鄭剛 任小鳳

摘要：隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展以及各行各業(yè)對(duì)于信息化需求的不斷激增，對(duì)于相關(guān)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方面的研究逐漸成為了大家關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一。鑒于此，該文選擇實(shí)時(shí)批量同步技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行了分析與探討。文章首先回顧了嵌入式系統(tǒng)的概念，然后闡述了嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)和嵌入式操作系統(tǒng)，然后闡述了Vxworks操作系統(tǒng)的相關(guān)概念，并對(duì)實(shí)時(shí)批量同步技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性進(jìn)行了分析。希望該文的研究能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域提供一些指導(dǎo)，可以為他們的實(shí)踐應(yīng)用提供一些新的方法和思路。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)批量同步技術(shù)；嵌入式系統(tǒng)；特點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TP315文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2012)20-4915-02

Real-time Batch Synchronization Technology Embedded Systems

ZHENG Gang1, REN Xiao-feng2

(1.Henan Vocational Institute of Arts, Zhengzhou 450000, China;2.Henan the Yellow River Hydrological Survey and Design Institute, Zhengzhou 450000, China)

Abstract: With the continuous development of computer hardware and software technology in all industry sectors, as well as the demand for information technology continues to surge, the computer system is becoming one of the focus of attention problems. In view of this, se lect the real-time batch synchronization technology and embedded system research, analysis and discussion of relevant issues. The article first reviews the concept of embedded systems, and then describes the characteristics of embedded systems and embedded operating system, and then describes the related concept of the Vxworks OS, the feasibility of bulk synchronous and real-time applications in embedded sys tems analyzed. I hope this study can provide some guidance in related areas, can provide some new methods and ideas for their practical ap plication.

Key words: real-time batch synchronization technology; embedded systems; characteristics

1嵌入式系統(tǒng)的含義

嵌入式系統(tǒng)在電氣工程師協(xié)會(huì)(IEE)給出的定義是指：它是對(duì)機(jī)器、工廠或裝置進(jìn)行控制盒監(jiān)視的大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)備。它包括如下特點(diǎn)：

第一，一般嵌入式系統(tǒng)與一般的辦公設(shè)備或者是數(shù)據(jù)庫(kù)的區(qū)別在于它只執(zhí)行指定的功能；

第二，嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分是微電腦和周邊器件，而且它的規(guī)?？梢栽诤艽蟮姆秶鷥?nèi)進(jìn)行變化；

第三，嵌入式系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性和時(shí)間性的要求很高，因?yàn)樵谶M(jìn)行機(jī)器控制的過程中，一旦程序運(yùn)行出現(xiàn)的錯(cuò)誤都會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)崩潰，更有甚者會(huì)造成很大的傷害；

第四，嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)完全自動(dòng)的操作循環(huán)系統(tǒng)。它是以具體的應(yīng)用為核心的，是電腦軟件與硬件的統(tǒng)一體，它的基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的裁剪，使系統(tǒng)可以在具體的運(yùn)行過程中適應(yīng)專業(yè)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性、體積、功耗能要求。并且在實(shí)際的應(yīng)用數(shù)量上嵌入式計(jì)算機(jī)比通用型計(jì)算機(jī)要多很多。一般情況型，通用型計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備包括5-10個(gè)嵌入式微處理器，其中的鍵盤、鼠標(biāo)、軟驅(qū)、硬盤、顯示卡、顯示器、Modem、網(wǎng)卡、聲卡、打印機(jī)、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、USB集線器等等都是通過嵌入式處理器在其中運(yùn)行進(jìn)行相應(yīng)的控制。并且嵌入式計(jì)算機(jī)在制造工業(yè)、通信、儀表、汽車、航空、軍事裝備、消費(fèi)類產(chǎn)品等方面都發(fā)揮了很大的作用。

2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)與以往其他系統(tǒng)相比具有很多特點(diǎn)，這些特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）嵌入式系統(tǒng)是一種多種技術(shù)相集合的產(chǎn)物。它主要集中了計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)以及相關(guān)的行業(yè)特色技術(shù)。以上各項(xiàng)技術(shù)的集合，可以有針對(duì)性的為各行業(yè)提供可靠的服務(wù)，它是集多種學(xué)科的集成產(chǎn)物。

我們知道，在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)行業(yè)中，幾乎超過百分之九十以上的市場(chǎng)容量被個(gè)人電腦所占據(jù)。而在目前市場(chǎng)上使用的個(gè)人電腦中，其中的絕大部分電腦采用的又是Intel的x86體系結(jié)構(gòu)。從目前芯片制造的行業(yè)來分析，整個(gè)行業(yè)中著名的也就是我們熟知的Intel, AMD, Cyrix等屈指可數(shù)的幾家公司，這種行業(yè)的壟斷狀態(tài)一時(shí)之間很難被打破。

而這一現(xiàn)象與嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)的情況形成了鮮明的對(duì)比，在嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)中沒有哪幾家公司可以在市場(chǎng)中稱霸，占據(jù)相對(duì)較大的市場(chǎng)份額，因此在整領(lǐng)域中，服務(wù)提供者眾多，競(jìng)爭(zhēng)業(yè)相對(duì)較為激烈，同時(shí)對(duì)各企業(yè)的創(chuàng)新意識(shí)也提出一定的要求。

2）嵌入式系統(tǒng)一般情況下面對(duì)的是特定的用戶、產(chǎn)品或者應(yīng)用，因此具有一定的特殊性。這一特定性對(duì)與系統(tǒng)的CPU也提出了相應(yīng)的要求，基于個(gè)性化需求的嵌入式系統(tǒng)CPU顯然與通用型CPU相比，所強(qiáng)調(diào)的就是特定服務(wù)的滿足性。一般來說嵌入式系統(tǒng)CPU在外形體積上要比通用型CPU要小，這是實(shí)際應(yīng)用過程中對(duì)于嵌入型系統(tǒng)的體積要求。雖然嵌入式系統(tǒng)CPU在外形體積上小，但是功能與傳統(tǒng)的通用型CPU相比一點(diǎn)業(yè)不少，相反它還要集成通用型CPU不具備的功能，它要把許多由板卡上的功能也要集成進(jìn)來，這樣好能方便整個(gè)系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

3）嵌入式系統(tǒng)的同步性。對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言，它往往是與其提供特定的用戶、產(chǎn)品或者應(yīng)用相結(jié)合的整體。因此，作為一個(gè)整體而言，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的生命周期一般情況來說時(shí)間周期都較為長(zhǎng)久。

4）嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)特點(diǎn)。由于以上分析的嵌入式系統(tǒng)與產(chǎn)品的整體性，很多情況下嵌入式系統(tǒng)不是存貯在通用電腦的硬盤等載體中，而是存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器芯片或被固化到單片機(jī)之中的?；谝陨系奶攸c(diǎn)，嵌入式系統(tǒng)對(duì)于相關(guān)的實(shí)時(shí)性、系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性提出了較高的要求，我們?cè)趯?shí)際過程中必須注意以上的特點(diǎn)。

5）嵌入式系統(tǒng)自身的開發(fā)能力較弱。由于嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)空間和位置的特點(diǎn)，決定了它在設(shè)計(jì)完成后，如果用戶有了其他新的需求后，不能利用嵌入式系統(tǒng)自身進(jìn)行相關(guān)的修訂和完善。如果需要進(jìn)行相關(guān)的修訂和完善必須借助一套開發(fā)工具和環(huán)境，只有在外在的其他開發(fā)環(huán)境，使用特定的開發(fā)工具才能對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行修改和完善。

3嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)隨之計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也經(jīng)歷了一個(gè)逐漸發(fā)展，逐漸完善的過程。從歷史發(fā)展的進(jìn)程上來看，以往最為傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，它實(shí)際上不具有特定的操作系統(tǒng)。因此，從傳統(tǒng)的對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的需求上看，傳統(tǒng)的需求只是為了實(shí)現(xiàn)某些實(shí)際中需要的特定功能，在這樣的需求下，利用相關(guān)簡(jiǎn)單的循環(huán)控制就能實(shí)現(xiàn)。因此，不需要操作系統(tǒng)提供相關(guān)的平臺(tái)和環(huán)境。當(dāng)時(shí)與我們現(xiàn)在對(duì)于操作系統(tǒng)的定義顯然不一致，因?yàn)樗鼪]有實(shí)際意義中的進(jìn)程管理、通信功能、設(shè)備管理、存儲(chǔ)管理等功能。按照當(dāng)時(shí)的需求來分析，這種類型的嵌入式操作系統(tǒng)可以滿足要求了，但是隨著需求的不斷激增，需求多樣化的發(fā)展趨勢(shì)日益明顯，傳統(tǒng)的這種類型的嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)的不適應(yīng)性。這也就是嵌入式操作系統(tǒng)存在的最大問題。因此，對(duì)于嵌入式操作系統(tǒng)的創(chuàng)新研究就顯得尤為重要，具有重要的意義。傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)存如需修改或者增加一些特定的功能，整個(gè)系統(tǒng)必須重新進(jìn)行各項(xiàng)功能的設(shè)計(jì)、安排和調(diào)整，這樣操作往往進(jìn)行了很多重復(fù)性的處理，因此整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)成本過高，系統(tǒng)的修改難度也隨之增大。

而C語(yǔ)言的出現(xiàn)打破了這一個(gè)格局，它使得操作系統(tǒng)開發(fā)變得更加的便捷和簡(jiǎn)單。我們清楚的知道，Dennis M. Ritchie和Brian W. Kernighan利用C語(yǔ)言編寫出了著名的UNIX操作系統(tǒng)。它的出現(xiàn)對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都起到了具體的促進(jìn)和推動(dòng)作用。而無疑C語(yǔ)言為嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)提供重要的工具和方法，提高了整個(gè)系統(tǒng)的利用效率。隨之C語(yǔ)言的不斷發(fā)展，從二十世紀(jì)八十年代開始，針對(duì)商業(yè)用嵌入式操作系統(tǒng)的研究逐漸成為了大家關(guān)注的焦點(diǎn)。針對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行了很多相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)。

4 Vxworks操作系統(tǒng)的特點(diǎn)

操作系統(tǒng)按照一定的維度可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸悾缛绻允欠衲軌蜻M(jìn)行相關(guān)的實(shí)時(shí)性操作為維度進(jìn)行操作系統(tǒng)的分類，操作系統(tǒng)可以分成以下兩種類型。一種是分時(shí)操作系統(tǒng)，另外一種則是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。而在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，Vxworks就是其中的一個(gè)重要成員。以Vxworks操作系統(tǒng)為代表的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其特點(diǎn)主要有可靠性、實(shí)時(shí)性、可裁減性等。具體來說如下：

1）可靠性

對(duì)于一個(gè)操作系統(tǒng)而言，它的一個(gè)最重要的功能就是要為相關(guān)的用戶、軟件和應(yīng)用提供一個(gè)可靠的環(huán)境和操作平臺(tái)，讓他們?cè)谡麄€(gè)環(huán)境中，利用整個(gè)操作平臺(tái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的操作需求，從而達(dá)到特定的目的。因此，這對(duì)每個(gè)用戶都需要在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境和操作平臺(tái)中進(jìn)行相關(guān)特定的操作。這就對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出的較高的要求。而Vxworks操作系統(tǒng)在穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出了優(yōu)秀的特點(diǎn)，自從推出以來給我國(guó)的用戶提供了大量的便捷。Vxworks操作系統(tǒng)不僅僅可以為用戶提供問題的系統(tǒng)環(huán)境，還能夠在其中使用各種工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)特定功能的開發(fā)。自從Vxworks操作系統(tǒng)在我國(guó)銷售解禁以后，Vxworks操作系統(tǒng)的市場(chǎng)占有率持續(xù)增長(zhǎng)，在實(shí)際使用過程中受到了各界用戶的一致好評(píng)。

2）實(shí)時(shí)性

實(shí)時(shí)性是指能夠在限定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行完規(guī)定的功能并對(duì)外部的異步事件作出響應(yīng)的能力。實(shí)時(shí)性的強(qiáng)弱是以完成規(guī)定功能和作出響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短來衡量的。VxWorks操作系統(tǒng)在這方面表現(xiàn)很出色，VxWorks操作系統(tǒng)在使用過程中對(duì)于相關(guān)進(jìn)程的調(diào)用和協(xié)調(diào)進(jìn)程間通信方面可以做出快速的反應(yīng)，可以大大節(jié)省相關(guān)的系統(tǒng)相應(yīng)、停止、等待時(shí)間。從而為用戶降低了時(shí)間成本，在一定程度上提高了效率。VxWorks提供的多任務(wù)機(jī)制中對(duì)任務(wù)的控制采用了優(yōu)先級(jí)搶占(Preemptive Priority Scheduling)和輪轉(zhuǎn)調(diào)度(Round-Robin Scheduling)機(jī)制。這兩種機(jī)制如果可以充分的發(fā)揮作用，它們對(duì)于實(shí)時(shí)性的實(shí)現(xiàn)也提供了必要的保證，使同樣的硬件配置能滿足更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性要求，為應(yīng)用的開發(fā)留下更大的余地，為實(shí)踐中相關(guān)特定需求的滿足提供的便利，創(chuàng)造了條件。

3）可裁減性

相關(guān)的用戶在實(shí)踐的過程中，使用操作系統(tǒng)時(shí)，多數(shù)情況下并不是對(duì)操作系統(tǒng)中的每一個(gè)部件就進(jìn)行調(diào)用，僅僅調(diào)用一些針對(duì)特定需求的部件就可以實(shí)現(xiàn)修改和完善的功能。例如圖形顯示、文件系統(tǒng)以及一些設(shè)備驅(qū)動(dòng)等相關(guān)的一些部件，在某些嵌入系統(tǒng)中往往并不經(jīng)常使用。

VxWorks的體積很小，一般情況下，VxWorks的內(nèi)核及一些可以根據(jù)需要進(jìn)行定制的系統(tǒng)模塊組成。VxWorks內(nèi)核最小為8kB，即便加上其它必要模塊，所占用的空間也很小，且不失多任務(wù)的系統(tǒng)特征。正是由于它具有這樣的小巧特點(diǎn)，從而是它具備了高度的靈活性，用戶可以很容易地對(duì)這一操作系統(tǒng)進(jìn)行定制或作適當(dāng)開發(fā)，來滿足自己的實(shí)際應(yīng)用需要。

5實(shí)時(shí)批量同步技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性

該文介紹的交換機(jī)的嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks，其主要的結(jié)構(gòu)是采用的多任務(wù)調(diào)度方式是搶占式的。交換機(jī)的在其中發(fā)揮的基本功能是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，而ARP數(shù)據(jù)資源在整個(gè)過程中，尤其是在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中有重要的作用，因此同步ARP數(shù)據(jù)資源的任務(wù)有較高的優(yōu)先級(jí)，而這一個(gè)要求要引起我們的重視。在這種情況下，如果采用實(shí)時(shí)同步技術(shù)，CPU就會(huì)一直被同步ARP數(shù)據(jù)資源的任務(wù)占用，這就比然給資源的分配帶來了一定的難度，尤其是對(duì)交換機(jī)的性能的影響往往是至關(guān)重要的。而我們提出了實(shí)時(shí)批量同步技術(shù)就可以在一定程度上解決這一問題，不會(huì)讓ARP數(shù)據(jù)資源同步任務(wù)一直占用CPU，這樣就保證其它任務(wù)可以獲得CPU的資源，保證其得到及時(shí)的處理。這也是我們提出實(shí)時(shí)批量同步技術(shù)的最主要的原因。

在實(shí)時(shí)批量同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)的過程中，對(duì)ARP數(shù)據(jù)資源和一些全局的變量都做了信號(hào)量保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程間的同步及互斥，避免在多個(gè)任務(wù)需要對(duì)同一數(shù)據(jù)進(jìn)行操作時(shí)出現(xiàn)異常，從而確保整個(gè)系統(tǒng)的順暢性和完整性。

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