嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)及其在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[圖]

摘要：闡述了嵌入式實(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。

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)燕尾服，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)生的發(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)。

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，其就任已經(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)容包含一個(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)用程序叫做“嵌入式時(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。

1.1.1 硬件平臺(tái)

嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)通常以為能緊湊、專用性強(qiáng)的CPU為核心同時(shí)結(jié)合少量的外轉(zhuǎn)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。

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)的通用性和可移值性。

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)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)。

表1 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

來源：電子元器件應(yīng)用