淺談嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)及其在通信系統(tǒng)中的應(yīng)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?yàn)樵絹?lái)越多的產(chǎn)品和服務(wù)需要嵌入式系統(tǒng)予以支撐，消費(fèi)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(yīng)用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)在集成了通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的共性以外，還包含了很多適合“嵌入式”應(yīng)用的新技術(shù)；因?yàn)樵诩夹g(shù)上與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有很多不同，本文首先介紹嵌入式系統(tǒng)的基本概念及其關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用說(shuō)明其技術(shù)特點(diǎn)及可應(yīng)用性。

1 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)內(nèi)容包含一個(gè)或多個(gè)控制用的CPU以及針對(duì)特定應(yīng)用環(huán)境而開(kāi)發(fā)的高層軟件，通常含有操作系統(tǒng)。在使用過(guò)程中，系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)；通常把對(duì)外部事件響應(yīng)時(shí)間很短的嵌入式系統(tǒng)叫做“嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)”；應(yīng)用于嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)叫做“嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)”。

1.1 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的構(gòu)成

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

1.1.1 硬件平臺(tái)

嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)通常以為能緊湊、專(zhuān)用性強(qiáng)的CPU為核心同時(shí)結(jié)合少量的外轉(zhuǎn)圍設(shè)備，具有應(yīng)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(tǒng)及其他系統(tǒng)軟件模塊

操作系統(tǒng)和其他系統(tǒng)軟件介于硬件和應(yīng)用程序之間，負(fù)責(zé)調(diào)度并管理實(shí)時(shí)應(yīng)用程序，并完成對(duì)硬件的控制和操作。

1.1.3 實(shí)時(shí)應(yīng)用程序

實(shí)時(shí)應(yīng)用程序是基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、利用操作系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)機(jī)制完成特定的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)具體功能的應(yīng)用程序。

1.2 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)

除了具有操作系統(tǒng)的共性以外，為適應(yīng)“嵌入式實(shí)時(shí)”應(yīng)用，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)還具有實(shí)時(shí)性、微內(nèi)核結(jié)合擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)通用性與可配置性、操作系統(tǒng)不對(duì)外設(shè)作假設(shè)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(duì)概念；實(shí)時(shí)性表明操作系統(tǒng)在可預(yù)見(jiàn)的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)和處理外部事件的能力，是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)一般采用多任務(wù)機(jī)制，以并發(fā)方式執(zhí)行應(yīng)用程序。

1.2.2 微內(nèi)核結(jié)合擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)通用性與可配置性

為了在結(jié)構(gòu)和功能上適應(yīng)不同的“嵌入式”應(yīng)用，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)通常采用微內(nèi)核與可配置的功能模塊相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)，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(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2.3 操作系統(tǒng)不對(duì)外設(shè)作假設(shè)

操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)只與CPU有關(guān)，而不假設(shè)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(jí)支持包（Board Support Package）的軟件層次來(lái)完成，從而實(shí)現(xiàn)了操作系統(tǒng)的“硬件無(wú)關(guān)性”，提高了系統(tǒng)的通用性和可移值性。

1.3 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的對(duì)比

通過(guò)對(duì)比表1可以看出：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)于應(yīng)用系統(tǒng)，對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

表1 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的對(duì)比

2 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 選擇適合的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的核心。操作系統(tǒng)的性能在很大程度上直接影響著整個(gè)系統(tǒng)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(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)一個(gè)高性能的嵌入式時(shí)系統(tǒng)是至關(guān)重要的。

2.2 仔細(xì)劃分應(yīng)用程序內(nèi)部的若干任務(wù)

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

·功能獨(dú)立的操作應(yīng)當(dāng)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(yīng)當(dāng)劃歸同一個(gè)任務(wù)；

·具有慢速I(mǎi)/O操作的功能應(yīng)當(dāng)劃分為單獨(dú)任務(wù)；

·不同優(yōu)級(jí)的操作劃分為不同的任務(wù)；

·擁有大量運(yùn)算的操作應(yīng)當(dāng)劃分為一個(gè)單獨(dú)的任務(wù)。

2.3 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的調(diào)試

與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不同，嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總會(huì)涉及硬件因素，因此，硬件平臺(tái)的調(diào)試是一個(gè)必要環(huán)節(jié)。在軟件方面，由于嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常是一個(gè)多任務(wù)系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性，因此，系統(tǒng)的功能行為需要通過(guò)調(diào)試加以確定。

3 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)在通信系統(tǒng)的應(yīng)用

作為一類(lèi)特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)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。隨著網(wǎng)絡(luò)新業(yè)務(wù)的開(kāi)通和新設(shè)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(kuò)大、新業(yè)務(wù)和新設(shè)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(xiàn)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(xiàn)完善而高效的網(wǎng)絡(luò)管理，通信設(shè)備必須增強(qiáng)自身性能，從而為高層網(wǎng)管提供高性能的軟硬件平臺(tái)。通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)出現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢(shì)，如圖3所示。

出現(xiàn)這種趨勢(shì)的原因主要在于：

（1）先前以單片機(jī)為平臺(tái)，應(yīng)用程序直接運(yùn)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(fù)雜的設(shè)備管理；

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

·軟件缺乏操作系統(tǒng)的支持，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)功能完善的性能網(wǎng)絡(luò)管理。

（2）通用計(jì)算機(jī)由于體積、成本以及效率等因素的限制，也不適合這種應(yīng)用環(huán)境。

（3）采用嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)是理想的解決方法：

·嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)在硬件上使用功能緊湊而高效的CPU，適合“嵌入”設(shè)備內(nèi)部作為控制的硬件核心，可以支持復(fù)雜的設(shè)備管理；

·在軟件上，嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)以高性能的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為核心，除了為系統(tǒng)提供良好的實(shí)時(shí)性保障以外，還簡(jiǎn)化了高層應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。

嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)應(yīng)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。隨著應(yīng)用環(huán)境的日趨復(fù)雜，系統(tǒng)要求的功能越來(lái)越多，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)成為實(shí)現(xiàn)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)必需環(huán)節(jié)。

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

迅速崛起的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)標(biāo)志著“后PC時(shí)代（POST-PC Era）”的到來(lái)。嵌入式系統(tǒng)正成為PC機(jī)以后最具有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的系統(tǒng)，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(qiáng)大推動(dòng)力。