嵌入式操作系统的研究现状及发展趋势

维普资讯 http://www.cqvip.com Ｖｏ１．２４，Ｎｏ．５　Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｏｃｔ．２００２　嵌入式操作系统的研究现状及发展趋势　高伟华，杨子军　（哈尔滨电力职业高等技术学院，黑龙江哈尔滨１５００３０）　摘　要：总结了嵌入式操作系统及嵌入式系统工业开发的特点。概括了嵌入式操作系统的发展和现状。介　绍了目前常见的嵌入式操作系统及其实现技术。　关键词：嵌入式系统；嵌入式操作系统；ｎｎｕｘ；ＲＴＯＳ　中图分类号：ＴＰ３１６　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００２—１６６３（２００２）０５—０３８３—０４　Ｓｔａｔｕｓ　Ｑｕｏ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＧＡＯ　Ｗｅｉ・ｈｕａ，ＹＡＮＧ　Ｚｉ－ｊｕｎ　（Ｈａｒｂｉｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈａｒｂｉｎ　１　５００３０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｒｅ　ｓｕｍｍｅｄ　ｕｐ，ｔｈｅ　ｓｔａｔｕｓ　ｑｕｏ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｉｎ　ｇｅｎｅｒａｌ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｃｏｍｍｏｎｌｙ　ｓｅｅｎ　ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈ・　ｎｉｑｕｅｓ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ；ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ；ｌｉｎｕｓ；ＲＴＯＳ　从２Ｏ世纪７Ｏ年代初出现第一个微处理器开　始，嵌入式系统的发展已经有２Ｏ余年的历史了。　随着计算机技术和产品对其它行业的广泛渗透，　以应用为中心的分类方法变得更为切合实际，也　着嵌入式系统的发展出现的，它是嵌入式系统发　展到一定阶段的产物。嵌入式操作系统的出现，　将大大提高嵌入式系统开发的效率，改变以往嵌　入式软件设计只能针对具体的应用从头做起。在　嵌入式操作系统之上开发嵌入系统将减少系统开　发的工作量，增强嵌入式应用软件的可移植性，使　嵌入式系统的开发方法更具科学性。　就是按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用将其　分为嵌入式计算机和通用计算机。通用计算机具　有计算机的标准形式，通过装配不同的应用软件，　以类同面目出现并应用在社会的各个方面，其典　型产品为Ｐｃ；而嵌入式计算机则是以嵌入式系统　的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。嵌入式　系统将在“后ＰＣ”时期大显身手。嵌入式系统是　根据应用的要求，将操作系统和功能软件集成于　１　嵌入式系统　嵌入式系统的定义是以应用为中心，以计算　机技术为基础，软件硬件可裁剪、适应应用系统对　功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计　算机系统。嵌入式计算机在应用数量上远远超过　计算机硬件系统之中，从而实现软件与硬件一体　化的计算机系统。嵌入式系统一般不提供与终端　用户交互的手段，具有小巧、高度自动化、响应速　度快等特点。　作为嵌入式系统灵魂的嵌入式操作系统是随　收稿日期：２００２—０４—１９。　了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设备　中就包含了５～１Ｏ个嵌入式微处理器，键盘、鼠　标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、Ｍｏｄｅｍ、网卡、声　卡、打印机、扫描仪、数字相机、ＵＳＢ集线器等均是　由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、　作者简介：高伟华（１９６７一），女，１９９０年毕业于北京师范学院，现　通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装　备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用　在哈尔滨工业大学攻读计算机专业研究生，高级讲师。　・－－——３８３．－－——　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２４卷第５期　黑龙江电力　２００２年１Ｏ月　领域。嵌入式系统是先进的计算机技术、半导体　技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合的　产物，这就决定了它必然是一个技术密集、资金密　集、高度分散、不断创新的知识集成系统。今天嵌　入式系统带来的工业年产值已超过了ｌ万亿美　元。　２　嵌入式操作系统特征　嵌入式操作系统并不是简单嵌入的操作系　统，它与通常意义上的操作系统有一定的区别。　嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬资　源的分配、调度工作，控制协调并发活动，它必须　体现所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来　达到系统所要求的功能。嵌入式操作系统具有如　下一些特征：　ａ．小巧。嵌入式系统所能够提供的资源有　限，所以嵌入式操作系统必须做到小巧以满足嵌　入式系统硬件的限制。　‘　ｂ．实时性。大多数嵌入式系统工作在实时性　要求很高的环境中，这就要求嵌入式操作系统必　须将实时性作为一个重要的指标来考虑。在信息　时代，人们必须在有效的时间内对收到的信息进　行处理，从而为进一步的决策分析争取时间。所　以，嵌入式操作系统必须体现一定的实时性。　ｃ．可装卸。由于嵌入式系统需要根据应用的　要求进行装卸，所以嵌入式操作系统也必须能够　根据应用的要求进行装卸，去掉多余的部分，或者　简化相应的模块。这些特征在嵌入式系统的模块　划分中必须事先考虑周全。　ｄ．固化代码。在嵌入式系统中嵌入式操作系　统和应用软件被固化在嵌入式系统计算机的　ＲＯＭ中。辅助存储器在嵌入式系统中使用很少，　因此，嵌入式操作系统的文件管理功能应该能够　很容易地拆卸，取而代之的是各种内存文件系统。　ｅ．弱交互性。大多数嵌入式系统的工作过程　不需要人的干预。嵌入式操作系统的用户接口一　般不提供操作命令，它通过系统调用命令向用户　程序提供服务。　ｆ．强稳定性。嵌入式系统一旦开始运行，就　不需要过多的干预。在这种条件下，要求负责系　统管理的嵌入式操作系统具有较高的稳定性。　ｇ．统一的接口．随着各种各样的嵌入式操作　系统的出现，人们有必要为嵌入式系统提供的接　口进行约定，从而为嵌入式应用软件的设计者提　供统一的服务接口，为嵌入式应用软件的运行提　供平台的无关性。　３　嵌入式操作系统实现技术　目前，许多功能较强的嵌入式操作系统不断　涌现出来，这些操作系统各有特色，我们可以从这　些嵌入式操作系统开发的思路中得到启发，找到　解决嵌入式系统设计过程中所遇到困难的办法，　从而看到嵌入式操作系统未来发展的趋势。　３．１主机、目标机体系结构　主机、目标机体系结构是现在许多嵌入式操　作系统采用的设计方法，它是相对于开发过程而　言的。由于嵌入式开发的工具比较欠缺也难以掌　握，嵌入式系统的开发相对来说，难度较大。主　机、目标机的体系结构是将开发工具放在主机上，　将操作系统的核心模块放在目标机上，操作系统　提供对跟踪调试进行支持的手段。开发者可以在　目标机上运行操作系统和应用软件，在主机上进　行开发和调试，方便了开发过程。　３．２模块划分　嵌入式系统的应用范围很广。用于不同目的　的嵌入式系统往往在功能、结构上有很大的差别。　这就决定了用于系统的嵌入式操作系统也有着很　大的区别，也就要求嵌入式操作系统的设计应该　在系统功能与结构的划分上有着特殊的考虑，使　得嵌入式操作系统具有很强的灵活性和适应性。　现在，嵌入式操作系统的发展有一个总的趋势就　是增强操作系统的模块性。其具体做法就是将操　作系统核心的一些功能独立出来，做成单独的能　够很方便拆卸的模块。　３．３　Ｌｉｎｕｘ在嵌入式操作系统的应用　在软件技术高度发达的今天，从头设计一个　操作系统不是一件容易完成的工作，而利用现有　资源进行设计可以大大减少操作系统开发的工作　量。ＲＴ—Ｌｉｎｕｘ是利用自由软件Ｌｉｎｕｘ进行开发　的嵌入式操作系统。　ＲＴ—Ｌｉｎｕｘ（Ｒｅａｌ—Ｔｉｍｅ　Ｌｉｎｕｘ）Ｌ９ｌ是美国新　墨西哥州的ＳＥＭ实验室开发的面向实时和嵌入　式应用的操作系统。考虑到Ｌｉｎｕｘ作为实时嵌入　式应用的不足和直接在ＬｉｎＬ，ｘ源码之上修改的难　度，ＲＴ—Ｌｉｎｕｘ实现了　个小巧的实时内核以代　替Ｌｉｎｕｘ的核心。ＲＴ—Ｌｉｎｕｘ将Ｌｉｎｕｘ内核作为　新内核的一个具有最低优先级的任务运行，它可　以被其它的高优先级任务强占处理机。ＲＴ—　Ｌｉｎｕｘ的内核仅负责实时任务调度、中断处理等，　ＲＴ—Ｌｉｎｕｘ的这种实现方式，使它既具有Ｌｉｎｕｘ的　稳定性又可以很容易地跟着Ｌｉｎｕｘ升级。ＲＴ—　Ｌｉｎｕｘ的优点在于：ＲＴ—Ｌｉｎｕｘ是开放源码的操作　．．．．——３８４．．．．——　维普资讯 http://www.cqvip.com Ｖｏ１．２４，Ｎｏ．５　Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　４．３　ＱＮＸ　Ｏｃｔ．２００２　系统，使用者可以根据需要进行修改，这是许多程　序员所期望的。开放源码的另外一个好处就是使　ＱＮＸ是Ｑｕａｎｍｎ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｓｙｓｔｅｍ公司研制的　用者可以借助ＲＴ—Ｌｉｎｕｘ众多的网上资源和在线　开发，方便地获得所需要的技术支持。ＲＴ—Ｌｉｎｕｘ　享用Ｌｉｎｕｘ提供的服务，Ｌｉｎｕｘ的程序员可以很快　熟悉其运行环境，掌握其开发工具。　类似公开源码的操作系统还有ｃｙｇｎｕｓ的　ｅＣｏｓｏ　基于Ｐｃ的实时多任务的、可扩展的操作系统，它　具有微内核结构，核内仅有任务调度、中断管理、　下层网络功能和进程通信模块。其他功能，如文　件系统和设备驱动，都运行于用户空间。ＱＮＸ有　很好的安全性、裁剪性，用户可根据需要选择其中　一些组件来定制操作系统。　３．４　ＡＰＩ标准的制定　４．４　Ｈｏｐｅｎ’　为方便用户的使用，嵌入式操作系统应该增　强操作系统的透明性，实现操作系统的无关性。　国内开发的Ｈｏｐｅｎ是一个按嵌入式系统要　求设计的操作系统，它是由一个很小的内核及一　些根据需要进行定制的系统模块组成。该系统在　处理中文及联网方面都很有特色。　４．５　ＲＴＯＳ　其解决方案就是给用户提供标准、实用的应用程　序接口（ＡＰＩ）。过去，嵌入式系统的开发者直接　套用ＰＯＳＩＸ标准，使得系统过于庞大，失去了系　统小巧的特征。现在，一些公司正制定适合嵌入　式应用的标准，如：Ｃｙｇｎｕｓ公司正在制定的ＥＬ／ＩＸ　应用程序接口标准，将为嵌入式应用程序的开发　提供统一的标准。ＥＬ／ＩＸ是一个逐步完善的标　准，它以ＰＯＳＩＸ标准为基础，采用开放源码的方　式向外发行。　嵌入式系统中的软件通常基于一个小的操作　系统，又称实时操作系统　ＲＴＯＳ是一段嵌入在目标代码中的软件，用　户的其它应用程序都建立在ＲＴＯＳ之上。不但如　此，ＲＴＯＳ还是一个可靠性和可信性很高的实时　内核，将ＣＰＵ时间、中断、Ｉ／０、定时器等资源都包　装起来，留给用户一个标准的ＡＰＩ，并根据各个任　务的优先级，在不同任务之间合理地分配ＣＰＵ时　间。ＲＴＯＳ是针对不同处理器优化设计的高效率　４　不同的嵌入式操作系统的特点　嵌人式ＯＳ比ＰＣ的ＯＳ相对简单，但由于各　种嵌人式系统产品中包含不相同的特殊需求，致　使这类系统中使用的ＯＳ不下几百种，如Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ、Ｐａｌｍ　ＯＳ、ＶｘＷｏｒｋ、ＰＳＯＳ、ＵＮＸ、ＰｏｗｅｒＴＶ、　实时多任务内核，优秀商品化的ＲＴＯＳ可以面对　几十个系列的嵌人式处理器ＭＰＵ、ＭＣＵ、ＤＳＰ、　ＳＯＣ等提供类同的ＡＰＩ接口，这是ＲＴＯＳ基于设　备独立的应用程序开发基础。因此，基于ＲＴＯＳ　上的Ｃ语言程序具有极大的可移植性。据专家　ＪａｖａＯＳ、ＬｙｎｘＯＳ、Ｎｕｃｌｅｕｓ等。至今仍有５０％的开　发者使用自行开发的ＯＳ。相比之下，操作系统　Ｌｉｎｕｘ以其特有的开放性、与生俱来的网络特性有　可能成为嵌人式操作系统的主流之一。目前，嵌　入式Ｌｉｎｕｘ在国内已引起注意，但在国外已处于　研究与应用的初级阶段。下面对一些ＯＳ各自的　测算，优秀ＲＴＯＳ上跨处理器平台的程序移植只　需要修改１％一５％的内容。在ＲＴＯＳ基础上可以　编写出各种硬件驱动程序、专家库函数、行业库函　数、产品库函数，和通用性的应用程序一起，可以　作为产品销售，促进行业内的知识产权交流，因　此，ＲＴＯＳ又是嵌人式系统的软件开发平台。　特点进行分析介绍。　４．１　Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ　Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ是一种３２位的多任务操作系　统，它经过压缩，可以移植，能够开发适合多种企　业和客户需要的设备。由于它是微软公司的“维　纳斯计划”的核心，包含了Ｉｎｔｅｍｅｔ　Ｅｘｐｌｏｒｅｒ的版　ＲＴＯＳ最关键的部分是实时多任务内核，它　的基本功能包括任务管理、定时器管理、存储器管　理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队　列管理、旗语管理等，这些管理功能是通过内核服　务函数形式交给用户调用的，也就是ＲＴＯＳ的　ＡＰＩ。　４．６　Ｌｉｎｕｘ　本，可以和Ｉｎｔｅｍｅｔ实现连接，同步交换信息。如　果开发者能熟悉Ｗｉｎｄｏｗｓ开发环境，可以基于　Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ开发出很好的应用程序。　４．２　ｊｉｎｉ　Ｌｉｎｕｘ由于它作为服务操作系统，其功能的增　强已引起了业界的注意。Ｌｉｎｕｘ也逐渐应用于工　作站及桌面ＰＣ。同样，Ｌｉｎｕｘ也因为它服务器ＯＳ　的特性而成为一个智能型嵌人式设备的理想操作　系统。　Ｊｉｎｉ是建立在ＪＡＶＡ基础上的系统，特点是独　立于平台之上，可以“一次编程、到处执行”，它可　以实现传统的和非传统的联网器件间的相互对　话。　．．．——３８５．．．——　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２４卷第５期　黑龙江电力　２００２年１０月　作为嵌入式软件系统的一种新选择，Ｌｉｎｕｘ有　如下的一些优点：　的完整源代码，使整体开发、维护的费用很低。　ａ．技术上具有先进性、健壮性和安全性。　ｂ．优秀的开发平台：使用ＰＯＳＩＸ标准兼容的　应用编程接口，以及使用优异的ＧＮＵ　Ｃ／Ｃ＋＋编　译器。　５　结束语　嵌入式操作系统是嵌入式系统产品的灵魂，　它是健壮的、低成本的、特性完备的操作系统。具　有巨大的市场潜力和广阔的应用需求。嵌入式操　作系统技术及其产品必将得到更广泛的应用。　ｃ．它是一个多任务系统，可应付成千上万的　工作。　ｄ．能用于许多硬件平台，广泛支持网络、文　在电力系统，嵌入式操作系统可应用于热工　仪表、机、炉、电等方面的数据采集，使相应的控制　设备小巧精致，减少分离元件的使用，降低了控制　的复杂程度，提高了系统运行的安全可靠性。　（编辑许辰瑛）　件系统以及通信协议。　ｅ．获得了广泛的硬件及软件应用支持。　ｆ．在Ｉｎｔｅｍｅｔ有大量热心的开发者。　ｇ．对规模小一些的公司，关键的一条是：免费　（上接第３８２页）　然伊锦线零序Ⅳ段没有出口，因此可以判定和　３　门槛有关。有过上次的经验教训又经过类似　上次的检验，发现３　门槛仍然高达１．８～１．９　Ｖ，　停电范围，又提高了稳定性。　问题是零序Ⅳ段退出３　突变量闭锁值后，　再退出方向闭锁，在发生ＣＴ二次回路断线后，易　造成灵敏的零序Ⅳ段误动。为此，在退出方向后　的零序末段保护，应对运行人员进行技术交代，每　次合切开关后，投入该运行线路保护前，无论二次　回路是否有过作业，均应先停用零序Ⅳ段压板，待　保护自检及手动采样分析正常后，方可投入零序　Ⅳ段保护压板。　使实际故障时ＷＸＨ一１１／Ｅ保护３　无法越过门　槛。而说明书中称投入零序方向后，其方向元件　最小动作电压仅为１　Ｖ固定，与实际相差较大，返　回来再校验主变的１１０　ｋＶ零序功率方向继电器　（ＢＧ一１３Ｂ型），其最小动作电压为１．３　Ｖ，实际故　障时３　正好大于该主变零序功率继电器门槛，　而小于１１０　ｋＶ伊锦线ＷＸＨ一１１／Ｅ零序保护门　槛，因此主变零序保护可以正常出口，而１１０　ｋＶ　伊锦线ＷＸＨ一１１／Ｅ零序保护不能出口。经过分　析，认为应该改变１　１０　ｋＶ系统零序保护必须经方　向控制的原则，尤其是联网线路应选择零序末段　退出方向的方法，避免长时间的故障不能切除引　起振荡或越级，在拒动与误动之间应选择误动，何　４　建议　鉴于投入零序方向的１１型微机保护固有闭　锁值偏高，建议厂家将版本升级，在原方向元件投　入基础上，以或关系并人可以反映任何故障类型　的工频变化量方向原理继电器。该工频变化量继　电器具有明确的方向性，方向元件具有不受负荷　电流影响、躲振荡和抗过渡电阻能力强等诸多优　况零序末段退出方向并不一定意味着误动。例如　图２退出方向的１１０　ｋＶ伊锦线零序Ⅳ段，从时间　上可以避开相邻线路的出口故障，同时２２０　ｋＶ系　统均有全线速动的高频保护，况且可在１１０　ｋＶ总　点，应是弥补目前１　１型微机保护方向元件存在死　区缺陷的可行方案。　（编辑徐秋菊）　授零序Ⅱ段动作前切除联网电源，既避免了扩大　广告目次　七台河第一发电有限责任公司…………………………………………………………………………封１　鸡西供电公司…………………………………………………………………………………封２；广１，２，３　黑龙江省电力有限公司科技成果………………………………………………………………广４，５，６，７　许继集团有限公司………………………………………………………………………………………广８　黑龙江电通自动化有限公司……………………………………………………………………………封３　龙电集团…………………………………………………………………………………………………封４　．．．——３８６．．．—．