性能的內核以及良好的用戶開發環境，在實時操作系統領域內占據一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域中，如衛星通信、軍事演習、導彈制導、飛機導航等。
?在美國的F-16、FA-18戰斗機，B-2隱形轟炸機和愛國者導彈上，甚至連1997年4月在火星表面登陸的火星探測器上也使用了VxWorks。它是目前嵌入式系統領域中使用最廣泛、市場占有率最高的系統。它支持多種處理器，如x86，i960，Sun Sparc，Moto--rola MC68xxx，MIPS RX000，Power PC， ARM ， StrongARM等。大多數的VxW---orksAPI是專有的。
(2) QNX
QNX是一個實時的、可擴充的操作系統；它部分遵循POSIX相關標準，如POSIX.1b 實時擴展；它提供了一個很小的微內核以及一些可選的配合進程。
其內核僅提供4種服務：進程調度、進程間通信、底層網絡通信和中斷處理，其進程在獨立的地址空間中運行。所有其他操作系統服務都實現為協作的用戶進程，因此QNX內核非常小巧(QNX4．x大約為12KB)，而且運行速度極快。這個靈活的結構可以使用戶根據實際的需求，將系統配置成微小的嵌入式操作系統或包括幾百個處理器的超級虛擬機操作系統。
POSIX 表示可移植操作系統接口(Portable Operating SystemInterface,縮寫為POSIX 是為了讀音更像UNIX)
電氣和電子工程師協會(IEEE）最初開發POSIX 標準,是為了提高UNIX 環境下應用程序的可移植性。
然而,POSIX 并不局限于UNIX.許多其它的操作系統,例如DEC OpenVMS 和Windows NT ,都支持POSIX標準,尤其是IEEE Std.1003.1-1990(1995 年修訂)或POSIX.1, POSIX.1 提供了源代碼級別的C 語言應用編程接口（API）給操作系統的服務程序,例如讀寫文件.
POSIX.1 已經被國際標準化組織(ISO)所接受，被命名為ISO/IEC 9945-1:1990 標準。
POSIX 現在已經發展成為一個非常龐大的標準族，某些部分正處在開發過程中。POSIX 與IEEE 1003 和2003 家族的標準是可互換的
(3) Palm OS
?3Com公司的Palm OS在掌上電腦和PDA市場上占有很大的市場份額。它有開放的操作系統應用程序接口(API)，開發商可以根據需要自行開發所需的應用程序。
?目前共有3500多個應用程序可以運行在Palm Pilot上。其中大部分應用程序均為其他廠商和個人所開發，使Palm Pilot的功能得以不斷增多。這些軟件包括計算器、各種游戲、電子寵物、地理信息等。在開發環境方面，可以在Windows 95/98/NT以及Macintosh下安裝Palm Pilot Desktop。 Palm Pilot可以與流行的PC平臺上的應用程序(如Word，Excel等)進行數據交換。
(4) Windows CE
??Microsoft Windows CE是從整體上為有限資源的平臺設計的多線程、完整優先權、多任務的操作系統。它的模塊化設計允許它對從掌上電腦到專用的工業控制器的用戶電子設備進行定制。操作系統的基本內核至少需要200KB的ROM。
(5) LynxOS
??Lynx Real-time Systems的LynxOS是一個分布式、嵌入式、可規模擴展的實時操作系統,它遵循POSIX.1a，POSIX.1b和POSIX.1c標準。
??LynxOS支持線程概念，提供256個全局用戶線程優先級；提供一些傳統的、非實時系統的服務特征，包括基于調用需求的虛擬內存， 一個基于Motif的用戶圖形界面，與工業標準兼容的網絡系統以及應用開發工具。
?Motif?是開放軟件基金（OSF）于1989年推出的一個圖形用戶界面系統。
由于它融合了多種圖形用戶界面產品中的優點，因此得到了?OSF?的所有成員及廣大第三方廠商的廣泛支持。
目前?Motif?已作為軟件產品在?OS/2、Unix、Sys?V、OSF/1、VMS、Macintosh?OS、Ultrix?等48中操作系統平臺上實現，并可在PC、工作站、小型機和大型機等各種計算機系統上運行。
為了講清楚?Motif?是什么概念.先講一下圖形用戶界面系統的層次結構（詳細的知識大家查閱），一般的圖形用戶界面系統由六個層次構成：桌面管理系統、用戶模型、窗口模型、顯示模型、操作系統、硬件平臺.Motif?位于用戶模型層.它建立在?X?Window?系統之上,也就是說它以?X?Window?系統做顯示模型的窗口模型。?
?Motif?由工具箱（Motif?Toolkit）、用戶界面語言（UI-L）、窗口管理程序（MWM）、風格指南文檔（Style?Guide）等四部分組成：
Motif?Toolkit?是一個具體的?X?Toolkit?產品，它包括?Xt?Intrinsics、Motif?對象元類集合和操縱這個對象元類集合的簡便函數等三個部分。
利用?Motif?開發的應用程序通常可分為兩個部分：一部分是有關應用程序界面的代碼；另一部分是關于應用程序具體功能的代碼。一般來說，應用程序中這兩個部分是不會相互干擾的。比如說菜單項位置的變動、標圖的更換就都不會影響應用程序的功能。基于上述事實，Motif?引入了用戶界面語言來解決用戶界面的描述問題。
3.象其他窗口管理程序一樣，Motif?的窗口管理程序提供了一個對屏幕上的窗口進行管理的手段，同時它頁強化了用戶界面視感的一致性.MWM?支持?Motif?風格指南所描述的各種窗口操作及顯示窗口時的各種約定。
4.Motif?的風格指南以文檔的形式說明了在?Motif?環境下開發應用程序時應遵守的規范。
(6) 嵌入式Linux
隨著Linux的迅速發展，嵌入式Linux現在已經有許多的版本，包括強實時的嵌入式Linux(如新墨西哥工學院的RT-Linux和堪薩斯大學的KURT-Linux)和一般的嵌入式Linux 版本(如uClinux和Pocket Linux等)。
其中，RT-Linux通過把通常的Linux任務優先級設為最低，而所有的實時任務的優先級都高于它，以達到既兼容通常的Linux任務又保證強實時性能的目的。
另一種常用的嵌入式Linux是uClinux，它是針對沒有MMU的處理器而設計的。它不能使用處理器的虛擬內存管理技術，它對內存的訪問是直接的，所有程序中訪問的地址都是實際的物理地址。它專為嵌入式系統做了許多小型化的工作。
由于嵌入式系統越來越追求數字化、網絡化和智能化，因此原來在某些設備或領域中占主導地位的軟件系統越來越難以為繼，因為要達到上述要求，整個系統必須是開放的、提供標準的API，并且能夠方便地與眾多第三方的軟硬件溝通。
Linux主要特點如下：
Linux是開放源碼的，不存在黑箱技術，遍布全球的眾多Linux愛好者又是Linux開發的強大技術后盾；
Linux的內核小、功能強大、運行穩定、系統健壯、效率高；
Linux易于定制裁剪，在價格上極具競爭力；
Linux不僅支持x86 CPU，還可以支持其他數十種CPU芯片；
有大量的且不斷增加的開發工具，這些工具為嵌入式系統的開發提供了良好的開發環境；
?Linux沿用了Unix的發展方式，遵循國際標準，可以方便地獲得眾多第三方軟硬件廠商的支持；
?Linux內核的結構在網絡方面是非常完整的，它提供了對十兆/百兆/千兆以太網、無線網絡、令牌網、光纖網、衛星網等多種聯網方式的全面支持。
在圖像處理、文件管理及多任務支持等諸多方面，Linux的表現也都非常出色，不僅可以充當嵌入式系統的開發平臺，本身也是嵌入式系統應用開發的好工具。
(7) uC/OS
uC/OS是源碼公開的實時嵌入式操作系統。
uC/OS-Ⅱ的主要特點如下：
公開源代碼，系統透明，很容易就能把操作系統移植到各個不同的硬件平臺上。
可移植性強，uC/OS-Ⅱ絕大部分源碼是用ANSI C寫的，可移植性 (Portable)較強。而與微處理器硬件相關的那部分是用匯編語言寫的，已經壓到最低限度，使得uC/OS-Ⅱ 便于移植到其他微處理器上。
可固化，uC/OS-Ⅱ是為嵌入式應用而設計的，這就意味著，只要開發者有固化(ROMable) 手段 (C編譯、連接、下載和固化) ，uC/OS-Ⅱ可以嵌入到開發者的產品中成為產品的一部分。
可裁剪，通過條件編譯可以只使用uC/OS-Ⅱ中應用程序需要的那些系統服務程序，以減少產品中的uC/OS-Ⅱ所需的存儲器空間 (RAM和ROM) 。
占先式，uC/OS-Ⅱ完全是占先式 (Preemptive) 的實時內核，這意味著uC/OS-Ⅱ總是運行就緒條件下優先級最高的任務。大多數商業內核也是占先式的，uC/OS-Ⅱ在性能上和它們類似。
實時多任務，uC/OS-Ⅱ不支持時間片輪轉調度法 (Round-roblin Scheduling) 。 該調度法適用于調度優先級平等的任務。
可確定性，全部uC/OS-Ⅱ的函數調用與服務的執行時間具有可確定性。
由于uC/OS-II僅是一個實時內核，這就意味著它不像其他實時操作系統那樣提供給用戶的只是一些API函數接口，有很多工作往往需要用戶自己去完成。
把uC/OS-Ⅱ移植到目標硬件平臺上也只是系統設計工作的開始，后面還需要針對實際的應用需求對uC/OS-Ⅱ進行功能擴展，包括底層的硬件驅動、文件系統、用戶圖形接口 (GUI) 等，從而建立一個實用的RTOS。
? 2. 國內著名的實時操作系統
??國內的實時操作系統研究開發有兩種類型。
??一類是中國自主開發的實時操作系統，如電子科技大學嵌入式實時教研室和科銀公司聯合研制開發的實時操作系統Delta OS (道系統) 、凱思公司的Hopen OS (女媧計劃) 、中科院北京軟件工程研制中心開發的CASSPDA以及浙江大學自行研制開發的嵌入式操作系統HBOS等；
??另一類是基于國外操作系統二次開發完成的，這類操作系統大多是專用系統，在此就不對這類系統進行介紹了。
(1) DeltaOS
DeltaOS是電子科技大學嵌入式實時教研室和科銀公司 (專門從事嵌入式開發) 聯合研制開發的全中文的嵌入式操作系統，提供強實時和嵌入式多任務的內核,任務響應時間快速、確定，不隨任務負載大小改變,絕大部分的代碼由C語言編寫，具有很好的移植性。
它適用于內存要求較大、可靠性要求較高的嵌入式系統，主要包括嵌入式實時內核DeltaCORE、嵌入式TCP/IP組件DeltaNET、嵌入式文件系統DeltaFILE以及嵌入式圖形接口DeltaGUI 等。
同時，它還提供了一整套的嵌入式開發套件LamdaTOOL，是國內嵌入式領域內不可多得的一整套嵌入式開發應用解決方案，已成功應用于通信、網絡、信息家電等多個應用領域。
(2) Hopen OS
Hopen OS是凱思集團自主研制開發的實時操作系統，由一個體積很小的內核及一些可以根據需要進行定制的系統模塊組成。其核心Hopen Kernel的規模一般為10KB左右，占用空間小，并具有實時、多任務、多線程的系統特征。
(3) EEOS
EEOS是中科院計算所組織開發的開放源碼的實時操作系統。該實時操作系統重點支持p-Java，要求一方面小型化，一方面能重用Linux的驅動和其他模塊。
中科院計算所將在2-3年內持續加大投資，以期將其擴展成能力強，功能完善，且穩定、可靠的嵌入式操作系統平臺。這包含E2實時操作系統、E2工具鏈及E2仿真開發環境的完整環境。
(4) HBOS
HBOS系統是浙江大學自主研制開發的全中文實時操作系統。它具有實時、多任務等特征，能提供瀏覽器、網絡通信和圖形窗口等服務；可供進行一定的定制或二次開發；能為應用軟件開發提供API接口支持；可用于信息家電、智能設備和儀器儀表等領域開發應用。
在HBOS系統平臺下，已經成功地開發出機頂盒和數據采集等系統。
3. 操作系統選擇
?表 1-1給出了幾種國內流行嵌入式操作系統比較。