三種嵌入式操作系統(tǒng)

摘要：提要三種常用的嵌入式操作系統(tǒng)――Palm OS、Windows CE、Linux；在此基礎(chǔ)上、分析、比較這三種嵌入式操作系統(tǒng)，給出它們之間的異同點(diǎn)及各自的適用范圍。

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)時性，這就要求嵌入式操作系統(tǒng)具有實(shí)時處理能力 ；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器中或閃存中，也就是說軟件要求固態(tài)化存儲，而不是存儲在磁盤等載體中。

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；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)時性。EOS實(shí)時性一般較強(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，為各種移動計算設(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)計算機(jī)的ROM中。輔助存儲器在嵌入式系統(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。現(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，Palm OS充分考慮了掌上電腦內(nèi)存相對較小的情況，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小（通常只有幾十KB），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)用程序停止活動一段時間，則系統(tǒng)自動進(jìn)入休眠（sleep）狀態(tài)。 ②合理的內(nèi)存管理。Palm的存儲器全部是可讀寫的快速RAM，動態(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)提供臨時的存儲空間；存儲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器空間，在處理數(shù)據(jù)的時候，Palm OS不是把數(shù)據(jù)從存儲堆（Storage Heap）拷貝到動態(tài)堆（Dynamic Heap）后再進(jìn)行處理，而是在存儲堆中直接處理。為避免錯誤地調(diào)用存儲器地址，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)的一個開放的、可升級的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。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平臺上繼續(xù)使用。 Windows CE的設(shè)計目標(biāo)是：模塊化及可伸縮性、實(shí)時性能好，通信能力強(qiáng)大，支持多種CPU。它的設(shè)計可以滿足多種設(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。一個典型的基于Windows CE的嵌入系統(tǒng)通常為某個特定用途而設(shè)計，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使用了對象存儲（object store）技術(shù)，包括文件系統(tǒng)、注冊表及數(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、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)先級別的中斷首先得到響應(yīng)，而不是等待低級別的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)時性。

⑤更好的線程響應(yīng)能力。對高級別IST（中斷服務(wù)線程）的響應(yīng)時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)換的具體時間，并通過增強(qiáng)的監(jiān)控能力和對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個優(yōu)先級別?？梢允归_發(fā)人員在控制嵌入式系統(tǒng)的時序安排方面有更大的靈活性。

⑦Windows CE的API是Win32 API的一個子集，支持近1500個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)、移動頻道、遠(yuǎn)程撥號訪問、世界時鐘、計算器、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是一個類似于Unix的操作系統(tǒng)。它起源于芬蘭一個名為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年的時間內(nèi)已發(fā)展成為一個功能強(qiáng)大、設(shè)計完善的操作系統(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)勁對手。Linux系統(tǒng)不僅能夠運(yùn)行于PC平臺，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。