三種嵌入式操作系統(tǒng)的分析與比析

1.1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式計算機為技術核心，面向用戶、面向產品、面向應用，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格要求的專用計算機系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)應具有的特點是：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；許多嵌入式應用要求實時性，這就要求嵌入式操作系統(tǒng)具有實時處理能力 ；嵌入式系統(tǒng)和具體應用有機地結合在一起，它的升級換代也是具體產品同步進行；嵌入式系統(tǒng)中的軟件代碼要求高質量、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，過去它主要應用于工業(yè)控制和國防系統(tǒng)領域。EOS負責嵌入系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調度作，控制、協(xié)調并發(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到系統(tǒng)所要求的功能。目前，已推出一些應用比較成功的EOS產品系列。隨著Internet技術的發(fā)展、信息家電的普及應用及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)化的強功能方向發(fā)展。嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固化以及應用的專用性等方面具有較為突出的特點。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，如任務調度、同步機制、中斷處理、文件處理等外，還有以下特點：

①可裝卸性。開放性、可伸縮性的體系結構。

②強實時性。EOS實時性一般較強，可用于各種設備控制當中。

③統(tǒng)一的接口。提供各種設備驅動接口。

④操作方便、簡單、提供友好的圖形GUI，圖形界面，追求易學易用。

⑤提供強大的網絡功能，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，為各種移動計算設備預留接口。

⑥強穩(wěn)定性，弱交互性。嵌入式系統(tǒng)一旦開始運行就不需要用戶過多的干預，這就要負責系統(tǒng)管理的EOS具有較強的穩(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)的調用命令向用戶程序提供服務。

⑦固化代碼。在嵌入式系統(tǒng)中，嵌入式操作系統(tǒng)和應用軟件被固化在嵌入式系統(tǒng)計算機的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)的文件管理功能應該能夠很容易地拆卸，而用各種內存文件系統(tǒng)。

⑧更好的硬件適應性，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產品，包括3Com公司下屬子公司的Palm OS，全球占有份額達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：中科紅旗軟件技術有限公司開發(fā)的紅旗嵌入式Linux和美商網虎公司開發(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，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備通信、傳輸數(shù)據(jù)；擁有開放的OS應用程序接口，開發(fā)商可根據(jù)需要自行開發(fā)所需的應用程序。Palm OS是一套具有術強開放性的系統(tǒng)，現(xiàn)在有大約數(shù)千種專用為Palm OS編寫的應用程序，從程序內容上看，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存相對較小的情況，因此它只占有非常小的內存。由于基于Palm OS編寫的應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）可以運行眾多應用程序。

由于Palm產品的最大特點是使用簡便、機體輕巧，因此決定了Palm OS應具有以下特點。

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的應用程序中，如果沒有事件運行，則系統(tǒng)設備進入半休眠（doze）的狀態(tài)；如果應用程序停止活動一段時間，則系統(tǒng)自動進入休眠（sleep）狀態(tài)。

②合理的內存管理。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機上的硬盤，可以永久保存應用程序和數(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）后再進行處理，而是在存儲堆中直接處理。為避免錯誤地調用存儲器地址，Palm OS規(guī)定，這一切都必須調用其內存管理器里的API來實現(xiàn)。

Palm OS與同步軟件（HotSync）結合可以使掌上電腦與PC機上的信息實現(xiàn)同步，把臺式同的功能擴展到了掌上電腦。Palm應用范圍相當廣泛，如：聯(lián)絡及工作表管理、電子郵件及互聯(lián)網通信、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、GPS接收器、調制解調器、GSM無線電話、數(shù)碼音頻播放設備、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結合的應用，不但可以作導航定位，還可以結合GPS作氣候的監(jiān)測、地名調查等。

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備操作。它是精簡的Windows 95。Windows CE的圖形用戶界面相當出色。其中CE中的C代表袖珍（Compact）、消費（Consumer）、通信能力（Connectivity）和伴侶（Companion）；E代表電子產品（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、新型的信息設備平臺。Windows CE具有模塊化、結構化和基于Win32應用程序接口以及與處理器無關等特點。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)、使用同樣的界面網格，使絕大多數(shù)的應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的設計目標是：模塊化及可伸縮性、實時性能好，通信能力強大，支持多種CPU。它的設計可以滿足多種設備的需要，這些設備包括了工業(yè)控制器、通信集線器以及銷售終端之類的企業(yè)設備，還有像照相機、電話和家用娛樂器材之類的消費產品。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計，并在不聯(lián)機的情況下工作。它要求所使用的操作系統(tǒng)體積較小，內建有對中斷的響應功能。

Windows CE的特點有：

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，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、內部網以及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，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)所要求的實時性。

⑤更好的線程響應能力。對高級別IST（中斷服務線程）的響應時間上限的要求更加嚴格，在線程響應能力方面的改進，幫助開發(fā)人員掌握線程轉換的具體時間，并通過增強的監(jiān)控能力和對硬件的控制能力幫助他們創(chuàng)建新的嵌入式應用程序。

⑥256個優(yōu)先級別。可以使開發(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，足可以編寫任何復雜的應用程序。當然，在Windows CE系統(tǒng)中，所提供的API也可以隨具體應用的需求而定。

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、移動頻道、遠程撥號訪問、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年的時間內已發(fā)展成為一個功能強大、設計完善的操作系統(tǒng)，伴隨網絡技術進步而發(fā)展起來的Linux OS已成為Microsoft公司的DOS和Windows 95/98的強勁對手。Linux系統(tǒng)不僅能夠運行于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進行抗衡的局面。目前正在開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)中，49%的項目選擇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。

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

①精簡的內核，性能高、穩(wěn)定，多任務。

②適用于不同的CPU，支持多種體系結構，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、記事本等應用程序。

⑤提供完整的開發(fā)工具和SDK，同時提供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動集，支持大量的周邊硬件設備，驅動豐富。

⑧針對嵌入式的存儲方案，提供實時版本和完善的嵌入式解決方案。

⑨完善的中文支持，強大的技術支持，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，價格低廉，結構靈活，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：第一，Linux是開放源代碼的，不在存黑箱技術，遍布全球的眾多Linux愛好者都是Linux開發(fā)者的強大技術支持者；而Windows CE是非開放性OS，使第三方很難實現(xiàn)產品定制。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的內核小、效率高；而Windows CE在這方面是笨拙的，占用過多的RAM，應用程序龐大。第四，Linux是開放源代碼的OS，在價格上極具競爭力，適合中國國情。Windows CE的版權費用是廠家不得不考慮的因素。第五，Linux不僅支持x86芯片，還是一個跨平臺的系統(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的平臺移植工作，而且移植的速度遠遠超過Java的開發(fā)環(huán)境。如果今天采用Linux環(huán)境開發(fā)產品，那么將來更換CPU時就不會遇到更換平臺的困擾。第六，Linux內核的結構在網絡方面是非常完整的，它提供了對包括十兆位、百兆位及千兆位的以太網絡，還有無線網絡、Token ring（令牌環(huán)）和光纖甚至衛(wèi)星的支持。第七，Linux在內核結構的設計中考慮適應系統(tǒng)的可裁減性的要求，Windows CE在內核結構的設計中并未考慮適應系統(tǒng)的高度可裁減性的要求。

嵌入式Linux OS與Windows CE相比的弱點：第一，是開發(fā)難度較高，需要很高的技術實力；第二，是核心調試工具不全，調試不太方便，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占用較大的內存，當然，人們可以去掉部分無用的功能來減小使用的內存，但是如果不仔細，將引起新的問題；第四，有些Linux的應用程序需要虛擬內存，而嵌入式系統(tǒng)中并沒有或不需要虛擬內存，所以并非所有的Linux應用程序都可以在嵌入式系統(tǒng)中運行。

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)，是針對這一市場專門設計的系統(tǒng)。它有開放的操作系統(tǒng)應用程序接口（API），支持開發(fā)商根據(jù)需要自行開發(fā)所需的應用程序，具有十分豐富的應用程序。在掌上電腦市場上獨占其霸主地位已久。

從技術層面上講，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，不適合應用在廉價的掌上電腦中。

Palm OS是一套具有極強開放性的系統(tǒng)。開發(fā)者向用戶免費提供Palm OS的開發(fā)工具，允許用戶利用該工具在Palm OS基礎上方便地編寫、修改相關軟件。與之相比，Windows CE的開發(fā)工具就顯得復雜多了，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、實時性及應用領域幾個方面，通過表1來歸納如下：

表1
Palm OS Windows CE 3.0 嵌入Linu
大小 核心幾十KB，整個嵌入環(huán)境也不大 核心占500KB的ROM和250KB的RAM。整個Windows CE操作系統(tǒng)，包括硬件抽象層（HAL和Hardware Abstraction Layer）、Windosw CE Kernel、User、GDI、文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫，大約共1.5MB 核心從幾十KB到500KB。整個嵌入式環(huán)境最小才100KB左右，并且以后還將越來越小
可開發(fā)定制 可以方便地開發(fā)定制 用戶開發(fā)定制不方便，受Microsoft公司限制較多 用戶可以方便地開發(fā)定制，可以自由卸裝用戶模塊，不受任何限制
互操作性 互操作性強 互操作性比較強，Windows C可通過OEM的許可協(xié)議使用于其它設備 互操作性很強
通用性 適用于多種CPU和多種硬件平臺 適用于多種CPU和多種硬件平臺 不僅適應于x86芯片，并且可以支持30多種CPU和多種硬件平臺，開發(fā)和使用都很容易
實用性 比較好 比較好 很好
適用的應用領域 應用領域較廣，特別適用于掌上電腦的開發(fā) 應用領域較廣。WindowsC是為新一代非傳統(tǒng)的PC設備而設計的，這些設備包括掌上電腦、手持電腦以及用于車載電腦等 由于Linu內核結構及功能等原因，嵌入式Linu 應用領域非常廣泛，特別適于進行信息家電的開發(fā)

結語

Palm OS、Windows CE、Linux這三種嵌入式操作系統(tǒng)各有不同的特點，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，在價格上極具競爭力。如今整個市場尚未成型，嵌入式操作系統(tǒng)也未形成統(tǒng)一的國際標準，而且Linux的一系列特征又為我們開發(fā)國產的嵌入式操作系統(tǒng)提供了方便，因此，我們有機會在這個未成熟的市場上占有一席之地。