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隨著新一代懂得計(jì)算機(jī)的用戶和游戲玩家成為主要的嵌入設(shè)備客戶，響應(yīng)性能與實(shí)時(shí)性能成為了關(guān)鍵的評估因素。系統(tǒng)要管理優(yōu)先級和各個(gè)任務(wù)，為用戶、外部事件和網(wǎng)絡(luò)提供近似即時(shí)的響應(yīng)。為滿足這些需求，商業(yè)供應(yīng)商和開源社區(qū)提供了許多可以立即運(yùn)行或定制的軟件包，范圍從最小的資源核心，到全功能的 RTOS（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）。然而，在選定一種方案以前，重要的是分析一個(gè)候選包的內(nèi)部工作狀況，看它是否完全適合自己的應(yīng)用。有一些實(shí)時(shí)功能和特性可以決定您設(shè)計(jì)的成敗，如調(diào)度算法、任務(wù)同步、資源需求、內(nèi)存分配、延遲、附加模塊、認(rèn)證、安全、多核選擇，以及開發(fā)工具支持等。 實(shí)時(shí)系統(tǒng)可響應(yīng)外部事件或時(shí)序事件，自動(dòng)地執(zhí)行軟件例程或任務(wù)。大多數(shù)嵌入式RTOS都設(shè)計(jì)有搶先多任務(wù)，一個(gè)任務(wù)可以掛起所有較低優(yōu)先級的例程，并獲得對處理器的控制權(quán)，直到較高優(yōu)先級的任務(wù)完成，或有更高優(yōu)先級的任務(wù)搶占前一個(gè)任務(wù)。所謂的軟實(shí)時(shí)平臺只是簡單地列出起動(dòng)例程的一個(gè)平均時(shí)長，而多數(shù)關(guān)鍵的嵌入操作系統(tǒng)都必須有確定性，以保證在某個(gè)外部事件后，任務(wù)能在一個(gè)精準(zhǔn)時(shí)長內(nèi)起動(dòng)。一個(gè)用于嵌入設(shè)備的典型多任務(wù)RTOS基本架構(gòu)包括：程序接口、核心、設(shè)備驅(qū)動(dòng)，以及可選的服務(wù)模塊。 核心是實(shí)時(shí)軟件的內(nèi)核，包括一個(gè)中斷處理器、一個(gè)調(diào)度程序、資源共享標(biāo)志，以及內(nèi)存管理。核心的主要功能之一是處理內(nèi)、外部事件產(chǎn)生的中斷。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，處理器將控制權(quán)轉(zhuǎn)給一個(gè)服務(wù)例程，用于記錄事件，向調(diào)度程序發(fā)送一個(gè)消息，并返回激活碼。調(diào)度程序根據(jù)優(yōu)先級，為每個(gè)任務(wù)建立執(zhí)行順序，并保存每個(gè)中斷的執(zhí)行信息。除了優(yōu)先權(quán)調(diào)度以外，一個(gè)實(shí)時(shí)核心還要為任務(wù)同步提供標(biāo)志。例如，如果多個(gè)任務(wù)想要同時(shí)使用一個(gè)數(shù)據(jù)資源，則一個(gè)標(biāo)志或信標(biāo)會(huì)將該資源鎖定到單一任務(wù)上，直到傳輸完成。 對于延遲最小化，核心設(shè)計(jì)也很重要，延遲會(huì)降低一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的性能。中斷延遲是外部事件（如一個(gè)開關(guān)閉合）之間的最差延遲，且是中斷例程的第一條指令。如果使能了處理器中斷，則硬件延遲時(shí)間只有納秒級長度，但不同處理器之間可以有變化。處理器在跳至所要求的中斷位置以前，只需要完成當(dāng)前指令。如果處理器只有一個(gè)中斷線，則輪詢輸入的時(shí)間就決定了要調(diào)用哪個(gè)中斷例程，它是中斷延遲的一部分。另一種核心造成的延遲是在任務(wù)間切換所花的時(shí)間。每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)程序計(jì)數(shù)器、一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)指針、寄存器數(shù)據(jù)，以及其它狀態(tài)信息，處理器必須為當(dāng)前任務(wù)保存這些信息，而為搶先任務(wù)恢復(fù)信息。 RTOS設(shè)計(jì)者一般都包含了很多核心以外的可選模塊和驅(qū)動(dòng)，以吸引更多用戶，并確保組合的封裝能滿足宣稱的性能規(guī)格。例如，幾乎所有RTOS都有通信協(xié)議，如TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議），多數(shù)主要RTOS供應(yīng)商還提供GUI（圖形用戶界面）例程。用戶可以根據(jù)應(yīng)用情況，增加或刪除這些模塊。Green Hills Software公司提供多種配置的綜合RTOS，面向各種嵌入系統(tǒng)應(yīng)用，包括航天、汽車、醫(yī)療、安全網(wǎng)絡(luò)、無線和軟件無線電。這些預(yù)配置的封包整合了最常用的模塊和驅(qū)動(dòng)，成為一個(gè)商用成品的系列平臺。綜合RTOS的單用戶企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)許可起價(jià)為15000美元，運(yùn)行時(shí)的部署無需許可費(fèi)。 如果你的應(yīng)用需要大量數(shù)據(jù)處理或分布式處理器，應(yīng)考慮一種面向多處理器的RTOS。你可以將任務(wù)分配給多個(gè)處理器，獲得顯著的性能提升；不過，所有任務(wù)都必須有不間斷的通信，以維持確定的性能。例如，高性能Enea Embedded Technology OSE（操作系統(tǒng)環(huán)境）面向高可用、高可靠性的分布式系統(tǒng)，如電信網(wǎng)絡(luò)中的系統(tǒng)。最新更新的Linx功能增加了優(yōu)先級消息發(fā)送，維護(hù)系統(tǒng)中由于故障情況而擁塞的進(jìn)程間通信。Enea OSE的單開發(fā)座席價(jià)格從8000美元起，Linx現(xiàn)有起價(jià)為5000美元的多用戶許可。 圖1ExtremeEngineeringSolutions公司的Xpedite5370單板機(jī)為設(shè)計(jì)者提供了對主要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的板載支持軟件 消除實(shí)時(shí)硬件集成意外的一種方式是用COTS（商用成品）模塊建立你的嵌入設(shè)計(jì)，這些模塊包含了預(yù)先配置的支持軟件。例如，Extreme Engineering Solutions公司最近推出的XPedite5370單板計(jì)算機(jī)具有對Wind River VxWorks、QNX Neutrino和Green Hills Integrity公司RTOS的板級支持包（圖1）。Extreme Engineering公司符合VITA（VMEbus國際貿(mào)易協(xié)會(huì)）46的3U模塊采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MPC8572E PowerQUICC（四重集成通信控制器）III雙核處理器，器件支持PCIe（外設(shè)部件快速互連）上的高速結(jié)構(gòu)化互連、Serial Rapid I/O和GbE（千兆以太網(wǎng)）。XPedite5370的起價(jià)不到8000美元，批量另有折扣。 確保一個(gè)RTOS滿足一些或全部性能需求的另一種方式是認(rèn)證。例如，Wind River Systems稱它的VxWorks操作系統(tǒng)第一個(gè)獲得了POSIX（可移植操作系統(tǒng)接口） PSE52實(shí)時(shí)控制器1003.13-2003的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)符合性認(rèn)證。POSIX包括一系列相應(yīng)的IEEE標(biāo)準(zhǔn)，它定義了API（應(yīng)用編程接口）和關(guān)鍵的性能領(lǐng)域。除了確保源碼可移植性以外，PSE52認(rèn)證還證明RTOS能提供時(shí)間關(guān)鍵應(yīng)用所需要的可預(yù)計(jì)的響應(yīng)時(shí)間。 開發(fā)工具鏈?zhǔn)?RTOS選擇中的另一個(gè)大問題。你的大部分軟件開發(fā)與調(diào)試工作都花在與IDE（集成開發(fā)環(huán)境）的交互上，以便通過IDE快速訪問編輯器、編譯器、鏈接器、下載器和運(yùn)行時(shí)工具。開源Eclipse IDE已成為一個(gè)普及而易用的標(biāo)準(zhǔn)界面，用于嵌入軟件工具供應(yīng)商。該平臺使用戶能方便地創(chuàng)建定制的Eclipse配置，因?yàn)槌艘粋�(gè)小型運(yùn)行時(shí)核心以外，其它全部是插件。例如，QNX Software Systems公司的Momentics工具組件提供了一組生產(chǎn)率與分析工具，用于Neutrino RTOS，這些工具全部集成在一個(gè)Eclipse IDE中（圖2）。 圖2QNX SoftwareSystems的Momentics開發(fā)組件在一個(gè)Eclipse IDE中為Neutrino RTOS提供一系列生產(chǎn)率與分析工具 如果你決定采用一個(gè)商用軟件包，還必須確定是否需要或希望購買用于該供應(yīng)商RTOS的源碼。有些供應(yīng)商會(huì)在你采購他們軟件的時(shí)候自動(dòng)提供源碼，而有些供應(yīng)商則要收費(fèi)。有了源碼，就有了修改供應(yīng)商軟件的選擇，比如去除所有未用的源碼行，回收重要的內(nèi)存空間。源碼還可以幫助你理解應(yīng)用代碼中的那些難以捉摸的毛病。不過，只提供目標(biāo)代碼的供應(yīng)商稱，如果你修改了源碼，就建立了一個(gè)獨(dú)有而不受支持的RTOS。你永遠(yuǎn)可以買一份源碼副本，對系統(tǒng)作存檔或提供給客戶。 嵌入設(shè)備有各種尺寸和性能，但有一件事是確定的：隨著軟件復(fù)雜性的增長，對實(shí)時(shí)、確定性的需要變得必不可少（見附文《設(shè)計(jì)一款智能手機(jī)的更智能方法》）。事實(shí)上，實(shí)時(shí)系統(tǒng)在很多應(yīng)用中都很關(guān)鍵，錯(cuò)過時(shí)間界線可以導(dǎo)致生命或財(cái)產(chǎn)的災(zāi)難性損失。作為一個(gè)嵌入系統(tǒng)設(shè)計(jì)者，可以預(yù)期自己的客戶會(huì)隨著技術(shù)泡沫的膨脹而要求更高的性能和復(fù)雜性。所幸，現(xiàn)在已有大量軟件供應(yīng)商和開源志愿者致力于下一代實(shí)時(shí)固件，以簡化你的下一個(gè)嵌入軟件應(yīng)用。 附文：設(shè)計(jì)一款智能手機(jī)的更智能方法 今天，電子設(shè)備制造商正面臨著以前從未遇到過的挑戰(zhàn)。以手機(jī)為例，除了打電話的主要功能以外，它還必須無縫地管理文檔，如e-mail、文件和視頻；要有易于使用的GUI（圖形用戶界面），并能夠通過無線或蜂窩網(wǎng)絡(luò)訪問和交換數(shù)據(jù)。所有這些不同但相互關(guān)聯(lián)的技術(shù)都必須結(jié)合起來，以提供一種同質(zhì)的用戶體驗(yàn)。并且，為滿足消費(fèi)者越來越高的需求，最新型號手機(jī)必須在18個(gè)月的窗口內(nèi)，以規(guī)模市場價(jià)格上市。設(shè)計(jì)者如何平衡這種特性、性能與成本的折中？ 讓我們進(jìn)入操作系統(tǒng)軟件。無論在一款時(shí)髦手機(jī)還是在其它多媒體設(shè)備中，操作系統(tǒng)都必須保持一個(gè)嵌入系統(tǒng)操作的特性：效率、縮放性、確定性和速度。但與過去的RTOS（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）不同，今天的嵌入操作系統(tǒng)平臺必須在設(shè)備級為有性價(jià)比的創(chuàng)新提供完整的基礎(chǔ)。打開任何一款手機(jī)外殼觀看，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它依賴于一系列基礎(chǔ)技術(shù)，如連接、文件存儲、圖形，以及所有外設(shè)硬件的驅(qū)動(dòng)。這些功能需要大量軟件。從設(shè)備制造商的立場看，這種軟件的開發(fā)與內(nèi)部維護(hù)代價(jià)高昂，并且無法實(shí)現(xiàn)一種設(shè)備的市場差異化。 一種較好的方案是從一個(gè)全功能的操作系統(tǒng)開始，它包含了最新的網(wǎng)絡(luò)與連接、文件存儲和USB（通用串行總線）能力。這種操作系統(tǒng)平臺還必須包括圖形/多媒體方面的最新技術(shù)，并支持行業(yè)API（應(yīng)用編程接口），如Khronos Group的OpenMax規(guī)范。對于不符合OpenMax的設(shè)備，多媒體框架仍采用編解碼支持，并為應(yīng)用層提供一個(gè)公共接口。OpenMax還提供其它圖形與多媒體的硬件集成功能，以及XML（可擴(kuò)展標(biāo)記語言）驅(qū)動(dòng)的菜單。此外，一個(gè)有性價(jià)比的RTOS平臺必須能夠做應(yīng)用軟件開發(fā)，無論是通過公司內(nèi)部團(tuán)隊(duì)還是獨(dú)立的軟件供應(yīng)商。整合的平臺是一個(gè)強(qiáng)健的開發(fā)平臺，包括一個(gè)IDE（集成開發(fā)環(huán)境）、一個(gè)編譯器、一個(gè)調(diào)試器，和一個(gè)評測與仿真環(huán)境。芯片組供應(yīng)商或器件制造商可以將這個(gè)工具組件擴(kuò)展和封裝為一個(gè)某種器件專用的SDK（軟件開發(fā)包）。下一代操作系統(tǒng)必須用于各種嵌入應(yīng)用。就像為客戶定做的服裝一樣，關(guān)于器件的每行代碼都明白無誤，便于器件的設(shè)計(jì)，，制造商可以方便地?cái)U(kuò)展和定制這些代碼行，精確地配合RTOS環(huán)境。 普通消費(fèi)者可能相對來說不能察覺到自己手機(jī)中的操作系統(tǒng)。然而，雖然它不那么顯眼，但正是這種下一代RTOS平臺實(shí)現(xiàn)了手機(jī)和其它電子設(shè)備的更佳經(jīng)濟(jì)性，并使設(shè)備制造商能夠快速為自己的客戶提供最新的功能。 |
