ASOS: 嵌入式操作系统的发展趋势

ASOS: 嵌入式操作系统的发展趋势 王飞跃 吴朝晖

王飞跃
---- 研究员，博士生导师。1990年毕业于美国伦瑟利尔理工学院电机、计算
机与系统工程系，获博士学位。后担任美国亚利桑那大学系统与工业工程系
终身教授。1999年9月入选国家 “引入国外杰出人才”计划回国，创建中科
院自动化研究所智能控制与系统工程中心并任主任。现已发表并主编研究专
著近20卷、论文60余篇。主要研究方向为：大型综合项目的研究开发以及系
统的产品化方面包括智能交通系统、智能车辆安全与自动化系统开发、网上
实验室及其应用、高容量高性能磁带机的机电一体化设计与开发等；基础理
论研究方面包括语言动力学的计算理论、复杂系统的控制机制、智能交通系
统的先进控制与优化方法、系统的动力学与控制等；基础技术研究方面包括
微电子芯片设计及ASIC、SOC、SOPL设计以及内嵌实时操作系统。  吴朝晖
---- 教授，博士生导师。现在浙江大学计算机系统工程研究所常务副所长、
计算机科学与工程系副主任。曾任德国国家人工智能中心DFKI和法国科学院
CNRS客座研究员。担任中国智能CAD/CAM委员会理事、蝇国计算机学会前沿科
技论坛理事、中国智能软件协会理事。多年来主要从事人工智能、嵌入式系
统、软件、CSCW工程等领域的研究和开发工作，开辟协同质量管理和智能多
媒体表现的研究方向，填补了国内空白，提出并研制基于工作流的应用软件
集成平台，采用该平台开发的项目产生了巨大的经济效益。承担和主持国家
科研项目20余项，发表论文70余篇。


EOS走向应用特制
----1．何为嵌入式系统和嵌入式操作系统
----Internet与网络的迅速普及应用，并向家庭领域不断扩展，使消费电子
、计算机、通信（3C）一体化趋势日趋明显，嵌入式系统再度成为研究与应
用的热点。
----嵌入式系统被描述为：以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统
对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。
嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软
件系统等组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。嵌入式处理
器主要由一个单片机或微控制器（MCU）组成。相关支撑硬件包括显示卡、存
储介质、通信设备、IC卡或信用卡读取设备等。
----嵌入式操作（real-time embedded operating system,RTOS 或EOS）是
一种实时的、支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统（包括
硬、软件系统）极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件
、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面。标准化浏览器Browser等
。目前，嵌入式操作系统的品种较多，据统计，仅用于信息电器的嵌入式操
作系统就有40种左右，其中较为流行的主要有： Windows CE、Palm OS、Re
al-Time Linux、VxWorks、pSOS、PowerTV以及Microware 公司的OS-9。与通
用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性
、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。
----2．面向Internet的、特定应用的嵌入式操作系统是重要发展趋势嵌入式
操作系统伴随着嵌入式系统的发展经历了三个比较明显的阶段：
----(1) 无操作系统的嵌入算法阶段
----这一阶段的嵌入式系统是以可编程控制器的形式、以单芯片为核心的系
统，同时具有与一些监测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分
应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有明显的被称为操作系统
（RTOS）的支持，而是通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后
清除内存。这一阶段系统的主要特点是系统结构和功能都相对单一，针对性
强，但无操作系统支持，几乎没有用户接口。
----(2) 简单监控式的实时操作系统阶段
----这一阶段的嵌入式系统主要以嵌入式处理器为基础、以简单监控式操作
系统为核心。系统的特点是处理器种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，
效率高；系统一般配备系统仿真器，具有一定的兼容性和扩展性；操作系统
的用户界面不够友好，其主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。
----(3) 通用的嵌入式实时操作系统阶段
----以通用型嵌入式实时操作系统（RTOS）为标志的嵌入式系统。如VxWork
s、pSOS、OS-9、Windows CE就是这一阶段的典型代表。这一阶段系统的特点
是能运行在各种不同类型强大的微处理器上；具有强大的通用型操作系统的
功能，如具备了文件和目录管理、多任务、设备支持、网络支持、图形窗口
以及用户界面等功能；具有大量的丰富的应用程序接口（API）和嵌入式应用
软件丰富。
----伴随着通用型嵌入式实时操作系统的发展，一个以面向 Internet网络的
、特定应用的嵌入式操作系统正日益引起人们的重视，成为极为重要的发展
方向。嵌入式系统与Internet的真正结合、嵌入式操作系统与应用设备的无
缝结合代表着嵌入式操作系统发展的真正未来。
----3．需要面向应用、专用特制的新一代嵌入式操作系统
----在工业控制及其他相关领域的长期应用与商业竞争中已逐渐形成了一些
较为成功的嵌入式操作系统，其中主流的嵌入式操作系统有Windows CE、 P
alm OS、Embedded Linux、VxWorks、pSOS及OS-9等。我们通过对这些系统进
行分析认为，它们虽然提供了较为强大的类似于桌面操作系统的功能，但针
对嵌入式系统的特征与特性而言，其共同的缺点是缺乏应用的高效性，网络
连接功能较差，系统对应用程序开发支持相对较弱，因此，迫切需要面向应
用的、专用特制的新一代嵌入式操作系统。
----微软公司的Windows CE是一个较具代表性的、由桌面操作系统演变而成
的实时嵌入式操作系统。它是精简的Windows 95，从技术的角度来说，并不
能算是优秀的RTOS。首先，RTOS非常注重个性化，而Windows CE是非开放性
OS，使第三方很难实现产品的定制；其次，RTOS追求高效、节能，而Window
s CE在这方面是笨拙的，占用过多的RAM，应用程序庞大；第三，Windows C
E在内核结构的设计中并未考虑适应系统的高度可裁减性的要求。
----3Com公司的Palm OS是掌上电脑市场中较为优秀的嵌入式操作系统，是针
对这一市场专门设计的系统，它有开放的操作系统应用程序接口(API)，支持
开发商根据需要自行开发所需的应用程序，具有十分丰富的应用程序。从技
术层面上讲， Palm OS是一套专门为掌上电脑开发的操作系统，具有许多Wi
ndows CE无法比拟的优势，是一个面向个人信息辅助应用的操作系统范例，
它表明了特定应用的嵌入式操作系统是这一领域的研究热点与方向。
----目前各种嵌入式Linux操作系统正迅速发展，已经形成了能与Windows C
E等嵌入式操作系统进行有力竞争的局面。嵌入式Linux操作系统的迅速崛起
，主要由于人们对自由软件的渴望与嵌入式系统应用的特制性，要求提供系
统源码层次上的支持，而嵌入式Linux正适应了这一需求，它不仅具有开放源
代码，系统内核小、效率高、内核网络结构完整，裁减后的系统很适于如信
息家电等嵌入式系统的开发。
----VxWorks、pSOS和OS-9是传统嵌入式操作系统领域中应用最广泛、市场占
有率较具优势的几个系统。它们是专门为嵌入式微处理器设计的高模块化、
高性能的实时操作系统，广泛应用于高科技产品中，包括消费电子设备、工
业自动化、无线通信产品、医疗仪器、数字电视与多媒体设备，具有很好的
安全性、容错性以及系统灵活性。虽然它们都提供专有的API接口，但并不适
用现在的许多应用需要，迫切需要在系统级整合改造并支持应用特制的性能
，即在定制的或商品化的硬件上提供高性能和高可靠性系统服务，将操作系
统的功能和内存需求定制成每个应用所需的系统，在此基础上来实现从简单
的单个独立设备到复杂的、网络化的、多处理器的嵌入式系统。

ASOS概念
----特定应用的嵌入式实时操作系统（application specific operating s
ystems，ASOS）是指面向应用的、专用特制的嵌入式实时操作系统。它除具
有基本的处理多任务、文件及设备驱动的操作系统功能之外，还具有如下系
统特性：
面向特定应用的简化型系统调用接口，专门支持一种或一类嵌入式应用；
最小内核处理集，系统开销小，运行效率高，并可用于各种非计算机设备；

可伸缩性、可裁减的系统体系结构，提供多层次的系统体系结构；
具有各种即插即用的设备驱动接口；
具有网络如Internet或无线接入功能，提供TCP/UDP/IP/PPP协议支持及统一
的 MAC 访问层接口，为各种移动计算设备预留接口。
----ASOS与通用型RTOS相比较，至少有以下差别：
ASOS更强调面向应用的功能专用性，如面向某一（组）应用的高可靠性的部
分功能集，而并不像RTOS的系统通用性与系统资源可配置性；
ASOS更强调面向应用的实时高性能，而并不像RTOS强调的系统整体效率；
ASOS更强调系统结构的可伸缩性和可裁减性，一个极典型的例子是传真机操
作系统（OS for FAX Machine）；
ASOS更强调与Internet的连接，特别是无线接入接口。

ASOS体系结构
----ASOS的系统结构是一个可伸缩、可裁减的，提供多层次的、功能对象化
的系统体系结构。多层次的构造有利于操作系统的系统功能规整和可伸缩性
；面向对象的系统功能划分有利于系统的裁减与增添。
----1．层次化的、可伸缩性的体系结构
----ASOS的一个较为理想的概念模型是4层体系结构，即硬件接口层（hardw
are interface layer）、内核层(kernel layer)、系统层(system layer)、
系统服务接口层(system server layer)，如图1所示。
----各层的主要功能如下：
----硬件接口层 提供与嵌入式硬件系统的接口。
----内核结构层 系统内核精小，控制在非常小的代码（如 10KB）以内，能
运行在多种嵌入式处理器构架上。内核针对应用提供几种最基本的操作，如
系统时钟、电源管理、程序装载与运行、进程/线程调度、内存管理等。应提
供一个实时系统所需要的基本要素，如实现多任务、由优先级驱动的急者优
先式调度方法和快速现场切换机制。
----系统层 系统功能模块化和对象化，提供面向对象的系统资源管理功能，
如FFS Flash内存管理、文件与目录管理、设备管理、网络协议管理等。可根
据实际应用的需要选择应用特制的功能模块或部件。每个系统级模块又都提
供标准的系统服务的API接口，向用户开放，便于在其上扩充新的功能。
----系统服务接口层 提供基于系统功能的、面向应用的系统功能调用与服务
接口。
----系统内核的微小化、系统功能的对象化、系统服务接口的应用化是ASOS
体系结构构造的基本特点。
----2．面向对象的系统功能划分
----面向对象的操作系统的系统功能划分是实现系统可裁减性的基础。在特
定应用的嵌入式操作系统的系统构造，特别是系统层的功能划分与框定上，
需要采用面向对象的方法进行设计。至少有以下两个例子说明在面向Window
s的用户界面的设计与设备驱动资源的规划方面采用面向对象的方法是非常必
要的。
----ASOS提供类似Windows窗口功能的系统外壳和面向图形化窗口功能的用户
界面，包括菜单、按钮、单选框、复选框、编辑框、列表框、组合框、静态
控制框、滚动条、对话框和默认窗口等多种窗口界面对象（控件）。利用系
统本身提供的API和消息，便可编制各种基于图形界面的应用程序，以满足用
户的实际应用需要。这些面向对象在Windows下的应用程序，可以不改代码、
不用重新编译或稍改一些接口API即可使用。
----ASOS所提供的设备驱动程序通常包括目前在市场上流行的各种输入、输
出设备，如通用视频驱动、键盘、鼠标、笔、触摸屏等其他输入设备接口。
面向对象的设备驱动的构造支持可重构造的、可拆卸的系统接口。

ASOS的构造方法
----ASOS的设计方法研究是构造嵌入式操作系统的关键问题，我们认为至少
存在以下两种方法：
----1． 面向应用的裁减生成方法
----面向应用的裁减生成方法（application oriented plus-and- minus m
ethod for ASOS）是针对应用问题，在原嵌入式操作系统的基础上增加或裁
减，定制而成一个ASOS。在4层构架面向对象构件的系统结构中，依据应用的
需求，采用面向对象的原型软件开发方法，对于面向对象部件的裁减与增添
，二次开发特制而成一个针对某一种或一组应用的专用化嵌入式实时操作系
统。
----2．基于模式的生成方法
----基于模式的生成方法（pattern-based generation method for ASOS）
，就是在原嵌入式操作系统的基础上，依据生成模式产生一个ASOS。生成模
式可采用规则表达或框架系统。依据应用的需求，并基于生成模式规则，在
设计专家的交互参与下，在原嵌入式操作系统的基础上，生成针对某一种或
一组应用的专用化嵌入式实时操作系统。基于模式的生成方法可进一步开发
成计算机辅助的ASOS的开发系统，如图2所示。

ASOS的应用前景分析
----ASOS的发展前景将非常广阔。嵌入式系统具有巨大的市场需求前景，仅
就美国市场而言，据估计，21世纪接入Internet的将有1亿辆汽车、几千万台
个人通信装置、每个家庭中5～20个联网的家用电器以及数以百万计的工厂系
统。业界分析家认为， 嵌入式系统在IP电话、游戏装置和手持式通信装置的
推动下将会有突飞猛进的发展。据市场分析人员预测，到2000年，嵌入式PC
的销售额将达到10亿美元;
----到2001年，非PC的“软”嵌入装置将达到4000万台。而在中国，信息电
器涉及的领域很广，市场也很大。1999年，中国信息电器市场规模为10 亿元
人民币；据预测，2000年将达到50亿～100亿元规模，2001年将达到500亿～
700 亿元，而2004年，市场规模有望达到3500亿～5000亿元。
----这类嵌入式操作系统不仅在传统的工业控制和商业管理领域有极其广泛
的应用空间，如智能工控设备、POS/ATM机、IC卡等，而且在信息家电领域的
应用更具有极为广泛的潜力，例如机顶盒、WebTV、网络冰箱、网络空调等众
多的消费类和医疗保健类电子设备，以及在车载盒、智能交通等领域的应用
也呈现出前所未有的生机。
----1．信息家电领域
----机顶盒、WebTV、网络冰箱、网络空调等众多的消费类和家庭医疗保健类
电子设备将在未来几年取得快速发展，信息家电的个性化、区域化以及季节
化的趋势，为特定应用的嵌入式操作系统提供了应用发展空间。据估计，未
来10年是信息家电发展的黄金时期，以机顶盒为例，估计10年间总量可达到
1亿～1.5亿台，总市场需求将达到900亿～1500亿元。信息智能家居是未来发
展的方向，估计几年内将在中国得到快速发展。
----2． 医疗仪器领域
----大量医疗仪器的应用，如嵌入式心脏起搏器、嵌入式放射设备及分析监
护设备，都需要ASOS的支持，像各种化验设备，如肌动电流描记器、离散光
度化学分析、分光光度计等，都需要使用高性能的、专用化的嵌入式系统来
提高其精度和速度。引入ASOS后，现有的各种监护仪的功能与性能都将得到
大幅度的提高。
----3．智能汽车领域
----随着无线通信与全球定位技术的日益成熟和广泛应用，集通信、信息、
导航、娱乐和各类汽车安全电子系统于一体的车载盒会成为下一代和未来汽
车的发展方向。由于足够的市场需求，车载盒必将成为近年来发展的热点，
ASOS在该领域应用市场的规模未来几年里将迅速增加。
----4．智能交通领域
----随着人们对环境要求的不断提高，智能交通系统（ITS）必将是新世纪迅
猛发展的支柱产业。特定应用的嵌入式操作系统将是发展智能综合路口控制
机、路车交互系统、新型停车系统、高速公路的信息监控与收费综合管理系
统的关键技术，其应用将确保智能交通系统的低成本与高性能，大大提高系
统的可靠性和智能化程度。
----ASOS已引起许多相关行业的高度重视，出现了一些专门对此进行研制开
发的公司，如美国ASOS系统有限公司。随着对高性能与低成本的不断追求，
ASOS将成为许多产品尤其是智能型产品的核心技术，其应用前景十分广阔。