1.3 嵌入式操作系統

1.3.1 嵌入式操作系統的概述

在計算機技術發展的初期由于計算機完成的功能專一，資源也比較有限，并沒有操作系統這個概念，就像我們今天編寫的簡單單片機程序一樣，幾個中斷加上個死循環就能解決問題。然而隨著計算機功能的增強，為了提高計算機資源的利用率，同時為用戶提供一個與計算機的接口，便出現了計算機監控程序（Monitor）用來監視計算機的軟件和硬件資源。隨著計算機技術的飛速發展，計算機的軟件和硬件資源越來越豐富，就對傳統的監控程序提出了更高的要求，因此在20世紀60年代中期監控程序發展成為了操作系統。

我們使用的Windows就是最流行的操作系統，操作系統是控制其他程序運行，管理系統資源并為用戶提供操作接口的系統軟件的集合。而嵌入式操作系統則是針對嵌入式應用的專用系統，如今最火的嵌入式操作系統莫過于Android了。

嵌入式操作系統是一種支持嵌入式系統應用的操作系統軟件，通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統內核、設備驅動接口、通信協議等。嵌入式操作系統通常具備通用操作系統的基本特點，如能夠把硬件虛擬化，使得開發人員能夠不用關心底層硬件，從繁忙的驅動程序移植和維護中解脫出來；能夠提供庫函數、標準設備驅動程序及工具集等。與通用操作系統相比較，嵌入式操作系統在系統實時高效性、硬件的相關依賴性以及應用的專用性等方面具有較為突出的特點。

1.3.2 常見的嵌入式操作系統

1.μC/OS

μC/OS和μC/OS-II是一個源碼公開、可移植、可固化、可裁剪及占先式的實時多任務操作系統。需要說明的是μC/OS和μC/OS-II只是一個實時操作系統內核，這也就意味著它并不像其他實時操作那樣可以給用戶提供一些API函數接口，很多工作需要設計者自己去完成，但是μC/OS和μC/OS-II已經廣泛用于8位、16位和32位單片機或數字信號處理器。它的主要特點如下：

（1）公開源代碼：方便不同硬件平臺的移植。

（2）可移植性：絕大部分源代碼使用C語言編寫，方便不同平臺的移植。

（3）可固化。

（4）可裁剪性：可以根據具體的應用和硬件資源配置有選擇地使用需要的系統服務，以減少所需的硬件資源要求。

（5）占先式：完全是占先式的實時內核，系統總是運行就緒條件下優先級最高的任務。

（6）多任務：最多可以管理64個任務，任務的優先級必須不同，不支持時間片輪轉調度法。

（7）可確定性：函數調用與服務的執行時間具有可確定性，與任務多少無關。

和其他嵌入式操作系統相比，μC/OS和μC/OS-II是一個輕量級的實時系統，由于它可移植性好的特點，在各種級別的嵌入式處理器上都有所應用。

2.嵌入式Linux

Linux是一個類似于UNIX的操作系統。它起源于芬蘭一個名為Linus Torvalds的業余愛好者，但是現在已經是最流行的一款開放源代碼操作系統。Linux從1991年問世至今，短短十幾年時間內已發展成為一個功能強大、設計完善的操作系統，伴隨網絡技術進步而發展起來的Linux OS已成為微軟公司的Windows的強勁對手。Linux系統不僅運行于PC平臺，還在嵌入式系統方面廣泛應用。

因為是源代碼開放軟件，所以不存在黑箱技術，任何人都可以修改它，或者用它開發自己的產品。Linux系統是可以定制的，系統內核目前已經可以做得很小。一個帶有中文系統及圖形化界面的核心程序也可以做到不足1MB，而且同樣穩定。Linux作為一種可裁減的軟件平臺系統，是發展未來嵌入設備產品的絕佳資源，遍布全球的眾多Linux愛好者又能給予Linux開發者強大的技術支持。因此，Linux作為嵌入式系統新選擇，有很好的發展前景。

μClinux是從Linux2.0/2.4內核派生而來，因而沿襲了主流Linux的絕大部分特性。為了降低硬件成本及運行功耗，很多嵌入式CPU沒有設計內存管理單元（Memory Management Unit，MMU）功能模塊，因此這類CPU只能運行一些較為簡單的操作系統，或者沒有操作系統而直接運行應用程序。而μClinux是專門針對沒有MMU的CPU，并且為嵌入式系統做了很多優化。適用于沒有虛擬內存或內存管理單元的處理器，例如ARM7TDMI，它通常可以用于具有很少內存或Flash的嵌入式系統。μClinux為了支持沒有MMU的處理器而對標準Linux做了修正，它保留了操作系統的所有特性，為硬件平臺更好地運行各種程序提供了保證。運行μClinux的嵌入式系統能夠使用幾乎所有的Linux API函數，不會因為沒有MMU而受到影響。μClinux由于是在標準的Linux的基礎之上進行裁剪和優化，因而形成了一個高度優化、代碼緊湊的嵌入式Linux，雖然它經過裁剪，但是仍然保留了Linux的大多數優點：穩定、良好的移植性，優秀的網絡功能，對各種文件系統完備的支持，以及標準豐富的API等。

3.Windows CE、Windows Mobile、Windows Phone

Windows CE是微軟開發的一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統，是基于掌上電腦類的電子設備操作系統，它是精簡的Windows 95操作系統。Windows CE的圖形用戶界面相當出色。CE中的C代表袖珍（Compact）、消費（Consumer）、通信能力（Connectivity）和伴侶（Companion），E代表電子產品（Electronics）。與Windows 95/98/NT不同的是，Windows CE所有源代碼全部由微軟自行開發，但Windows CE是基于Win32 API重新開發的新型信息設備平臺。Windows CE具有模塊化、結構化和基于Win32應用程序接口以及處理器無關等特點。

Windows CE 1.0最早于1996年推出，是單色的Windows 95簡化版本。1997年秋季，Comdex大會上公布的Windows CE 2.0仍是基于Win95的操作系統，效率遠高于1.0版。Windows CE 3.0是微軟的Windows Compact Edition，已擺脫舊有的Windows 95簡化格式，是一套全新的操作系統，支持5種CPU：x86、PowerPC、ARM、MIPS、SH3/4，并且改名為Windows for Pocket PC，簡稱Pocket PC。2002年1月，微軟又推出Windows CE.Net，即Windows CE 4.0。2004年5月，微軟推出Windows CE 5.0，開放有250萬行源代碼。2006年11月，微軟推出Windows Embedded CE 6.0。

Windows CE的設計目標是：模塊化及可伸縮性、實時性能好、通信能力強大、支持多種CPU。它的設計可以滿足多種設備的需要，一個典型的基于Windows CE的嵌入系統通常為某個特定用途而設計，并在不聯機的情況下工作。它要求所使用的操作系統體積較小，內部兼有對中斷的響應功能。它的特點如下。

（1）具有靈活的電源管理功能，包括睡眠/喚醒模式。

（2）使用了對象存儲（Object Store）技術，包括文件系統、注冊表及數據庫。它具有很多高性能、高效率的操作系統特性，包括按需換頁、共享存儲、交叉處理同步、支持大容量堆（Heap）等。

（3）擁有良好的通信能力。廣泛支持各種通信硬件，也支持直接的局域連接以及撥號連接，并提供與PC、內部網以及互聯網的連接，還提供與Windows 9x/NT的最佳集成和通信。

（4）支持嵌套中斷，允許更高優先級別的中斷首先得到響應，而不是等待低級別的ISR完成。這使得該操作系統具有嵌入式操作系統所要求的實時性。

（5）更好的線程響應能力。對高級別IST（中斷服務線程）的響應時間上限的要求更加嚴格，在線程響應能力方面的改進，幫助開發人員掌握線程轉換的具體時間，并通過增強的監控能力和對硬件的控制能力，幫助他們創建新的嵌入式應用程序。

（6）256個優先級別，可以使開發人員在控制嵌入式系統的時序安排方面有更大的靈活性。

（7）Windows CE的API是Win32API的一個子集，支持近1500個Win32 API。有了這些API，足可以編寫任何復雜的應用程序。當然，在Windows CE系統中，所提供的API也可以隨具體應用的需求而定。

Windows CE在生活中有著廣泛的應用，包括當前市場上絕大多數的GPS導航儀，以及一些車用計算機、電視機頂盒、生產在線的控制設備、公共場所的信息站（Kiosk）、電子辭典等，有些設備甚至沒有任何人機界面。名噪一時的國產手機魅族M8使用的也是Windows CE系統。

Windows Mobile（WM）是在Windows CE的基礎上，強化其手機通信功能，從而獨立發展起來的系統。Windows Mobile又分為兩種：支持觸摸屏的PPC和支持鍵盤的SmartPhone。Windows Mobile是微軟針對移動設備而開發的操作系統。該操作系統的設計初衷是盡量接近于桌面版本的Windows，微軟按照計算機操作系統的模式來設計WM，以便能使得WM與計算機操作系統一模一樣，這也是Windows Mobile在移動領域敗給iOS和Android的主要原因。WM的應用軟件以Microsoft Win32 API為基礎。新繼任者Windows Phone操作系統出現后，Windows Mobile系列正式退出手機系統市場。2010年10月，微軟宣布終止對WM的所有技術支持。

Windows Phone 7/7.5/7.8使用的仍然是Windows CE內核，而2012年6月21日發布的Windows Phone 8則采用和Windows 8相同的針對移動平臺精簡優化NT內核，這標志著移動版Windows Phone將提前與Windows系統同步，部分Windows 8（同樣使用ARM架構的RT版）應用可以更方便地移植到手機上。同時，這也標志著微軟在移動互聯網領域的多終端融合新模式。

Windows Phone 8系統也是第一個支持雙核CPU的版本，宣布Windows Phone進入雙核時代，同時宣告著Windows Phone 7退出歷史舞臺。Windows Phone 8兼容所有Windows Phone 7.5的應用程序，但Windows Phone 8的所有原生程序無法在Windows Phone 7.5上運行，屬于單向兼容。

雖然微軟終止對Windows Mobile的技術支持，同時最新的Windows Phone 8也已經拋棄了Windows CE的內核，但是由于其特點突出，Windows CE在工業領域中仍然占有非常重要的地位。

4.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1997年4月在火星表面登陸的火星探測器上也使用了VxWorks。VxWorks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。VxWorks支持多種處理器，如x86、i960、Sun Sparc、Motorola MC68xxx、MIPS RX000、PowerPC、ARM、StrongARM等。大多數VxWorks API是專有的。