淺談嵌入式實(shí)時(shí)系統及其在通信系統中的應用

在IT行業(yè)的眾多分支中，嵌入式是發(fā)展得最快的領(lǐng)域之一，因為越來(lái)越多的產(chǎn)品和服務(wù)需要嵌入式系統予以支撐，消費類(lèi)電子產(chǎn)品、生產(chǎn)制造業(yè)、辦公自動(dòng)化、工業(yè)控制等諸多行業(yè)都和嵌入式有密不可分的關(guān)系。

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(shù)；因為在技術(shù)上與通用計算機系統有很多不同，本文首先介紹嵌入式系統的基本概念及其關(guān)鍵技術(shù)，并結合在通信系統中的應用說(shuō)明其技術(shù)特點(diǎn)及可應用性。

1 嵌入式實(shí)時(shí)系統

嵌入式系統內容包含一個(gè)或多個(gè)控制用的CPU以及針對特定應用環(huán)境而開(kāi)發(fā)的高層軟件，通常含有操作系統。在使用過(guò)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(shí)間很短的嵌入式系統叫做“嵌入式實(shí)時(shí)系統”；應用于嵌入式實(shí)時(shí)系統的操作系統叫做“嵌入式實(shí)時(shí)操作系統”。

1.1 嵌入式實(shí)時(shí)系統的構成

嵌入式實(shí)時(shí)系統包括硬件和軟件兩個(gè)方面，由硬件平臺、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統及其他系統軟件模塊、實(shí)時(shí)應用程序三個(gè)部分組成。如圖1所示。

1.1.1 硬件平臺

嵌入式實(shí)時(shí)系統的硬件平臺通常以為能緊湊、專(zhuān)用性強的CPU為核心同時(shí)結合少量的外轉圍設備，具有應用相關(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(shí)時(shí)應用程序，并完成對硬件的控制和操作。

1.1.3 實(shí)時(shí)應用程序

實(shí)時(shí)應用程序是基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統、利用操作系統提供的實(shí)時(shí)機制完成特定的嵌入式實(shí)時(shí)系統具體功能的應用程序。

1.2 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的特點(diǎn)

除了具有操作系統的共性以外，為適應“嵌入式實(shí)時(shí)”應用，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統還具有實(shí)時(shí)性、微內核結合擴展模塊實(shí)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(diǎn)。

1.2.1 實(shí)時(shí)性

實(shí)時(shí)表示“及時(shí)”，是一個(gè)相對概念；實(shí)時(shí)性表明操作系統在可預見(jiàn)的時(shí)間內響應和處理外部事件的能力，是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統性能的關(guān)鍵指標之一。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統一般采用多任務(wù)機制，以并發(fā)方式執行應用程序。

1.2.2 微內核結合擴展模塊實(shí)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(shí)時(shí)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)操作系統的結構如圖2所示。

1.2.3 操作系統不對外設作假設

操作系統的實(shí)現只與CPU有關(guān)，而不假設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)叫做板級支持包（Board Support Package）的軟件層次來(lái)完成，從而實(shí)現了操作系統的“硬件無(wú)關(guān)性”，提高了系統的通用性和可移值性。

1.3 嵌入式實(shí)時(shí)系統與通用計算機系統的對比

通過(guò)對比表1可以看出：嵌入式系統是以應用為中心、以計算機技術(shù)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(zhuān)用計算機系統。

表1 嵌入式實(shí)時(shí)系統與通用計算機系統的對比

2 嵌入式實(shí)時(shí)系統的實(shí)現

2.1 選擇適合的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統是實(shí)現嵌入式實(shí)時(shí)系統的核心。操作系統的性能在很大程度上直接影響著(zhù)整個(gè)系統的實(shí)時(shí)性能。因此，選擇合適的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統對于實(shí)現一個(gè)高性能的嵌入式時(shí)系統是至關(guān)重要的。

2.2 仔細劃分應用程序內部的若干任務(wù)

作為另一個(gè)重要的軟件層次，應用程序內部任務(wù)的劃分也影響嵌入式時(shí)系統的整體性能。為兼顧嵌入式實(shí)時(shí)系統的并發(fā)性整體吞吐量，任務(wù)的劃分應當遵循以下原理：

·功能獨立的操作應當一個(gè)單一的任務(wù)；

·功能聯(lián)系密切（耦合關(guān)系密切）的操作應當劃歸同一個(gè)任務(wù)；

·具有慢速I(mǎi)/O操作的功能應當劃分為單獨任務(wù)；

·不同優(yōu)級的操作劃分為不同的任務(wù)；

·擁有大量運算的操作應當劃分為一個(gè)單獨的任務(wù)。

2.3 嵌入式實(shí)時(shí)系統的調試

與通用計算機系統的設計不同，嵌入式實(shí)時(shí)系統的設計總會(huì )涉及硬件因素，因此，硬件平臺的調試是一個(gè)必要環(huán)節。在軟件方面，由于嵌入式實(shí)時(shí)系統通常是一個(gè)多任務(wù)系統，具有很強的動(dòng)態(tài)性，因此，系統的功能行為需要通過(guò)調試加以確定。

3 嵌入式實(shí)時(shí)系統在通信系統的應用

作為一類(lèi)特殊的計算機系統，嵌入式實(shí)時(shí)系統的應用范圍已經(jīng)擴展到許多領(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(zhù)網(wǎng)絡(luò )新業(yè)務(wù)的開(kāi)通和新設備的增加，電信網(wǎng)絡(luò )管理成為個(gè)日益突出的問(wèn)題而備受關(guān)注。

通信網(wǎng)絡(luò )的擴大、新業(yè)務(wù)和新設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(shuō)，網(wǎng)絡(luò )管理必須滿(mǎn)足一定的實(shí)時(shí)性。簡(jiǎn)言之，現代網(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)現完善而高效的網(wǎng)絡(luò )管理，通信設備必須增強自身性能，從而為高層網(wǎng)管提供高性能的軟硬件平臺。通信系統的設計出現了新的發(fā)展趨勢，如圖3所示。

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(jìn)行高效而復雜的設備管理；

·硬件平臺簡(jiǎn)單，不能有效地支持功能繁多而且復雜的網(wǎng)絡(luò )管理；

·軟件缺乏操作系統的支持，網(wǎng)絡(luò )應用程序設計復雜，難以實(shí)現功能完善的性能網(wǎng)絡(luò )管理。

（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(huán)境。

（3）采用嵌入式實(shí)時(shí)系統是理想的解決方法：

·嵌入式實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)系統以高性能的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統為核心，除了為系統提供良好的實(shí)時(shí)性保障以外，還簡(jiǎn)化了高層應用程序的設計。

嵌入式實(shí)時(shí)系統作為計算機應用的一個(gè)嶄新領(lǐng)域，以其簡(jiǎn)潔高效等特點(diǎn)越來(lái)越多地受到人們的廣泛關(guān)注。隨著(zhù)應用環(huán)境的日趨復雜，系統要求的功能越來(lái)越多，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統成為實(shí)現嵌入式實(shí)時(shí)系統必需環(huán)節。

經(jīng)過(guò)近幾年的迅速發(fā)展，嵌入式實(shí)時(shí)系統的應用范圍已經(jīng)擴展到先前的只能使用通計算機系統的領(lǐng)域，并且其應用數量已經(jīng)超過(guò)了通用計算機系統，尤其在電信及IT領(lǐng)域中更是得到前所未有的廣泛應用。

迅速崛起的嵌入式實(shí)時(shí)系統實(shí)時(shí)系統標志著(zhù)“后PC時(shí)代（POST-PC Era）”的到來(lái)。嵌入式系統正成為PC機以后最具有發(fā)展潛力和應用前景的系統，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、新的強大推動(dòng)力。