三種嵌入式操作系統(tǒng)的分析與比較

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng) Palm OS Windows CE Linux

1 嵌入式系統(tǒng)與嵌入式操作系統(tǒng)

1.1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式計(jì)算機(jī)為技術(shù)核心，面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用，軟硬件可裁減的，適用于對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性能有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)應(yīng)具有的特點(diǎn)是：高可靠性；在惡劣的環(huán)境或突然斷電的情況下，系統(tǒng)仍然能夠正常工作；許多嵌入式應(yīng)用要求實(shí)時(shí)性，這就要求嵌入式操作系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)處理能力 ；嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起，它的升級(jí)換代也是具體產(chǎn)品同步進(jìn)行；嵌入式系統(tǒng)中的軟件代碼要求高質(zhì)量、高可靠性，一般都固化在只讀存儲(chǔ)器中或閃存中，也就是說軟件要求固態(tài)化存儲(chǔ)，而不是存儲(chǔ)在磁盤等載體中。

1.2 嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)EOS（Embedded Operating System）是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，過去它主要應(yīng)用于工業(yè)控制和國防系統(tǒng)領(lǐng)域。EOS負(fù)責(zé)嵌入系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度作，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動(dòng)；它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能。目前，已推出一些應(yīng)用比較成功的EOS產(chǎn)品系列。隨著Internet技術(shù)的發(fā)展、信息家電的普及應(yīng)用及EOS的微型化和專業(yè)化，EOS開始從單一的弱功能向高專業(yè)化的強(qiáng)功能方向發(fā)展。嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。EOS是相對(duì)于一般操作系統(tǒng)而方的，它除具備了一般操作系統(tǒng)最基本的功能，如任務(wù)調(diào)度、同步機(jī)制、中斷處理、文件處理等外，還有以下特點(diǎn)：

①可裝卸性。開放性、可伸縮性的體系結(jié)構(gòu)。

②強(qiáng)實(shí)時(shí)性。EOS實(shí)時(shí)性一般較強(qiáng)，可用于各種設(shè)備控制當(dāng)中。

③統(tǒng)一的接口。提供各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口。

④操作方便、簡單、提供友好的圖形GUI，圖形界面，追求易學(xué)易用。

⑤提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持TCP/IP協(xié)議及其它協(xié)議，提供TCP/UDP/IP/PPP協(xié)議支持及統(tǒng)一的MAC訪問層接口，為各種移動(dòng)計(jì)算設(shè)備預(yù)留接口。

⑥強(qiáng)穩(wěn)定性，弱交互性。嵌入式系統(tǒng)一旦開始運(yùn)行就不需要用戶過多的干預(yù)，這就要負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理的EOS具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。嵌入式操作系統(tǒng)的用戶接口一般不提供操作命令，它通過系統(tǒng)的調(diào)用命令向用戶程序提供服務(wù)。

⑦固化代碼。在嵌入式系統(tǒng)中，嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件被固化在嵌入式系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的ROM中。輔助存儲(chǔ)器在嵌入式系統(tǒng)中很少使用，因此，嵌入式操作系統(tǒng)的文件管理功能應(yīng)該能夠很容易地拆卸，而用各種內(nèi)存文件系統(tǒng)。

⑧更好的硬件適應(yīng)性，也就是良好的移植性。

國際上用于信息電器的嵌入式操作系統(tǒng)有40種左右?，F(xiàn)在，市場上非常流行的EOS產(chǎn)品，包括3Com公司下屬子公司的Palm OS，全球占有份額達(dá)50%，Microsoft公司的Windows CE不過29%。在美國市場，Palm OS更以80%的占有率遠(yuǎn)超Windows CE。開放源代碼的Linux很適于做信息家電的開發(fā)。比如：中科紅旗軟件技術(shù)有限公司開發(fā)的紅旗嵌入式Linux和美商網(wǎng)虎公司開發(fā)的基于Xlinux的嵌入式操作系統(tǒng)“夸克”。“夸克”是目前全世界最小的Linux，它有兩具很突出的特點(diǎn)，就是體積小和使用GCS編碼。

2 三種常用的嵌入式操作系統(tǒng)

2.1 Palm OS

Palm是3Com公司的產(chǎn)品，其操作系統(tǒng)為Palm OS。Palm OS是一種32位的嵌入式操作系統(tǒng)。Palm提供了串行通信接口和紅外線傳輸接口，利用它可以方便地與其它外部設(shè)備通信、傳輸數(shù)據(jù)；擁有開放的OS應(yīng)用程序接口，開發(fā)商可根據(jù)需要自行開發(fā)所需的應(yīng)用程序。Palm OS是一套具有術(shù)強(qiáng)開放性的系統(tǒng)，現(xiàn)在有大約數(shù)千種專用為Palm OS編寫的應(yīng)用程序，從程序內(nèi)容上看，小到個(gè)人管理、游戲，大到行業(yè)解決方案，Palm OS無所不包。在豐富的軟件支持下，基于Palm OS的掌上電腦功能得以不斷擴(kuò)展。

Palm OS是一套專門為掌上電腦開發(fā)的OS。在編寫程序時(shí)，Palm OS充分考慮了掌上電腦內(nèi)存相對(duì)較小的情況，因此它只占有非常小的內(nèi)存。由于基于Palm OS編寫的應(yīng)用程序占用的空間也非常?。ㄍǔＶ挥袔资甂B），所以，基于Palm OS的掌上電腦（雖然只有幾MB的RAM）可以運(yùn)行眾多應(yīng)用程序。

由于Palm產(chǎn)品的最大特點(diǎn)是使用簡便、機(jī)體輕巧，因此決定了Palm OS應(yīng)具有以下特點(diǎn)。

①操作系統(tǒng)的節(jié)能功能。由上掌上電腦要求使用電源盡可能小，因此在Palm OS的應(yīng)用程序中，如果沒有事件運(yùn)行，則系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)入半休眠（doze）的狀態(tài)；如果應(yīng)用程序停止活動(dòng)一段時(shí)間，則系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入休眠（sleep）狀態(tài)。

②合理的內(nèi)存管理。Palm的存儲(chǔ)器全部是可讀寫的快速RAM，動(dòng)態(tài)RAM（Dynamic RAM）類似于PC機(jī)上的RAM，它為全局變量和其它不需永久保存的數(shù)據(jù)提供臨時(shí)的存儲(chǔ)空間；存儲(chǔ)RAM（Storage RAM）類似于PC機(jī)上的硬盤，可以永久保存應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)。

③Palm OS的數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)庫（database）的格式來存儲(chǔ)的。數(shù)據(jù)庫是由一組記錄（records）和一些數(shù)據(jù)庫頭信息組成的。為保證程序處理速度和存儲(chǔ)器空間，在處理數(shù)據(jù)的時(shí)候，Palm OS不是把數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)堆（Storage Heap）拷貝到動(dòng)態(tài)堆（Dynamic Heap）后再進(jìn)行處理，而是在存儲(chǔ)堆中直接處理。為避免錯(cuò)誤地調(diào)用存儲(chǔ)器地址，Palm OS規(guī)定，這一切都必須調(diào)用其內(nèi)存管理器里的API來實(shí)現(xiàn)。

Palm OS與同步軟件（HotSync）結(jié)合可以使掌上電腦與PC機(jī)上的信息實(shí)現(xiàn)同步，把臺(tái)式同的功能擴(kuò)展到了掌上電腦。Palm應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，如：聯(lián)絡(luò)及工作表管理、電子郵件及互聯(lián)網(wǎng)通信、銷售人員及組別自動(dòng)化等等。Palm外圍硬件也十分豐富，有數(shù)碼相機(jī)、GPS接收器、調(diào)制解調(diào)器、GSM無線電話、數(shù)碼音頻播放設(shè)備、便攜鍵盤、語音記錄器、條碼掃描、無線尋呼接收器、探測儀。其中Palm與GPS結(jié)合的應(yīng)用，不但可以作導(dǎo)航定位，還可以結(jié)合GPS作氣候的監(jiān)測、地名調(diào)查等。

2.2 Windows CE

Windows CE是微軟開發(fā)的一個(gè)開放的、可升級(jí)的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作。它是精簡的Windows 95。Windows CE的圖形用戶界面相當(dāng)出色。其中CE中的C代表袖珍（Compact）、消費(fèi)（Consumer）、通信能力（Connectivity）和伴侶（Companion）；E代表電子產(chǎn)品（Electronics）。與Windows 95/98、Windows NT不同的是，Windows CE是所有源代碼全部由微軟自行開發(fā)的嵌入式新型操作系統(tǒng)，其操作界面雖來源于Windows 95/98，但Windows CE是基于Win32 API重新開發(fā)的、新型的信息設(shè)備平臺(tái)。Windows CE具有模塊化、結(jié)構(gòu)化和基于Win32應(yīng)用程序接口以及與處理器無關(guān)等特點(diǎn)。Windows CE不僅繼承了傳統(tǒng)的Windows圖形界面，并且在Windows CE平臺(tái)上可以使用Windows 95/98上的編程工具（如Visual Basic、Visual C++等）、使用同樣的函數(shù)、使用同樣的界面網(wǎng)格，使絕大多數(shù)的應(yīng)用軟件只需簡單的修改和移植就可以在Windows CE平臺(tái)上繼續(xù)使用。

Windows CE的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：模塊化及可伸縮性、實(shí)時(shí)性能好，通信能力強(qiáng)大，支持多種CPU。它的設(shè)計(jì)可以滿足多種設(shè)備的需要，這些設(shè)備包括了工業(yè)控制器、通信集線器以及銷售終端之類的企業(yè)設(shè)備，還有像照相機(jī)、電話和家用娛樂器材之類的消費(fèi)產(chǎn)品。一個(gè)典型的基于Windows CE的嵌入系統(tǒng)通常為某個(gè)特定用途而設(shè)計(jì)，并在不聯(lián)機(jī)的情況下工作。它要求所使用的操作系統(tǒng)體積較小，內(nèi)建有對(duì)中斷的響應(yīng)功能。

Windows CE的特點(diǎn)有：

①具有靈活的電源管理功能，包括瞬眠/喚醒模式。

②使用了對(duì)象存儲(chǔ)（object store）技術(shù)，包括文件系統(tǒng)、注冊(cè)表及數(shù)據(jù)庫。它還具有很多高性能、高效率的操作系統(tǒng)特 性，包括按需換頁、共享存儲(chǔ)、交叉處理同步、支持大容量堆（heap）等。

③擁有良好的通信能力。廣泛支持各種通信硬件，亦支持直接的局域連接以及撥號(hào)連接，并提供與PC、內(nèi)部網(wǎng)以及Internet的連接，還提供與Windows 9x/NT的最佳集成和通信。

④支持嵌套中斷。允許更高優(yōu)先級(jí)別的中斷首先得到響應(yīng)，而不是等待低級(jí)別的ISR完成。這使得該操作系統(tǒng)具有嵌入式操作系統(tǒng)所要求的實(shí)時(shí)性。

⑤更好的線程響應(yīng)能力。對(duì)高級(jí)別IST（中斷服務(wù)線程）的響應(yīng)時(shí)間上限的要求更加嚴(yán)格，在線程響應(yīng)能力方面的改進(jìn)，幫助開發(fā)人員掌握線程轉(zhuǎn)換的具體時(shí)間，并通過增強(qiáng)的監(jiān)控能力和對(duì)硬件的控制能力幫助他們創(chuàng)建新的嵌入式應(yīng)用程序。

⑥256個(gè)優(yōu)先級(jí)別?？梢允归_發(fā)人員在控制嵌入式系統(tǒng)的時(shí)序安排方面有更大的靈活性。

⑦Windows CE的API是Win32 API的一個(gè)子集，支持近1500個(gè)Win32 API。有了這些API，足可以編寫任何復(fù)雜的應(yīng)用程序。當(dāng)然，在Windows CE系統(tǒng)中，所提供的API也可以隨具體應(yīng)用的需求而定。

在掌上型電腦中，Windows CE包含如下一些重要組件：Pocket Outlook及其組件、語音錄音機(jī)、移動(dòng)頻道、遠(yuǎn)程撥號(hào)訪問、世界時(shí)鐘、計(jì)算器、多種輸入法、GBK字符集、中文TTF字庫、英漢雙向詞典、袖珍瀏覽器、電子郵件、Pocket Office、系統(tǒng)設(shè)置、Windows CE Services軟件。

2.3 Linux

Linux是一個(gè)類似于Unix的操作系統(tǒng)。它起源于芬蘭一個(gè)名為Linus Torvalds的業(yè)余愛好，但是現(xiàn)在已經(jīng)是最為流行的一款開放源代碼的操作系統(tǒng)。Linux從1991年問世到現(xiàn)在，短短10年的時(shí)間內(nèi)已發(fā)展成為一個(gè)功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)完善的操作系統(tǒng)，伴隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)步而發(fā)展起來的Linux OS已成為Microsoft公司的DOS和Windows 95/98的強(qiáng)勁對(duì)手。Linux系統(tǒng)不僅能夠運(yùn)行于PC平臺(tái)，還在嵌入式系統(tǒng)方面大放光芒，在各種嵌入式Linux OS迅速發(fā)展的狀況下，Linux OS逐漸形成了可與Windows CE等EOS進(jìn)行抗衡的局面。目前正在開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)中，49%的項(xiàng)目選擇Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)。Linux現(xiàn)已成為嵌入式操作的理想選擇。

中科紅旗軟件技術(shù)有限公司開發(fā)的紅旗嵌入式Linux正在成為許多嵌入式設(shè)備廠商的首選。在不到一年的時(shí)間內(nèi)，紅旗公司先后推出了PDA、機(jī)頂盒、瘦客戶機(jī)、交換機(jī)用的嵌入式Linux系統(tǒng)，并且投入了實(shí)際應(yīng)用。現(xiàn)以紅旗嵌入式Linux為例來講解嵌入式Linux OS的特點(diǎn)：

①精簡的內(nèi)核，性能高、穩(wěn)定，多任務(wù)。

②適用于不同的CPU，支持多種體系結(jié)構(gòu)，如X86、ARM、MIPS、ALPHA、SPARC等。

③能夠提供完善的嵌入式GUI以及嵌入式X-Windows。

④提供嵌入式瀏覽器、郵件程序、MP3播放器、MPEG播放器、記事本等應(yīng)用程序。

⑤提供完整的開發(fā)工具和SDK，同時(shí)提供PC上的開發(fā)版本。

⑥用戶可定制，可提供圖形化的定制和配置工具。

⑦常用嵌入式芯片的驅(qū)動(dòng)集，支持大量的周邊硬件設(shè)備，驅(qū)動(dòng)豐富。

⑧針對(duì)嵌入式的存儲(chǔ)方案，提供實(shí)時(shí)版本和完善的嵌入式解決方案。

⑨完善的中文支持，強(qiáng)大的技術(shù)支持，完整的文檔。

⑩開放源碼，豐富的軟件資源，廣泛的軟件開發(fā)者的支持，價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)靈活，適用面廣。

3 三種嵌入式操作系統(tǒng)的比較

3.1 Linux OS與Windows Ce的比較

嵌入式Linux OS與Windows CE相比的優(yōu)點(diǎn)：第一，Linux是開放源代碼的，不在存黑箱技術(shù)，遍布全球的眾多Linux愛好者都是Linux開發(fā)者的強(qiáng)大技術(shù)支持者；而Windows CE是非開放性O(shè)S，使第三方很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品定制。第二，Linux的源代碼隨處可得，注釋豐富，文檔齊全，易于解決各種問題。第三，Linux的內(nèi)核小、效率高；而Windows CE在這方面是笨拙的，占用過多的RAM，應(yīng)用程序龐大。第四，Linux是開放源代碼的OS，在價(jià)格上極具競爭力，適合中國國情。Windows CE的版權(quán)費(fèi)用是廠家不得不考慮的因素。第五，Linux不僅支持x86芯片，還是一個(gè)跨平臺(tái)的系統(tǒng)。到目前為止，它可以支持20～30種CPU，很多CPU（包括家電業(yè)的芯片）廠商都開始做Linux的平臺(tái)移植工作，而且移植的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過Java的開發(fā)環(huán)境。如果今天采用Linux環(huán)境開發(fā)產(chǎn)品，那么將來更換CPU時(shí)就不會(huì)遇到更換平臺(tái)的困擾。第六，Linux內(nèi)核的結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)方面是非常完整的，它提供了對(duì)包括十兆位、百兆位及千兆位的以太網(wǎng)絡(luò)，還有無線網(wǎng)絡(luò)、Token ring（令牌環(huán)）和光纖甚至衛(wèi)星的支持。第七，Linux在內(nèi)核結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中考慮適應(yīng)系統(tǒng)的可裁減性的要求，Windows CE在內(nèi)核結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中并未考慮適應(yīng)系統(tǒng)的高度可裁減性的要求。

嵌入式Linux OS與Windows CE相比的弱點(diǎn)：第一，是開發(fā)難度較高，需要很高的技術(shù)實(shí)力；第二，是核心調(diào)試工具不全，調(diào)試不太方便，尚沒有很好的用戶圖形界面；第三，與某些商業(yè)OS一樣，嵌入式Linux占用較大的內(nèi)存，當(dāng)然，人們可以去掉部分無用的功能來減小使用的內(nèi)存，但是如果不仔細(xì)，將引起新的問題；第四，有些Linux的應(yīng)用程序需要虛擬內(nèi)存，而嵌入式系統(tǒng)中并沒有或不需要虛擬內(nèi)存，所以并非所有的Linux應(yīng)用程序都可以在嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行。

3.2 Palm OS與Windows CE的比較

3Com公司的Palm OS是掌上電腦市場中較為優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)，是針對(duì)這一市場專門設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。它有開放的操作系統(tǒng)應(yīng)用程序接口（API），支持開發(fā)商根據(jù)需要自行開發(fā)所需的應(yīng)用程序，具有十分豐富的應(yīng)用程序。在掌上電腦市場上獨(dú)占其霸主地位已久。

從技術(shù)層面上講，Palm OS是一套專門為掌上電腦開發(fā)的操作系統(tǒng)，具有許多Windows CE無法比擬的優(yōu)勢；Windows CE過于臃腫，不適合應(yīng)用在廉價(jià)的掌上電腦中。

Palm OS是一套具有極強(qiáng)開放性的系統(tǒng)。開發(fā)者向用戶免費(fèi)提供Palm OS的開發(fā)工具，允許用戶利用該工具在Palm OS基礎(chǔ)上方便地編寫、修改相關(guān)軟件。與之相比，Windows CE的開發(fā)工具就顯得復(fù)雜多了，這使得一般用戶很難掌握。這也Palm OS與Windows CE的另一個(gè)主要區(qū)別。

我們從常用EOS的大小、可開發(fā)定制、互操作性、通用性、實(shí)時(shí)性及應(yīng)用領(lǐng)域幾個(gè)方面，通過表1來歸納如下：

表1

結(jié)語

Palm OS、Windows CE、Linux這三種嵌入式操作系統(tǒng)各有不同的特點(diǎn)，不同的用途；但Linux比Palm OS和Windows CE更小、更穩(wěn)定，而且Linux是開放的OS，在價(jià)格上極具競爭力。如今整個(gè)市場尚未成型，嵌入式操作系統(tǒng)也未形成統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，而且Linux的一系列特征又為我們開發(fā)國產(chǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)提供了方便，因此，我們有機(jī)會(huì)在這個(gè)未成熟的市場上占有一席之地。