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

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。

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) 板級(jí)支持包(BSP) 電信管理網(wǎng)

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

比較項(xiàng)目嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

硬件環(huán)境應(yīng)用相關(guān)性和多樣懷;

CPU專用性強(qiáng)，功能緊湊;

外設(shè)簡(jiǎn)單，擴(kuò)展能力有;相似性;

CPU功能強(qiáng)大，通用性強(qiáng);

外設(shè)較多，擴(kuò)展能力強(qiáng)

操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好、高度優(yōu)化的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng);實(shí)時(shí)性般的通用操作系統(tǒng);

應(yīng)用程序與嵌入式系統(tǒng)和操作系統(tǒng)緊耦合;

針對(duì)性強(qiáng)，通用懷、移植性一般;與操作系統(tǒng)松耦合;

通用性、移植性好;

系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)開發(fā)與運(yùn)行位于同的平臺(tái)，通常采用交叉開發(fā)方式;開始與運(yùn)行位相似的平臺(tái)，無需特定的開發(fā)環(huán)境。

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)及操作系統(tǒng)的選擇等許多關(guān)鍵問題。

2.1 選擇適合的嵌入式實(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)高性能的嵌入式時(shí)系統(tǒng)是至關(guān)重要的。[!--empirenews.page--]

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)性整體吞吐量，任務(wù)的劃分應(yīng)當(dāng)遵循以下原理：

·功能獨(dú)立的操作應(yīng)當(dāng)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)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)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)管理成為個(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，通常參數(shù)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)備不同滿足現(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。

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)絡(luò)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)功能完善的性能網(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)必需環(huán)節(jié)。

經(jīng)過近幾年的發(fā)燕尾服，嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到先前的只能使用通計(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)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)正成為PC機(jī)以后最具有發(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。