软件体系结构 - 嵌入式系统(2)- 嵌入式操作系统

简介: 软件体系结构 - 嵌入式系统(2)- 嵌入式操作系统

嵌入式操作系统(Embedded Operating System, EOS)是一种专门为嵌入式系统设计的专用操作系统软件。它作为嵌入式设备的核心软件组件,负责管理和控制硬件资源,为应用程序提供运行环境和服务。嵌入式操作系统具有以下特点和功能:

  1. 资源受限环境适应:嵌入式操作系统设计时充分考虑了嵌入式设备的硬件限制,如有限的内存、存储空间、处理能力以及严格的功耗预算,确保系统能在这些约束条件下高效运行。
  2. 实时性支持:许多嵌入式应用需要在确定的时间内响应外部事件或完成特定任务,嵌入式操作系统通常提供实时调度机制、低延迟中断处理、实时通信协议支持等,以满足实时性要求。
  3. 任务调度与并发处理:嵌入式操作系统负责管理和调度多个并发任务(进程/线程),通过抢占式或协同式调度策略确保任务间的公平执行和系统响应速度。
  4. 设备驱动支持:提供丰富的设备驱动框架和接口,支持与嵌入式设备硬件(如处理器、内存、外设接口、传感器、执行器等)的交互,简化硬件访问和管理。
  5. 文件系统与存储管理:嵌入式操作系统可能包含轻量级文件系统,用于组织和管理存储介质上的数据,支持文件的创建、读写、删除等操作。
  6. 网络与通信功能:嵌入式设备常常需要联网通信,操作系统可能内置网络协议栈(如TCP/IP),支持Wi-Fi、以太网、蜂窝网络等连接,并提供API供应用程序进行网络数据收发。
  7. 安全性与可靠性:嵌入式操作系统通常具备一定的安全防护机制,如权限管理、访问控制、安全启动、加密通信等,以增强系统抵御攻击的能力。同时,设计上注重错误检测与恢复,确保系统在异常情况下的稳健运行。
  8. 可裁剪与定制化:嵌入式操作系统通常允许根据实际应用需求进行功能裁剪和配置,仅保留必要的组件和服务,以减小系统体积、降低资源消耗并提高系统针对性。
  9. 跨平台兼容:一些嵌入式操作系统(如Linux、Android)具有良好的跨平台性,能够在不同架构的嵌入式处理器上运行,有利于硬件平台的选择和迁移。
  10. 开发工具与生态系统:围绕嵌入式操作系统,通常有配套的开发工具链(编译器、调试器、仿真器等)、中间件、软件库、应用框架以及活跃的开发者社区,为应用程序开发提供便利和支持。

常见的嵌入式操作系统包括:

  • 实时操作系统(RTOS):如FreeRTOS、ThreadX、VxWorks、QNX、RT-Thread等,尤其适用于对实时性要求严格的场合。
  • 嵌入式Linux:基于Linux内核,经过裁剪和优化,适用于各种嵌入式设备,如Yocto Project、OpenWrt、Buildroot等。
  • Android:基于Linux的开源移动操作系统,广泛应用于智能手机、平板电脑、智能家居设备等消费电子产品。
  • 嵌入式Windows:如Windows Embedded Compact(前身为Windows CE)和Windows IoT Core,适用于需要Windows生态环境和API兼容性的嵌入式应用。
  • 其他专用或轻量级系统:如μC/OS-II、Contiki、Zephyr、RIOT等,适用于超低功耗、资源极其有限的物联网节点。


嵌入式操作系统组成:硬件驱动程序、调式代理、操作系统内核、文件系统、可配置组件等。并为应用软件提供标准的API接口服务。

  • 操作系统内核:宏内核、微内核
  • 任务管理
  • 实时调度算法
  • 最早截至时间优先Earlist Deadline First,EDF
  • 最低松弛度优先Least Laxity First,LLF
  • 单调速率调度算法Rate Monotonic Scheduling,RMS
  • 存储管理
  • 分区存储
  • 分页存储
  • 分段存储
  • 段页存储
  • 虚拟存储
  • 任务间通信
  • 共享内存:数据的简单共享
  • 信号量:基本的互斥和同步
  • 消息队列:同一CPU内多任务间消息传递
  • Socket和远程调用:任务间透明的网络通信
  • Singals(信号):异常处理


嵌入式操作系统结构:整体结构、层次结构、客户/服务器结构、面向对象结构。


分类

  • 面向控制、通信领域的嵌入式实时操作系统
  • VxWorks
  • Nucleus
  • 面向消费电子的非实时嵌入式操作系统
  • Android
  • iOS
  • WinCE
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