通过嵌入式系统智能终端产品玩转物联网

嵌入式操作系统（EOS）是指用于嵌入式系统的操作系统。嵌入式操作系统是一种用途广泛的系统软件，通常包括与硬件的底层驱动软件、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。嵌入式系统分为4层：硬件层、驱动层、操作系统和应用层。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度、控制、协调并发活动。它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能，是一种用途广泛的系统软件。
　　***用经典的四个字“感知中国”全面描述和定义了物联网产业的内涵。从字面上来理解，“感”既是信息采集（传感器）；“知”信息处理（运算、处理、控制、通信并通过互联网进行信息传递和控制）。这些都是嵌入式系统的特征表现。如果归纳一句话来理解总理“感知中国”的含义，既是通过嵌入式系统智能终端产品网络化的过程可以实现感和知的目的。
　　
　　【嵌入式操作系统的主要特点】
　　1．可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。
　　2．强实时性。EOS实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。
　　3．统一的接口。提供各种设备驱动接口。
　　4．操作方便、简单、提供友好的图形GUI，图形界面，追求易学易用。
　　5．提供强大的网络功能，支持TCP／IP协议及其它协议，提供TCP／UDP／IP／PPP协议支持及统一的MAC访问层接口，为各种移动计算设备预留接口。
　　6．强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预，这就要负责系统管理的EOS具有较强的稳定性。嵌入式操作系统的用户接口一般不提供操作命令，它通过系统的调用命令向用户程序提供服务。
　　7．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很少使用，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，而用各种内存文件系统。
　　8．更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。
　　【嵌入式操作系统的种类】
　　国际上常见的嵌入式操作系统大约有40种左，右如：Linux、uClinux、WinCE、PalmOS、Symbian、eCos、uCOS－II、VxWorks、pSOS、Nucleus、ThreadX 、Rtems 、QNX、INTEGRITY、OSE、C Executive 。他们基本可以分为两类，一类是面向控制、通信等领域的实时操作系统，如windriver公司的vxworks、isi的psos、qnx系统软件公司的qnx、ati的nucleus等；另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统，这类产品包括个人数字助理（pda）、移动电话、机顶盒、电子书、webphone等，系统有Microsoft的WinCE，3Com的Palm，以及Symbian和Google的Android等。
　　1．VxWorks
　　VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），是Tornado嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌人式实时操作系统领域逐渐占据一席之地。
　　VxWorks实时操作系统由400多个相对独立、短小精悍的目标模块组成，用户可根据需要选择适当的模块来裁剪和配置系统；提供基于优先级的任务调度、任务间同步与通信、中断处理、定时器和内存管理等功能，内建符合POSIX（可移植操作系统接口）规范的内存管理，以及多处理器控制程序；并且具有简明易懂的用户接口，在核心方面甚至可以微缩到8 KB。
　　2．WindowsCE
　　Windows CE与Windows系列有较好的兼容性，无疑是Windows CE推广的一大优势。其中WinCE3．0是一种针对小容量、移动式、智能化、32位、了解设备的模块化实时嵌入操作系统。对建立针对掌上设备、无线设备的动态应用程序服务提供了一种功能丰富的操作系统平台，它能在多种处理器体系结构上运行，并且通常适用于那些对内存占用空间具有一定限制的设备。它是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。操作系统的基本内核需要至少200KB的ROM。由于嵌入式产品的体积、成本等方面有较严格的要求，所以处理器部分占用空间应尽可能的小。系统的可用内存和外存数量也要受限制，而嵌入式操作系统就运行在有限的内存（一般在ROM或快闪存储器）中，因此就对操作系统的规模、效率等提出了较高的要求。从技术角度上讲，Windows CE作为嵌入式操作系统有很多的缺陷：没有开放源代码，使应用开发人员很难实现产品的定制；在效率、功耗方面的表现并不出色，而且和Windows一样占用过的系统内存，运用程序庞大；版权许可费也是厂商不得不考虑的因素。
　　3．嵌入式Linux
　　这是嵌入式操作系统的一个新成员，其最大的特点是源代码公开并且遵循GPL协议，在近年来成为研究热点，据IDG预测嵌入式Linux将占未来两年的嵌入式操作系统份额的50％。
　　Linux是开放源代码，不存在黑箱技术，遍布全球的众多Linux爱好者优势Linux开发者的强大技术支持；并且Linux的内核小、效率高，内核的更新速度很快，Linux是可以定制的，其系统内核最小只有约134KB。Linux还是免费的OS，在价格上极具竞争力。因为它的开放性对于技术方面的要求不高只要懂Unix／Linux和C语言即可。随着Linux在国内的普及，这类人才越来越多。所以软件的开发和维护成本很低，优秀的网络工能，这在Internet时代尤其重要，稳定是Linux本身具备的一个很大的优点，内核精悍，运行所需资源少，十分适合嵌入式应用。
　　支持的硬件数量庞大，嵌入式Linux和普通的Linux没有本质区别，PC上用到的硬件嵌入式Linux几乎都支持，而且各种硬件的驱动程序源代码都可以得到，为用户编写自己专有硬件的驱动程序带来了很大方便。
　　4．μC／OS一Ⅱ
　　μC／OS一Ⅱ是著名的源代码公开的实时内核，是专为嵌入式应用设计的，可用于8位，16位和32位单片机或数字信号处理器（DSP）。它是在原版本μC ／OS的基础上做了重大改进与升级，并有了近十年的使用实践，有许多成功应用该实时内核的实例。它的主要特点如下：
　　1）公开源代码，容易就能把操作系统移植到各个不同的硬件平台上；
　　2）可移植性，绝大部分源代码是用C语言写的，便于移植到其他微处理器上；
　　可固化；
　　3）可裁剪性，有选择的使用需要的系统服务，以减少斗所需的存储空间；
　　4）占先式，完全是占先式的实时内核，即总是运行就绪条件下优先级最高的任务；
　　5）多任务，可管理64个任务，任务的优先级必须是不同的，不支持时间片轮转调度法；
　　6）可确定性，函数调用与服务的执行时间具有其可确定性，不依赖于任务的多少；
　　7）实用性和可靠性，成功应用该实时内核的实例，是其实用性和可靠性的最好证据；
　　由于μC／OS一Ⅱ仅是一个实时内核，这就意味着它不像其他实时存在系统那样提供给用户的只是一些API函数接口，还有很多工作需要用户自己去完成。
　　5．QNX
　　QNX是一种商用的类Unix实时操作系统，遵从POSIX规范，目标市场主要是嵌入式系统。QNX的应用范围极广，包含了控制保时捷跑车的音乐和媒体功能，核电站和美国陆军无人驾驶Crusher坦克的控制系统，还有RIM公司的BlackBelly PlayBook平板电脑。QNX是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统。它遵循POSⅨ．1 （程序接口）和POSⅨ．2 （Shell和工具）、部分遵循POSⅨ．1b（实时扩展）。
　　QNX操作系统核心仅包含了CPU任务排程、进程间通讯、中断重导向以及定时器等部份，而除此之外包含驱动程序、档案系统堆叠协议以及使用者应用程序的所有程序都是属于在使用者阶段执行。QNX操作系统有个相当特殊的Proc阶段，专门负责程序process的建立，以及存储器管理等交集在系统微核心中的组件。基本上，QNX所有的组件都能透过消息传递这个函式来进行沟通，而具有良好定义的通讯机制，也能保障所有的组件都有完全独立且被保护的储存及执行空间。因此有问题的应用程序不会影响到其它组件的稳定性，发生问题的程序将会被自动终止并重新启动。
　　与传统的操作系统架构相较起来，微核心架构可以让嵌入式系统获得更为快速的平均回覆时间（MTTR），当硬件驱动程序失效，QNX可以在数毫秒之内，就对该驱动程序进行终止、回收资源并重新启动的步骤，让嵌入式设备可接近无停摆时间表现。
　　不过微核心RTOS的架构除了优点以外，由于其process间的讯息传递功能将会占用存储器频宽，影响到校能表现，因此在实际应用上，就必须采用特殊的最佳化手段，以避免掉讯息传递功能所带来的性能耗损。
　　6．Nucleus Plus
　　这款嵌入式操作系统主要特征就是轻薄短小，其架构上的延展性，可以让Nucleus RTOS所占的储存空间压缩到仅有13K左右，而且Nucleus Plus是一款不需授权费的操作系统，并且提供了原始码。
　　Nucleus Plus本身只是Acclerated Technology公司完整解决方案里面的其中一环，这个RTOS本身架构属于先占式多工设计，有超过95％的原始码是用标准的ANSI C语言所编写，因此可以非常有效率的移植到各种不同的平台。Nucleus Plus在CISC架构处理器中，核心部份大约占去20KB左右的储存空间，而在RISC处理器上则是40KB左右，核心资料结构仅占约1．5KB，由于其即时回应、先占式多工、以及多process并行，并且开放原始码等特性，在国防、工控、航天工业、铁路、网络、POS、自动化控制以及信息家电等领域广泛受到应用。
　　就如同QNX一般，Nucleus Plus也可以根据目标产品的需求，来自行剪裁所需要的系统功能，达到精简体积的目的。而配合相对应的编译器（Borland c／c＋＋、Microsoft c／c＋＋）以及动态连结程序库和各种底层驱动程序，在开发上拥有非常相当大的便利性。诸如飞思卡尔（Freescale）、罗技（Logitech）公司、美国NEC、SK Telecom等公司，都有采用Nucleus Plus嵌入式操作系统作为开发产品使用。
　　7．WinCE
　　WinCE是微软公司嵌入式、移动计算平台的基础，它是一个开放的、可升级的32位嵌入式操作系统，是基于掌上型电脑类的电子设备操作系统，它是精简的Windows 95，Win CE的图形用户界面相当出色。WinCE是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对于从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。操作系统的基本内核需要至少200K的ROM。
　　一般来说，一个WinCE系统包括四层结构：应用程序、WinCE内核映像、板级支持包（BSP）、硬件平台。而基本软件平台则主要由WinCE系统内核映像（OS Image）和板卡支持包（BSP）两部分组成。因为WinCE系统是一个软硬件紧密结合的系统，因此即使CPU处理器相同，但是如果开发板上的外围硬件不相同，这个时候还是需要修改BSP来完成一个新的BSP。因此换句话说，就是WinCE的移植过程主要是改写BSP的过程。
　　8．Android
　　Android是一个包括操作系统、中间件以及一些重要应用程序的专门针对移动设备的层次结构的软件集。Android作为一个完全开源的操作系统，是由操作系统Linux、中间件以及核心应用程序组成的软件栈，通过Android SDK提供的API以及想用的开发工具，程序员可以很方便的开发Android平台上的应用程序。其整个系统由应用程序，应用程序框架，应用程序库，Android运行库，Linux内核（Linux Kernel）五个部分组成。Android操作系统内置了一部分应用程序， 包括电子邮件客户端、SMS程序、日历、地图、浏览器、通讯录以及其他的程序，值得一提的是这些所有的程序都是用java编写的。
　　移植的主要的工作是驱动，硬件抽象层的移植。为了更好地理解和调试系统，也应该适当地了解上层对硬件抽象层的调用情况。
　　9．嵌入式实时操作系统
　　在工业控制、 军事设备、航空航天等领域对系统的响应时间有苛刻的要求，这就需要使用实时系统。当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系统作出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行的嵌入式操作系统。故对嵌入式实时操作系统的理解应该建立在对嵌入式系统的理解之上加入对响应时间的要求。
　　10．FreeRTOS
　　FreeRTOS是一个迷你操作系统内核的小型嵌入式系统。作为一个轻量级的操作系统，功能包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能等，可基本满足较小系统的需要。FreeRTOS任务可选择是否共享堆栈，并且没有任务数限制，多个任务可以分配相同的优先权。相同优先级任务的轮转调度，同时可设成可剥夺内核或不可剥夺内核。
　　FreeRTOS 的移植主要需要改写如下三个文件。1．portmacro．h 2．port．c 3． port．asm
　　【嵌入式操作系统和通用计算机系统的区别】
　　嵌入式系统与通用计算机系统有着完全不同的技术要求和技术发展方向。通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算，其技术发展方向是总线速度的无限提升、存储容量的无限扩大；而嵌入式计算机系统的技术要求则是智能化控制，技术发展方向是与对象系统密切相关的潜入性能、控制能力与控制的可靠性不断提高。
　　嵌入式操作系统和通用计算机系统的主要区别包括以下几点：
　　1、形式与类型：
　　通用计算机系统：实实在在的计算机。按其体系结构、运算速度和规模可分为大型机、中型机、小型机和微机；嵌入式操作系统：“看不见”的计算机，形式多样，应用领域广泛，按应用进行分类。
　　2、组成：
　　通用计算机系统：通用处理器、标准总线和外设、软硬件相对独立；嵌入式操作系统：面向特定应用的微处理器，总线和外设一般集成在处理器内部，软硬件紧密结合。
　　3、系统资源：
　　通用计算机系统：系统资源充足，有丰富的编译器、集成开发环境、调试器等；嵌入式操作系统：系统资源紧缺，没有编译器等相关开发工具。
　　4、开发方式：
　　通用计算机系统：开发平台和运行平台都是通用计算机；嵌入式操作系统：采用交叉编译方式，开发平台一般是通用计算机，运行平台是嵌入式系统。
　　5、二次开发性：
　　通用计算机系统：应用程序可重新编程；嵌入式操作系统：一般不能重新编程开发。
　　6、发展目标：
　　通用计算机系统：编程功能电脑，普遍进入社会；嵌入式操作系统：变为专用电脑，实现“普及计算”。