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隨著新一代懂得計算機的用戶和游戲玩家成為主要的嵌入設備客戶，響應性能與實時性能成為了關鍵的評估因素。系統要管理優先級和各個任務，為用戶、外部事件和網絡提供近似即時的響應。為滿足這些需求，商業供應商和開源社區提供了許多可以立即運行或定制的軟件包，范圍從最小的資源核心，到全功能的 RTOS（實時操作系統）。然而，在選定一種方案以前，重要的是分析一個候選包的內部工作狀況，看它是否完全適合自己的應用。有一些實時功能和特性可以決定您設計的成敗，如調度算法、任務同步、資源需求、內存分配、延遲、附加模塊、認證、安全、多核選擇，以及開發工具支持等。 實時系統可響應外部事件或時序事件，自動地執行軟件例程或任務。大多數嵌入式RTOS都設計有搶先多任務，一個任務可以掛起所有較低優先級的例程，并獲得對處理器的控制權，直到較高優先級的任務完成，或有更高優先級的任務搶占前一個任務。所謂的軟實時平臺只是簡單地列出起動例程的一個平均時長，而多數關鍵的嵌入操作系統都必須有確定性，以保證在某個外部事件后，任務能在一個精準時長內起動。一個用于嵌入設備的典型多任務RTOS基本架構包括：程序接口、核心、設備驅動，以及可選的服務模塊。 核心是實時軟件的內核，包括一個中斷處理器、一個調度程序、資源共享標志，以及內存管理。核心的主要功能之一是處理內、外部事件產生的中斷。當中斷發生時，處理器將控制權轉給一個服務例程，用于記錄事件，向調度程序發送一個消息，并返回激活碼。調度程序根據優先級，為每個任務建立執行順序，并保存每個中斷的執行信息。除了優先權調度以外，一個實時核心還要為任務同步提供標志。例如，如果多個任務想要同時使用一個數據資源，則一個標志或信標會將該資源鎖定到單一任務上，直到傳輸完成。 對于延遲最小化，核心設計也很重要，延遲會降低一個實時系統的性能。中斷延遲是外部事件（如一個開關閉合）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，只需要完成當前指令。如果處理器只有一個中斷線，則輪詢輸入的時間就決定了要調用哪個中斷例程，它是中斷延遲的一部分。另一種核心造成的延遲是在任務間切換所花的時間。每個任務都有一個程序計數器、一個數據區指針、寄存器數據，以及其它狀態信息，處理器必須為當前任務保存這些信息，而為搶先任務恢復信息。 RTOS設計者一般都包含了很多核心以外的可選模塊和驅動，以吸引更多用戶，并確保組合的封裝能滿足宣稱的性能規格。例如，幾乎所有RTOS都有通信協議，如TCP/IP（傳輸控制協議/互聯網協議），多數主要RTOS供應商還提供GUI（圖形用戶界面）例程。用戶可以根據應用情況，增加或刪除這些模塊。Green Hills Software公司提供多種配置的綜合RTOS，面向各種嵌入系統應用，包括航天、汽車、醫療、安全網絡、無線和軟件無線電。這些預配置的封包整合了最常用的模塊和驅動，成為一個商用成品的系列平臺。綜合RTOS的單用戶企業產品開發許可起價為15000美元，運行時的部署無需許可費。 如果你的應用需要大量數據處理或分布式處理器，應考慮一種面向多處理器的RTOS。你可以將任務分配給多個處理器，獲得顯著的性能提升；不過，所有任務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（操作系統環境）面向高可用、高可靠性的分布式系統，如電信網絡中的系統。最新更新的Linx功能增加了優先級消息發送，維護系統中由于故障情況而擁塞的進程間通信。Enea OSE的單開發座席價格從8000美元起，Linx現有起價為5000美元的多用戶許可。 圖1ExtremeEngineeringSolutions公司的Xpedite5370單板機為設計者提供了對主要實時操作系統的板載支持軟件 消除實時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計，這些模塊包含了預先配置的支持軟件。例如，Extreme Engineering Solutions公司最近推出的XPedite5370單板計算機具有對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國際貿易協會）46的3U模塊采用飛思卡爾半導體公司的MPC8572E PowerQUICC（四重集成通信控制器）III雙核處理器，器件支持PCIe（外設部件快速互連）上的高速結構化互連、Serial Rapid I/O和GbE（千兆以太網）。XPedite5370的起價不到8000美元，批量另有折扣。 確保一個RTOS滿足一些或全部性能需求的另一種方式是認證。例如，Wind River Systems稱它的VxWorks操作系統第一個獲得了POSIX（可移植操作系統接口） PSE52實時控制器1003.13-2003的產品標準符合性認證。POSIX包括一系列相應的IEEE標準，它定義了API（應用編程接口）和關鍵的性能領域。除了確保源碼可移植性以外，PSE52認證還證明RTOS能提供時間關鍵應用所需要的可預計的響應時間。 開發工具鏈是 RTOS選擇中的另一個大問題。你的大部分軟件開發與調試工作都花在與IDE（集成開發環境）的交互上，以便通過IDE快速訪問編輯器、編譯器、鏈接器、下載器和運行時工具。開源Eclipse IDE已成為一個普及而易用的標準界面，用于嵌入軟件工具供應商。該平臺使用戶能方便地創建定制的Eclipse配置，因為除了一個小型運行時核心以外，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率與分析工具，用于Neutrino RTOS，這些工具全部集成在一個Eclipse IDE中（圖2）。 圖2QNX SoftwareSystems的Momentics開發組件在一個Eclipse IDE中為Neutrino RTOS提供一系列生產率與分析工具 如果你決定采用一個商用軟件包，還必須確定是否需要或希望購買用于該供應商RTOS的源碼。有些供應商會在你采購他們軟件的時候自動提供源碼，而有些供應商則要收費。有了源碼，就有了修改供應商軟件的選擇，比如去除所有未用的源碼行，回收重要的內存空間。源碼還可以幫助你理解應用代碼中的那些難以捉摸的毛病。不過，只提供目標代碼的供應商稱，如果你修改了源碼，就建立了一個獨有而不受支持的RTOS。你永遠可以買一份源碼副本，對系統作存檔或提供給客戶。 嵌入設備有各種尺寸和性能，但有一件事是確定的：隨著軟件復雜性的增長，對實時、確定性的需要變得必不可少（見附文《設計一款智能手機的更智能方法》）。事實上，實時系統在很多應用中都很關鍵，錯過時間界線可以導致生命或財產的災難性損失。作為一個嵌入系統設計者，可以預期自己的客戶會隨著技術泡沫的膨脹而要求更高的性能和復雜性。所幸，現在已有大量軟件供應商和開源志愿者致力于下一代實時固件，以簡化你的下一個嵌入軟件應用。 附文：設計一款智能手機的更智能方法 今天，電子設備制造商正面臨著以前從未遇到過的挑戰。以手機為例，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絡訪問和交換數據。所有這些不同但相互關聯的技術都必須結合起來，以提供一種同質的用戶體驗。并且，為滿足消費者越來越高的需求，最新型號手機必須在18個月的窗口內，以規模市場價格上市。設計者如何平衡這種特性、性能與成本的折中？ 讓我們進入操作系統軟件。無論在一款時髦手機還是在其它多媒體設備中，操作系統都必須保持一個嵌入系統操作的特性：效率、縮放性、確定性和速度。但與過去的RTOS（實時操作系統）不同，今天的嵌入操作系統平臺必須在設備級為有性價比的創新提供完整的基礎。打開任何一款手機外殼觀看，就會發現它依賴于一系列基礎技術，如連接、文件存儲、圖形，以及所有外設硬件的驅動。這些功能需要大量軟件。從設備制造商的立場看，這種軟件的開發與內部維護代價高昂，并且無法實現一種設備的市場差異化。 一種較好的方案是從一個全功能的操作系統開始，它包含了最新的網絡與連接、文件存儲和USB（通用串行總線）能力。這種操作系統平臺還必須包括圖形/多媒體方面的最新技術，并支持行業API（應用編程接口），如Khronos Group的OpenMax規范。對于不符合OpenMax的設備，多媒體框架仍采用編解碼支持，并為應用層提供一個公共接口。OpenMax還提供其它圖形與多媒體的硬件集成功能，以及XML（可擴展標記語言）驅動的菜單。此外，一個有性價比的RTOS平臺必須能夠做應用軟件開發，無論是通過公司內部團隊還是獨立的軟件供應商。整合的平臺是一個強健的開發平臺，包括一個IDE（集成開發環境）、一個編譯器、一個調試器，和一個評測與仿真環境。芯片組供應商或器件制造商可以將這個工具組件擴展和封裝為一個某種器件專用的SDK（軟件開發包）。下一代操作系統必須用于各種嵌入應用。就像為客戶定做的服裝一樣，關于器件的每行代碼都明白無誤，便于器件的設計，，制造商可以方便地擴展和定制這些代碼行，精確地配合RTOS環境。 普通消費者可能相對來說不能察覺到自己手機中的操作系統。然而，雖然它不那么顯眼，但正是這種下一代RTOS平臺實現了手機和其它電子設備的更佳經濟性，并使設備制造商能夠快速為自己的客戶提供最新的功能。 |
