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VxWorks,RT-Linux以及Windows CE实时系统比较
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更新于2023-03-03
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早期的嵌入式系统很多都不用操作系统,它们都是为了实现某些特定功能,使用一个简单的循环控制对外界的控制请求进行处理,不具备现代操作系统的基本特征(如进程管理、存储管理、设备管理、网络通讯等)。但随着控制系统越来越复杂,应用范围越来越广泛的时候,缺少操作系统就造成了很大的限制。C语言的出现促进了操作系统的发展。20世纪80年代以来,出现了各种各样的商业用嵌入式操作系统。如QNX,VxWorks,RT-Linux以及Windows CE等。使得在嵌入式系统设计时有了很大的选择余地,但选择的操作系统是否恰当对整个系统的开发有着挚为关键的影响。
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早期的嵌入式系统很多都不用操作系统,它们都是为了实现某些特定功能,使
用一个简单的循环控制对外界的控制请求进行处理,不具备现代操作系统的基
本特征(如进程管理、存储管理、设备管理、网络通讯等)。但随着控制系统
越来越复杂,应用范围越来越广泛的时候,缺少操作系统就造成了很大的限制。
语言的出现促进了操作系统的发展。 世纪 年代以来,出现了各种各样
的商业用嵌入式操作系统。如 ,, 以及
等。使得在嵌入式系统设计时有了很大的选择余地,但选择的操作系统是否
恰当对整个系统的开发有着挚为关键的影响。总的来说,嵌入式操作系统的选
择可以遵从一下几条主要原则:
实时性。嵌入式操作系统的实时性主要与系统的结构、任务调度策略、
中断处理手段以及内存管理方法有关。
系统定制能力。工业控制产品不同于民用 的 (微软
+ 处理器)结构,后者比较简单,前者需求则是千差万别的,
因此硬件系统也都不一样,所以对系统的定制能力有较高的要求。
可移植性。当进行嵌入式软件开发时,可移植性是要重点考虑的问题。
良好的软件移植性应该比较好,可以在不同平台、不同系统上运行,跟操作系
统无关。
可利用资源。产品开发不同于学术课题研究,它以快速、低成本、高质
量的推出适合用户需求的产品为目的。集中精力研发出产品的特色,其他功能
尽量由操作系统附加或采用第三方产品,因此操作系统的可利用资源对于选型
是一个重要参考条件。如果有大量的资源可以利用,无疑会极大的缩短开发周
期降低成本。
网络能力。现在的工业控制系统对联网的要求越来越多,即使目前的产
品不需要具有联网的能力,也应该为以后的升级留下余地。
图形界面开发能力。友好的图形界面对多数控制系统来说都是必不可少
的,相应的开发工具是否功能强、使用简单对开发的影响很大。
中文内核支持。毕竟,作为国内的工业控制系统,如果不支持中文,怎
么能不说是一个缺憾?
已有的条件。在满足可靠应用的条件下,降低开发成本是每个控制系统
开发考虑最多的因素之一。能根据自己的实际情况,合理的利用已有的条件,
将会对降低成本有很大的作用,也会缩小产品的上市时间。
下面就四种常见的嵌入式操作系统对实时性、网络能力、图形界面开发以及开
放性等方面进行分析比较,并结合课题的实际情况,阐述了选择 作为本
课题的嵌入式系统设计平台的理由。
1.1 Windows CE
1.1.1系统结构
可分为四个主要模块
[10,11,12,24]
,如图 ! 所示,它们分别是内核模
块、对象存储"文件系统模块、网络与通讯模块、#$ 模块(图形、窗口、事
件子系统)。此外还有三个重要的组成部分:驱动程序、设备管理器、
%&(%' 适配层,%'&()((*)。
图 !Windows CE 体系结构图
内核模块是 + 表示,最小为 ,-。它是
操作系统的核心,并为应用程序提供基本服务:进程管理、多任务多线程管
理、内存和资源管理、中断处理、异常处理等。 的 &' 存储内
存空间又被称为“对象存储(%./+$)”。一般包括三种类型的数据:
文件系统(包括数据文件和程序)、系统注册表和
数据库(一种结构化存储方法,+ 内置程序多使用它)。
提供了比桌面系统更丰富的通讯支持。#$ 模块即图形、窗口、
事件子系统,是用户、应用程序、操作系统之间的图形用户界面。而且
支持在没有图形界面的设备上使用诸如窗口、消息机制和电源管
理的特性。
1.1.2任务调度
内核支持按优先级抢占的方式调度多任务。 最多
支持 0 个进程,系统启动时至少创建 1 个进程: 2内核3、
4* 2文件系统3、5 2#6 支持3、7+ 2加载维护系统设
备驱动程序3。大多数平台还有 ) 2外壳3等服务进程,用户实际可
以使用的进程也只有 多个。进程有自己受保护的 0'- 虚拟地址空间,但
没有优先级。 支持的优先级是线程的优先级。线程是操作系统调
度和运行的基本单位。线程由进程创建,是进程的一个实体,总是隶属于进程,
并共享进程的地址空间。线程总数只受物理内存的限制。 实现抢
占式、基于优先级的线程调度,线程之间由 个优先级来竞争 6 时间片。线
程间的“同步”由“等待函数”和“等待对象”实现:将等待对象作为参数传递给等待
函数,等待函数直到满足条件才返回;如果不满足条件,那么调用线程一直处
于等待状态。 支持的“等待对象”包括:临界区域对象、事件对象
和互斥体对象。
1.1.3中断处理
四种操作系统都采用同样的传统中断模式。用户往某一中断源挂接特定中断后,
实时操作系统创建一条 $(中断服务例程)。所有的 $ 地址保存在中断向
量表中,并被硬件直接调用。$ 先执行一些保护现场的操作,然后调用用户
定义的中断响应函数。
采用的是基于优先级的可嵌套中断机制。 的中断
处理分为两部分:$ 和 $(中断服务线程)。$ 是核心代码部分,$ 是
用户代码部分。 可以将中断请求($)映射为硬件中断,并且
实现相应的 $ 和 $。 的中断机制是:当 $ 被触发时,$
只负责启动 $,一旦 $ 启动后,$ 立即就返回,以便响应新的中断。$
负责处理实际的中断处理。$ 运行在特殊的上下文中。$ 是一个普通的应用
程序线程,具有它自己的上下文和堆栈。
1.1.4内存管理
实现了“分页虚拟内存管理系统”。实现虚拟内存机制需要设备中
的 6 具有 ''6('8*'((56)。 使用 6 的
''6 来实时地将虚拟地址转换为物理地址。 为全部应用程序实
现的虚拟地址空间为 #-,为每个应用程序实现的虚拟地址空间为 0'-。虚
拟页面可以处于三种状态:空闲、保留、提交2占用3。空闲页(9)是可以
被保留或提交的可用页。保留页(7)是逻辑页已分配但没有分配物理
存储的页。提交"占用页(+88)是物理存储已分配的页。
1.1.5网络能力
提供了丰富的通讯支持,主要有:串行通讯(支持 "$ 协
议实现的串行直接连接和拨号连接),"、:、; 协议和
+! ! 的一个子集合,红外通讯协议 <&、$+ 和 88,通过
网络驱动程序接口规范(<$)支持局域网,支持远程访问 &$、6$- 连接、
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