摘? 要： 闡述了嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)" title="實(shí)時(shí)系統(tǒng)">實(shí)時(shí)系統(tǒng)的原理及特點(diǎn),分析并論述嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中的關(guān)鍵問題,討論了嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)在通信領(lǐng)域中的應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞： 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)? 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)" title="嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)">嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)? 板級(jí)支持包(BSP)? 電信管理網(wǎng)

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　　近年來,以PC機(jī)為代表的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在硬件和軟件方面都取得了飛速的發(fā)展,處理器的運(yùn)算速度已經(jīng)達(dá)到了每秒10億次的數(shù)量級(jí)。作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)核心的操作系統(tǒng)也從字符界面的單任務(wù)、單用戶的DOS,發(fā)展到擁有圖形界面的多用戶、多任務(wù)的Windows 98、Windows NT。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到通信、交通、家電及醫(yī)療等諸多領(lǐng)域。

　　然而,在經(jīng)過了很長(zhǎng)一段時(shí)間的快速發(fā)展,尤其是作為過去十年IT發(fā)展的推動(dòng)力以后,以PC為代表的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)了發(fā)展減緩的趨勢(shì);與此同時(shí),新興IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求越來越多的設(shè)備具有小型化、智能化的特點(diǎn)。為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì),在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用過程中發(fā)展了一類特殊的系統(tǒng)——嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),即嵌入式系統(tǒng)" title="嵌入式系統(tǒng)">嵌入式系統(tǒng)。

　　由于具備簡(jiǎn)潔、高效等特點(diǎn),在最近幾年,嵌入式系統(tǒng)表現(xiàn)出了強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭;隨著二十一世紀(jì)的到來,IT業(yè)迎來了一個(gè)嶄新的、以嵌入式系統(tǒng)為核心的“后PC時(shí)代(Post-PC Era)”。作為嶄新的、面向應(yīng)用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)在集成了通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的共性以外,還包含了很多適合“嵌入式”應(yīng)用的新技術(shù);因此,嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展越來越多地受到人們的普遍重視,其強(qiáng)大而靈活的可應(yīng)用性得到了計(jì)算機(jī)、通信和信息等產(chǎn)業(yè)的廣泛認(rèn)可,其應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到前所未有的廣泛領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)與發(fā)展將真正實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的“無處不在”。

　　因?yàn)樵诩夹g(shù)上與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有很多不同,因此,本文首先介紹了嵌入式系統(tǒng)的基本概念及其關(guān)鍵技術(shù),并結(jié)合在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用說明其技術(shù)特點(diǎn)及可應(yīng)用性。

1 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)

　　嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部包含一個(gè)或多個(gè)控制用的CPU以及針對(duì)特定應(yīng)用環(huán)境而開發(fā)的高層軟件,通常含有操作系統(tǒng)。在使用過程中,系統(tǒng)內(nèi)部CPU和軟件的行為并不為外界所感知,因此叫做“嵌入式”系統(tǒng);通常把對(duì)外部事件響應(yīng)時(shí)間很短的嵌入式系統(tǒng)叫做“嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)”;應(yīng)用于嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)叫做“嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)”;相應(yīng)的應(yīng)用程序" title="應(yīng)用程序">應(yīng)用程序叫做“嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用程序”。

1.1 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的構(gòu)成

　　嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個(gè)方面,由硬件平臺(tái)、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及其他系統(tǒng)軟件模塊、實(shí)時(shí)應(yīng)用程序三個(gè)部分組成。如圖1所示。

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1.1.1 硬件平臺(tái)

　　嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)通常以功能緊湊、專用性強(qiáng)的CPU為核心同時(shí)結(jié)合少量的外圍設(shè)備,具有應(yīng)用相關(guān)性,即多樣性的特點(diǎn)。

1.1.2 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及其他系統(tǒng)軟件模塊

　　操作系統(tǒng)和其他系統(tǒng)軟件介于硬件和應(yīng)用程序之間,負(fù)責(zé)調(diào)度并管理實(shí)時(shí)應(yīng)用程序,并完成對(duì)硬件的控制和操作。

1.1.3 實(shí)時(shí)應(yīng)用程序

　　實(shí)時(shí)應(yīng)用程序是基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、利用操作系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)機(jī)制完成特定的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)具體功能的應(yīng)用程序。

　　在以上三個(gè)部分中,嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的核心,是應(yīng)用程序開發(fā)和運(yùn)行的平臺(tái),是嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)區(qū)別于其他通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的集中體現(xiàn),也是推動(dòng)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

1.2 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　除了具有操作系統(tǒng)的共性以外,為適應(yīng)“嵌入式實(shí)時(shí)”應(yīng)用,嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)還具有實(shí)時(shí)性、微內(nèi)核結(jié)合擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)通用性與可配置性、操作系統(tǒng)不對(duì)外設(shè)作假設(shè)等突出特點(diǎn)。

1.2.1 實(shí)時(shí)性

　　實(shí)時(shí)表示“及時(shí)”,是一個(gè)相對(duì)概念;實(shí)時(shí)性表明操作系統(tǒng)在可預(yù)見的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)和處理外部事件的能力,是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。為保證良好的實(shí)時(shí)性,嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)一般采用多任務(wù)機(jī)制,以并發(fā)方式執(zhí)行應(yīng)用程序。

1.2.2 微內(nèi)核結(jié)合擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)通用性與可配置性

　　為了在結(jié)構(gòu)和功能上適應(yīng)不同的“嵌入式”應(yīng)用,嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)通常采用微內(nèi)核與可配置的功能模塊相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu),使操作系統(tǒng)同時(shí)具備了通用性和可配置性。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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1.2.3 操作系統(tǒng)不對(duì)外設(shè)作假設(shè)

　　操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)只與CPU有關(guān),而不假設(shè)CPU以外的其他物理硬件。與硬件相關(guān)的功能依靠另外一個(gè)叫做板級(jí)支持包(Board Support Package)的軟件層次來完成,從而實(shí)現(xiàn)了操作系統(tǒng)的“硬件無關(guān)性”,提高了系統(tǒng)的通用性和可移植性。

其中2和3作為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),有力地推動(dòng)了嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。

1.3 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的對(duì)比

　　嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的對(duì)比見表1。通過對(duì)比可以看出:嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),軟件硬件可裁剪,適應(yīng)于應(yīng)用系統(tǒng),對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

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2 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)不僅需要完成應(yīng)用程序的設(shè)計(jì),還包括硬件環(huán)境的實(shí)現(xiàn)以及操作系統(tǒng)的選擇等許多關(guān)鍵問題。

2.1 選擇合適的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

　　嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的核心。操作系統(tǒng)的性能在很大程度上直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。因此,選擇合適的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)一個(gè)高性能的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)是至關(guān)重要的。

2.2 仔細(xì)劃分應(yīng)用程序內(nèi)部的若干任務(wù)

　　作為另一個(gè)重要的軟件層次,應(yīng)用程序內(nèi)部任務(wù)的劃分也影響嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的整體性能。為兼顧嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的并發(fā)性和整體吞吐量,任務(wù)的劃分應(yīng)當(dāng)遵循以下原則:

　　·功能獨(dú)立的操作應(yīng)當(dāng)劃分為一個(gè)單一的任務(wù);

　　·功能聯(lián)系密切(耦合關(guān)系密切)的操作應(yīng)當(dāng)劃歸同一個(gè)任務(wù);

　　·具有慢速I/O操作的功能應(yīng)當(dāng)劃分為單獨(dú)任務(wù);

　　·不同優(yōu)先級(jí)的操作劃分為不同的任務(wù);

　　·擁有大量運(yùn)算的操作應(yīng)當(dāng)劃分為一個(gè)單獨(dú)的任務(wù)。

2.3 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的調(diào)試

　　與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不同,嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總會(huì)涉及硬件因素,因此,硬件平臺(tái)的調(diào)試是一個(gè)必要環(huán)節(jié)。在軟件方面,由于嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常是一個(gè)多任務(wù)系統(tǒng),具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性,因此,系統(tǒng)的功能和行為需要通過調(diào)試加以確定。

3 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　作為一類特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到許多領(lǐng)域,尤其在通信領(lǐng)域更是得到了前所未有的發(fā)展。隨著網(wǎng)絡(luò)新業(yè)務(wù)的開通和新設(shè)備的增加,電信網(wǎng)絡(luò)管理" title="網(wǎng)絡(luò)管理">網(wǎng)絡(luò)管理成為一個(gè)日益突出的問題而備受關(guān)注。

　　電信管理網(wǎng)絡(luò)(TMN)的發(fā)展,對(duì)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備提出了新的要求。早先的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)功能簡(jiǎn)單且缺乏必要的、統(tǒng)一的管理接口,使得不同廠家的不同設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)互通與互管。為解決這一問題,ITU-T進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)管理標(biāo)準(zhǔn)化的工作,先后制定了一系列協(xié)議規(guī)范,定義了網(wǎng)絡(luò)管理的體系結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一接口。現(xiàn)在,不同的設(shè)備廠商在開發(fā)通信設(shè)備的時(shí)候,通常參考并實(shí)現(xiàn)ITU-T關(guān)于網(wǎng)絡(luò)管理的協(xié)議和接口。由于ITU-T的網(wǎng)絡(luò)管理模型涉及的層次較多,接口比較復(fù)雜,因此,網(wǎng)絡(luò)管理的功能比以前要復(fù)雜得多。而作為網(wǎng)絡(luò)管理的一個(gè)重要方面,設(shè)備的管理直接影響著網(wǎng)絡(luò)管理的整體性能;因而,功能簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備不再滿足現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要。

　　通信網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)大、新業(yè)務(wù)和新設(shè)備的大量增加要求網(wǎng)絡(luò)管理不但具備豐富管理功能,還要具備良好的管理性能和效率;也就是說,網(wǎng)絡(luò)管理必須滿足一定的實(shí)時(shí)性。簡(jiǎn)言之,現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)管理具有以下兩個(gè)突出特點(diǎn):

　　·完善的管理功能;

　　·良好的管理性能;

　　為了實(shí)現(xiàn)完善而高效的網(wǎng)絡(luò)管理,通信設(shè)備必須增強(qiáng)自身性能,從而為高層網(wǎng)管提供高性能的軟硬件平臺(tái)。因此,通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)出現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢(shì),如圖3所示。

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　　出現(xiàn)這種趨勢(shì)的原因主要在于:

　　(1)先前以單片機(jī)為平臺(tái),應(yīng)用程序直接運(yùn)行于CPU之上的方式具有明顯的不足:

　　·硬件功能有限,不能進(jìn)行高效而復(fù)雜的設(shè)備管理;

　　·硬件平臺(tái)簡(jiǎn)單,不能有效地支持功能繁多而且復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)管理;

　　·軟件缺乏操作系統(tǒng)的支持,網(wǎng)管應(yīng)用程序設(shè)計(jì)復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)功能完善的高性能網(wǎng)絡(luò)管理。

　　可見,基于單片機(jī)平臺(tái)的設(shè)備在硬件和軟件兩個(gè)方面都很難滿足現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)管理的要求。

　　(2)通用計(jì)算機(jī)由于體積、成本以及效率等因素的限制,也不適合這種應(yīng)用環(huán)境。

　　(3)采用嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)是理想的解決方法:

　　·嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)在硬件上使用功能緊湊而高效的CPU,適合“嵌入”設(shè)備內(nèi)部作為控制的硬件核心,可以支持復(fù)雜的設(shè)備管理;

　　·在軟件上,嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)以高性能的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為核心,除了為系統(tǒng)提供良好的實(shí)時(shí)性保障以外,還簡(jiǎn)化了高層應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。

　　以嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)為核心使設(shè)備內(nèi)部具有一個(gè)類似于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)大而高效的軟硬件平臺(tái);既滿足了網(wǎng)絡(luò)管理功能上的要求,又保證了網(wǎng)絡(luò)管理的高效性;既支持設(shè)備本身的管理,又支持高效統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理。因此,以嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)作為設(shè)備的功能核心和網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)是現(xiàn)在通信系統(tǒng)廣泛采用的實(shí)現(xiàn)方案。

　　由于在功能、性能以及價(jià)格等方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì),嵌入式系統(tǒng)還在移動(dòng)通信、個(gè)人通信、數(shù)據(jù)通信、衛(wèi)星通信及信息家電等領(lǐng)域得到了深入而廣泛的應(yīng)用。

　　嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)嶄新領(lǐng)域,以其簡(jiǎn)潔高效等特點(diǎn)越來越多地受到人們的廣泛關(guān)注。由于嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)有別于一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上存在著區(qū)別于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的若干關(guān)鍵問題。隨著應(yīng)用環(huán)境的日趨復(fù)雜,系統(tǒng)要求的功能越來越多,嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)成為實(shí)現(xiàn)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的必需環(huán)節(jié)。

　　經(jīng)過近幾年的發(fā)展,嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到先前只能使用通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的領(lǐng)域,并且其應(yīng)用數(shù)量已經(jīng)超過了通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng),尤其是在電信及IT領(lǐng)域中更是得到了前所未有的廣泛應(yīng)用。

　　迅速崛起的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)標(biāo)志著“后PC時(shí)代(POST-PC Era)”的到來。嵌入式系統(tǒng)正在成為PC機(jī)以后最具發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的系統(tǒng),它的快速發(fā)展正在成為IT(包括通信、信息)等產(chǎn)業(yè)保持快速發(fā)展的、新的強(qiáng)大推動(dòng)力。

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參考文獻(xiàn)

1 呂京建,肖海橋.面向二十一世紀(jì)的嵌入式系統(tǒng)綜述.北京塔斯金軟件技術(shù)有限公司(BTS) 中國(guó)單片機(jī)

? 公共實(shí)驗(yàn)室(BOL)? http：//www.bol-system.com

2 pSOSystem System Concepts. pSOSytem Documents，Integrated Systems Incorporation.

3 pSOSystem Advanced Topics. pSOSytem Documents，Integrated Systems Incorporation.嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)及其在通