嵌入式操作系统

在当今电子设备的时代，设备正变得越来越智能和强大。从智能手机和智能手表到工业机械和汽车系统，许多这些智能功能都是由嵌入式系统实现的。在这些嵌入式系统的核心有一个重要组成部分：嵌入式操作系统（EOS）。本文将解释什么是嵌入式操作系统，它们如何工作，以及它们在我们日常信赖的设备中扮演的角色。

在本文中，您将了解嵌入式操作系统及其类型和其他许多功能。

什么是嵌入式操作系统？

嵌入式操作系统是一种为嵌入式计算机系统设计的计算机操作系统。它功能有限。“嵌入式操作系统”一词也指“实时操作系统”。设计嵌入式操作系统的主要目标是为非计算机设备执行指定任务。它允许执行的编程代码提供对设备的访问，以完成其工作。

嵌入式操作系统是一种为嵌入式计算机系统设计的计算机操作系统。这些操作系统被设计成**小巧、资源高效、可靠**，并删除了许多专业应用不需要的功能。

运行嵌入式操作系统的硬件通常资源非常有限。嵌入式硬件系统通常非常具体，这意味着这些系统由于资源有限而旨在覆盖特定任务。

嵌入式操作系统是软件和硬件的组合。它以多种格式（如**图像、文本**和**语音**）产生人类易于理解的结果。嵌入式操作系统是使用编程代码开发的，这有助于将硬件语言转换为软件语言，如C和C++。

嵌入式操作系统通过控制所有硬件资源并最大限度地减少设备构建时特定任务的响应时间来提高整体效率。

关键特性

嵌入式操作系统在设计时就考虑了效率和可靠性。它们通常支持实时操作，这意味着它们可以在保证的时间范围内响应输入或事件，这对于时间敏感的应用至关重要。这些系统在严格的资源限制下运行，使用最少的 CPU 功率、内存和存储。由于它们是为特定任务而构建的，因此它们高度优化，并且通常缺乏通用操作系统的广泛功能。稳定性是首要任务，因为许多嵌入式系统会长时间持续运行，而且它们通常需要最少或无需用户界面，可以自主运行或仅与有限的人机交互。

实时操作

许多嵌入式操作系统是实时的，这意味着它们应该在预测和保证的截止日期内响应输入或事件。这对于存在延迟故障或安全风险的系统很重要，例如在汽车或医疗应用中。

资源高效

嵌入式操作系统设计用于在有限的处理能力、内存和存储下高效工作。它们经过优化，可以最大限度地利用可用的硬件资源，而不会影响性能。

任务特定

与通用操作系统不同，EOS 是针对特定功能或一组功能量身定制的。这种专注使它们在处理特定功能时更加轻巧、敏捷且高效。

可靠性和稳定性

稳定性很重要，因为嵌入式系统通常需要长时间持续运行。操作系统应能持续运行并从任何缺陷或错误中恢复。

最少用户界面

许多嵌入式系统只有很少或没有用户界面。相反，它们自主运行或与其他系统或传感器交互，使得图形用户界面不是必需的或高度简化的。

嵌入式操作系统的组成部分

内核

内核是嵌入式操作系统的核心。它管理系统的资源，如 CPU、内存和硬件设备。在实时系统中，内核还确保任务在严格的时间限制内执行。

任务或进程管理

此组件处理任务或进程的创建、调度和终止。这确保了每个任务都能获得所需的 CPU 时间，并管理多任务处理，无论是通过协作式还是抢占式调度。

进程间通信 (IPC)

IPC 机制允许不同的任务或进程相互通信和同步。常见的方法包括消息队列、信号量和共享内存，这些都有助于维护系统内的协调。

设备驱动程序

设备驱动程序充当操作系统与硬件组件之间的翻译器。它们使操作系统能够控制外部设备（如传感器、显示器和通信模块）并与之通信。

内存管理

此组件在程序执行期间管理内存的分配和使用。它确保高效利用系统的有限内存，并保护不同任务的内存空间。

文件系统

一些嵌入式系统包含最小化的文件系统来存储和检索数据。虽然并非总是必需的，但它对于需要记录、存储配置设置或处理用户文件的设备很有用。

嵌入式系统如何工作？

嵌入式系统通过集成硬件和软件来高效且可靠地执行特定、预定义的功能。硬件通常包含一个微控制器或微处理器，以及内存、输入/输出接口和各种外围设备。软件通常由嵌入式操作系统管理，负责控制硬件并使设备能够完成其功能。

基本工作流程

输入感应

系统通过传感器、按钮或通信模块等输入设备接收来自环境的数据。这些可以是物理信号，如输入的温度、速度或用户命令。

处理

嵌入式处理器（微控制器或微处理器）解释输入数据。根据软件指令——通常运行在实时或嵌入式操作系统上——它会做出逻辑决策或计算。

控制与输出

处理后，系统将适当的命令发送到输出设备，如电机、显示器或执行器，以执行预期的工作。

反馈和监控（如果需要）

在许多系统中，反馈回路帮助设备监控其功能并实时调整，从而提高准确性和效率。

示例

在数字恒温器（一种嵌入式系统）中，温度传感器将输入发送到处理器。软件将输入与设定温度进行比较，并据此决定打开或关闭加热系统，从而进行控制输出。

人们通常对嵌入式系统的工作原理感到好奇，因为对复杂产品技术的需求很高，这为嵌入式软件开发人员提供了机会。与加载或运行应用程序的桌面 PC 相反，嵌入式操作系统是为较少任务设计的，并且通常在设备上处理单个应用程序。

由于操作系统功能的范围有限，它必须可靠并且能够与自身大小、处理能力和需求相匹配地顺畅运行。该特定应用程序对最终产品的功能至关重要。Wind River VxWorks、Embedded Linux 和 Android 以及 QNX 是商业和工业应用中的一些顶级嵌入式操作系统。

嵌入式操作系统历史

**阿波罗导航计算机 (AGC)** 于 **20 世纪 60 年代**引入了嵌入式操作系统，而 Linux 和 Android 是较新的市场发展。**AGC** 是一个非营利组织，安装在每个**阿波罗指令舱 (ACM)** 和 **阿波罗登月舱 (ALM)** 上。AGC 为航天器的导航、制导和控制提供了计算和电子接口。

从那时起，嵌入式计算机系统已经取得了长足的进步，而且由于微控制器技术从**8 位**发展到**16 位**，再到**32 位**，其演变似乎远未结束。随着嵌入式计算机系统的复杂性不断增加，操作系统已成为有效管理嵌入式软件的关键。

嵌入式操作系统类型

嵌入式操作系统有多种类型。其中一些如下：

实时操作系统

实时操作系统 (RTOS) 是一种具有有限功能的确定性操作系统，它通过在设定的时间限制内提供处理后的输出，从而支持多线程应用程序。由于某些应用程序对时间要求严格，因此必须在预期时间精确执行它们，以维持整个系统的正常运行。

实时操作系统依赖于时钟中断。中断服务例程 (ISR) 由该系统生成。**RTOS** 实现优先级系统来执行所有类型的进程。进程和 **RTOS** 是同步的，可以相互通信。**RTOS** 存储在 ROM (只读存储器) 芯片上，因为该芯片可以长期存储数据。

多任务操作系统

多任务操作系统可以同时执行多个任务。在多任务操作系统中，多个任务和进程同时运行。如果系统包含多个处理器，则可以执行广泛的功能。

多任务操作系统在多个任务之间进行切换。有些任务正在等待事件发生，而有些任务正在接收事件并准备运行。使用多任务操作系统时，软件开发更容易，因为不同的软件组件可以独立于彼此进行构建。

抢占式操作系统

解释任务抢占的多任务操作系统称为抢占式操作系统。具有较高优先级的任务总是被定义并优先于具有较低优先级的任务执行。此类多任务操作系统提高了系统的事件响应能力并简化了软件开发，从而使系统更加可靠。系统设计人员可以计算系统中服务解释器所需的时间以及调度器切换任务所需的时间。此类系统可能无法满足系统截止日期，并且程序不知道错过截止日期。可以通过定义一个不执行任何操作只递增计数器的较低优先级进程来自然地测量抢占式操作系统中的 CPU 负载。

速率单调操作系统

一些嵌入式系统被设计为使用一种称为“速率单调调度”的特定任务调度方法。它是一种操作系统，可确保系统中的任务可以在特定时间和持续时间内运行。它是一种基于优先级的调度算法。它通常用作抢占式操作系统。这意味着所有任务都可能在短时间内被其他任务中断或挂起。它通常用于执行优先级较高的较短任务。

单系统控制循环

这是一种非常简单的操作系统，设计用于执行单一功能。它用于多种设备，包括智能手机、恒温器或温度控制器、数字可控设备等。用户可以根据需要在此类操作系统中设置任何温度变量。该系统包含多个传感器，用于确定环境中的各种温度点。

嵌入式操作系统的特性

嵌入式操作系统有多种特性。其中一些如下：

实时性能

许多嵌入式操作系统旨在满足实时要求，这意味着它们应在特定时间范围内响应输入或事件。这对于时间至关重要的应用程序很重要，例如医疗设备或汽车控制系统。

确定性行为

嵌入式操作系统通常表现出确定性行为，这意味着它们以可预测和可重复的方式运行。这确保了系统反应的一致性，这对可靠性和控制很重要。

资源效率

它们经过优化，可用于内存、CPU 功率和存储等有限的硬件资源。这使其适用于资源受限的设备，例如微控制器或电池供电的系统。

任务特定设计

嵌入式操作系统是为处理特定功能而不是通用计算而量身定制的。这可以实现流畅的性能和简单的软件架构。

高可靠性和稳定性

由于许多嵌入式设备用于关键系统或偏远环境，因此操作系统应能长时间无故障运行。稳定性是避免系统停机或故障的重要要求。

紧凑的尺寸

操作系统通常轻巧，占用空间小，因此可以安装在内存有限的硬件上并快速启动。

最少或无用户界面

嵌入式操作系统通常在后台运行，没有图形界面。它们通常运行预定的任务，并与传感器、其他设备或机器进行交互，而不是与用户进行交互。

低功耗

尤其是在便携式或电池供电设备中，嵌入式操作系统设计为消耗最少的功率，通常通过支持睡眠模式和高效任务调度来实现。

嵌入式操作系统的应用

嵌入式操作系统存在于无数的行业和日常设备中。它们以有限的资源提供可靠、实时的性能的能力，使其成为许多专用应用程序的必需品。

消费电子产品

嵌入式操作系统为智能手机、智能手表、数码相机、智能电视和家用电器等设备提供动力。它们确保了在节能环境中紧凑、用户友好的界面、传感器管理和流畅的无线通信操作。

汽车系统

现代汽车的发动机控制单元 (ECU)、防抱死制动系统 (ABS)、安全气囊系统、信息娱乐系统、导航系统和高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 都严重依赖嵌入式操作系统。这些系统需要实时响应能力和高可靠性。

工业自动化

在工厂和制造环境中，嵌入式系统用于可编程逻辑控制器 (PLC)、机器人手臂和监控系统。嵌入式操作系统负责实时控制、数据记录和机器间通信。

医疗设备

输液泵、心电图监视器、呼吸机和诊断工具等医疗设备依赖嵌入式操作系统来提供精确及时的操作。这些系统必须满足严格的可靠性和安全标准。

电信

路由器、调制解调器、基站和移动网络设备使用嵌入式操作系统来管理数据流量、信号处理和通信协议。这些系统通常连续运行并需要强大的性能。

航空航天与国防

飞机、卫星、无人机和导弹系统使用嵌入式操作系统来执行导航、飞行控制、目标定位和遥测等任务。这些应用需要实时精度和容错能力。

流行的嵌入式操作系统

有各种流行的嵌入式操作系统。其中一些如下：

eCos

它代表“嵌入式可配置操作系统”，其所有组件都提供广泛的配置选项。eCos 操作系统可以支持各种流行的嵌入式 CPU。

mbed OS

它是一个免费且开源的嵌入式操作系统，为智能硬件开发提供了系统化和全面的环境。

VxWorks

Wind River 公司于1983年首次推出。它支持任务同步、内存效率管理等功能。

µC/OS-II

它是基于μC/OS原理推出的。μC/OS-II 可以处理64个任务，并提供中断服务、任务调度、内存管理、同步和时间管理等各种功能。

FreeRTOS

它是一个轻量级的操作系统，支持优先级调度算法。它提供内存管理、消息队列、任务管理、信号量、时间管理等各种功能。

QNX

QNX 成立于1980年，是一款商业嵌入式实时操作系统，需要 POSIX 规范才能编译。

µClinux

它代表“微控制 Linux”，它是嵌入式 Linux 的最新版本。它能够捕获 Linux 操作系统的所有功能。

嵌入式操作系统用途

嵌入式操作系统通常用于汽车导航系统、多媒体播放器、飞机导航系统和医疗设备等各个领域。

汽车导航系统

汽车导航系统是一个带触摸屏的小型计算机系统，使驾驶员能够导航各种菜单，如音频播放、收音机、GPS 和路线图、燃油液位、免提通话和轮胎压力监测系统。计算机执行所有这些任务以改善驾驶体验。

停车计时器

智能城市停车计时器使用嵌入式系统来管理用户输入并跟踪时间和费用。根据设计，这些设备包含各种内置功能。例如，一些传感器检测车辆的进出，而另一些则要求驾驶员输入停车位或车辆牌照。用户界面为驾驶员提供了选项，包括定义预期返回时间并相应付费。

医疗设备

医疗设备可自动监测生命体征，输送药物。如果生命体征超过或低于阈值，则会通知工作人员。因此，它可以帮助医生治疗患者、监测健康问题并挽救生命。

飞机的导航系统

飞机的导航系统是实时操作系统的典型示例。飞机的中央计算机连接到大多数控制系统，如机翼、发动机、压力控制和安全系统。因此，它是专门为在飞机内运行而设计的，并协助起飞、着陆和紧急操作。

嵌入式操作系统的优点和缺点

嵌入式操作系统有各种优点和缺点。其中一些如下：

优点

嵌入式操作系统有各种优点。其中一些如下：

1. 它体积小，加载速度快。
2. 它成本低。
3. 它易于管理。
4. 它提供更好的稳定性。
5. 它提供更高的可靠性。
6. 它提供了一些互连性。
7. 它功耗低。
8. 它有助于提高产品质量。

缺点

嵌入式操作系统存在各种缺点。其中一些如下：

1. 它不容易维护。
2. 故障排除更困难。
3. 它的内存资源有限。
4. 嵌入式文件的备份不容易。
5. 一旦开发完成，您就无法更改、改进或升级嵌入式系统。
6. 如果发生任何问题，您需要重置设置。
7. 它的硬件是有限的。

常见问题解答

Q1. 嵌入式操作系统和通用操作系统有什么区别？

嵌入式操作系统专为设备内的特定功能而设计，使用最少的资源，并通常提供实时性能。通用操作系统（如 Windows 或 Linux）设计用于在桌面或服务器上处理各种功能和用户交互。

Q2. 为什么实时功能在嵌入式系统中很重要？

实时功能可确保系统在预测的时间范围内响应输入或事件，这在延迟可能导致故障或安全问题的应用程序中至关重要——例如医疗设备、汽车系统或工业机械。

Q3. Linux 能用作嵌入式操作系统吗？

是的，嵌入式 Linux 是许多嵌入式系统的流行选择。它是一个经过定制的轻量级 Linux 版本，专为在资源受限的设备上运行而设计，同时提供灵活性和可伸缩性。

Q4. 有哪些流行的嵌入式操作系统示例？

流行的嵌入式操作系统包括 Frertos、VXWorks、QNX、RTEMS、嵌入式 Linux (Yocto, Builderute)、Nucleus RTOS 和 Micrium UC/OS。

Q5. 所有的嵌入式系统都是实时系统吗？

不，并非所有嵌入式系统都是实时的。一些嵌入式应用程序不需要严格的时间限制，并且可以在没有实时保证的情况下有效运行。

Q6. 哪些设备使用嵌入式操作系统？

智能设备、路由器、工业机械、医疗设备、汽车、无人机和物联网设备等设备通常使用嵌入式操作系统。