摘? 要： 闡述了嵌入式實時系統" title="實時系統">實時系統的原理及特點,分析并論述嵌入式實時系統實現過程中的關鍵問題,討論了嵌入式實時系統在通信領域中的應用。

　　關鍵詞： 嵌入式實時系統? 嵌入式實時操作系統" title="嵌入式實時操作系統">嵌入式實時操作系統? 板級支持包(BSP)? 電信管理網

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　　近年來,以PC機為代表的通用計算機系統在硬件和軟件方面都取得了飛速的發展,處理器的運算速度已經達到了每秒10億次的數量級。作為計算機系統核心的操作系統也從字符界面的單任務、單用戶的DOS,發展到擁有圖形界面的多用戶、多任務的Windows 98、Windows NT。計算機的應用已經擴展到通信、交通、家電及醫療等諸多領域。

　　然而,在經過了很長一段時間的快速發展,尤其是作為過去十年IT發展的推動力以后,以PC為代表的通用計算機系統出現了發展減緩的趨勢;與此同時,新興IT產業的發展要求越來越多的設備具有小型化、智能化的特點。為適應這一發展趨勢,在計算機系統的應用過程中發展了一類特殊的系統——嵌入式計算機系統,即嵌入式系統" title="嵌入式系統">嵌入式系統。

　　由于具備簡潔、高效等特點,在最近幾年,嵌入式系統表現出了強勁的發展勢頭;隨著二十一世紀的到來,IT業迎來了一個嶄新的、以嵌入式系統為核心的“后PC時代(Post-PC Era)”。作為嶄新的、面向應用的計算機系統,嵌入式系統在集成了通用計算機系統的共性以外,還包含了很多適合“嵌入式”應用的新技術;因此,嵌入式系統的發展越來越多地受到人們的普遍重視,其強大而靈活的可應用性得到了計算機、通信和信息等產業的廣泛認可,其應用已經擴展到前所未有的廣泛領域。嵌入式系統的出現與發展將真正實現計算機的“無處不在”。

　　因為在技術上與通用計算機系統有很多不同,因此,本文首先介紹了嵌入式系統的基本概念及其關鍵技術,并結合在通信系統中的應用說明其技術特點及可應用性。

1 嵌入式實時系統

　　嵌入式系統內部包含一個或多個控制用的CPU以及針對特定應用環境而開發的高層軟件,通常含有操作系統。在使用過程中,系統內部CPU和軟件的行為并不為外界所感知,因此叫做“嵌入式”系統;通常把對外部事件響應時間很短的嵌入式系統叫做“嵌入式實時系統”;應用于嵌入式實時系統的操作系統叫做“嵌入式實時操作系統”;相應的應用程序" title="應用程序">應用程序叫做“嵌入式實時應用程序”。

1.1 嵌入式實時系統的構成

　　嵌入式實時系統包括硬件和軟件兩個方面,由硬件平臺、嵌入式實時操作系統及其他系統軟件模塊、實時應用程序三個部分組成。如圖1所示。

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1.1.1 硬件平臺

　　嵌入式實時系統的硬件平臺通常以功能緊湊、專用性強的CPU為核心同時結合少量的外圍設備,具有應用相關性,即多樣性的特點。

1.1.2 嵌入式實時操作系統及其他系統軟件模塊

　　操作系統和其他系統軟件介于硬件和應用程序之間,負責調度并管理實時應用程序,并完成對硬件的控制和操作。

1.1.3 實時應用程序

　　實時應用程序是基于嵌入式實時操作系統、利用操作系統提供的實時機制完成特定的嵌入式實時系統具體功能的應用程序。

　　在以上三個部分中,嵌入式實時操作系統是嵌入式實時系統的核心,是應用程序開發和運行的平臺,是嵌入式實時系統區別于其他通用計算機系統的集中體現,也是推動嵌入式實時系統廣泛應用的關鍵因素。

1.2 嵌入式實時操作系統的特點

　　除了具有操作系統的共性以外,為適應“嵌入式實時”應用,嵌入式實時操作系統還具有實時性、微內核結合擴展模塊實現通用性與可配置性、操作系統不對外設作假設等突出特點。

1.2.1 實時性

　　實時表示“及時”,是一個相對概念;實時性表明操作系統在可預見的時間內響應和處理外部事件的能力,是嵌入式實時操作系統性能的關鍵指標之一。為保證良好的實時性,嵌入式實時操作系統一般采用多任務機制,以并發方式執行應用程序。

1.2.2 微內核結合擴展模塊實現通用性與可配置性

　　為了在結構和功能上適應不同的“嵌入式”應用,嵌入式實時操作系統通常采用微內核與可配置的功能模塊相結合的體系結構,使操作系統同時具備了通用性和可配置性。嵌入式實時操作系統的結構如圖2所示。

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1.2.3 操作系統不對外設作假設

　　操作系統的實現只與CPU有關,而不假設CPU以外的其他物理硬件。與硬件相關的功能依靠另外一個叫做板級支持包(Board Support Package)的軟件層次來完成,從而實現了操作系統的“硬件無關性”,提高了系統的通用性和可移植性。

其中2和3作為嵌入式實時操作系統的關鍵技術,有力地推動了嵌入式系統的廣泛應用。

1.3 嵌入式實時系統與通用計算機系統的對比

　　嵌入式實時系統與通用計算機系統的對比見表1。通過對比可以看出:嵌入式系統是以應用為中心、以計算機技術為基礎,軟件硬件可裁剪,適應于應用系統,對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。

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2 嵌入式實時系統的實現

　　設計實現一個嵌入式實時系統不僅需要完成應用程序的設計,還包括硬件環境的實現以及操作系統的選擇等許多關鍵問題。

2.1 選擇合適的嵌入式實時操作系統

　　嵌入式實時操作系統是實現嵌入式實時系統的核心。操作系統的性能在很大程度上直接影響著整個系統的實時性能。因此,選擇合適的嵌入式實時操作系統對于實現一個高性能的嵌入式實時系統是至關重要的。

2.2 仔細劃分應用程序內部的若干任務

　　作為另一個重要的軟件層次,應用程序內部任務的劃分也影響嵌入式實時系統的整體性能。為兼顧嵌入式實時系統的并發性和整體吞吐量,任務的劃分應當遵循以下原則:

　　·功能獨立的操作應當劃分為一個單一的任務;

　　·功能聯系密切(耦合關系密切)的操作應當劃歸同一個任務;

　　·具有慢速I/O操作的功能應當劃分為單獨任務;

　　·不同優先級的操作劃分為不同的任務;

　　·擁有大量運算的操作應當劃分為一個單獨的任務。

2.3 嵌入式實時系統的調試

　　與通用計算機系統的設計不同,嵌入式實時系統的設計總會涉及硬件因素,因此,硬件平臺的調試是一個必要環節。在軟件方面,由于嵌入式實時系統通常是一個多任務系統,具有很強的動態性,因此,系統的功能和行為需要通過調試加以確定。

3 嵌入式實時系統在通信系統中的應用

　　作為一類特殊的計算機系統,嵌入式實時系統的應用范圍已經擴展到許多領域,尤其在通信領域更是得到了前所未有的發展。隨著網絡新業務的開通和新設備的增加,電信網絡管理" title="網絡管理">網絡管理成為一個日益突出的問題而備受關注。

　　電信管理網絡(TMN)的發展,對網絡和設備提出了新的要求。早先的設備和網絡功能簡單且缺乏必要的、統一的管理接口,使得不同廠家的不同設備很難實現互通與互管。為解決這一問題,ITU-T進行了網絡管理標準化的工作,先后制定了一系列協議規范,定義了網絡管理的體系結構和統一接口。現在,不同的設備廠商在開發通信設備的時候,通常參考并實現ITU-T關于網絡管理的協議和接口。由于ITU-T的網絡管理模型涉及的層次較多,接口比較復雜,因此,網絡管理的功能比以前要復雜得多。而作為網絡管理的一個重要方面,設備的管理直接影響著網絡管理的整體性能;因而,功能簡單的網絡和設備不再滿足現代通信網絡發展的需要。

　　通信網絡的擴大、新業務和新設備的大量增加要求網絡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,網絡管理必須滿足一定的實時性。簡言之,現代網絡管理具有以下兩個突出特點:

　　·完善的管理功能;

　　·良好的管理性能;

　　為了實現完善而高效的網絡管理,通信設備必須增強自身性能,從而為高層網管提供高性能的軟硬件平臺。因此,通信系統的設計出現了新的發展趨勢,如圖3所示。

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　　出現這種趨勢的原因主要在于:

　　(1)先前以單片機為平臺,應用程序直接運行于CPU之上的方式具有明顯的不足:

　　·硬件功能有限,不能進行高效而復雜的設備管理;

　　·硬件平臺簡單,不能有效地支持功能繁多而且復雜的網絡管理;

　　·軟件缺乏操作系統的支持,網管應用程序設計復雜,難以實現功能完善的高性能網絡管理。

　　可見,基于單片機平臺的設備在硬件和軟件兩個方面都很難滿足現代網絡管理的要求。

　　(2)通用計算機由于體積、成本以及效率等因素的限制,也不適合這種應用環境。

　　(3)采用嵌入式實時系統是理想的解決方法:

　　·嵌入式實時系統在硬件上使用功能緊湊而高效的CPU,適合“嵌入”設備內部作為控制的硬件核心,可以支持復雜的設備管理;

　　·在軟件上,嵌入式實時系統以高性能的嵌入式實時操作系統為核心,除了為系統提供良好的實時性保障以外,還簡化了高層應用程序的設計。

　　以嵌入式實時系統為核心使設備內部具有一個類似于通用計算機系統的強大而高效的軟硬件平臺;既滿足了網絡管理功能上的要求,又保證了網絡管理的高效性;既支持設備本身的管理,又支持高效統一的網絡管理。因此,以嵌入式實時系統作為設備的功能核心和網絡管理平臺是現在通信系統廣泛采用的實現方案。

　　由于在功能、性能以及價格等方面具有不可替代的優勢,嵌入式系統還在移動通信、個人通信、數據通信、衛星通信及信息家電等領域得到了深入而廣泛的應用。

　　嵌入式實時系統作為計算機應用的一個嶄新領域,以其簡潔高效等特點越來越多地受到人們的廣泛關注。由于嵌入式實時系統有別于一般的計算機系統,在設計和實現上存在著區別于通用計算機系統的若干關鍵問題。隨著應用環境的日趨復雜,系統要求的功能越來越多,嵌入式實時操作系統成為實現嵌入式實時系統的必需環節。

　　經過近幾年的發展,嵌入式實時系統的應用范圍已經擴展到先前只能使用通用計算機系統的領域,并且其應用數量已經超過了通用計算機系統,尤其是在電信及IT領域中更是得到了前所未有的廣泛應用。

　　迅速崛起的嵌入式實時系統標志著“后PC時代(POST-PC Era)”的到來。嵌入式系統正在成為PC機以后最具發展潛力和應用前景的系統,它的快速發展正在成為IT(包括通信、信息)等產業保持快速發展的、新的強大推動力。

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