嵌入式實時系統(tǒng)在通信系統(tǒng)中的應用

近年來，以PC機為代表的通用計算機系統(tǒng)在硬件和軟件方面都取得了飛速的發(fā)燕尾服，處理器的運算速度已經(jīng)達到了每秒10億次的數(shù)量級。作為計算機系統(tǒng)核心的操作系統(tǒng)也從字符界面的單任務、單用戶的DOS，發(fā)展到擁有圖形界面的多用戶、多任務的Windows 98、Windows NT。計算機的應用已經(jīng)擴展到通信、交通、家電及醫(yī)療諸多領域。

然而，在經(jīng)過了很長一段時間的快速發(fā)展，尤其是作為過去十年IT發(fā)展的推動力以后，以PC為代表的通用計算機系統(tǒng)出現(xiàn)了發(fā)展減緩的趨勢；與此同時，新興IT產(chǎn)生的發(fā)展要求越來越多的設備具有小型化、智能化的特點。為適應這一發(fā)展趨勢，在計算機系統(tǒng)的應用過程中發(fā)展了一類特殊的系統(tǒng)——嵌入式計算機系統(tǒng)，即嵌入式系統(tǒng)。

由于具備簡潔、高效等特點，在最近幾年，嵌入式系統(tǒng)表現(xiàn)出了強勁的發(fā)展勢頭；隨著二十一世紀的到來，IT業(yè)迎來了一個嶄新的、以嵌入式系統(tǒng)為核心的“后PC時代（Post-PC Era）”。作為嶄新的、面向應用的計算機系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)在集成了通用計算機系統(tǒng)的共性以外，還包含了很多適合“嵌入式”應用的新技術；因此，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展越來越多地受到人們的普遍重視，其強大而靈活的可應用性得到了計算機、通信和信息等產(chǎn)業(yè)的廣泛認可，其就任已經(jīng)擴展到前所未有的廣泛領域。嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)與發(fā)展將真正實現(xiàn)計算機的“無處不在”。

因為在技術上與通用計算機系統(tǒng)有很多不同，因此，本文首先介紹了嵌入式系統(tǒng)的基本概念及其關鍵技術，并結合在通信系統(tǒng)中的應用說明其技術特點及可應用性。

1 嵌入式實時系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)內(nèi)容包含一個或多個控制用的CPU以及針對特定應用環(huán)境而開發(fā)的高層軟件，通常含有操作系統(tǒng)。在使用過程中，系統(tǒng)內(nèi)部CPU和軟件的行為并不為外界所感知，因此叫做“嵌入式”系統(tǒng)；通常把對外部事件響應時間很短的嵌入式系統(tǒng)叫做“嵌入式實時系統(tǒng)”；應用于嵌入式實時系統(tǒng)的操作系統(tǒng)叫做“嵌入式實時操作系統(tǒng)”；相應的應用程序叫做“嵌入式時應用程序”。

1.1 嵌入式實時系統(tǒng)的構成

嵌入式實時系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個方面，由硬件平臺、嵌入式實時操作系統(tǒng)及其他系統(tǒng)軟件模塊、實時應用程序三個部分組成。如圖1所示。


1.1.1 硬件平臺

嵌入式實時系統(tǒng)的硬件平臺通常以為能緊湊、專用性強的CPU為核心同時結合少量的外轉圍設備，具有應用相關性，即多樣性的特點。

1.1.2 嵌入式實時操作系統(tǒng)及其他系統(tǒng)軟件模塊

操作系統(tǒng)和其他系統(tǒng)軟件介于硬件和應用程序之間，負責調度并管理實時應用程序，并完成對硬件的控制和操作。

1.1.3 實時應用程序

實時應用程序是基于嵌入式實時操作系統(tǒng)、利用操作系統(tǒng)提供的實時機制完成特定的嵌入式實時系統(tǒng)具體功能的應用程序。

在以上三個部分中，嵌入式實時操作系統(tǒng)是嵌入式實時系統(tǒng)的核心，是應用程序開發(fā)和運行的平臺，是嵌入式實時系統(tǒng)區(qū)別于其他通用計算機系統(tǒng)的集中體現(xiàn)，也是推動嵌入式實時系統(tǒng)廣泛應用的關鍵因素。

1.2 嵌入式實時操作系統(tǒng)的特點

除了具有操作系統(tǒng)的共性以外，為適應“嵌入式實時”應用，嵌入式實時操作系統(tǒng)還具有實時性、微內(nèi)核結合擴展模塊實現(xiàn)通用性與可配置性、操作系統(tǒng)不對外設作假設等突出特點。

1.2.1 實時性

實時表示“及時”，是一個相對概念；實時性表明操作系統(tǒng)在可預見的時間內(nèi)響應和處理外部事件的能力，是嵌入式實時操作系統(tǒng)性能的關鍵指標之一。為保證良好的實時性，嵌入式實時操作系統(tǒng)一般采用多任務機制，以并發(fā)方式執(zhí)行應用程序。

1.2.2 微內(nèi)核結合擴展模塊實現(xiàn)通用性與可配置性

為了在結構和功能上適應不同的“嵌入式”應用，嵌入式實時操作系統(tǒng)通常采用微內(nèi)核與可配置的功能模塊相結合的體系結構，使操作同時具備了通用性和可配置性。嵌入式實時操作系統(tǒng)的結構如圖2所示。


1.2.3 操作系統(tǒng)不對外設作假設

操作系統(tǒng)的實現(xiàn)只與CPU有關，而不假設CPU以外的其他物理硬件。與硬件相關的功能依靠另外一個叫做板級支持包（Board Support Package）的軟件層次來完成，從而實現(xiàn)了操作系統(tǒng)的“硬件無關性”，提高了系統(tǒng)的通用性和可移值性。

其中2和3作為嵌入式實時操作系統(tǒng)的關鍵技術，有力地推動了嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用。

1.3 嵌入式實時系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)的對比

嵌入式實時系統(tǒng)與通用計算機對比見表1。通過對比可以看出：嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心、以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，適應于應用系統(tǒng)，對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。

表1 嵌入式實時系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)的對比

2 嵌入式實時系統(tǒng)的實現(xiàn)

設計實現(xiàn)一個嵌入式實時系統(tǒng)不僅需要完成應用程序的設計，還包括硬件環(huán)境的實現(xiàn)及操作系統(tǒng)的選擇等許多關鍵問題。

2.1 選擇適合的嵌入式實時操作系統(tǒng)

嵌入式實時操作系統(tǒng)是實現(xiàn)嵌入式實時系統(tǒng)的核心。操作系統(tǒng)的性能在很大程度上直接影響著整個系統(tǒng)的實時性能。因此，選擇合適的嵌入式實時操作系統(tǒng)對于實現(xiàn)一個高性能的嵌入式時系統(tǒng)是至關重要的。

2.2 仔細劃分應用程序內(nèi)部的若干任務

作為另一個重要的軟件層次，應用程序內(nèi)部任務的劃分也影響嵌入式時系統(tǒng)的整體性能。為兼顧嵌入式實時系統(tǒng)的并發(fā)性整體吞吐量，任務的劃分應當遵循以下原理：

·功能獨立的操作應當一個單一的任務；

·功能聯(lián)系密切（耦合關系密切）的操作應當劃歸同一個任務；

·具有慢速I/O操作的功能應當劃分為單獨任務；

·不同優(yōu)級的操作劃分為不同的任務；

·擁有大量運算的操作應當劃分為一個單獨的任務。

2.3 嵌入式實時系統(tǒng)的調試

與通用計算機系統(tǒng)的設計不同，嵌入式實時系統(tǒng)的設計總會涉及硬件因素，因此，硬件平臺的調試是一個必要環(huán)節(jié)。在軟件方面，由于嵌入式實時系統(tǒng)通常是一個多任務系統(tǒng)，具有很強的動態(tài)性，因此，系統(tǒng)的功能行為需要通過調試加以確定。

3 嵌入式實時系統(tǒng)在通信系統(tǒng)的應用

作為一類特殊的計算機系統(tǒng)，嵌入式實時系統(tǒng)的應用范圍已經(jīng)擴展到許多領域，尤其在通信領域更是得到了前所未有的發(fā)展。隨著網(wǎng)絡新業(yè)務的開通和新設備的增加，電信網(wǎng)絡管理成為個日益突出的問題而備受關注。

電信管理網(wǎng)絡（TMN）的發(fā)展，對網(wǎng)絡和設備提出了新的要求。早先的設備和網(wǎng)絡功能簡單且缺乏必要的、統(tǒng)一的管理接口，使得不同廠家的不同設備很難實現(xiàn)互通與互管。為解決這一問題，ITU-T進行了網(wǎng)絡管理標準化的工作，先后制定了一系列協(xié)議規(guī)范，定義了網(wǎng)絡管理的體系結構和統(tǒng)一接口。現(xiàn)在，不同的設備廠商在開發(fā)通信設備的時候，通常參數(shù)并實現(xiàn)ITU-T關于網(wǎng)絡管理的協(xié)議和接口。由于ITU-T的網(wǎng)絡管理模型涉及的層次較多，接口比較復雜，因此，網(wǎng)絡管理的功能比以前要復雜得多。而作為網(wǎng)絡管理的一個重要方面，設備的管理直接影響著網(wǎng)絡管理的整體性能；因而，功能簡單的網(wǎng)絡和設備不同滿足現(xiàn)代通信網(wǎng)絡發(fā)展的需要。

通信網(wǎng)絡的擴大、新業(yè)務和新設備的大量增加要求網(wǎng)絡管理不但具備豐富管理功能，還要具備良好的管理性能效率；也就是說，網(wǎng)絡管理必須滿足一定的實時性。簡言之，現(xiàn)代網(wǎng)絡管理具有以下兩個突出特點：

·完善的管理功能；

·良好的管理性能。

為了實現(xiàn)完善而高效的網(wǎng)絡管理，通信設備必須增強自身性能，從而為高層網(wǎng)管提供高性能的軟硬件平臺。因此，通信系統(tǒng)的設計出現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢，如圖3所示。


出現(xiàn)這種趨勢的原因主要在于：

（1）先前以單片機為平臺，應用程序直接運行于CPU之上的方式具有明顯的不足：

·硬件功能有限，不能進行高效而復雜的設備管理；

·硬件平臺簡單，不能有效地支持功能繁多而且復雜的網(wǎng)絡管理；

·軟件缺乏操作系統(tǒng)的支持，網(wǎng)絡應用程序設計復雜，難以實現(xiàn)功能完善的性能網(wǎng)絡管理。

可見，基于單片機平臺的設備在硬件和軟件兩個方面都很難滿足現(xiàn)代網(wǎng)絡管理的要求。

（2）通用計算機由于體積、成本以及效率等因素的限制，也不適合這種應用環(huán)境。

（3）采用嵌入式實時系統(tǒng)是理想的解決方法：

·嵌入式實時系統(tǒng)在硬件上使用功能緊湊而高效的CPU，適合“嵌入”設備內(nèi)部作為控制的硬件核心，可以支持復雜的設備管理；

·在軟件上，嵌入式實時系統(tǒng)以高性能的嵌入式實時操作系統(tǒng)為核心，除了為系統(tǒng)提供良好的實時性保障以外，還簡化了高層應用程序的設計。

以嵌入式實時系統(tǒng)為核心使設備內(nèi)部具有一個類似于通用計算機系統(tǒng)的強大而高效的軟硬件平臺；既滿足了網(wǎng)絡管理功能上的要求，又保證了網(wǎng)絡管理的高效性；既支持設備本身的管理，又支持高效統(tǒng)一的網(wǎng)絡管理。因此，以嵌入式實時系統(tǒng)作為設備的功能核心和網(wǎng)絡管理平臺是現(xiàn)在通信系統(tǒng)廣泛采用的實現(xiàn)方案。

由于在功能、性能以及價格等方面具有不可替代的優(yōu)勢，嵌入式系統(tǒng)還在移動通信、個人通信、數(shù)據(jù)通信、衛(wèi)星通信及信息家電等領域得到了深入而廣泛的應用。

嵌入式實時系統(tǒng)作為計算機應用的一個嶄新領域，以其簡潔高效等特點越來越多地受到人們的廣泛關注。由于嵌入式實時系統(tǒng)有別于一般的計算機系統(tǒng)，在設計和實現(xiàn)上存在著區(qū)別于通用計算機系統(tǒng)的若干關鍵問題。隨著應用環(huán)境的日趨復雜，系統(tǒng)要求的功能越來越多，嵌入式實時操作系統(tǒng)成為實現(xiàn)嵌入式實時系統(tǒng)必需環(huán)節(jié)。

經(jīng)過近幾年的發(fā)燕尾服，嵌入式實時系統(tǒng)的應用范圍已經(jīng)擴展到先前的只能使用通計算機系統(tǒng)的領域，并且其應用數(shù)量已經(jīng)超過了通用計算機系統(tǒng)，尤其是在電信及IT領域中更是得到前所未有的廣泛應用。

迅速崛起的嵌入式實時系統(tǒng)實時系統(tǒng)標志著“后PC時代（POST-PC Era）”的到來。嵌入式系統(tǒng)正成為PC機以后最具有發(fā)展?jié)摿蛻们熬暗南到y(tǒng)，它的快速發(fā)展正在成為IT（包括通信、信息）等產(chǎn)業(yè)保持快速發(fā)展的、新的強大推動力。