單片機到嵌入式操作系統(tǒng)應用分析

單片機到嵌入式操作系統(tǒng)應用分析1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystem）是指有特定功能或用途的計算機硬、軟件的集合體，分為嵌入式軟件系統(tǒng)和嵌入式硬件系統(tǒng)。在智能控制設備、便攜式智能儀器等應用場合，出于對產品體積、成本等諸因素的考慮，往往要求將智能控制部分安裝于設備內部，且占用的空間盡可能小，在這種情況下，處理器沒有一般意義的硬盤，只有有限容量的內存及常用的Flash電子盤，這樣的系統(tǒng)稱為嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)和功能軟件集成于計算機硬件系統(tǒng)之中，也就是軟件與硬件的一體化。嵌入式系統(tǒng)目的性或針對性很強，具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點，這也是與通用計算機系統(tǒng)的最主要區(qū)別。嵌入式技術與實時性有著必然的聯(lián)系。2從單片機的應用發(fā)展到嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)開始于20世紀80年代單片機的使用。單片機技術已經滲透到各個領域，且與人們的日常生活密不可分，給人們生活和工業(yè)生產帶來極大方便。單片機的功能強大，從信號采集、處理到傳輸都能由單片機來完成。但是，隨著網絡時代的來臨，許多電子設備需要聯(lián)網和更智能化、更強的計算能力，比如音頻、視頻的數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸；豐富的圖形界面等。單片機越來越不能滿足應用對象的需求，開發(fā)工作也變得越來越復雜、龐大。隨著微電子技術的進步，芯片的制造成本大大降低，而功能卻大大增強，16位和32位的嵌入式微處理器逐漸成為嵌入式系統(tǒng)設計的主流。但是，只有嵌入式微處理器是不夠的，OEM（原始設備制造商）還需要有一個運行于嵌入式微處理器上的操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)要有良好的可移植性，能夠用在根據(jù)應用要求選擇的微處理器中；軟件開發(fā)工作變得規(guī)范，容易測試，可實現(xiàn)模塊化編程，同時由多個人共同完成1個任務；解決已往開發(fā)產品存在的諸多不安全隱患。很多軟件廠商迎合嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的需要，推出了多種不同特點的嵌入式操作系統(tǒng)。例如MICroSOFt公司的Windows

CE、3COM公司的PalmOS，Symbian公司的EPOC、中科院凱思集團的HOpen以及Linux等。3WindowsCE3.0實時操作系統(tǒng)及其性能分析3.1WindowsCEWindowsCE操作系統(tǒng)是微軟為實現(xiàn)"信息隨手可得"的設想而努力開發(fā)的成果。通過WindowsCE，微軟提供了標準的開放式平臺，極大地減少了硬件制造商(IHV)、軟件開發(fā)商(SHV)以及最終將采納新一代非PC技術解決方案的客戶多方之間的矛盾。WindowsCE是一個功能強大的開放的32位實時嵌入式操作系統(tǒng)，適用于快速構建新一代內存少、體積小的智能設備。例如工業(yè)控制器、手持式設備、智能電話、機頂盒和零售點設備等。目前的掌上電腦(PDA)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、車載PC(AutoPC)，有很多采用WindowsCE操作系統(tǒng)。3.2WindowsCE3.0性能特點WindowsCE是一個搶先式多任務并具有強大通信能力的嵌入式操作系統(tǒng)。它是一個全新的、可移植的、實時的、模塊化的操作系統(tǒng)，具有流行的微軟程序開發(fā)界面，提供許多快速開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的工具。（1）新內核WindowsCE看上去和Windows9X/NT很像，但它不是這些操作系統(tǒng)的簡化版，也不是從這些系統(tǒng)移植過來的。WindowsCE具有全新的內核和任務調度、內存管理策略。（2）可移植性由于WindowsCE操作系統(tǒng)幾乎完全是用C語言編寫的，所以可移植到眾多的32位微處理器上；支持各種處理器家族，包括x86、PowerPC、ARM、MIPS和SH等系列。微軟為每個支持的處理器家族提供完整的系統(tǒng)庫。WindowsCE可以通過OEM適配層OAL(OEMAdaptationLayer)適配到任何硬件平臺。OAL是駐留在CE內核和硬件之間的代碼層。原始設備制造商使用這些代碼把CE適配到自己的硬件上。OAL鏈接CE的內核和定制的硬件。（3）實時性WindowsCE2.1及其以前的版本實時性能不強，但WindowsCE3.0及以后的版本實時性能得到明顯改善。WindowsCE3.0的實時性能主要通過以下技術實現(xiàn)：支持嵌套中斷，高優(yōu)先級的中斷并不需要等待低優(yōu)先級的中斷服務例程（ISR）完成；256個線程優(yōu)先級，可以靈活調度嵌入式系統(tǒng)的任務；通過固定高優(yōu)先級中斷服務線程（IST）的最大調度延遲改善線程響應時間；使用API函數(shù)CeSetThreadQuantum和CeGetThreadQuantum修改操作系統(tǒng)中線程的線程量；中斷服務子程序的響應時間非常短；支持信號量。在基于WindowsCE的參考平臺上，使用HitachiSH3微處理器，系統(tǒng)可以在2~5μs內啟動一個中斷服務例程（ISR），在90~170μs內啟動相應的中斷服務線程。如果考慮其它因素，如CPU類型、時鐘頻率、總線速度等的影響，許多實際的基于WindowsCE平臺的響應時間更短。（4）模塊化由于存儲器資源在移動和嵌入式設備中非常有限，WindowsCE設計成一個模塊化操作系統(tǒng)，設計者只需選擇那些需要的模塊以滿足指定平臺的存儲器要求。WindowsCE的結構如圖1所示，主要包括4個模塊：內核（Kernel）、圖形窗口事件子系統(tǒng)（GWES）、文件系統(tǒng)（Filesys）和通信模塊（Communications）。Kernel負責中斷處理、進程和線程管理、虛擬內存管理和其它相關任務；GWES（GraphicsWindowingandEventsSubsystem）相當于桌面Windows的圖形設備接口GDI和用戶庫；Filesys用于永久存儲，包括文件系統(tǒng)、注冊表和數(shù)據(jù)庫；Communications模塊負責與桌面PC、其它CE設備和因特網的互聯(lián)。每個模塊又分成許多小組件。裁減WindowsCE時，可以只選擇那些需要的組件。

（5）Win32兼容性WindowsCE采用與Windows95/NT相同的編程模型，它的API是Win32API的一個子集，大約有600個API函數(shù)，可以實現(xiàn)所有的嵌入式應用。CE只支持UNICODE碼，CEAPI刪除了Win32API中包含ANSI字符串參數(shù)的函數(shù)。CE還支持當前流行的軟件技術和運行庫，如MFC(MicrosoftFoundationClass)、ATL(ActiveTemplateLibrary)、EVC(EmbeddedVisualC)、EVB(EmbeddedVisualBasic)。Win32的兼容性可以容易地把現(xiàn)成的Windows應用程序移植到WindowsCE中。目前有許多開發(fā)人員精