各有絕招 三種嵌入式操作系統的分析與比較

　　前言:嵌入式系統應具有的特點是：高可靠性；在惡劣的環境或突然斷電的情況下，系統仍然能夠正常工作；許多嵌入式應用要求實時性，這就要求嵌入式操作系統具有實時處理能力；嵌入式系統和具體應用有機地結合在一起，它的升級換代也是具體產品同步進行；嵌入式系統中的軟體代碼要求高質量、高可靠性，一般都固化在只讀存儲器中或快閃記憶體中，也就是說軟體要求固態化存儲，而不是存儲在磁碟等載體中。

　　1、嵌入式系統與嵌入式操作系統

　　1.1 嵌入式系統

　　嵌入式系統是以嵌入式計算機為技術核心，面向用戶、面向產品、面嚮應用，軟硬體可裁減的，適用於對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性能有嚴格要求的專用計算機系統。

　　嵌入式系統應具有的特點是：高可靠性；在惡劣的環境或突然斷電的情況下，系統仍然能夠正常工作；許多嵌入式應用要求實時性，這就要求嵌入式操作系統具有實時處理能力；嵌入式系統和具體應用有機地結合在一起，它的升級換代也是具體產品同步進行；嵌入式系統中的軟體代碼要求高質量、高可靠性，一般都固化在只讀存儲器中或快閃記憶體中，也就是說軟體要求固態化存儲，而不是存儲在磁碟等載體中。

　　1.2 嵌入式操作系統

　　嵌入式操作系統EOS（Embedded Operating System）是一種用途廣泛的系統軟體，過去它主要應用於工業控制和國防系統領域。EOS負責嵌入系統的全部軟、硬體資源的分配、調度作，控制、協調併發活動；它必須體現其所在系統的特徵，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統所要求的功能。目前，已推出一些應用比較成功的EOS產品系列。隨著 Internet技術的發展、信息家電的普及應用及EOS的微型化和專業化，EOS開始從單一的弱功能向高專業化的強功能方向發展。嵌入式操作系統在系統實時高效性、硬體的相關依賴性、軟體固化以及應用的專用性等方面具有較為突出的特點。EOS是相對於一般操作系統而方的，它除具備了一般操作系統最基本的功能，如任務調度、同步機制、中斷處理、文件處理等外，還有以下特點：

　　①可裝卸性。開放性、可伸縮性的體系結構。

　　②強實時性。EOS實時性一般較強，可用於各種設備控制當中。

　　③統一的介面。提供各種設備驅動介面。

　　④操作方便、簡單、提供友好的圖形GUI，圖形界面，追求易學易用。

　　⑤提供強大的網路功能，支持TCP/IP協議及其它協議，提供TCP/UDP/IP/PPP協議支持及統一的MAC訪問層介面，為各種移動計算設備預留介面。

　　⑥強穩定性，弱交互性。嵌入式系統一旦開始運行就不需要用戶過多的干預，這就要負責系統管理的EOS具有較強的穩定性。嵌入式操作系統的用戶介面一般不提供操作命令，它通過系統的調用命令向用戶程序提供服務。

　　⑦固化代碼。在嵌入式系統中，嵌入式操作系統和應用軟體被固化在嵌入式系統計算機的ROM中。輔助存儲器在嵌入式系統中很少使用，因此，嵌入式操作系統的文件管理功能應該能夠很容易地拆卸，而用各種內存文件系統。

　　⑧更好的硬體適應性，也就是良好的移植性。

　　國際上用於信息電器的嵌入式操作系統有40種左右。現在，市場上非常流行的EOS產品，包括3Com公司下屬子公司的Palm OS，全球佔有份額達50%，Microsoft公司的Windows CE不過29%。在美國市場，Palm OS更以80%的佔有率遠超Windows CE。開源的Linux很適於做信息家電的開發。比如：中科紅旗軟體技術有限公司開發的紅旗嵌入式Linux和美商網虎公司開發的基於Xlinux 的嵌入式操作系統“夸克”。“夸克”是目前全世界最小的Linux，它有兩具很突出的特點，就是體積小和使用GCS編碼。

　　2、三種常用的嵌入式操作系統

　　2.1 Palm OS

　　Palm是3Com公司的產品，其操作系統為Palm OS。Palm OS是一種32位的嵌入式操作系統。Palm提供了串列通信介面和紅外線傳輸介面，利用它可以方便地與其它外部設備通信、傳輸數據；擁有開放的OS應用程序介面，開發商可根據需要自行開發所需的應用程序。Palm OS是一套具有術強開放性的系統，現在有大約數千種專用為Palm OS編寫的應用程序，從程序內容上看，小到個人管理、遊戲，大到行業解決方案，Palm OS無所不包。在豐富的軟體支持下，基於Palm OS的掌上電腦功能得以不斷擴展。

　　Palm OS是一套專門為掌上電腦開發的OS。在編寫程序時，Palm OS充分考慮了掌上電腦內存相對較小的情況，因此它只佔有非常小的內存。由於基於Palm OS編寫的應用程序佔用的空間也非常小（通常只有幾十KB），所以，基於Palm OS的掌上電腦（雖然只有幾MB的RAM）可以運行眾多應用程序。

　　由於Palm產品的最大特點是使用簡便、機體輕巧，因此決定了Palm OS應具有以下特點。

　　①操作系統的節能功能。由上掌上電腦要求使用電源儘可能小，因此在Palm OS的應用程序中，如果沒有事件運行，則系統設備進入半休眠（doze）的狀態；如果應用程序停止活動一段時間，則系統自動進入休眠（sleep）狀態。

　　②合理的內存管理。Palm的存儲器全部是可讀寫的快速RAM，動態RAM（Dynamic RAM）類似於PC機上的RAM，它為全局變數和其它不需永久保存的數據提供臨時的存儲空間；存儲RAM（Storage RAM）類似於PC機上的硬碟，可以永久保存應用程序和數據。

　　③Palm OS的數據是以資料庫（database）的格式來存儲的。資料庫是由一組記錄（records）和一些資料庫頭信息組成的。為保證程序處理速度和存儲器空間，在處理數據的時候，Palm OS不是把數據從存儲堆（Storage Heap）拷貝到動態堆（Dynamic Heap）后再進行處理，而是在存儲堆中直接處理。為避免錯誤地調用存儲器地址，Palm OS規定，這一切都必須調用其內存管理器里的API來實現。

　　Palm OS與同步軟體（HotSync）結合可以使掌上電腦與PC機上的信息實現同步，把台式同的功能擴展到了掌上電腦。Palm應用範圍相當廣泛，如：聯絡及工作表管理、電子郵件及互聯網通信、銷售人員及組別自動化等等。Palm外圍硬體也十分豐富，有數碼相機、GPS接收器、數據機、GSM無線電話、數碼音頻播放設備、便攜鍵盤、語音記錄器、條碼掃描、無線尋呼接收器、探測儀。其中Palm與GPS結合的應用，不但可以作導航定位，還可以結合GPS作氣候的監測、地名調查等。

　　2.2 Windows CE

　　Windows CE是微軟開發的一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統，是基於掌上型電腦類的電子設備操作。它是精簡的Windows 95。Windows CE的圖形用戶界面相當出色。其中CE中的C代表袖珍（Compact）、消費（Consumer）、通信能力（Connectivity）和伴侶（Companion）；E代表電子產品（Electronics）。與Windows 95/98、Windows NT不同的是，Windows CE是所有源代碼全部由微軟自行開發的嵌入式新型操作系統，其操作界面雖來源於Windows 95/98，但Windows CE是基於Win32 API重新開發的、新型的信息設備平台。Windows CE具有模塊化、結構化和基於Win32應用程序介面以及與處理器無關等特點。Windows CE不僅繼承了傳統的Windows圖形界面，並且在Windows CE平台上可以使用Windows 95/98上的編程工具（如Visual Basic、Visual C++等）、使用同樣的函數、使用同樣的界面網格，使絕大多數的應用軟體只需簡單的修改和移植就可以在Windows CE平台上繼續使用。

　　Windows CE的設計目標是：模塊化及可伸縮性、實時性能好，通信能力強大，支持多種CPU。它的設計可以滿足多種設備的需要，這些設備包括了工業控制器、通信集線器以及銷售終端之類的企業設備，還有像照相機、電話和家用娛樂器材之類的消費產品。一個典型的基於Windows CE的嵌入系統通常為某個特定用途而設計，並在不聯機的情況下工作。它要求所使用的操作系統體積較小，內建有對中斷的響應功能。

　　Windows CE的特點有：

　　①具有靈活的電源管理功能，包括瞬眠/喚醒模式。

　　②使用了對象存儲（object store）技術，包括文件系統、註冊表及資料庫。它還具有很多高性能、高效率的操作系統特 性，包括按需換頁、共享存儲、交叉處理同步、支持大容量堆（heap）等。

　　③擁有良好的通信能力。廣泛支持各種通信硬體，亦支持直接的局域連接以及撥號連接，並提供與PC、內部網以及Internet的連接，還提供與Windows 9x/NT的最佳集成和通信。

　　④支持嵌套中斷。允許更高優先順序別的中斷首先得到響應，而不是等待低級別的ISR完成。這使得該操作系統具有嵌入式操作系統所要求的實時性。

　　⑤更好的線程響應能力。對高級別IST（中斷服務線程）的響應時間上限的要求更加嚴格，在線程響應能力方面的改進，幫助開發人員掌握線程轉換的具體時間，並通過增強的監控能力和對硬體的控制能力幫助他們創建新的嵌入式應用程序。

　　⑥256個優先順序別。可以使開發人員在控制嵌入式系統的時序安排方面有更大的靈活性。

　　⑦Windows CE的API是Win32 API的一個子集，支持近1500個Win32 API。有了這些API，足可以編寫任何複雜的應用程序。當然，在Windows CE系統中，所提供的API也可以隨具體應用的需求而定。

　　在掌上型電腦中，Windows CE包含如下一些重要組件：Pocket Outlook及其組件、語音錄音機、移動頻道、遠程撥號訪問、世界時鐘、計算器、多種輸入法、GBK字符集、中文TTF字型檔、英漢雙向詞典、袖珍瀏覽器、電子郵件、Pocket Office、系統設置、Windows CE Services軟體。

　　2.3 Linux

　　Linux是一個類似於Unix的操作系統。它起源於芬蘭一個名為Linus Torvalds的業餘愛好，但是現在已經是最為流行的一款開放源代碼的操作系統。Linux從1991年問世到現在，短短10年的時間內已發展成為一個功能強大、設計完善的操作系統，伴隨網路技術進步而發展起來的Linux OS已成為Microsoft公司的DOS和Windows 95/98的強勁對手。Linux系統不僅能夠運行於PC平台，還在嵌入式系統方面大放光芒，在各種嵌入式Linux OS迅速發展的狀況下，Linux OS逐漸形成了可與Windows CE等EOS進行抗衡的局面。目前正在開發的嵌入式系統中，49%的項目選擇Linux作為嵌入式操作系統。Linux現已成為嵌入式操作的理想選擇。

　　中科紅旗軟體技術有限公司開發的紅旗嵌入式Linux正在成為許多嵌入式設備廠商的首選。在不到一年的時間內，紅旗公司先後推出了PDA、機頂盒、瘦客戶機、交換機用的嵌入式Linux系統，並且投入了實際應用。現以紅旗嵌入式Linux為例來講解嵌入式Linux OS的特點：

　　①精簡的內核，性能高、穩定，多任務。

　　②適用於不同的CPU，支持多種體系結構，如X86、ARM、MIPS、ALPHA、SPARC等。

　　③能夠提供完善的嵌入式GUI以及嵌入式X-Windows。

　　④提供嵌入式瀏覽器、郵件程序、MP3播放器、MPEG播放器、記事本等應用程序。

　　⑤提供完整的開發工具和SDK，同時提供PC上的開發版本。

　　⑥用戶可定製，可提供圖形化的定製和配置工具。

　　⑦常用嵌入式晶元的驅動集，支持大量的周邊硬體設備，驅動豐富。

　　⑧針對嵌入式的存儲方案，提供實時版本和完善的嵌入式解決方案。

　　⑨完善的中文支持，強大的技術支持，完整的文檔。

　　⑩開放源碼，豐富的軟體資源，廣泛的軟體開發者的支持，價格低廉，結構靈活，適用面廣。

　　3、三種嵌入式操作系統的比較

　　3.1 Linux OS與Windows Ce的比較

　　嵌入式Linux OS與Windows CE相比的優點：第一，Linux是開放源代碼的，不在存黑箱技術，遍布全球的眾多Linux愛好者都是Linux開發者的強大技術支持者；而 Windows CE是非開放性OS，使第三方很難實現產品定製。第二，Linux的源代碼隨處可得，註釋豐富，文檔齊全，易於解決各種問題。第三，Linux的內核小、效率高；而Windows CE在這方面是笨拙的，佔用過多的RAM，應用程序龐大。第四，Linux是開放源代碼的OS，在價格上極具競爭力，適合中國國情。Windows CE的版權費用是廠家不得不考慮的因素。第五，Linux不僅支持x86晶元，還是一個跨平台的系統。到目前為止，它可以支持20～30種CPU，很多 CPU（包括家電業的晶元）廠商都開始做Linux的平台移植工作，而且移植的速度遠遠超過Java的開發環境。如果今天採用Linux環境開發產品，那麼將來更換CPU時就不會遇到更換平台的困擾。第六，Linux內核的結構在網路方面是非常完整的，它提供了對包括十兆位、百兆位及千兆位的乙太網絡，還有無線網路、Token ring（令牌環）和光纖甚至衛星的支持。第七，Linux在內核結構的設計中考慮適應系統的可裁減性的要求，Windows CE在內核結構的設計中並未考慮適應系統的高度可裁減性的要求。

　　嵌入式Linux OS與Windows CE相比的弱點：第一，是開發難度較高，需要很高的技術實力；第二，是核心調試工具不全，調試不太方便，尚沒有很好的用戶圖形界面；第三，與某些商業OS 一樣，嵌入式Linux佔用較大的內存，當然，人們可以去掉部分無用的功能來減小使用的內存，但是如果不仔細，將引起新的問題；第四，有些Linux的應用程序需要虛擬內存，而嵌入式系統中並沒有或不需要虛擬內存，所以並非所有的Linux應用程序都可以在嵌入式系統中運行。

　　3.2 Palm OS與Windows CE的比較

　　3Com公司的Palm OS是掌上電腦市場中較為優秀的嵌入式操作系統，是針對這一市場專門設計的系統。它有開放的操作系統應用程序介面（API），支持開發商根據需要自行開發所需的應用程序，具有十分豐富的應用程序。在掌上電腦市場上獨佔其霸主地位已久。

　　從技術層面上講，Palm OS是一套專門為掌上電腦開發的操作系統，具有許多Windows CE無法比擬的優勢；Windows CE過於臃腫，不適合應用在廉價的掌上電腦中。

　　Palm OS是一套具有極強開放性的系統。開發者向用戶免費提供Palm OS的開發工具，允許用戶利用該工具在Palm OS基礎上方便地編寫、修改相關軟體。與之相比，Windows CE的開發工具就顯得複雜多了，這使得一般用戶很難掌握。這也Palm OS與Windows CE的另一個主要區別。

　　我們從常用EOS的大小、可開發定製、互操作性、通用性、實時性及應用領域幾個方面，通過表1來歸納如下：

　　結語

　　Palm OS、Windows CE、Linux這三種嵌入式操作系統各有不同的特點，不同的用途；但Linux比Palm OS和Windows CE更小、更穩定，而且Linux是開放的OS，在價格上極具競爭力。如今整個市場尚未成型，嵌入式操作系統也未形成統一的國際標準，而且Linux的一系列特徵又為我們開發國產的嵌入式操作系統提供了方便，因此，我們有機會在這個未成熟的市場上佔有一席之地。

（責任編輯：A6）