嵌入式实时系统及其在通信系统中的应用

    摘要：阐述了嵌入式实时系统的原理及特点，分析并论述嵌入式实时系统实现过程中的关键问题，讨论了嵌入式实时系统在通信领域中的应用。

    关键词：嵌入式实时系统 嵌入式实时操作系统 板级支持包（BSP） 电信管理网

近年来，以PC机为代表的通用计算机系统在硬件和软件方面都取得了飞速的发燕尾服，处理器的运算速度已经达到了每秒10亿次的数量级。作为计算机系统核心的操作系统也从字符界面的单任务、单用户的DOS，发展到拥有图形界面的多用户、多任务的Windows 98、Windows NT。计算机的应用已经扩展到通信、交通、家电及医疗诸多领域。

然而，在经过了很长一段时间的快速发展，尤其是作为过去十年IT发展的推动力以后，以PC为代表的通用计算机系统出现了发展减缓的趋势；与此同时，新兴IT产生的发展要求越来越多的设备具有小型化、智能化的特点。为适应这一发展趋势，在计算机系统的应用过程中发展了一类特殊的系统——嵌入式计算机系统，即嵌入式系统。

由于具备简洁、高效等特点，在最近几年，嵌入式系统表现出了强劲的发展势头；随着二十一世纪的到来，IT业迎来了一个崭新的、以嵌入式系统为核心的“后PC时代（Post-PC Era）”。作为崭新的、面向应用的计算机系统，嵌入式系统在集成了通用计算机系统的共性以外，还包含了很多适合“嵌入式”应用的新技术；因此，嵌入式系统的发展越来越多地受到人们的普遍重视，其强大而灵活的可应用性得到了计算机、通信和信息等产业的广泛认可，其就任已经扩展到前所未有的广泛领域。嵌入式系统的出现与发展将真正实现计算机的“无处不在”。

1 嵌入式实时系统

嵌入式系统内容包含一个或多个控制用的CPU以及针对特定应用环境而开发的高层软件，通常含有操作系统。在使用过程中，系统内部CPU和软件的行为并不为外界所感知，因此叫做“嵌入式”系统；通常把对外部事件响应时间很短的嵌入式系统叫做“嵌入式实时系统”；应用于嵌入式实时系统的操作系统叫做“嵌入式实时操作系统”；相应的应用程序叫做“嵌入式时应用程序”。

1.1 嵌入式实时系统的构成

嵌入式实时系统包括硬件和软件两个方面，由硬件平台、嵌入式实时操作系统及其他系统软件模块、实时应用程序三个部分组成。如图1所示。

1.1.1 硬件平台

嵌入式实时系统的硬件平台通常以为能紧凑、专用性强的CPU为核心同时结合少量的外转围设备，具有应用相关性，即多样性的特点。

1.1.2 嵌入式实时操作系统及其他系统软件模块

操作系统和其他系统软件介于硬件和应用程序之间，负责调度并管理实时应用程序，并完成对硬件的控制和操作。

1.1.3 实时应用程序

实时应用程序是基于嵌入式实时操作系统、利用操作系统提供的实时机制完成特定的嵌入式实时系统具体功能的应用程序。

在以上三个部分中，嵌入式实时操作系统是嵌入式实时系统的核心，是应用程序开发和运行的平台，是嵌入式实时系统区别于其他通用计算机系统的集中体现，也是推动嵌入式实时系统广泛应用的关键因素。

1.2 嵌入式实时操作系统的特点

除了具有操作系统的共性以外，为适应“嵌入式实时”应用，嵌入式实时操作系统还具有实时性、微内核结合扩展模块实现通用性与可配置性、操作系统不对外设作假设等突出特点。

1.2.1 实时性

实时表示“及时”，是一个相对概念；实时性表明操作系统在可预见的时间内响应和处理外部事件的能力，是嵌入式实时操作系统性能的关键指标之一。为保证良好的实时性，嵌入式实时操作系统一般采用多任务机制，以并发方式执行应用程序。

1.2.2 微内核结合扩展模块实现通用性与可配置性

为了在结构和功能上适应不同的“嵌入式”应用，嵌入式实时操作系统通常采用微内核与可配置的功能模块相结合的体系结构，使操作同时具备了通用性和可配置性。嵌入式实时操作系统的结构如图2所示。

1.2.3 操作系统不对外设作假设

操作系统的实现只与CPU有关，而不假设CPU以外的其他物理硬件。与硬件相关的功能依靠另外一个叫做板级支持包（Board Support Package）的软件层次来完成，从而实现了操作系统的“硬件无关性”，提高了系统的通用性和可移值性。

其中2和3作为嵌入式实时操作系统的关键技术，有力地推动了嵌入式系统的广泛应用。

1.3 嵌入式实时系统与通用计算机系统的对比

嵌入式实时系统与通用计算机对比见表1。通过对比可以看出：嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应于应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

表1 嵌入式实时系统与通用计算机系统的对比

2 嵌入式实时系统的实现

设计实现一个嵌入式实时系统不仅需要完成应用程序的设计，还包括硬件环境的实现及操作系统的选择等许多关键问题。

2.1 选择适合的嵌入式实时操作系统

嵌入式实时操作系统是实现嵌入式实时系统的核心。操作系统的性能在很大程度上直接影响着整个系统的实时性能。因此，选择合适的嵌入式实时操作系统对于实现一个高性能的嵌入式时系统是至关重要的。

2.2 仔细划分应用程序内部的若干任务

作为另一个重要的软件层次，应用程序内部任务的划分也影响嵌入式时系统的整体性能。为兼顾嵌入式实时系统的并发性整体吞吐量，任务的划分应当遵循以下原理：

·功能独立的操作应当一个单一的任务；

·功能联系密切（耦合关系密切）的操作应当划归同一个任务；

·具有慢速I/O操作的功能应当划分为单独任务；

·不同优级的操作划分为不同的任务；

·拥有大量运算的操作应当划分为一个单独的任务。

2.3 嵌入式实时系统的调试

与通用计算机系统的设计不同，嵌入式实时系统的设计总会涉及硬件因素，因此，硬件平台的调试是一个必要环节。在软件方面，由于嵌入式实时系统通常是一个多任务系统，具有很强的动态性，因此，系统的功能行为需要通过调试加以确定。

3 嵌入式实时系统在通信系统的应用

作为一类特殊的计算机系统，嵌入式实时系统的应用范围已经扩展到许多领域，尤其在通信领域更是得到了前所未有的发展。随着网络新业务的开通和新设备的增加，电信网络管理成为个日益突出的问题而备受关注。

电信管理网络（TMN）的发展，对网络和设备提出了新的要求。早先的设备和网络功能简单且缺乏必要的、统一的管理接口，使得不同厂家的不同设备很难实现互通与互管。为解决这一问题，ITU-T进行了网络管理标准化的工作，先后制定了一系列协议规范，定义了网络管理的体系结构和统一接口。现在，不同的设备厂商在开发通信设备的时候，通常参数并实现ITU-T关于网络管理的协议和接口。由于ITU-T的网络管理模型涉及的层次较多，接口比较复杂，因此，网络管理的功能比以前要复杂得多。而作为网络管理的一个重要方面，设备的管理直接影响着网络管理的整体性能；因而，功能简单的网络和设备不同满足现代通信网络发展的需要。

通信网络的扩大、新业务和新设备的大量增加要求网络管理不但具备丰富管理功能，还要具备良好的管理性能效率；也就是说，网络管理必须满足一定的实时性。简言之，现代网络管理具有以下两个突出特点：

·完善的管理功能；

·良好的管理性能。

为了实现完善而高效的网络管理，通信设备必须增强自身性能，从而为高层网管提供高性能的软硬件平台。因此，通信系统的设计出现了新的发展趋势，如图3所示。

出现这种趋势的原因主要在于：

（1）先前以单片机为平台，应用程序直接运行于CPU之上的方式具有明显的不足：

·硬件功能有限，不能进行高效而复杂的设备管理；

·硬件平台简单，不能有效地支持功能繁多而且复杂的网络管理；

·软件缺乏操作系统的支持，网络应用程序设计复杂，难以实现功能完善的性能网络管理。

可见，基于单片机平台的设备在硬件和软件两个方面都很难满足现代网络管理的要求。

（2）通用计算机由于体积、成本以及效率等因素的限制，也不适合这种应用环境。

（3）采用嵌入式实时系统是理想的解决方法：

·嵌入式实时系统在硬件上使用功能紧凑而高效的CPU，适合“嵌入”设备内部作为控制的硬件核心，可以支持复杂的设备管理；

·在软件上，嵌入式实时系统以高性能的嵌入式实时操作系统为核心，除了为系统提供良好的实时性保障以外，还简化了高层应用程序的设计。

以嵌入式实时系统为核心使设备内部具有一个类似于通用计算机系统的强大而高效的软硬件平台；既满足了网络管理功能上的要求，又保证了网络管理的高效性；既支持设备本身的管理，又支持高效统一的网络管理。因此，以嵌入式实时系统作为设备的功能核心和网络管理平台是现在通信系统广泛采用的实现方案。

由于在功能、性能以及价格等方面具有不可替代的优势，嵌入式系统还在移动通信、个人通信、数据通信、卫星通信及信息家电等领域得到了深入而广泛的应用。

嵌入式实时系统作为计算机应用的一个崭新领域，以其简洁高效等特点越来越多地受到人们的广泛关注。由于嵌入式实时系统有别于一般的计算机系统，在设计和实现上存在着区别于通用计算机系统的若干关键问题。随着应用环境的日趋复杂，系统要求的功能越来越多，嵌入式实时操作系统成为实现嵌入式实时系统必需环节。

经过近几年的发燕尾服，嵌入式实时系统的应用范围已经扩展到先前的只能使用通计算机系统的领域，并且其应用数量已经超过了通用计算机系统，尤其是在电信及IT领域中更是得到前所未有的广泛应用。

迅速崛起的嵌入式实时系统实时系统标志着“后PC时代（POST-PC Era）”的到来。嵌入式系统正成为PC机以后最具有发展潜力和应用前景的系统，它的快速发展正在成为IT（包括通信、信息）等产业保持快速发展的、新的强大推动力。