1.3 嵌入式操作系统

1.3.1 嵌入式操作系统的概述

在计算机技术发展的初期由于计算机完成的功能专一，资源也比较有限，并没有操作系统这个概念，就像我们今天编写的简单单片机程序一样，几个中断加上个死循环就能解决问题。然而随着计算机功能的增强，为了提高计算机资源的利用率，同时为用户提供一个与计算机的接口，便出现了计算机监控程序（Monitor）用来监视计算机的软件和硬件资源。随着计算机技术的飞速发展，计算机的软件和硬件资源越来越丰富，就对传统的监控程序提出了更高的要求，因此在20世纪60年代中期监控程序发展成为了操作系统。

我们使用的Windows就是最流行的操作系统，操作系统是控制其他程序运行，管理系统资源并为用户提供操作接口的系统软件的集合。而嵌入式操作系统则是针对嵌入式应用的专用系统，如今最火的嵌入式操作系统莫过于Android了。

嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议等。嵌入式操作系统通常具备通用操作系统的基本特点，如能够把硬件虚拟化，使得开发人员能够不用关心底层硬件，从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、标准设备驱动程序及工具集等。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。

1.3.2 常见的嵌入式操作系统

1.μC/OS

μC/OS和μC/OS-II是一个源码公开、可移植、可固化、可裁剪及占先式的实时多任务操作系统。需要说明的是μC/OS和μC/OS-II只是一个实时操作系统内核，这也就意味着它并不像其他实时操作那样可以给用户提供一些API函数接口，很多工作需要设计者自己去完成，但是μC/OS和μC/OS-II已经广泛用于8位、16位和32位单片机或数字信号处理器。它的主要特点如下：

（1）公开源代码：方便不同硬件平台的移植。

（2）可移植性：绝大部分源代码使用C语言编写，方便不同平台的移植。

（3）可固化。

（4）可裁剪性：可以根据具体的应用和硬件资源配置有选择地使用需要的系统服务，以减少所需的硬件资源要求。

（5）占先式：完全是占先式的实时内核，系统总是运行就绪条件下优先级最高的任务。

（6）多任务：最多可以管理64个任务，任务的优先级必须不同，不支持时间片轮转调度法。

（7）可确定性：函数调用与服务的执行时间具有可确定性，与任务多少无关。

和其他嵌入式操作系统相比，μC/OS和μC/OS-II是一个轻量级的实时系统，由于它可移植性好的特点，在各种级别的嵌入式处理器上都有所应用。

2.嵌入式Linux

Linux是一个类似于UNIX的操作系统。它起源于芬兰一个名为Linus Torvalds的业余爱好者，但是现在已经是最流行的一款开放源代码操作系统。Linux从1991年问世至今，短短十几年时间内已发展成为一个功能强大、设计完善的操作系统，伴随网络技术进步而发展起来的Linux OS已成为微软公司的Windows的强劲对手。Linux系统不仅运行于PC平台，还在嵌入式系统方面广泛应用。

因为是源代码开放软件，所以不存在黑箱技术，任何人都可以修改它，或者用它开发自己的产品。Linux系统是可以定制的，系统内核目前已经可以做得很小。一个带有中文系统及图形化界面的核心程序也可以做到不足1MB，而且同样稳定。Linux作为一种可裁减的软件平台系统，是发展未来嵌入设备产品的绝佳资源，遍布全球的众多Linux爱好者又能给予Linux开发者强大的技术支持。因此，Linux作为嵌入式系统新选择，有很好的发展前景。

μClinux是从Linux2.0/2.4内核派生而来，因而沿袭了主流Linux的绝大部分特性。为了降低硬件成本及运行功耗，很多嵌入式CPU没有设计内存管理单元（Memory Management Unit，MMU）功能模块，因此这类CPU只能运行一些较为简单的操作系统，或者没有操作系统而直接运行应用程序。而μClinux是专门针对没有MMU的CPU，并且为嵌入式系统做了很多优化。适用于没有虚拟内存或内存管理单元的处理器，例如ARM7TDMI，它通常可以用于具有很少内存或Flash的嵌入式系统。μClinux为了支持没有MMU的处理器而对标准Linux做了修正，它保留了操作系统的所有特性，为硬件平台更好地运行各种程序提供了保证。运行μClinux的嵌入式系统能够使用几乎所有的Linux API函数，不会因为没有MMU而受到影响。μClinux由于是在标准的Linux的基础之上进行裁剪和优化，因而形成了一个高度优化、代码紧凑的嵌入式Linux，虽然它经过裁剪，但是仍然保留了Linux的大多数优点：稳定、良好的移植性，优秀的网络功能，对各种文件系统完备的支持，以及标准丰富的API等。

3.Windows CE、Windows Mobile、Windows Phone

Windows CE是微软开发的一个开放的、可升级的32位嵌入式操作系统，是基于掌上电脑类的电子设备操作系统，它是精简的Windows 95操作系统。Windows CE的图形用户界面相当出色。CE中的C代表袖珍（Compact）、消费（Consumer）、通信能力（Connectivity）和伴侣（Companion），E代表电子产品（Electronics）。与Windows 95/98/NT不同的是，Windows CE所有源代码全部由微软自行开发，但Windows CE是基于Win32 API重新开发的新型信息设备平台。Windows CE具有模块化、结构化和基于Win32应用程序接口以及处理器无关等特点。

Windows CE 1.0最早于1996年推出，是单色的Windows 95简化版本。1997年秋季，Comdex大会上公布的Windows CE 2.0仍是基于Win95的操作系统，效率远高于1.0版。Windows CE 3.0是微软的Windows Compact Edition，已摆脱旧有的Windows 95简化格式，是一套全新的操作系统，支持5种CPU：x86、PowerPC、ARM、MIPS、SH3/4，并且改名为Windows for Pocket PC，简称Pocket PC。2002年1月，微软又推出Windows CE.Net，即Windows CE 4.0。2004年5月，微软推出Windows CE 5.0，开放有250万行源代码。2006年11月，微软推出Windows Embedded CE 6.0。

Windows CE的设计目标是：模块化及可伸缩性、实时性能好、通信能力强大、支持多种CPU。它的设计可以满足多种设备的需要，一个典型的基于Windows CE的嵌入系统通常为某个特定用途而设计，并在不联机的情况下工作。它要求所使用的操作系统体积较小，内部兼有对中断的响应功能。它的特点如下。

（1）具有灵活的电源管理功能，包括睡眠/唤醒模式。

（2）使用了对象存储（Object Store）技术，包括文件系统、注册表及数据库。它具有很多高性能、高效率的操作系统特性，包括按需换页、共享存储、交叉处理同步、支持大容量堆（Heap）等。

（3）拥有良好的通信能力。广泛支持各种通信硬件，也支持直接的局域连接以及拨号连接，并提供与PC、内部网以及互联网的连接，还提供与Windows 9x/NT的最佳集成和通信。

（4）支持嵌套中断，允许更高优先级别的中断首先得到响应，而不是等待低级别的ISR完成。这使得该操作系统具有嵌入式操作系统所要求的实时性。

（5）更好的线程响应能力。对高级别IST（中断服务线程）的响应时间上限的要求更加严格，在线程响应能力方面的改进，帮助开发人员掌握线程转换的具体时间，并通过增强的监控能力和对硬件的控制能力，帮助他们创建新的嵌入式应用程序。

（6）256个优先级别，可以使开发人员在控制嵌入式系统的时序安排方面有更大的灵活性。

（7）Windows CE的API是Win32API的一个子集，支持近1500个Win32 API。有了这些API，足可以编写任何复杂的应用程序。当然，在Windows CE系统中，所提供的API也可以随具体应用的需求而定。

Windows CE在生活中有着广泛的应用，包括当前市场上绝大多数的GPS导航仪，以及一些车用计算机、电视机顶盒、生产在线的控制设备、公共场所的信息站（Kiosk）、电子辞典等，有些设备甚至没有任何人机界面。名噪一时的国产手机魅族M8使用的也是Windows CE系统。

Windows Mobile（WM）是在Windows CE的基础上，强化其手机通信功能，从而独立发展起来的系统。Windows Mobile又分为两种：支持触摸屏的PPC和支持键盘的SmartPhone。Windows Mobile是微软针对移动设备而开发的操作系统。该操作系统的设计初衷是尽量接近于桌面版本的Windows，微软按照计算机操作系统的模式来设计WM，以便能使得WM与计算机操作系统一模一样，这也是Windows Mobile在移动领域败给iOS和Android的主要原因。WM的应用软件以Microsoft Win32 API为基础。新继任者Windows Phone操作系统出现后，Windows Mobile系列正式退出手机系统市场。2010年10月，微软宣布终止对WM的所有技术支持。

Windows Phone 7/7.5/7.8使用的仍然是Windows CE内核，而2012年6月21日发布的Windows Phone 8则采用和Windows 8相同的针对移动平台精简优化NT内核，这标志着移动版Windows Phone将提前与Windows系统同步，部分Windows 8（同样使用ARM架构的RT版）应用可以更方便地移植到手机上。同时，这也标志着微软在移动互联网领域的多终端融合新模式。

Windows Phone 8系统也是第一个支持双核CPU的版本，宣布Windows Phone进入双核时代，同时宣告着Windows Phone 7退出历史舞台。Windows Phone 8兼容所有Windows Phone 7.5的应用程序，但Windows Phone 8的所有原生程序无法在Windows Phone 7.5上运行，属于单向兼容。

虽然微软终止对Windows Mobile的技术支持，同时最新的Windows Phone 8也已经抛弃了Windows CE的内核，但是由于其特点突出，Windows CE在工业领域中仍然占有非常重要的地位。

4.VxWorks

VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种实时操作系统。VxWorks拥有良好的持续发展能力、高性能的内核以及良好的用户开发环境，在实时操作系统领域内占据一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通信、军事演习、导弹制导、飞机导航等。

在美国的F-16、FA-18战斗机、B-2隐形轰炸机和爱国者导弹上，甚至1997年4月在火星表面登陆的火星探测器上也使用了VxWorks。VxWorks是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统。VxWorks支持多种处理器，如x86、i960、Sun Sparc、Motorola MC68xxx、MIPS RX000、PowerPC、ARM、StrongARM等。大多数VxWorks API是专有的。