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 <p><h5>电脑嵌入式系统与嵌入式操作系统</h5></p><p id="26KKQ7TH"><strong>吴国发</strong></p><p id="26KKQ7TI">初稿：2020年9月27日</p><p id="26KKQ7TJ">修改：2023年10月22日</p><p id="26KKQ7TK"><strong>内容提要</strong>：这是一篇高级科普文章，具备电脑基本知识的读者才能够看懂本文。文章简明扼要地介绍电脑嵌入式系统的基本概念、发展阶段、嵌入式硬件的种类、嵌入式软件的种类，再具体介绍嵌入式操作系统的概念和种类。</p><p id="26KKQ7TL"><strong>关键词</strong>：嵌入式系统 微处理器 微控制器 操作系统 Linux</p><p id="26KKQ7TM"><strong>（一）电脑嵌入式系统的基本概念</strong></p><p id="26KKQ7TN"><strong>嵌入式系统</strong>是以应用为中心，以计算机技术为基础，能够根据用户需求(功能、可靠性、成本、体积、功耗、环境等)灵活裁剪软件硬件模块的<strong>专用电脑系统</strong>。</p><p id="26KKQ7TO">嵌入式系统由硬件和软件组成。嵌入式系统的软件包括操作系统、中间件和应用程序。嵌入式系统的硬件包括信号处理器、存储器、通信模块（输入输出接口）等。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2023%2F1022%2F5df4f327j00s2wvhw007kd000ky00esp.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/><br/></p><p id="26KKQ7TQ">相比于一般的计算机处理系统，各种嵌入式系统存在较大的差异性。嵌入式系统没有大容量的存储功能，因为没有与之相匹配的大容量存储介质。</p><p id="26KKQ7TR">嵌入式系统广泛用于工业控制、智能汽车、高端精密尖端仪器、智能手机、智能家用电器、武器装备（如坦克、导弹、雷达）等，如下图所示：</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2023%2F1022%2F6ae31345j00s2wvit005rd000hh00cxp.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/><br/></p><p id="26KKQ7TU"><strong>（二）嵌入式系统的发展阶段</strong></p><p id="26KKQ7TV"><strong>嵌入式系统</strong>的发展大致经历了以下<strong>三个阶段</strong>：</p><p id="26KKQ7U0"><strong>第一阶段</strong>：嵌入技术的早期阶段，<strong>无操作系统</strong>。嵌入式系统以单片机为核心的可编程控制器形式存在，具有监测、伺服、设备指示等功能。这种系统大部分应用于各类工业控制和坦克、飞机、导弹等武器装备中。</p><p id="26KKQ7U1"><strong>第二阶段</strong>：以高端嵌入式CPU和<strong>嵌入式操作系统</strong>为标志。这一阶段嵌入式系统的主要特点是计算机硬件出现了高可靠、低功耗的嵌入式CPU，如ARM、PowerPC等，而且支持操作系统和复杂应用程序的开发、运行。</p><p id="26KKQ7U2"><strong>第三阶段</strong>：以芯片技术和Internet（互联网）技术为标志。由于微电子技术迅速发展，<strong>SoC（片上系统）</strong>使嵌入式系统越来越小，功能却越来越多。目前大多数嵌入式系统还独立于互联网之外。今后，互联网技术将与工业控制技术、智能设备、智能家电等密切结合，很多嵌入式系统将与Internet（互联网）联结。</p><p id="26KKQ7U4"><strong>（三）嵌入式硬件系统的主要种类</strong></p><p id="26KKQ7U5">以下各节，我们讨论第三阶段嵌入式系统的类型和软件。</p><p id="26KKQ7U6">从硬件角度看，<strong>嵌入式系统</strong>主要有下列<strong>四种类型</strong>：</p><p id="26KKQ7U7"><strong>（</strong><strong>1</strong><strong>）嵌入式微处理器（</strong><strong>MicroProcessor Unit，</strong><strong>M</strong><strong>PU）</strong></p><p id="26KKQ7U8">现在的<strong>嵌入式微处理器</strong><strong>(MPU)</strong>是由通用计算机中的CPU演变而来的。它是具有32位以上的处理器。与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。</p><p id="26KKQ7U9">主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、<strong>PowerPC、</strong>68000、M<strong>IPS、</strong>A<strong>RM/</strong>StrongARM系列等。</p><p id="26KKQ7UA"><strong>（</strong><strong>2</strong><strong>）嵌入式微控制器（</strong><strong>MicrocontrollerUnit，</strong> <strong>MCU）</strong></p><p id="26KKQ7UB">早期的<strong>微控制器</strong>（Microcontroller Unit，<strong>MCU</strong>）是将一个计算机集成到一个芯片中，实现<strong>嵌入式应用</strong>，故又称<strong>单片机</strong>（single chip microcomputer）。</p><p id="26KKQ7UC"><strong>单片机</strong><strong>是</strong>一种集成电路<strong>芯片</strong>，是构成一台微型计算机的<strong>主机</strong>。与微型计算机相比，单片机只缺少了I/O（输入/输出）设备。</p><p id="26KKQ7UD">与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。微控制器适合于实时控制，因此称为微控制器。</p><p id="26KKQ7UE">MCU拥有的品种最多。比较有代表性的MCU有<strong>Intel8051、</strong>MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68000系列，以及8XC930/931、C540、C541，并且还有支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。</p><p id="26KKQ7UF"><strong>（</strong><strong>3</strong><strong>）嵌入式</strong><strong>DSP</strong><strong>处理器</strong><strong>(Embedded Digital Signal Processor</strong><strong>，</strong> <strong>EDSP)</strong></p><p id="26KKQ7UG"><strong>DSP（数字信号处理器）</strong>是专门用于信号处理方面的处理器。它具有很高的编译效率和指令执行速度，能够极快地进行离散时间信号处理。</p><p id="26KKQ7UH">应用最广的DSP是TI（德州仪器）的TMS320C2000/C5000系列和Motorola（摩托罗拉）的5600X系列；其次是Intel（英特尔）的MCS-296，Siemens（西门子）的TriCore，等等。</p><p id="26KKQ7UI"><strong>（</strong><strong>4</strong><strong>）嵌入式片上系统</strong><strong>(System OnChip)</strong></p><p id="26KKQ7UJ">嵌入式<strong>片上系统(SoC)</strong>是具有很大包容性的集成器件。SoC最大的特点是实现了软硬件无缝结合，直接<strong>在处理器片内嵌入操作系统的代码模块</strong>。</p><p id="26KKQ7UK">比较典型的SoC产品是Philips（菲利普）的Smart XA。其它的SOC有Siemens（西门子）的TriCore，Motorola（摩托罗拉）的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片，等等。</p><p id="26KKQ7UM"><strong>（四）嵌入式软件系统的概念</strong></p><p id="26KKQ7UN"><strong>（</strong><strong>A</strong><strong>）嵌入式软件系统的基本概念</strong></p><p id="26KKQ7UO">嵌入式软件系统的组成如下：</p><p id="26KKQ7UP">（1）系统软件，包括<strong>操作系统</strong>（系统软件的核心）、中间件等，用于控制、管理微系统的资源；</p><p id="26KKQ7UQ">（2）支撑软件，辅助软件开发的工具，包括设计工具、仿真工具、测试工具、维护工具等；</p><p id="26KKQ7UR">（3）应用软件，包括微系统在各个领域的应用软件。</p><p id="26KKQ7US"><strong>（</strong><strong>B</strong><strong>）嵌入式操作系统的基本概念</strong></p><p id="26KKQ7UT"><strong>嵌入式操作系统</strong>（EmbeddedOperating System，E<strong>OS）</strong>是指用于嵌入式系统的操作系统。嵌入式操作系统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。</p><p id="26KKQ7UU">嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软件、硬件资源的分配，任务调度，控制、协调系统的活动。</p><p id="26KKQ7UV">EOS能够通过装入某些模块来实现增加的功能。</p><p id="26KKQ7V0">嵌入式操作系统大多数是<strong>实时操作系统（</strong><strong>RTOS</strong><strong>）</strong>。</p><p id="26KKQ7V1"><strong>手机操作系统都是嵌入式操作系统</strong>。</p><p id="26KKQ7V2"><strong>（</strong><strong>C</strong><strong>）嵌入式实时操作系统</strong><strong>(RTOS)</strong></p><p id="26KKQ7V3">嵌入式实时操作系统（Real Time Operating System，<strong>RTOS</strong>）能够在指定或确定的时间内完成实时系统的功能。RTOS标准的内核是一段嵌入在目标代码中的程序，系统复位后首先执行。RTOS相当于用户的主程序，其它程序都建立在RTOS之上。</p><p id="26KKQ7V4"><strong>RTOS的特性</strong>如下：</p><p id="26KKQ7V5">Ø 具有实时性、并行性、多路性和交互性；</p><p id="26KKQ7V6">Ø 具有约束性，包括时间约束、资源约束、执行顺序约束等；</p><p id="26KKQ7V7">Ø 具有可预测性，其执行时间和结果是可预测的；</p><p id="26KKQ7V8">Ø 具有可靠性。</p><p id="26KKQ7VA"><strong>（五）嵌入式操作系统的发展阶段</strong></p><p id="26KKQ7VB">嵌入式操作系统的发展经历了下列四个阶段：</p><p id="26KKQ7VC">第一阶段：无操作系统阶段，20世纪70年代；嵌入式系统的硬件以51单片机为代表。</p><p id="26KKQ7VD">第二阶段：简单操作系统阶段，20世纪80年代；嵌入式系统的硬件是超大规模集成电路(VLSI)。</p><p id="26KKQ7VE">第三阶段：实时操作系统阶段，20世纪90年代；实时、多任务系统是嵌入式操作系统的主流；嵌入式系统的硬件仍然是超大规模集成电路(VLSI)。</p><p id="26KKQ7VF">第四阶段：面向Internet阶段，可以使用Java开发；系统软件有嵌入式数据库、实时CORBA等，有完善的开发平台。</p><p id="26KKQ7VH"><strong>（六）国际上常用的通用嵌入式操作系统</strong></p><p id="26KKQ7VI">国际上的嵌入式操作系统（EOS）有50种左右。国际上广泛使用的通用嵌入式操作系统如下：</p><p id="26KKQ7VJ">Ø Palm OS，通用EOS，由3Com公司下属子公司开发，<strong>占全球市场份额高达50%</strong>。在美国市场，Palm OS更以<strong>80%</strong>的占有率，遥遥领先。</p><p id="26KKQ7VK">ØWindows Embedded，微软公司开发，在美国的市场占有率很高，仅次于Palm OS。</p><p id="26KKQ7VL">ØVxWorks，实时操作系统，由美国WindRiver 公司开发。</p><p id="26KKQ7VM">Ø µC/OS-III，实时操作系统，由Micrium公司开发，开源。</p><p id="26KKQ7VN">Ø 嵌入式Linux，种类很多，其小型化版是μCLinux，开源。</p><p id="26KKQ7VO">Ø 专用于手机和平板电脑的Android（安卓），谷歌公司开发，开源。</p><p id="26KKQ7VP">Ø 专用于苹果公司手机的iOS，苹果公司开发，只适用于苹果公司产品。</p><p id="26KKQ7VQ">上述<strong>操作系统全部是美国</strong><strong>的企业和研究机构</strong><strong>开发的。</strong></p><p id="26KKQ7VR">华为公司的<strong>鸿蒙系统（HarmonyOS）</strong>专用于华为公司的手机、平板电脑、自动驾驶汽车和其它智能产品。</p><p id="26KKQ7VT"><strong>（七）嵌入式Linux系统的特点</strong></p><p id="26KKQ7VU"><strong>嵌入式Linux</strong>是把Linux操作系统进行剪裁、修改，使之能够在嵌入式系统运行的操作系统。</p><p id="26KKQ7VV">嵌入式Linux具有如下特点：</p><p id="26KKQ800">Ø 嵌入式Linux的源代码完全开放，不存在“后门”和黑箱技术。</p><p id="26KKQ801">Ø 嵌入式Linux内核小（最小者只有134KB），效率高；内核可以任意剪裁。</p><p id="26KKQ802">Ø 嵌入式Linux可移植性好，已经被移植到20多种CPU架构，包括x86、ARM、MIPS、IA64、AVR32、M68K、S390等。</p><p id="26KKQ803">Ø 嵌入式Linux都是免费的操作系统，在价格上具有很强的竞争力。</p><p id="26KKQ804">Ø 全世界有超过1000名Linux专家级的“义工”，免费为嵌入式Linux提供技术支持。</p><p id="26KKQ805">嵌入式Linux主要有下列三种类型：</p><p id="26KKQ806">（1）专门为嵌入式特性设计的Linux，其内核很小、移植性很好；</p><p id="26KKQ807">（2）专门为实时性设计的Linux，其可控性好，实时功能强；</p><p id="26KKQ808">（3）把嵌入式特征和实时性特征结合起来而设计的Linux，提供集成开发方案。</p><p id="26KKQ80A"><strong>（八）嵌入式Linux系统的发行版</strong></p><p id="26KKQ80B">有代表性的嵌入式Linux操作系统发行版有下列六种：</p><p id="26KKQ80C">（1）μClinux，适用于简单的微控制器嵌入式系统，内核很小；由美国Lineo公司开发。</p><p id="26KKQ80D">（2）RT-Linux，适用于实时控制，是实时Linux的代表；由美国墨西哥理工学院开发。</p><p id="26KKQ80E">（3）Embedix，适用于复杂的嵌入式系统，具有调试工具包、图形界面浏览器等，是完整的嵌入式Linux解决方案；由美国Luneo公司开发。</p><p id="26KKQ80F">（4）QUARK（夸克），由美国网虎公司（XLinux）开发，是目前<strong>全世界最小的</strong><strong>Linux</strong>，内核只有143KB。QUARK不仅具有标准字符集，而且含有12个国家和地区的字符集，适合于国际性应用。</p><p id="26KKQ80G">（5）Mizi Linux，内核小（512KB）；集成了网络服务器Apache和数据库管理系统MySQL；配备了功能很强的SDK开发平台。由<strong>韩国</strong>Mizi公司开发。</p><p id="26KKQ80H">（6）MidoriLinux，功能强、适用性广的嵌入式操作系统；不仅操作系统免费，而且提供免费的开发工具和应用程序包；由美国Monta Vista公司开发。</p><p id="26KKQ80I">上述六种嵌入式Linux发行版，除了MiziLinux是韩国企业开发的外，五种都是美国企业和大学开发的。</p><p id="26KKQ80J">中科红旗软件技术有限公司开发了<strong>红旗嵌入式Linux</strong>，没有得到普遍应用。</p>