A. 請問嵌入式系統應用前景怎麼樣
嵌入式系統技術具有非常廣闊的應用前景，其應用領域可以包括：
1．工業控制：
基於嵌入式晶元的工業自動化設備將獲得長足的發展，目前已經有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在應用中，網路化是提高生產效率和產品質量、減少人力資源主要途徑，如工業過程式控制制、數字機床、電力系統、電網安全、電網設備監測、石油化工系統。就傳統的工業控制產品而言，低端型採用的往往是8位單片機。但是隨著技術的發展，32位、64位的處理器逐漸成為工業控制設備的核心，在未來幾年內必將獲得長足的發展。
2．交通管理：
在車輛導航、流量控制、信息監測與汽車服務方面，嵌入式系統技術已經獲得了廣泛的應用，內嵌GPS模塊，GSM模塊的移動定位終端已經在各種運輸行業獲得了成功的使用。目前GPS設備已經從尖端產品進入了普通百姓的家庭，只需要幾千元，就可以隨時隨地找到你的位置。
3．信息家電：
這將稱為嵌入式系統最大的應用領域，冰箱、空調等的網路化、智能化將引領人們的生活步入一個嶄新的空間。即使你不在家裡，也可以通過電話線、網路進行遠程式控制制。在這些設備中，嵌入式系統將大有用武之地。
4．家庭智能管理系統：
水、電、煤氣表的遠程自動抄表，安全防火、防盜系統，其中嵌有的專用控制晶元將代替傳統的人工檢查，並實現更高，更准確和更安全的性能。目前在服務領域，如遠程點菜器等已經體現了嵌入式系統的優勢。
5．POS網路及電子商務：
公共交通無接觸智能卡(Contactless Smartcard, CSC)發行系統，公共電話卡發行系統，自動售貨機，各種智能ATM終端將全面走入人們的生活，到時手持一卡就可以行遍天下。
6．環境工程與自然：
水文資料實時監測，防洪體系及水土質量監測、堤壩安全，地震監測網，實時氣象信息網，水源和空氣污染監測。在很多環境惡劣，地況復雜的地區，嵌入式系統將實現無人監測。
7．機器人：
嵌入式晶元的發展將使機器人在微型化，高智能方面優勢更加明顯，同時會大幅度降低機器人的價格，使其在工業領域和服務領域獲得更廣泛的應用。
這些應用中，可以著重於在控制方面的應用。就遠程家電控制而言，除了開發出支持TCP/IP的嵌入式系統之外，家電產品控制協議也需要制訂和統一，這需要家電生產廠家來做。同樣的道理，所有基於網路的遠程式控制制器件都需要與嵌入式系統之間實現介面，然後再由嵌入式系統來控制並通過網路實現控制。所以，開發和探討嵌入式系統有著十分重要的意義。
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B. 嵌入式系統
一 什麼是嵌入式系統 嵌入式系統一般指非 PC 系統，有計算機功能但又不稱之為計算機的設備或器材。它是以應用為中心，軟硬體可裁減的，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴格要求的專用計算機系統。簡單地說，嵌入式系統集系統的應用軟體與硬體於一體，類似於 PC 中 BIOS 的工作方式，具有軟體代碼小、高度自動化、響應速度快等特點，特別適合於要求實時和多任務的體系。嵌入式系統主要由嵌入式處理器、相關支撐硬體、嵌入式操作系統及應用軟體系統等組成，它是可獨立工作的「器件」。 嵌入式系統幾乎包括了生活中的所有電器設備，如掌上 PDA 、移動計算設備、電視機頂盒、手機上網、數字電視、多媒體、汽車、微波爐、數字相機、家庭自動化系統、電梯、空調、安全系統、自動售貨機、蜂窩式電話、消費電子設備、工業自動化儀表與醫療儀器等。 嵌入式系統的硬體部分，包括處理器 / 微處理器、存儲器及外設器件和 I/O 埠、圖形控制器等。嵌入式系統有別於一般的計算機處理系統，它不具備像硬碟那樣大容量的存儲介質，而大多使用 EPROM 、 EEPROM 或快閃記憶體 (Flash Memory) 作為存儲介質。軟體部分包括操作系統軟體 ( 要求實時和多任務操作 ) 和應用程序編程。應用程序控制著系統的運作和行為；而操作系統控制著應用程序編程與硬體的交互作用。 二 嵌入式處理器 嵌入式系統的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般具備 4 個特點： (1) 對實時和多任務有很強的支持能力，能完成多任務並且有較短的中斷響應時間，從而使內部的代碼和實時操作系統的執行時間減少到最低限度； (2) 具有功能很強的存儲區保護功能，這是由於嵌入式系統的軟體結構已模塊化，而為了避免在軟體模塊之間出現錯誤的交叉作用，需要設計強大的存儲區保護功能，同時也有利於軟體診斷； (3) 可擴展的處理器結構，以能迅速地擴展出滿足應用的高性能的嵌入式微處理器； (4) 嵌入式微處理器的功耗必須很低，尤其是用於攜帶型的無線及移動的計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式系統更是如此，功耗只能為 mW 甚至μ W 級。 據不完全統計，目前全世界嵌入式處理器的品種總量已經超過 1000 種，流行的體系結構有 30 多個系列。其中 8051 體系佔多半，生產這種單片機的半導體廠家有 20 多個，共 350 多種衍生產品，僅 Philips 就有近 100 種。現在幾乎每個半導體製造商都生產嵌入式處理器，越來越多的公司有自己的處理器設計部門。嵌入式處理器的定址空間一般從 64kB 到 16MB ，處理速度為 0.1~2000MIPS ，常用封裝 8~144 個引腳。 根據現狀，嵌入式計算機可分成下面幾類。 (1) 嵌入式微處理器 (Embedded Microprocessor Unit, EMPU) 嵌入式微處理器採用「增強型」通用微處理器。由於嵌入式系統通常應用於環境比較惡劣的環境中，因而嵌入式微處理器在工作溫度、電磁兼容性以及可靠性方面的要求較通用的標准微處理器高。但是，嵌入式微處理器在功能方面與標準的微處理器基本上是一樣的。根據實際嵌入式應用要求，將嵌入式微處理器裝配在專門設計的主板上，只保留和嵌入式應用有關的主板功能，這樣可以大幅度減小系統的體積和功耗。和工業控制計算機相比，嵌入式微處理器組成的系統具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優點，但在其電路板上必須包括 ROM 、 RAM 、匯流排介面、各種外設等器件，從而降低了系統的可靠性，技術保密性也較差。由嵌入式微處理器及其存儲器、匯流排、外設等安裝在一塊電路主板上構成一個通常所說的單板機系統。嵌入式處理器目前主要有 Am186/88 、 386EX 、 SC-400 、 Power PC 、 68000 、 MIPS 、 ARM 系列等。 (2) 嵌入式微控制器 (Microcontroller Unit, MCU) 嵌入式微控制器又稱單片機，它將整個計算機系統集成到一塊晶元中。嵌入式微控制器一般以某種微處理器內核為核心，根據某些典型的應用，在晶元內部集成了 ROM/EPROM 、 RAM 、匯流排、匯流排邏輯、定時 / 計數器、看門狗、 I/O 、串列口、脈寬調制輸出、 A/D 、 D/A 、 Flash RAM 、 EEPROM 等各種必要功能部件和外設。為適應不同的應用需求，對功能的設置和外設的配置進行必要的修改和裁減定製，使得一個系列的單片機具有多種衍生產品，每種衍生產品的處理器內核都相同，不同的是存儲器和外設的配置及功能的設置。這樣可以使單片機最大限度地和應用需求相匹配，從而減少整個系統的功耗和成本。和嵌入式微處理器相比，微控制器的單片化使應用系統的體積大大減小，從而使功耗和成本大幅度下降、可靠性提高。由於嵌入式微控制器目前在產品的品種和數量上是所有種類嵌入式處理器中最多的，而且上述諸多優點決定了微控制器是嵌入式系統應用的主流。微控制器的片上外設資源一般比較豐富，適合於控制，因此稱為微控制器。通常，嵌入式微處理器可分為通用和半通用兩類，比較有代表性的通用系列包括 8051 、 P51XA 、 MCS-251 、 MCS-96/196/296 、 C166/167 、 68300 等。而比較有代表性的半通用系列，如支持 USB 介面的 MCU 8XC930/931 、 C540 、 C541 ；支持 I2C 、 CAN 匯流排、 LCD 等的眾多專用 MCU 和兼容系列。目前 MCU 約占嵌入式系統市場份額的 70% 。 (3) 嵌入式 DSP 處理器 (Embedded Digital Signal Processor, EDSP 在數字信號處理應用中，各種數字信號處理演算法相當復雜，這些演算法的復雜度可能是 O(nm) 的，甚至是 NP 的，一般結構的處理器無法實時的完成這些運算。由於 DSP 處理器對系統結構和指令進行了特殊設計，使其適合於實時地進行數字信號處理。在數字濾波、 FFT 、譜分析等方面， DSP 演算法正大量進入嵌入式領域， DSP 應用正從在通用單片機中以普通指令實現 DSP 功能，過渡到採用嵌入式 DSP 處理器。嵌入式 DSP 處理器有兩類： (1)DSP 處理器經過單片化、 EMC 改造、增加片上外設成為嵌入式 DSP 處理器， TI 的 TMS320C2000/C5000 等屬於此范疇； (2) 在通用單片機或 SOC 中增加 DSP 協處理器，例如 Intel 的 MCS-296 和 Infineon(Siemens) 的 TriCore 。另外，在有關智能方面的應用中，也需要嵌入式 DPS 處理器，例如各種帶有智能邏輯的消費類產品，生物信息識別終端，帶有加解密演算法的鍵盤， ADSL 接入、實時語音壓解系統，虛擬現實顯示等。這類智能化演算法一般都是運算量較大，特別是向量運算、指針線性定址等較多，而這些正是 DSP 處理器的優勢所在。嵌入式 DSP 處理器比較有代表性的產品是 TI 的 TMS320 系列和 Motorola 的 DSP56000 系列。 TMS320 系列處理器包括用於控制的 C2000 系列、移動通信的 C5000 系列，以及性能更高的 C6000 和 C8000 系列。 DSP56000 目前已經發展成為 DSP56000 、 DSP56100 、 DSP56200 和 DSP56300 等幾個不同系列的處理器。另外， Philips 公司最近也推出了基於可重置嵌入式 DSP 結構，採用低成本、低功耗技術製造的 R. E. A. L DSP 處理器，其特點是具備雙 Harvard 結構和雙乘 / 累加單元，應用目標是大批量消費類產品。 (4) 嵌入式片上系統 (System On Chip, SOC) 隨著 EDI 的推廣和 VLSI 設計的普及化，以及半導體工藝的迅速發展，可以在一塊矽片上實現一個更為復雜的系統，這就產生了 SOC 技術。各種通用處理器內核將作為 SOC 設計公司的標准庫，和其他許多嵌入式系統外設一樣，成為 VLSI 設計中一種標準的器件，用標準的 VHDL 、 Verlog 等硬體語言描述，存儲在器件庫中。用戶只需定義出其整個應用系統，模擬通過後就可以將設計圖交給半導體工廠製作樣品。這樣除某些無法集成的器件以外，整個嵌入式系統大部分均可集成到一塊或幾塊晶元中去，應用系統電路板將變得很簡單，對於減小整個應用系統體積和功耗、提高可靠性非常有利。 SOC 可分為通用和專用兩類，通用 SOC 如 Infineon(Siemens) 的 TriCore 、 Motorola 的 M-Core ，以及某些 ARM 系列器件，如 Echelon 和 Motorola 聯合研製的 Neuron 晶元等；專用 SOC 一般專用於某個或某類系統中，如 Philips 的 Smart XA ，它將 XA 單片機內核和支持超過 2048 位復雜 RSA 演算法的 CCU 單元製作在一塊矽片上，形成一個可載入 Java 或 C 語言的專用 SOC ，可用於互聯網安全方面。 三 嵌入式操作系統 嵌入式操作系統是一種支持嵌入式系統應用的操作系統軟體，它是嵌入式系統 ( 包括硬、軟體系統 ) 極為重要的組成部分，通常包括與硬體相關的底層驅動軟體、系統內核、設備驅動介面、通信協議、圖形界面、標准化瀏覽器等 Browser 。嵌入式操作系統具有通用操作系統的基本特點，如能夠有效管理越來越復雜的系統資源；能夠把硬體虛擬化，使得開發人員從繁忙的驅動程序移植和維護中解脫出來；能夠提供庫函數、驅動程序、工具集以及應用程序 。與通用操作系統相比較，嵌入式操作系統在系統實時高效性、硬體的相關依賴性、軟體固態化以及應用的專用性等方面具有較為突出的特點。 1. 嵌入式操作系統的種類 一般情況下，嵌入式操作系統可以分為兩類，一類是面向控制、通信等領域的實時操作系統，如 WindRiver 公司的 VxWorks 、 ISI 的 pSOS 、 QNX 系統軟體公司的 QNX 、 ATI 的 Nucleus 等；另一類是面向消費電子產品的非實時操作系統，這類產品包括個人數字助理 (PDA) 、行動電話、機頂盒、電子書、 WebPhone 等。 a. 非實時操作系統 早期的嵌入式系統中沒有操作系統的概念，程序員編寫嵌入式程序通常直接面對裸機及裸設備。在這種情況下，通常把嵌入式程序分成兩部分，即前台程序和後台程序。前台程序通過中段來處理事件，其結構一般為無限循環；後台程序則掌管整個嵌入式系統軟、硬體資源的分配、管理以及任務的調度，是一個系統管理調度程序。這就是通常所說的前後台系統。一般情況下，後台程序也叫任務級程序，前台程序也叫事件處理級程序。在程序運行時，後台程序檢查每個任務是否具備運行條件，通過一定的調度演算法來完成相應的操作。對於實時性要求特別嚴格的操作通常由中斷來完成，僅在中斷服務程序中標記事件的發生，不再做任何工作就退出中斷，經過後台程序的調度，轉由前台程序完成事件的處理，這樣就不會造成在中斷服務程序中處理費時的事件而影響後續和其他中斷。 實際上，前後台系統的實時性比預計的要差。這是因為前後台系統認為所有的任務具有相同的優先順序別，即是平等的，而且任務的執行又是通過 FIFO 隊列排隊，因而對那些實時性要求高的任務不可能立刻得到處理。另外，由於前台程序是一個無限循環的結構，一旦在這個循環體中正在處理的任務崩潰，使得整個任務隊列中的其他任務得不到機會被處理，從而造成整個系統的崩潰。由於這類系統結構簡單，幾乎不需要 RAM/ROM 的額外開銷，因而在簡單的嵌入式應用被廣泛使用。 b. 實時操作系統 實時系統是指能在確定的時間內執行其功能並對外部的非同步事件做出響應的計算機系統。其操作的正確性不僅依賴於邏輯設計的正確程度，而且與這些操作進行的時間有關。「在確定的時間內」是該定義的核心。也就是說，實時系統是對響應時間有嚴格要求的。 實時系統對邏輯和時序的要求非常嚴格，如果邏輯和時序出現偏差將會引起嚴重後果。實時系統有兩種類型：軟實時系統和硬實時系統。軟實時系統僅要求事件響應是實時的，並不要求限定某一任務必須在多長時間內完成；而在硬實時系統中，不僅要求任務響應要實時，而且要求在規定的時間內完成事件的處理。通常，大多數實時系統是兩者的結合。實時應用軟體的設計一般比非實時應用軟體的設計困難。實時系統的技術關鍵是如何保證系統的實時性。 實時多任務操作系統是指具有實時性、能支持實時控制系統工作的操作系統。其首要任務是調度一切可利用的資源完成實時控制任務，其次才著眼於提高計算機系統的使用效率，重要特點是要滿足對時間的限制和要求。實時操作系統具有如下功能：任務管理 ( 多任務和基於優先順序的任務調度 ) 、任務間同步和通信 ( 信號量和郵箱等 ) 、存儲器優化管理 ( 含 ROM 的管理 ) 、實時時鍾服務、中斷管理服務。實時操作系統具有如下特點：規模小，中斷被屏蔽的時間很短，中斷處理時間短，任務切換很快。 實時操作系統可分為可搶占型和不可搶占型兩類。對於基於優先順序的系統而言，可搶占型實時操作系統是指內核可以搶占正在運行任務的 CPU 使用權並將使用權交給進入就緒態的優先順序更高的任務，是內核搶了 CPU 讓別的任務運行。不可搶占型實時操作系統使用某種演算法並決定讓某個任務運行後，就把 CPU 的控制權完全交給了該任務，直到它主動將 CPU 控制權還回來。中斷由中斷服務程序來處理，可以激活一個休眠態的任務，使之進入就緒態；而這個進入就緒態的任務還不能運行，一直要等到當前運行的任務主動交出 CPU 的控制權。使用這種實時操作系統的實時性比不使用實時操作系統的系統性能好，其實時性取決於最長任務的執行時間。不可搶占型實時操作系統的缺點也恰恰是這一點，如果最長任務的執行時間不能確定，系統的實時性就不能確定。 可搶占型實時操作系統的實時性好，優先順序高的任務只要具備了運行的條件，或者說進入了就緒態，就可以立即運行。也就是說，除了優先順序最高的任務，其他任務在運行過程中都可能隨時被比它優先順序高的任務中斷，讓後者運行。通過這種方式的任務調度保證了系統的實時性，但是，如果任務之間搶占 CPU 控制權處理不好，會產生系統崩潰、死機等嚴重後果。 2. 嵌入式操作系統的發展 嵌入式操作系統伴隨著嵌入式系統的發展經歷了 4 個比較明顯的階段。 第一階段是無操作系統的嵌入演算法階段，是以單晶元為核心的可編程式控制制器形式的系統，同時具有與監測、伺服、指示設備相配合的功能。這種系統大部分應用於一些專業性極強的工業控制系統中，一般沒有操作系統的支持，通過匯編語言編程對系統進行直接控制，運行結束後清除內存。這一階段系統的主要特點是：系統結構和功能都相對單一，處理效率較低，存儲容量較小，幾乎沒有用戶介面。由於這種嵌入式系統使用簡便、價格很低，以前在國內工業領域應用較為普遍，但是已經遠遠不能適應高效的、需要大容量存儲介質的現代化工業控制和新興的信息家電等領域的需求。 第二階段是以嵌入式 CPU 為基礎、以簡單操作系統為核心的嵌入式系統。這一階段系統的主要特點是： CPU 種類繁多，通用性比較差；系統開銷小， 效率高；一般配備系統模擬器，操作系統具有一定的兼容性和擴展性；應用軟體較專業，用戶界面不夠友好；系統主要用來控制系統負載以及監控應用程序運行。 第三階段是通用的嵌入式實時操作系統階段，是以嵌入式操作系統為核心的嵌入式系統。這一階段系統的主要特點是：嵌入式操作系統能運行於各種不同類型的微處理器上，兼容性好；操作系統內核精小、效率高，並且具有高度的模塊化和擴展性；具備文件和目錄管理、設備支持、多任務、網路支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；具有大量的應用程序介面 (API) ，開發應用程序簡單；嵌入式應用軟體豐富。 第四階段是以基於 Internet 為標志的嵌入式系統，這是一個正在迅速發展的階段。目前大多數嵌入式系統還孤立於 Internet 之外，但隨著 Internet 的發展以及 Internet 技術與信息家電、工業控制技術等結合日益密切，嵌入式設備與 Internet 的結合將代表著嵌入式技術的真正未來。 3. 使用實時操作系統的必要性 嵌入式實時操作系統在目前的嵌入式應用中用得越來越廣泛，尤其在功能復雜、系統龐大的應用中顯得愈來愈重要。 首先，嵌入式實時操作系統提高了系統的可靠性。在控制系統中，出於安全方面的考慮，要求系統起碼不能崩潰，而且還要有自愈能力。不僅要求在硬體設計方面提高系統的可靠性和抗干擾性，而且也應在軟體設計方面提高系統的抗干擾性，盡可能地減少安全漏洞和不可靠的隱患。長期以來的前後台系統軟體設計在遇到強干擾時，使得運行的程序產生異常、出錯、跑飛，甚至死循環，造成了系統的崩潰。而實時操作系統管理的系統，這種干擾可能只是引起若干進程中的一個被破壞，可以通過系統運行的系統監控進程對其進行修復。通常情況下，這個系統監視進程用來監視各進程運行狀況，遇到異常情況時採取一些利於系統穩定可靠的措施，如把有問題的任務清除掉。 其次，提高了開發效率，縮短了開發周期。在嵌入式實時操作系統環境下，開發一個復雜的應用程序，通常可以按照軟體工程中的解耦原則將整個程序分解為多個任務模塊。每個任務模塊的調試、修改幾乎不影響其他模塊。商業軟體一般都提供了良好的多任務調試環境。 再次，嵌入式實時操作系統充分發揮了 32 位 CPU 的多任務潛力。 32 位 CPU 比 8 、 16 位 CPU 快，另外它本來是為運行多用戶、多任務操作系統而設計的，特別適於運行多任務實時系統。 32 位 CPU 採用利於提高系統可靠性和穩定性的設計，使其更容易做到不崩潰。例如， CPU 運行狀態分為系統態和用戶態。將系統堆棧和用戶堆棧分開，以及實時地給出 CPU 的運行狀態等，允許用戶在系統設計中從硬體和軟體兩方面對實時內核的運行實施保護。如果還是採用以前的前後台方式，則無法發揮 32 位 CPU 的優勢。 從某種意義上說，沒有操作系統的計算機 ( 裸機 ) 是沒有用的。在嵌入式應用中，只有把 CPU 嵌入到系統中，同時又把操作系統嵌入進去，才是真正的計算機嵌入式應用。 4. 實時操作系統的優缺點 在嵌入式實時操作系統環境下開發實時應用程序使程序的設計和擴展變得容易，不需要大的改動就可以增加新的功能。通過將應用程序分割成若干獨立的任務模塊，使應用程序的設計過程大為簡化；而且對實時性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理。通過有效的系統服務，嵌入式實時操作系統使得系統資源得到更好的利用。但是，使用嵌入式實時操作系統還需要額外的 ROM/RAM 開銷， 2~5% 的 CPU 額外負荷，以及內核的費用。
C. 嵌入式系統的發展及應用
縱觀嵌入式系統的發展歷程，大致經歷了以下四個階段：
無操作系統階段
嵌入式系統最初的應用是基於單片機的，大多以可編程式控制制器的形式出現，具有監測、伺服、設備指示等功能，通常應用於各類工業控制和飛機、導彈等武器裝備中，一般沒有操作系統的支持，只能通過匯編語言對系統進行直接控制，運行結束後再清除內存。這些裝置雖然已經初步具備了嵌入式的應用特點，但僅僅只是使用8位的CPU晶元來執行一些單線程的程序，因此嚴格地說還談不上"系統"的概念。
這一階段嵌入式系統的主要特點是：系統結構和功能相對單一，處理效率較低，存儲容量較小，幾乎沒有用戶介面。由於這種嵌入式系統使用簡便、價格低廉，因而曾經在工業控制領域中得到了非常廣泛的應用，但卻無法滿足現今對執行效率、存儲容量都有較高要求的信息家電等場合的需要。
簡單操作系統階段
20世紀80年代，隨著微電子工藝水平的提高，IC製造商開始把嵌入式應用中所需要的微處理器、I/O介面、串列介面以及RAM、ROM等部件統統集成到一片VLSI中，製造出面向I/O設計的微控制器，並一舉成為嵌入式系統領域中異軍突起的新秀。與此同時，嵌入式系統的程序員也開始基於一些簡單的"操作系統"開發嵌入式應用軟體，大大縮短了開發周期、提高了開發效率。
這一階段嵌入式系統的主要特點是：出現了大量高可靠、低功耗的嵌入式CPU（如Power PC等），各種簡單的嵌入式操作系統開始出現並得到迅速發展。此時的嵌入式操作系統雖然還比較簡單，但已經初步具有了一定的兼容性和擴展性，內核精巧且效率高，主要用來控制系統負載以及監控應用程序的運行。
實時操作系統階段
20世紀90年代，在分布控制、柔性製造、數字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統進一步飛速發展，而面向實時信號處理演算法的DSP產品則向著高速度、高精度、低功耗的方向發展。隨著硬體實時性要求的提高，嵌入式系統的軟體規模也不斷擴大，逐漸形成了實時多任務操作系統（RTOS），並開始成為嵌入式系統的主流。
這一階段嵌入式系統的主要特點是：操作系統的實時性得到了很大改善，已經能夠運行在各種不同類型的微處理器上，具有高度的模塊化和擴展性。此時的嵌入式操作系統已經具備了文件和目錄管理、設備管理、多任務、網路、圖形用戶界面（GUI）等功能，並提供了大量的應用程序介面（API），從而使得應用軟體的開發變得更加簡單。
面向Internet階段
21世紀無疑將是一個網路的時代，將嵌入式系統應用到各種網路環境中去的呼聲自然也越來越高。目前大多數嵌入式系統還孤立於Internet之外，隨著Internet的進一步發展，以及Internet技術與信息家電、工業控制技術等的結合日益緊密，嵌入式設備與Internet的結合才是嵌入式技術的真正未來。
信息時代和數字時代的到來，為嵌入式系統的發展帶來了巨大的機遇，同時也對嵌入式系統廠商提出了新的挑戰。目前，嵌入式技術與Internet技術的結合正在推動著嵌入式技術的飛速發展，嵌入式系統的研究和應用產生了如下新的顯著變化：
新的微處理器層出不窮，嵌入式操作系統自身結構的設計更加便於移植，能夠在短時間內支持更多的微處理器。
嵌入式系統的開發成了一項系統工程，開發廠商不僅要提供嵌入式軟硬體系統本身，同時還要提供強大的硬體開發工具和軟體支持包。
通用計算機上使用的新技術、新觀念開始逐步移植到嵌入式系統中，如嵌入式資料庫、移動代理、實時CORBA等，嵌入式軟體平台得到進一步完善。
各類嵌入式linux操作系統迅速發展，由於具有源代碼開放、系統內核小、執行效率高、網路結構完整等特點，很適合信息家電等嵌入式系統的需要，目前已經形成了能與Windows CE、Palm OS等嵌入式操作系統進行有力競爭的局面。
網路化、信息化的要求隨著Internet技術的成熟和帶寬的提高而日益突出，以往功能單一的設備如電話、手機、冰箱、微波爐等功能不再單一，結構變得更加復雜，網路互聯成為必然趨勢。
精簡系統內核，優化關鍵演算法，降低功耗和軟硬體成本。
提供更加友好的多媒體人機交互界面。
說了這么多，不知道你是不是還在為嵌入式的前景擔憂?
如果你是電子或者計算機專業的，學好嵌入式系統，絕對有前途
D. 關於計算機嵌入式操作系統的特點
嵌入式系統是以應用為中心，軟硬體可裁減的，適用於對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴格要求的專用計算機系統。具有軟體代碼小、高度自動化、響應速度快等特點，特別適合於要求實時和多任務的體系。嵌入式系統主要由嵌入式處理器、相關支撐硬體、嵌入式操作系統及應用軟體系統等組成，它是可獨立工作的「器件」。
一、嵌入式操作系統的發展
作為嵌入式系統（包括硬、軟體系統）極為重要的組成部分的嵌入式操作系統，通常包括與硬體相關的底層驅動軟體、系統內核、設備驅動介面、通信協議、圖形界面、標准化瀏覽器等。嵌入式操作系統具有通用操作系統的基本特點，如能夠有效管理越來越復雜的系統資源；能夠把硬體虛擬化，使得開發人員從繁忙的驅動程序移植和維護中解脫出來；能夠提供庫函數、驅動程序、工具集以及應用程序。與通用操作系統相比較，嵌入式操作系統在系統實時高效性、硬體的相關依賴性、軟體固態化以及應用的專用性等方面具有較為突出的特點。
嵌入式操作系統伴隨著嵌入式系統的發展經歷了四個比較明顯的階段：
第一階段：無操作系統的嵌入演算法階段，以單晶元為核心的可編程式控制制器形式的系統，具有與監測、伺服、指示設備相配合的功能。應用於一些專業性極強的工業控制系統中，通過匯編語言編程對系統進行直接控制，運行結束後清除內存。系統結構和功能都相對單一，處理效率較低，存儲容量較小，幾乎沒有用戶介面。
第二階段：以嵌人式CPU為基礎、簡單操作系統為核心的嵌入式系統。CPU種類繁多，通用性比較差；系統開銷小，效率高；一般配備系統模擬器，操作系統具有一定的兼容性和擴展性；應用軟體較專業，用戶界面不夠友好；系統主要用來控制系統負載以及監控應用程序運行。
第三階段：通用的嵌人式實時操作系統階段，以嵌入式操作系統為核心的嵌入式系統。能運行於各種類型的微處理器上，兼容性好；內核精小、效率高，具有高度的模塊化和擴展性；具備文件和目錄管理、設備支持、多任務、網路支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；具有大量的應用程序介面（APl）；嵌入式應用軟體豐富。
第四階段：以基於Intemet為標志的嵌入式系統。這是一個正在迅速發展的階段。目前大多數嵌入式系統還孤立於lnlemet之外，但隨著Intemet的發展以及Intemet技術與信息家電、工業控制技術等結合日益密切，嵌入式設備與Intemet的結合將代表著嵌入式技術的真正未來。
二、使用實時操作系統的必要性
嵌入式實時操作系統在目前的嵌入式應用中用得越來越廣泛，尤其在功能復雜、系統龐大的應用中顯得愈來愈重要。
1．嵌人式實時操作系統提高了系統的可靠性。在控制系統中，出於安全方面的考慮，要求系統起碼不能崩潰，而且還要有自愈能力。不僅要求在硬體設計方面提高系統的可靠性和抗干擾性，而且也應在軟體設計方面提高系統的抗干擾性，盡可能地減少安全漏洞和不可靠的隱患。長期以來的前後台系統軟體設計在遇到強干擾時，使得運行的程序產生異常、出錯、跑飛，甚至死循環，造成了系統的崩潰。而實時操作系統管理的系統，這種干擾可能只是引起若干進程中的一個被破壞，可以通過系統運行的系統監控進程對其進行修復。通常情況下，這個系統監視進程用來監視各進程運行狀況，遇到異常情況時採取一些利於系統穩定可靠的措施，如把有問題的任務清除掉。
2．提高了開發效率，縮短了開發周期。在嵌入式實時操作系統環境下，開發一個復雜的應用程序，通常可以按照軟體工程中的解耦原則將整個程序分解為多個任務模塊。每個任務模塊的調試、修改幾乎不影響其他模塊。商業軟體一般都提供了良好的多任務調試環境。
3．嵌入式實時操作系統充分發揮了32位CPU的多任務潛力。32位CPU比8、16位CPU快，另外它本來是為運行多用戶、多任務操作系統而設計的，特別適於運行多任務實時系統。32位CPU採用利於提高系統可靠性和穩定性的設計，使其更容易做到不崩潰。例如，CPU運行狀態分為系統態和用戶態。將系統堆棧和用戶堆棧分開，以及實時地給出CPU的運行狀態等，允許用戶在系統設計中從硬體和軟體兩方面對實時內核的運行實施保護。如果還是採用以前的前後台方式，則無法發揮32位CPU的優勢。從某種意義上說，沒有操作系統的計算機（裸機）是沒有用的。在嵌入式應用中，只有把CPU嵌入到系統中，同時又把操作系統嵌入進去，才是真正的計算機嵌入式應用。
三、嵌入式操作系統選型
當我們在設計信息電器、數字醫療設備等嵌入式產品時，嵌入式操作系統的選擇至關重要。一般而言，在選擇嵌入式操作系統時，可以遵循以下原則。總的來說，就是「做加法還是做減法」的問題。
（一）市場進入時間
制定產品時間表與選擇操作系統有關系，實際產品和一般演示是不同的。目前是Windows程序員可能是人力資源最豐富的。現成資源最多的也就可能是WinCE。使用WinCE能夠很快進入市場。因為WinCE+X86做產品實際上是在做減法，去掉你不要的功能，能很快出產品，但伴隨的可能是成本高，核心競爭力差。而某些高效的操作系統可能由於編程人員缺乏，或由於這方面的技術積累不夠，影響開發進度。
（二）可移植性
操作系統相關性。當進行嵌入式軟體開發時，可移植性是要重點考慮的問題。良好的軟體移植性應該比較好，可以在不同平台、不同系統上運行，跟操作系統無關。軟體的通用性和軟體的性能通常是矛盾的。即通用以損失某些特定情況下的優化性能為代價。很難設想開發一個嵌入式瀏覽器而僅能在某一特定環境下應用。反過來說，當產品與平台和操作系統緊密結合時，往往你的產品的特色就蘊含其中。
（三）可利用資源
產品開發不同於學術課題研究，它是以快速、低成本、高質量的推出適合用戶需求的產品為目的的。集中精力研發出產品的特色，其他功能盡量由操作系統附加或採用第三方產品，因此操作系統的可利用資源對於選型是一個重要參考條件。Linux和WinCE都有大量的資源可以利用，這是他們被看好的重要原因。其他有些實時操作系統由於比較封閉，開發時可以利用的資源比較少，因此多數功能需要自己獨立開發。從而影響開發進度。近來的市場需求顯示，越來越多的嵌入式系統，均要求提供全功能的Web瀏覽器。而這要求有一個高性能、高可靠的GUI的支持。
（四）系統定製能力
信息產品不同於傳統PC的Wintel結構的單純性，用戶的需求是千差萬別的，硬體平台也都不一樣，所以對系統的定製能力提出了要求。要分析產品是否對系統底層有改動的需求，這種改動是否伴隨著產品特色?Linux由於其源代碼開放的天生魅力，在定製能力方面具有優勢。隨著WinCE3.0原碼的開放，以及微軟在嵌入式領域力度的加強，其定製能力會有所提升。
（五）成本
成本是所有產品不得不考慮的問題。操作系統的選擇會對成本有什麼影響呢?Linux免費，WinCE等商業系統需要支付許可證使用費，但這都不是問題的答案。成本是需要綜合權衡以後進行考慮的——選擇某一系統可能會對其他一系列的因素產生影響，如對硬體設備的選型、人員投入、以及公司管理和與其他合作夥伴的共同開發之間的溝通等許多方面的影響。
（六）中文內核支持
國內產品需要對中文的支持。由於操作系統多數是採用西文方式，是否支持雙位元組編碼方式，是否遵循GBK，GBl8030等各種國家標准，是否支持中文輸入與處理，是否提供第三方中文輸入介面是針對國內用戶的嵌入式產品的必需考慮的重要因素。
上面提到用WinCE+x86出產品是減法，這實際上就是所謂PC家電化；另外一種做法是加法，利用家電行業的硬體解決方案（絕大部分是非x86的）加以改進，加上嵌入式操作系統，再加上應用軟體。這是所謂家電PC化的做法，這種加法的優勢是成本低，特色突出，缺點是產品研發周期長，難度大（需要深入了解硬體和操作系統）。如果選擇這種做法，Linux是一個好選擇，它讓你能夠深入到系統底層，如果你願意並且有能力。
四、幾種代表性嵌入式操作系統比較
（一）VxWorks
VxWorks操作系統是美國WindRiver公司於1983年設計開發的一種嵌入式實時操作系統（RTOS），是Tornado嵌入式開發環境的關鍵組成部分。良好的持續發展能力、高性能的內核以及友好的用戶開發環境，在嵌人式實時操作系統領域逐漸占據一席之地。
VxWorks具有可裁剪微內核結構；高效的任務管理；靈活的任務間通訊；微秒級的中斷處理；支持POSIX 1003．1b實時擴展標准；支持多種物理介質及標準的、完整的TCP/IP網路協議等。
然而其價格昂貴。由於操作系統本身以及開發環境都是專有的，價格一般都比較高，通常需花費10萬元人民幣以上才能建起一個可用的開發環境，對每一個應用一般還要另外收取版稅。一般不通供源代碼，只提供二進制代碼。由於它們都是專用操作系統，需要專門的技術人員掌握開發技術和維護，所以軟體的開發和維護成本都非常高。支持的硬體數量有限。
（二）Windows CE
Windows CE與Windows系列有較好的兼容性，無疑是Windows CE推廣的一大優勢。其中WinCE3.0是一種針對小容量、移動式、智能化、32位、了解設備的模塊化實時嵌人式操作系統。為建立針對掌上設備、無線設備的動態應用程序和服務提供了一種功能豐富的操作系統平台，它能在多種處理器體系結構上運行，並且通常適用於那些對內存佔用空間具有一定限制的設備。它是從整體上為有限資源的平台設計的多線程、完整優先權、多任務的操作系統。它的模塊化設計允許它對從掌上電腦到專用的工業控制器的用戶電子設備進行定製。操作系統的基本內核需要至少200KB的ROM。由於嵌入式產品的體積、成本等方面有較嚴格的要求，所以處理器部分佔用空間應盡可能的小。系統的可用內存和外存數量也要受限制，而嵌入式操作系統就運行在有限的內存（一般在ROM或快閃記憶體）中，因此就對操作系統的規模、效率等提出了較高的要求。從技術角度上講，Windows CE作為嵌入式操作系統有很多的缺陷：沒有開放源代碼，使應用開發人員很難實現產品的定製；在效率、功耗方面的表現並不出色，而且和Windows一樣佔用過的系統內存，運用程序龐大；版權許可費也是廠商不得不考慮的因素。
（三）嵌入式Linux
這是嵌入式操作系統的一個新成員，其最大的特點是源代碼公開並且遵循GPL協議，在近一年多以來成為研究熱點，據IDG預測嵌入式Linux將占未來兩年的嵌入式操作系統份額的50%。
由於其源代碼公開，人們可以任意修改，以滿足自己的應用，並且查錯也很容易。遵從GPL，無須為每例應用交納許可證費。有大量的應用軟體可用。其中大部分都遵從GPL，是開放源代碼和免費的。可以稍加修改後應用於用戶自己的系統。 有大量的免費的優秀的開發工具，且都遵從GPL，是開放源代碼的。有龐大的開發人員群體。無需專門的人才，只要懂Unix/Linux和C語言即可。隨著Linux在中國的普及，這類人才越來越多。所以軟體的開發和維護成本很低。優秀的網路功能，這在Internet時代尤其重要。穩定——這是Linux本身具備的一個很大優點。內核精悍，運行所需資源少，十分適合嵌入式應用。
支持的硬體數量龐大。嵌入式Linux和普通Linux並無本質區別，PC上用到的硬體嵌入式Linux幾乎都支持。而且各種硬體的驅動程序源代碼都可以得到，為用戶編寫自己專有硬體的驅動程序帶來很大方便。
在嵌入式系統上運行Linux的一個缺點是Linux體系提供實時性能需要添加實時軟體模塊。而這些模塊運行的內核空間正是操作系統實現調度策略、硬體中斷異常和執行程序的部分。由於這些實時軟體模塊是在內核空間運行的，因此代碼錯誤可能會破壞操作系統從而影響整個系統的可靠性，這對於實時應用將是一個非常嚴重的弱點。
（四）µC/OS一Ⅱ
µC/OS一Ⅱ是著名的源代碼公開的實時內核，是專為嵌入式應用設計的，可用於8位，16位和32位單片機或數字信號處理器（DSP）。它是在原版本µC/OS的基礎上做了重大改進與升級，並有了近十年的使用實踐，有許多成功應用該實時內核的實例。它的主要特點如下：
1．公開源代碼，容易就能把操作系統移植到各個不同的硬體平台上。
2．可移植性，絕大部分源代碼是用C語言寫的，便於移植到其他微處理器上。
3．可固化。
4．可裁剪性，有選擇的使用需要的系統服務，以減少斗所需的存儲空間。
5．佔先式，完全是佔先式的實時內核，即總是運行就緒條件下優先順序最高的任務。
6．多任務，可管理64個任務，任務的優先順序必須是不同的，不支持時間片輪轉調度法。
7．可確定性，函數調用與服務的執行時間具有其可確定性，不依賴於任務的多少。
8．實用性和可靠性，成功應用該實時內核的實例，是其實用性和可靠性的最好證據。
由於µC/OS一Ⅱ僅是一個實時內核，這就意味著它不像其他實時存在系統那樣提供給用戶的只是一些API函數介面，還有很多工作需要用戶自己去完成。
五、結束語
在嵌入式應用中，使用實時操作系統（RTOS）是當前嵌入式應用的一個特點，一種趨勢，也是單片機應用從低水平向高水平的一個進步。在實際的應用中，根據不同的要求和條件選擇合適的操作系統，使開發工作更容易，設計出更完美的嵌入式系統。
E. 現在大火的嵌入式實時操作系統，你都了解多少
嵌入式實時操作系統強調了什麼？
系統最大的特點當然是嵌入。嵌入就意味著它和硬體的聯系很強，對硬體的適配和依賴度都是很高的，對於系統移植的難易度也就成了評價嵌入實時系統的重要方面。嵌入式操作系統移植的目的是使嵌入式操作系統能在某個微處理器或微控制器上運行。比如VxWorks是商用操作系統的有很多API函數及相關技術支持，所以移植和二次開發比較容易，但是移植成本較高。嵌入還意味著對於小型的硬體要求，主要是面對實時產生的數據，在數據產生終端進行快速的運算。所以系統極其強調靈敏性和實時性。
另一個特點就是實時。對於實時性的要求，有很多種實現措施。我們一一道來。首先就是分區處理的思想。對於核心的功能劃分，使用戶信息和系統程序和運行分列在不同的區劃里，保證任務的有效有序運轉。其次， 任務管理是嵌入式實時操作系統的核心和靈魂，決定了操作系統的實時性能。它通常包含優先順序設置、多任務調度機制和時間確定性等部分。 嵌入式操作系統支持多任務，每個任務都具有優先順序，任務越重要，賦予的優先順序應越高。優先順序的設置分為靜態優先順序和動態優先順序兩種。靜態優先順序指的是每個任務在運行前都被賦予一個優先順序，而且這個優先順序在系統運行期間是不能改變的；動態優先順序則是指每個任務的優先順序(特別是應用程序的優先順序)在系統運行時可以動態地改變。 嵌入式操作系統支持多任務，每個任務都具有優先順序。任務調度主要是協調任務對計算機系統資源的爭奪使用。對系統資源非常匱乏的嵌入式系統來說，任務調度尤為重要，它直接影響到系統的實時性能。通常，多任務調度機制分為基於優先順序搶占式調度和時間片輪轉調度。
基於優先順序搶占式調度：系統中每個任務都有一個優先順序，內核總是將CPU分配給處於就緒態的優先順序最高的任務運行。如果系統發現就緒隊列中有比當前運行任務更高的優先順序任務，就把當前運行任務置於就緒隊列中，調入高優先順序任務運行。系統採用優先順序搶占方式進行調度，可以保證重要的突發事件及時得到處理。
時間片輪轉調度：讓優先順序相同的處於就緒狀態的任務按時間片使用CPU，以防止同優先順序的某一任務長時間獨佔CPU。
在一般情況下，嵌入式實時操作系統採用基於優先順序搶占式調度與時間片輪轉調度相結合的調度機制。
第三，在運行的執行方式上，VXworks等系統採用進程和線程的執行方式，而市面上其他的系統多採用任務執行方式。
嵌入式實時操作系統函數調用與服務的執行時間應具有可確定性。系統服務的執行時間不依賴於應用程序任務的多少。基於此特徵，系統完成某個確定任務的時間是可預測的。表1具體列出了4種操作系統的調度機制。
VxWorks具有高效的任務管理功能，它支持多任務，可分配256個優先順序，支持優先順序搶占式調試和時間片輪轉調度，實時性最好。μC／OS-II內核是針對實時系統的要求設計實現的，只支持基於固定優先順序搶占式調度；調度方法簡單，可以滿足較高的實時性要求。μClinux在結構上繼承了標准Linux的多任務實現方式，分為實時進程和普通進程，分別採用先來先服務和時間片輪轉調度；僅針對中低檔嵌入式CPU特點進行改良，且不支持內核搶占。eCos調度方法豐富，提供了兩種基於優先順序的調度器(即點陣圖調度器和多級隊列調度器)，允許用戶在進行配置時選擇其中一個凋度器，適應性好。
此外，還涉及到任務的中斷管理。
中斷管理是實時系統中一個很重要的部分，系統經常通過中斷與外部事件交互。主要考慮是否支持中斷嵌套、中斷處理機制、中斷延時等。
以VXwoks為例，xWorks操作系統中斷管理採用中斷處理與普通任務分別在不同棧中處理的中斷處理機制，使得中斷只會引發一些關鍵寄存器的存儲，而不會導致任務的上下文切換，從而極大地縮短了中斷延時。同時，VxWorks的中斷處理程序只能在最短時間內通告中斷的發生，而將其他的非實時處理盡量放入被引發的中斷服務程序中來完成，這也縮短了中斷延時。但是凼為中斷服務程序不在一個固定的仟務上下文中執行，而目沒有任務控制塊，所以所有中斷服務程序使用相同的中斷堆棧。為了能處理最壞情況下的中斷嵌套，必須分配足夠大的中斷堆棧空間。
因商業原因，不對其他新型嵌入式實時操作系統做分析。
·有哪些厲害的MPU實時操作系統？
1、VXworks
VxWorks 操作系統是美國WindRiver公司於1983年設計開發的一種嵌入式實時操作系統（RTOS），是嵌入式開發環境的關鍵組成部分。良好的持續發展能力、高性能的內核以及友好的用戶開發環境，在嵌入式實時操作系統領域占據一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域中，如衛星通訊、軍事演習、彈道制導、飛機導航等。在美國的 F-16、FA-18戰斗機、B-2 隱形轟炸機和愛國者導彈上，甚至連1997年4月在火星表面登陸的火星探測器、2008年5月登陸的鳳凰號，和2012年8月登陸的好奇號也都使用到了VxWorks上。
VxWorks操作系統有以下部件組成：
多任務調度（採用基於優先順序搶占方式，同時支持同優先順序任務間的分時間片調度）
任務間的同步
進程間通信機制
中斷處理
定時器和內存管理機制
總之，VxWorks的系統結構是一個相當小的微內核的層次結構。內核僅提供多任務環境、進程間通信和同步功能。這些功能模塊足夠支持VxWorks在較高層次所提供的豐富的性能的要求。
2、QNX
QNX是一種商用的遵從POSIX規范的類Unix實時操作系統，目標市場主要是面向嵌入式系統。它可能是最成功的微內核操作系統之一。
QNX成立於1980年，是加拿大一家知名的嵌入式系統開發商。
QNX的應用范圍極廣，包含了：控制保時捷跑車的音樂和媒體功能、核電站和美國陸軍無人駕駛Crusher坦克的控制系統[2]，還有RIM公司的BlackBerry PlayBook平板電腦。
3、Rtems
RTEMS, 即： 實時多處理器系統(Real Time Executive for Multiprocessor Systems)，是一個開源的無版稅實時嵌入操作系統RTOS。
它最早用於美國國防系統，早期的名稱為實時導彈系統（Real Time Executive for Missile Systems），後來改名為實時軍用系統（Real Time Executive for Military Systems），現在由OAR公司負責版本的升級與維護。無論是航空航天、軍工，還是民用領域RTEMS都有著極為廣泛的應用。
F. 嵌入式系統發展前景怎樣
計算機專業、復通信專業、電子信息工程制和電子技術等這些專業都是很適合向嵌入式方向發展的，至於嵌入式的發展前景，當然是非常的好，因為它在各個領域的應用都十分的廣泛，要具體了解嵌入式的發展現狀，華清遠見的嵌入式開發從業人員調查報告，LZ搜一下看看，對過去兩年整個嵌入式的發展情況剖析的很深刻，也很詳細。