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淺談嵌入式實時系統及其在通信系統中的應用

發布時間:2011-12-24       發布人:
    

  在IT行業的眾多分支中,嵌入式是發展得最快的領域之一,因為越來越多的產品和服務需要嵌入式系統予以支撐,消費類電子產品、生產制造業、辦公自動化、工業控制等諸多行業都和嵌入式有密不可分的關系。

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;因為在技術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鍵技術,并結合在通信系統中的應用說明其技術特點及可應用性。

1 嵌入式實時系統

嵌入式系統內容包含一個或多個控制用的CPU以及針對特定應用環境而開發的高層軟件,通常含有操作系統。在使用過程中,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間很短的嵌入式系統叫做“嵌入式實時系統”;應用于嵌入式實時系統的操作系統叫做“嵌入式實時操作系統”。

1.1 嵌入式實時系統的構成

嵌入式實時系統包括硬件和軟件兩個方面,由硬件平臺、嵌入式實時操作系統及其他系統軟件模塊、實時應用程序三個部分組成。如圖1所示。

 

1.1.1 硬件平臺秦皇島網絡公司

嵌入式實時系統的硬件平臺通常以為能緊湊、專用性強的CPU為核心同時結合少量的外轉圍設備,具有應用相關性,即多樣性的特點。

1.1.2 嵌入式實時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,負責調度并管理實時應用程序,并完成對硬件的控制和操作。

1.1.3 實時應用程序

實時應用程序是基于嵌入式實時操作系統、利用操作系統提供的實時機制完成特定的嵌入式實時系統具體功能的應用程序。

1.2 嵌入式實時操作系統的特點

除了具有操作系統的共性以外,為適應“嵌入式實時”應用,嵌入式實時操作系統還具有實時性、微內核結合擴展模塊實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。

1.2.1 實時性

實時表示“及時”,是一個相對概念;實時性表明操作系統在可預見的時間內響應和處理外部事件的能力,是嵌入式實時操作系統性能的關鍵指標之一。嵌入式實時操作系統一般采用多任務機制,以并發方式執行應用程序。

1.2.2 微內核結合擴展模塊實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,嵌入式實時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,使操作同時具備了通用性和可配置性。嵌入式實時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

操作系統的實現只與CPU有關,而不假設CPU以外的其他物理硬件。與硬件相關的功能依靠另外一個叫做板級支持包(Board Support Package)的軟件層次來完成,從而實現了操作系統的“硬件無關性”,提高了系統的通用性和可移值性。

1.3 嵌入式實時系統與通用計算機系統的對比

通過對比表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、功耗嚴格要求的專用計算機系統。

表1 嵌入式實時系統與通用計算機系統的對比

360截圖20111220163628671.jpg

2 嵌入式實時系統的實現

2.1 選擇適合的嵌入式實時操作系統

嵌入式實時操作系統是實現嵌入式實時系統的核心。操作系統的性能在很大程度上直接影響著整個系統的實時性能。因此,選擇合適的嵌入式實時操作系統對于實現一個高性能的嵌入式時系統是至關重要的。

2.2 仔細劃分應用程序內部的若干任務

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

·功能獨立的操作應當一個單一的任務;

·功能聯系密切(耦合關系密切)的操作應當劃歸同一個任務;

·具有慢速I/O操作的功能應當劃分為單獨任務;

·不同優級的操作劃分為不同的任務;

·擁有大量運算的操作應當劃分為一個單獨的任務。

2.3 嵌入式實時系統的調試

與通用計算機系統的設計不同,嵌入式實時系統的設計總會涉及硬件因素,因此,硬件平臺的調試是一個必要環節。在軟件方面,由于嵌入式實時系統通常是一個多任務系統,具有很強的動態性,因此,系統的功能行為需要通過調試加以確定。

3 嵌入式實時系統在通信系統的應用

作為一類特殊的計算機系統,嵌入式實時系統的應用范圍已經擴展到許多領域,尤其在通信領域更是得到了前所未有的發展。隨著網絡新業務的開通和新設備的增加,電信網絡管理成為個日益突出的問題而備受關注。

通信網絡的擴大、新業務和新設備的大量增加要求網絡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,網絡管理必須滿足一定的實時性。簡言之,現代網絡管理具有以下兩個突出特點:

·完善的管理功能;

·良好的管理性能。

為了實現完善而高效的網絡管理,通信設備必須增強自身性能,從而為高層網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,不能進行高效而復雜的設備管理;

·硬件平臺簡單,不能有效地支持功能繁多而且復雜的網絡管理;

·軟件缺乏操作系統的支持,網絡應用程序設計復雜,難以實現功能完善的性能網絡管理。

(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境。

(3)采用嵌入式實時系統是理想的解決方法:

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

嵌入式實時系統作為計算機應用的一個嶄新領域,以其簡潔高效等特點越來越多地受到人們的廣泛關注。隨著應用環境的日趨復雜,系統要求的功能越來越多,嵌入式實時操作系統成為實現嵌入式實時系統必需環節。

經過近幾年的迅速發展,嵌入式實時系統的應用范圍已經擴展到先前的只能使用通計算機系統的領域,并且其應用數量已經超過了通用計算機系統,尤其在電信及IT領域中更是得到前所未有的廣泛應用。

迅速崛起的嵌入式實時系統實時系統標志著“后PC時代(POST-PC Era)”的到來。嵌入式系統正成為PC機以后最具有發展潛力和應用前景的系統,它的快速發展正在成為IT(包括通信、信息)等產業保持快速發展的、新的強大推動力。秦皇島網絡公司

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