1.4 嵌入式操作系統

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，它是嵌入式系統（包括硬、軟件系統）設計的重要組成部分，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、圖形界面、標準化瀏覽器等。嵌入式操作系統具有通用操作系統的基本特點，如能夠有效管理越來越復雜的系統資源；能夠硬件虛擬化，使得開發人員從復雜的驅動程序移植和維護中解脫出來；能夠提供庫函數、驅動程序、工具集以及應用程序等。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、軟件固態化以及應用的專用性等方面具有更為突出的特點。

1.4.1 嵌入式操作系統的種類

一般情況下，嵌入式操作系統可以分為兩類，一類是面向控制、通信等領域的實時操作系統，如WindRiver公司的VxWorks、ISI的pSOS、QNX系統軟件公司的QNX、ATI的Nucleus等；另一類是面向消費電子產品的非實時操作系統，這類產品包括個人數字助理（PDA）、移動電話、機頂盒、電子書、WebPhone等。

1.4.2 嵌入式操作系統的發展

嵌入式操作系統伴隨著嵌入式系統的發展大致經歷了4個階段。

第一階段是無操作系統的嵌入算法階段，是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統，同時具有與監測、伺服、指示設備等相配合的功能。這種系統大部分應用于一些專業性極強的工業控制系統中，一般沒有操作系統的支持，通過匯編語言編程對系統進行直接操控，運行結束后清除內存。這一階段系統的主要特點是：系統結構和功能都相對單一，處理效率較低，存儲容量較小，幾乎沒有用戶接口。由于這種嵌入式系統使用簡便、價格很低，以前在國內工業領域應用較為普遍，但是已經遠遠不能適應高效的、需要大容量存儲介質的現代化工業控制和新興的信息家電等領域的需求。

第二階段是以嵌入式CPU為基礎、以簡單操作系統為核心的嵌入式系統。這一階段系統的主要特點是：CPU種類繁多，通用性比較差；系統開銷小，效率高；一般配備系統仿真器，操作系統具有一定的兼容性和擴展性；應用軟件較專業，用戶界面不夠友好；系統主要用來控制系統負載以及監控應用程序等應用要求。

第三階段是通用的嵌入式實時操作系統階段，是以嵌入式操作系統為核心的嵌入式系統。這一階段系統的主要特點是：嵌入式操作系統能運行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好；操作系統內核精簡、效率高，并且具有高度的模塊化和擴展性；具備文件和目錄管理、設備支持、多任務、網絡支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；具有大量的應用程序接口（Application Programming Interface，API），開發應用程序簡單；嵌入式應用軟件豐富。

第四階段是以基于Internet為標志的嵌入式系統，這是一個正在迅速發展的階段。目前大多數嵌入式系統還孤立于Internet之外，但隨著Internet的發展以及Internet技術與信息家電、工業控制技術等結合日益密切，嵌入式設備與Internet的結合將代表著嵌入式技術的真正未來。

1.4.3 使用實時操作系統的必要性

嵌入式實時操作系統RTOS在目前的嵌入式應用中用得越來越廣泛，尤其在功能復雜、系統龐大的應用中顯得越來越重要。

首先，嵌入式RTOS提高了系統的可靠性。在控制系統中，出于安全方面的考慮，不僅要求系統不能崩潰，還要有自愈能力；不僅要求在硬件設計方面提高系統的可靠性和抗干擾性，而且也應在軟件設計方面提高系統的抗干擾性，盡可能地減少安全漏洞和不可靠的隱患。長期以來的前后臺系統軟件設計在遇到強干擾時，運行的程序往往會產生異常、出錯、跑飛，甚至死循環，最終導致系統的崩潰。而RTOS管理的系統，這種干擾可能會引起若干進程中的一個被破壞，但可以通過運行的系統監控進程對其進行修復。通常情況下，這個系統監視進程用來監視各進程運行狀況，遇到異常情況時通過采取一些有利于系統穩定可靠的措施，如把有問題的任務清除掉等方法，能夠有效解決系統的干擾問題，一般系統不會出現崩潰。

其次，RTOS提高了開發效率，縮短了開發周期。在嵌入式RTOS環境下，開發一個復雜的應用程序，通常可以按照軟件工程中的解耦原則將整個程序分解為多個任務模塊。每個任務模塊的調試、修改幾乎不影響其他模塊。商業軟件一般都提供了良好的多任務調試環境。

再次，嵌入式RTOS充分發揮了高性能CPU（如32位CPU）的多任務潛力。32位CPU比8位、16位CPU快，另外它是為運行多用戶、多任務操作系統而設計的，特別適合運行多任務實時系統。采用32位CPU有利于提高系統可靠性和穩定性的設計，使其可靠性容易得到保障。例如，CPU運行狀態分為系統態和用戶態。將系統堆棧和用戶堆棧分開，以及實時地給出CPU的運行狀態等，允許用戶在系統設計中從硬件和軟件兩方面對實時內核的運行實施保護。如果還是采用以前的前后臺方式，則無法發揮32位CPU的優勢。從某種意義上說，沒有操作系統的計算機（裸機）是沒有太多應用價值的。在嵌入式應用中，只有把CPU嵌入到系統中，同時又把操作系統嵌入進去，才是真正的嵌入式應用。

1.4.4 實時操作系統的優缺點

在嵌入式實時操作系統RTOS環境下，開發實時應用程序使程序的設計和擴展變得容易，不需要大的改動就可以增加新的功能。通過將應用程序分割成若干獨立的任務模塊，使應用程序的設計過程大為簡化，而且對實時性要求苛刻的事件易于得到快速、可靠的處理。通過有效的系統服務，嵌入式RTOS使得系統資源得到更好的利用。但是，使用嵌入式實時操作系統需要額外的ROM/RAM開銷，會占用CPU的部分資源，以及內核的開銷等。