电脑嵌入式系统与嵌入式操作系统

吴国发

初稿：2020年9月27日

修改：2023年10月22日

内容提要：这是一篇高级科普文章，具备电脑基本知识的读者才能够看懂本文。文章简明扼要地介绍电脑嵌入式系统的基本概念、发展阶段、嵌入式硬件的种类、嵌入式软件的种类，再具体介绍嵌入式操作系统的概念和种类。

关键词：嵌入式系统 微处理器 微控制器 操作系统 Linux

（一）电脑嵌入式系统的基本概念

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，能够根据用户需求(功能、可靠性、成本、体积、功耗、环境等)灵活裁剪软件硬件模块的专用电脑系统。

嵌入式系统由硬件和软件组成。嵌入式系统的软件包括操作系统、中间件和应用程序。嵌入式系统的硬件包括信号处理器、存储器、通信模块（输入输出接口）等。

相比于一般的计算机处理系统，各种嵌入式系统存在较大的差异性。嵌入式系统没有大容量的存储功能，因为没有与之相匹配的大容量存储介质。

嵌入式系统广泛用于工业控制、智能汽车、高端精密尖端仪器、智能手机、智能家用电器、武器装备（如坦克、导弹、雷达）等，如下图所示：

（二）嵌入式系统的发展阶段

嵌入式系统的发展大致经历了以下三个阶段：

第一阶段：嵌入技术的早期阶段，无操作系统。嵌入式系统以单片机为核心的可编程控制器形式存在，具有监测、伺服、设备指示等功能。这种系统大部分应用于各类工业控制和坦克、飞机、导弹等武器装备中。

第二阶段：以高端嵌入式CPU和嵌入式操作系统为标志。这一阶段嵌入式系统的主要特点是计算机硬件出现了高可靠、低功耗的嵌入式CPU，如ARM、PowerPC等，而且支持操作系统和复杂应用程序的开发、运行。

第三阶段：以芯片技术和Internet（互联网）技术为标志。由于微电子技术迅速发展，SoC（片上系统）使嵌入式系统越来越小，功能却越来越多。目前大多数嵌入式系统还独立于互联网之外。今后，互联网技术将与工业控制技术、智能设备、智能家电等密切结合，很多嵌入式系统将与Internet（互联网）联结。

（三）嵌入式硬件系统的主要种类

以下各节，我们讨论第三阶段嵌入式系统的类型和软件。

从硬件角度看，嵌入式系统主要有下列四种类型：

（1）嵌入式微处理器（MicroProcessor Unit，MPU）

现在的嵌入式微处理器(MPU)是由通用计算机中的CPU演变而来的。它是具有32位以上的处理器。与工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。

主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等。

（2）嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit， MCU）

早期的微控制器（Microcontroller Unit，MCU）是将一个计算机集成到一个芯片中，实现嵌入式应用，故又称单片机（single chip microcomputer）。

单片机是一种集成电路芯片，是构成一台微型计算机的主机。与微型计算机相比，单片机只缺少了I/O（输入/输出）设备。

与嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器适合于实时控制，因此称为微控制器。

MCU拥有的品种最多。比较有代表性的MCU有Intel8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68000系列，以及8XC930/931、C540、C541，并且还有支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。

（3）嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor， EDSP)

DSP（数字信号处理器）是专门用于信号处理方面的处理器。它具有很高的编译效率和指令执行速度，能够极快地进行离散时间信号处理。

应用最广的DSP是TI（德州仪器）的TMS320C2000/C5000系列和Motorola（摩托罗拉）的5600X系列；其次是Intel（英特尔）的MCS-296，Siemens（西门子）的TriCore，等等。

（4）嵌入式片上系统(System OnChip)

嵌入式片上系统(SoC)是具有很大包容性的集成器件。SoC最大的特点是实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。

比较典型的SoC产品是Philips（菲利普）的Smart XA。其它的SOC有Siemens（西门子）的TriCore，Motorola（摩托罗拉）的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片，等等。

（四）嵌入式软件系统的概念

（A）嵌入式软件系统的基本概念

嵌入式软件系统的组成如下：

（1）系统软件，包括操作系统（系统软件的核心）、中间件等，用于控制、管理微系统的资源；

（2）支撑软件，辅助软件开发的工具，包括设计工具、仿真工具、测试工具、维护工具等；

（3）应用软件，包括微系统在各个领域的应用软件。

（B）嵌入式操作系统的基本概念

嵌入式操作系统（EmbeddedOperating System，EOS）是指用于嵌入式系统的操作系统。嵌入式操作系统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、图形界面、标准化浏览器等。

嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软件、硬件资源的分配，任务调度，控制、协调系统的活动。

EOS能够通过装入某些模块来实现增加的功能。

嵌入式操作系统大多数是实时操作系统（RTOS）。

手机操作系统都是嵌入式操作系统。

（C）嵌入式实时操作系统(RTOS)

嵌入式实时操作系统（Real Time Operating System，RTOS）能够在指定或确定的时间内完成实时系统的功能。RTOS标准的内核是一段嵌入在目标代码中的程序，系统复位后首先执行。RTOS相当于用户的主程序，其它程序都建立在RTOS之上。

RTOS的特性如下：

Ø 具有实时性、并行性、多路性和交互性；

Ø 具有约束性，包括时间约束、资源约束、执行顺序约束等；

Ø 具有可预测性，其执行时间和结果是可预测的；

Ø 具有可靠性。

（五）嵌入式操作系统的发展阶段

嵌入式操作系统的发展经历了下列四个阶段：

第一阶段：无操作系统阶段，20世纪70年代；嵌入式系统的硬件以51单片机为代表。

第二阶段：简单操作系统阶段，20世纪80年代；嵌入式系统的硬件是超大规模集成电路(VLSI)。

第三阶段：实时操作系统阶段，20世纪90年代；实时、多任务系统是嵌入式操作系统的主流；嵌入式系统的硬件仍然是超大规模集成电路(VLSI)。

第四阶段：面向Internet阶段，可以使用Java开发；系统软件有嵌入式数据库、实时CORBA等，有完善的开发平台。

（六）国际上常用的通用嵌入式操作系统

国际上的嵌入式操作系统（EOS）有50种左右。国际上广泛使用的通用嵌入式操作系统如下：

Ø Palm OS，通用EOS，由3Com公司下属子公司开发，占全球市场份额高达50%。在美国市场，Palm OS更以80%的占有率，遥遥领先。

ØWindows Embedded，微软公司开发，在美国的市场占有率很高，仅次于Palm OS。

ØVxWorks，实时操作系统，由美国WindRiver 公司开发。

Ø µC/OS-III，实时操作系统，由Micrium公司开发，开源。

Ø 嵌入式Linux，种类很多，其小型化版是μCLinux，开源。

Ø 专用于手机和平板电脑的Android（安卓），谷歌公司开发，开源。

Ø 专用于苹果公司手机的iOS，苹果公司开发，只适用于苹果公司产品。

上述操作系统全部是美国的企业和研究机构开发的。

华为公司的鸿蒙系统（HarmonyOS）专用于华为公司的手机、平板电脑、自动驾驶汽车和其它智能产品。

（七）嵌入式Linux系统的特点

嵌入式Linux是把Linux操作系统进行剪裁、修改，使之能够在嵌入式系统运行的操作系统。

嵌入式Linux具有如下特点：

Ø 嵌入式Linux的源代码完全开放，不存在“后门”和黑箱技术。

Ø 嵌入式Linux内核小（最小者只有134KB），效率高；内核可以任意剪裁。

Ø 嵌入式Linux可移植性好，已经被移植到20多种CPU架构，包括x86、ARM、MIPS、IA64、AVR32、M68K、S390等。

Ø 嵌入式Linux都是免费的操作系统，在价格上具有很强的竞争力。

Ø 全世界有超过1000名Linux专家级的“义工”，免费为嵌入式Linux提供技术支持。

嵌入式Linux主要有下列三种类型：

（1）专门为嵌入式特性设计的Linux，其内核很小、移植性很好；

（2）专门为实时性设计的Linux，其可控性好，实时功能强；

（3）把嵌入式特征和实时性特征结合起来而设计的Linux，提供集成开发方案。

（八）嵌入式Linux系统的发行版

有代表性的嵌入式Linux操作系统发行版有下列六种：

（1）μClinux，适用于简单的微控制器嵌入式系统，内核很小；由美国Lineo公司开发。

（2）RT-Linux，适用于实时控制，是实时Linux的代表；由美国墨西哥理工学院开发。

（3）Embedix，适用于复杂的嵌入式系统，具有调试工具包、图形界面浏览器等，是完整的嵌入式Linux解决方案；由美国Luneo公司开发。

（4）QUARK（夸克），由美国网虎公司（XLinux）开发，是目前全世界最小的Linux，内核只有143KB。QUARK不仅具有标准字符集，而且含有12个国家和地区的字符集，适合于国际性应用。

（5）Mizi Linux，内核小（512KB）；集成了网络服务器Apache和数据库管理系统MySQL；配备了功能很强的SDK开发平台。由韩国Mizi公司开发。

（6）MidoriLinux，功能强、适用性广的嵌入式操作系统；不仅操作系统免费，而且提供免费的开发工具和应用程序包；由美国Monta Vista公司开发。

上述六种嵌入式Linux发行版，除了MiziLinux是韩国企业开发的外，五种都是美国企业和大学开发的。

中科红旗软件技术有限公司开发了红旗嵌入式Linux，没有得到普遍应用。