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嵌入式实时操作系统的现状和未来

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quray1985|  楼主 | 2015-9-15 11:20 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
内容 摘要:从RTOS(嵌入式实时操作系统)发展的历史、RTOS市场和技术发展的变化、RTOS的未来及RTOS在中国几个方面,给出RTOS的现状、未来发展方向及RTOS的应用领域:系统级、板级、SOC级。

关键词:RTOS嵌入式系统 嵌入式应用 嵌入式开发工具

  随着互联网应用的迅速发展,嵌入式微处理器的应用日益广泛,无处不在,从波音飞机到移动电话,都有嵌入式微处理器的存在。在嵌入式微处理器的应用开发中,嵌入式实时操作系统(简称RTOS)是核心软件,就像我们日常所用计算机的桌面系统中,微软公司的Windows 98一样重要。    RTOS 已经在全球形成了1个产业,据美国EMF(电子市场分析)报告,1999年全球RTOS市场产值达3.6亿美圆,而相关的整个嵌入式开发工具(包括仿真器、逻辑分析仪、软件编译器和调试器)则高达9亿美圆。

一、 RTOS发展历史

  从1981年Ready System发展了世界上第1个商业嵌入式实时内核(VRTX32),到今天已经有近20年的历史。20世纪80年代的产品还只支持一些16位的微处理器,如68k,8086等。这时候的RTOS还只有内核,以销售二进制代码为主。当时的产品除VRTX外,还有IPI公司的MTOS和80年代末ISI公司的PSOS。产品主要用于军事和电信设备。进入20世纪90年代,现代操作系统的设计思想,如微内核设计技术和模块化设计思想,开始渗入RTOS领域。老牌的RTOS厂家如Ready System(在1995年与Microtec Research合并),也推出新一代的VRTXsa实时内核,新一代的RTOS厂家Windriver推出了Vxwork。另外在这个时期,各家公司都有力求摆脱完全依赖第三方工具的制约,而通过自己收购、授权或使用免费工具链的方式,组成1套完整的开发环境。例如,ISI公司的Prismt、著名的Tornado(Windriver)和老牌的Spectra(VRTX开发系统)等。
  进入20世纪90年代中期,互联网之风在北美日渐风行。网络设备制造商、终端产品制造商都要求RTOS有网络和图形界面的功能。为了方便使用大量现存的软件代码,他们希望RTOS厂家都支持标准的API,如POSIX, Win32等,并希望RTOS的开发环境与他们已经熟悉的UNIX,Windows一致。这个时期代表性的产品有Vxwork,QNX, Lynx和WinCE等。

二、 RTOS市场和技术发展的变化

  可以看出,进入20世纪90年代后,RTOS在嵌入式系统设计中的主导地位已经确定,越来越多的工程师使用RTOS,更多的新用户愿意选择购买而不是自己开发。我们注意到,RTOS的技术发展有以下一些变化:
  1. 因为新的处理器越来越多,RTOS自身结构的设计更易于移植,以便在短时间内支持更多种微处理器。
  2. 开放源码之风已波及RTOS厂家。数量相当多的RTOS厂家出售RTOS时,就附加了源程序代码并含生产版税。
  3. 后PC时代更多的产品使用RTOS,它们对实时性要求并不高,如手持设备等。微软公司的WinCE,Plam OS, Java OS等RTOS产品就是顺应这些应用而开发出来的。
  4. 电信设备、控制系统要求的高可靠性,对RTOS提出了新的要求。瑞典Enea公司的OSE和WindRiver 新推出的Vxwork AE对支持HA(高可用性)和热切换等特点都下了一番功夫。
  5. Windriver收购了ISI,在RTOS市场形成了相当程度的垄断,但是由于Windriver决定放弃  PSOS,转为开发Vxwork与PSOS合二为一版本,这便使得PSOS用户再一次走到重新选择RTOS的路口,给了其他RTOS厂家1次机会。
  6. 嵌入式Linux已经在消费电子设备中得到应用。韩国和日本的一些企业都推出了基于嵌入式Linux的手持设备。嵌入式Linux得到了相当广泛的半导体厂商的支持和投资,如Intel和 Motorola。 三、 RTOS的未来

未来RTOS的应用可能划分为3个不同的领域:
  1. 系统级:指RTOS运行在1个小型的计算机系统中完成实时的控制作用。这个领域将主要是微软与Sun竞争之地,传统上Unix在这里占有绝对优势。Sun通过收购,让他的Solaris与 Chrous os(原欧洲的1种RTOS)结合,微软力推NT的嵌入式版本“Embedded NT”。 此外,嵌入式Linux将依托源程序码开放和软件资源丰富的优势,进入系统级RTOS的市场。
  2. 板级:传统的RTOS的主要市场。如Vxwork, PSOS, QNX, Lynx和VRTX的应用将主要集中在航空航天、电话电讯等设备上。
  3. SOC级(即片上系统):新一代RTOS的领域:主要应用在消费电子、互联网络和手持设备等产品上。代表的产品有Symbian 的Epoc、ATI 的Nucleus, Express logic 的Threadx。老牌的RTOS厂家的产品VRTX和Vxwork 也很注意这个市场。
  从某种程度讲,不会出现1个标准的RTOS(像微软的Windows在桌面系统中的地位一样),因为嵌入式应用本身就极具多样性。在某个时间段以及某种行业,会出现1种绝对领导地位的RTOS,比如今天在宽带的数据通信设备中的Vxwork和在亚洲手持设备市场上的WinCE就是一例子。但是,这种垄断地位也并不是牢不可破的,因为在某种程度上用户和合作伙伴更愿意去培养1个新的竞争对手。比如,Intel投资的Montivista和Motorola投资的Lineo,这两家嵌入式Linux系统,就是说明半导体厂商更愿意看到1个经济适用的、开放的RTOS环境。

四、 RTOS在中国

  中国将是世界上最大的RTOS市场之一。因为中国有着世界上最大的电信市场。据信息_产业部预计,在未来2~3年内,中国将是世界上最大的手机市场(每1部手机都在运行1个RTOS)。这样庞大的电信市场就会孕育着大量的电信设备制造商,这就造就了大量的RTOS和开发工具市场机会。目前,中国的绝大多数设备制造商在采用RTOS时,首先考虑的还是国外产品。目前,在中国市场上流行的RTOS主要有Vxwork, PSOS, VRTX, Nucleus,QNX和WinCE等。由于多数RTOS是嵌入在设备的控制器上,所以多数用户并不愿意冒风险尝试1种新的RTOS。
  但是我们同时也注意到,目前 RTOS在中国市场的销售额还很小,这主要是2个原因:
  1.中国设备制造商的规模普遍还无法与国外公司相比,开发和人员费用相对还较高,所以RTOS对于中国用户来讲是比较贵的。
  2.多数国内用户还没有开始购买RTOS的版税,其主要原因有:产品未能按计划批量生产,没有交版税的意识。应该注意,大多数二进制的RTOS必须在产品量产时交版税,或者按数量买或者与厂家讨论一次性买断,而由厂家直接发给你授权协议书。据国外某家RTOS厂家称,他们年收入的30%来自版税。
  在过去的几年中,国家研究机构和企业,已经在开发自有知识产权的RTOS或在开放源码的Linux基础上发展自己的嵌人式Linux版本。国产RTOS的市场主要集中在消费电子方面,因为这里有许多国外RTOS不能适应的部分,如中文处理。目前主要产品有:中科院系统的“女娲”,英文 是“Hopen”;北京科银京成(原电子科大)的δ OS(原名是CRTOS);中科院红旗Linux;深圳蓝点Linux。可以肯定地讲,目前这些RTOS市场占有率还很低,多数公司还是依靠政策支持、国内投资、海外上市等支持公司庞大的开发投入,真正的市场回报还只是杯水车薪。如何长期良性循环发展下去将是1个重要的题目。对于这些厂家而言,如果深入到某种特定的应用产品开发,如机顶盒,那将可能会等到一两家用户的支持,而同时将会失去更多的用户。因为用户之间有很强烈的竞争性,他们并不想让供应商参与他们的产品开发的全过程。

如何开发出1种通用的RTOS,使得用户易于使用,方便地裁剪到某系统中去,国外商用RTOS已经很好地解决了这个问题。中国人设计的RTOS应更多地适于中国的国情,除了中文处理,中国有着广泛的单片机的应用基础。开发设计1种简单、易用的RTOS开发环境,以中国人可以接受的价格和更为务实的技术支持手段推出,也许可以找到1种正常的市场回报途径。RTOS产业是1个循序渐进的产业,任何急功近利的做法都将导致功亏一篑。用户熟悉1种RTOS需要1个相当的过程和厂家的支持,同时用户也不愿意轻易放弃1种RTOS。我们相信中国人自己开发设计的RTOS一定会得到国人的认可,有着无限光明的前途。
沙发
quray1985|  楼主 | 2015-9-15 11:21 | 只看该作者
嵌入式系统是信息产业走向二十一世纪知识经济时代的最重要的经济增长点之一,这是一个不可垄断的工业,对中国的信息产业来说充满了机遇和挑战。

嵌入式工业的基础是以应用为中心的芯片设计和面向应用的软件开发。实时多任务操作系统(RTOS)进入嵌入式系统工业的意义,不亚于历史上机械工业采用三视图后的发展,对嵌入式软件的标准化和加速知识创新是一个里程碑。

未来RTOS的应用可以划分为3个不同的领域:

1. 系统级:指RTOS运行在1个小型的计算机系统中完成实时的控制作用。这个领域将主要是微软与Sun竞争之地,传统上Unix在这里占有绝对优势。Sun通过收购,让他的Solaris与 Chorus OS(原欧洲的1种RTOS)结合,微软力推NT的嵌入式版本"Embedded NT"。此外,嵌入式Linux将依托源程序源代码开放和软件资源丰富的优势,进入系统级RTOS的市场。

2. 板级:传统的RTOS的主要市场。如Vxwork, PSOS, QNX, Lynx和VRTX的应用将主要集中在航空航天、电话电讯等设备上。

3. SOC级(即片上系统):新一代RTOS的领域:主要应用在消费电子、互联网络和手持设备等产品上。代表的产品有Symbian 的Epoc、ATI 的Nucleus, Express logic 的Threadx。老牌的RTOS厂家的产品VRTX和Vxwork 也很注意这个市场。

从某种程度讲,不会出现1个标准的RTOS(像微软的Windows在桌面系统中的地位一样),因为嵌入式应用本身就极具多样性。在某个时间段以及某种行业,会出现1种绝对领导地位的RTOS,比如今天在宽带的数据通信设备中的Vxwork和在亚洲手持设备市场上的 WinCE就是例子。但是,这种垄断地位也并不是牢不可破的,因为在某种程度上用户和合作伙伴更愿意去培养1个新的竞争对手。比如,Intel投资的 Montivista和Motorola投资的Lineo,这两家嵌入式Linux系统,就是说明半导体厂商更愿意看到1个经济适用的、开放的RTOS环境。

随着芯片设计和制作工艺水平的不断提高,各种高性能的处理器如PowerPC、ARM、M68k、MIPS等32位机在嵌入式系统中的应用越来越广泛,也为功能完备、便于开发的较大型的操作系统在嵌入式系统中的应用提供了一个硬件平台。

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板凳
quray1985|  楼主 | 2015-9-15 11:21 | 只看该作者
VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统(RTOS),是嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境,在嵌入式实时操作系统领域占据一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中,如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。在美国的 F-16、FA-18 战斗机、B-2 隐形轰炸机和爱国者导弹上,甚至连1997年4月在火星表面登陆的火星探测器上也使用到了VxWorks。

  实时操作系统和分时操作系统的区别
  从操作系统能否满足实时性要求来区分,可把操作系统分成分时操作系统和实时操作系统。
  分时操作系统按照相等的时间片调度进程轮流运行,分时操作系统由调度程序自动计算进程的优先级,而不是由用户控制进程的优先级。这样的系统无法实时响应外部异步事件。
  实时操作系统能够在限定的时间内执行完所规定的功能,并能在限定的时间内对外部的异步事件作出响应。 分时系统主要应用于科学计算和一般实时性要求不高的场合。实时性系统主要应用于过程控制、数据采集、通信、多媒体信息处理等对时间敏感的场合。
  VxWorks的特点
  可靠性
  操作系统的用户希望在一个工作稳定,可以信赖的环境中工作,所以操作系统的可靠性是用户首先要考虑的问题。而稳定、可靠一直是VxWorks的一个突出优点。自从对中国的销售解禁以来,VxWorks以其良好的可靠性在中国赢得了越来越多的用户。
  实时性
  实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能并对外部的异步事件作出响应的能力。实时性的强弱是以完成规定功能和作出响应时间的长短来衡量的。
  VxWorks 的实时性做得非常好,其系统本身的开销很小,进程调度、进程间通信、中断处理等系统公用程序精练而有效,它们造成的延迟很短。VxWorks 提供的多任务机制中对任务的控制采用了优先级抢占(Preemptive Priority Scheduling)和轮转调度(Round-Robin Scheduling)机制,也充分保证了可靠的实时性,使同样的硬件配置能满足更强的实时性要求,为应用的开发留下更大的余地。
  可裁减性
  用户在使用操作系统时,并不是操作系统中的每一个部件都要用到。例如图形显示、文件系统以及一些设备驱动在某些嵌入系统中往往并不使用。
  VxWorks 由一个体积很小的内核及一些可以根据需要进行定制的系统模块组成。VxWorks 内核最小为 8kB,即便加上其它必要模块,所占用的空间也很小,且不失其实时、多任务的系统特征。由于它的高度灵活性,用户可以很容易地对这一操作系统进行定制或作适当开发,来满足自己的实际应用需要。

实时系统主要包括:多任务调度(采用优先级抢占方式),任务间的同步和进程间通信机制。
  一个多任务环境允许实时应用程序以一套独立任务的方式构筑,每个任务拥有独立的执行线程和它自己的一套系统资源。进程间通信机制使得这些任务的行为同步、协调。 wind使用中断驱动和优先级的方式。它缩短了上下文转换的时间开销和中断的时延。在 VxWorks 中,任何例程都可以被启动为一个单独的任务,拥有它自己的上下文和堆栈。还有一些其它的任务机制可以使任务挂起、继续、删除、延时或改变优先级。
  另一个重要内容是:硬件中断处理。硬件产生中断,统治系统调用相应的中断历程(ISR),位是系统得到尽快的响应,ISR在它自己独立的上下文和堆栈中运行.它的优先级高于任何任务优先级.
  Task State Transitions
  中断延迟(Interrupt Latency) 中断延迟是指从硬件中断发生到开始执行中断处理程序第一条指令之间的这段时间。
  优先级驱动(Priority-Driven) 优先级驱动是指多任务系统中,当前运行任务总是具有最高优先级的就绪任务。
  多任务调度
  两种方式: 优先抢占和轮转调度(Preemptive Priority,Round-Robin Scheduling).
  优先抢占(Preemptive Priority): 每一个任务都有一个优先级,系统核心保证优先级最高的任务运行于CPU.如果有任务优先级高于当前的任务优先级,系统立刻保存当前任务的上下文,切换到优先级高的上下文.
  Priority Preemption
  抢占(Preemptive): 抢占是指当系统处于核心态运行时, 允许任务的重新调度。换句话说就是指正在执行的任务可以被打断,让另一个任务运行。抢占提高了应用对异步事件的响应性能力。操作系统内核可抢占,并不是说任务调度在任何时候都可以发生。例如当一个任务正在通过一个系统调用访问共享数据时,重新调度和中断都被禁止.
  任务上下文(Task Context): 任务上下文是指任务运行的环境。例如,针对x86的CPU,任务上下文可包括程序计数器、堆栈指针、通用寄存器的内容.
  上下文切换(Context Switching): 多任务系统中,上下文切换是指CPU的控制权由运行任务转移到另外一个就绪任务时所发生的事件,当前运行任务转为就绪(或者挂起、删除)状态,另一个被选定的就绪任务成为当前任务。上下文切换包括保存当前任务的运行环境,恢复将要运行任务的运行环境。上下文的内容依赖于具体的CPU.
  轮转调度(Round-Robin Scheduling):使所有相同优先级,状态为ready的任务公平分享CPU(分配一定的时间间隔,使个任务轮流享有CPU).

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地板
huangcunxiake| | 2015-9-15 12:18 | 只看该作者
OS必须有个统一的,最好的,希望ARM公司弄个,简单好用的。

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huangcunxiake| | 2015-9-15 12:18 | 只看该作者
听说ARM确实是在做OS,希望早点搞出个好用的。

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6
643757107| | 2015-9-15 13:38 | 只看该作者
中国将是世界上最大的RTOS市场之一。因为中国有着世界上最大的电信市场。

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7
Micachl| | 2015-9-15 15:40 | 只看该作者
huangcunxiake 发表于 2015-9-15 12:18
听说ARM确实是在做OS,希望早点搞出个好用的。

做的是什么系统,开源吗

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8
Micachl| | 2015-9-15 15:40 | 只看该作者
643757107 发表于 2015-9-15 13:38
中国将是世界上最大的RTOS市场之一。因为中国有着世界上最大的电信市场。

华为刚推出操作系统没几分钟,就叫人给告了

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9
643757107| | 2015-9-15 17:40 | 只看该作者
Micachl 发表于 2015-9-15 15:40
华为刚推出操作系统没几分钟,就叫人给告了

LITEOS,跟人家同名,真矬,起名字都不会起

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10
lovecat2015| | 2015-9-16 18:06 | 只看该作者
未来很美好,貌似目前有点凉啊

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11
huangcunxiake| | 2015-9-17 21:48 | 只看该作者
哈哈,国产没有搞过原创靠谱的系统

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598330983| | 2015-9-18 21:37 | 只看该作者
这个一半用在比较高级的场合,都是有屏幕操作的。

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13
huangcunxiake| | 2015-9-18 22:11 | 只看该作者
如果性能越来越强,肯定会越来越转向系统。

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Roderman_z| | 2015-9-18 22:15 | 只看该作者
从波音飞机到移动电话,都有嵌入式微处理器的存在。
物联网也需要嵌入式系统吧

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大苏牙| | 2015-9-20 22:06 | 只看该作者
ST公司的宣讲会讲的freeRTOS不知道用的好不好

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734774645| | 2015-9-28 13:26 | 只看该作者
未来将会出现一统江湖的系统

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