嵌入式系统全解析：一篇文章带你了解

嵌入式系统是指将计算机技术、控制技术和通信技术等应用于各种设备和产品中，实现特定功能或服务的系统。嵌入式系统通常由硬件、软件和外围设备组成，具有专用性、可靠性、实时性和低功耗等特点。嵌入式系统的应用领域非常广泛，涉及工业控制、消费电子、智能家居、医疗设备、航空航天、军事防务等多个领域。

嵌入式系统的核心是嵌入式操作系统，它是为嵌入式设备而设计的一种特殊的操作系统，提供了基本的系统服务和硬件驱动，支持多任务管理、内存管理、文件系统、网络协议栈、图形用户界面等功能。嵌入式操作系统的种类很多，根据不同的结构和特点，可以分为以下几类：

• 微内核操作系统：这类操作系统只在内核中实现最基本的功能，如任务调度、进程通信、中断处理等，其他的功能如文件系统、网络协议栈、图形用户界面等都以用户态的服务进程或模块的形式存在，通过消息传递的方式与内核交互。这类操作系统的优点是结构清晰、可扩展性强、容错性高，缺点是性能损失、开发难度大。代表性的微内核操作系统有QNX、Minix、L4等。
• 单内核操作系统：这类操作系统将所有的功能都集成在内核中，包括文件系统、网络协议栈、图形用户界面等，内核以特权态运行，直接访问硬件资源，提供系统调用的接口给用户态的应用程序。这类操作系统的优点是性能高、开发简单，缺点是结构复杂、可扩展性差、容错性低。代表性的单内核操作系统有Linux、Windows CE、VxWorks等。
• 混合内核操作系统：这类操作系统介于微内核和单内核之间，将一些重要的功能如文件系统、网络协议栈等集成在内核中，其他的功能如图形用户界面等以用户态的服务进程或模块的形式存在，通过系统调用或消息传递的方式与内核交互。这类操作系统的优点是结合了微内核和单内核的优势，平衡了性能和可扩展性，缺点是结构不够清晰、开发难度较大。代表性的混合内核操作系统有Windows NT、Symbian、Android等。
• 实时操作系统：这类操作系统是为满足实时性要求的嵌入式系统而设计的一种特殊的操作系统，能够在规定的时间内完成特定的任务，保证系统的可靠性和稳定性。实时操作系统通常采用优先级调度的策略，支持抢占式和非抢占式的调度方式，提供了丰富的同步和通信机制，如信号量、消息队列、事件标志、邮箱等。实时操作系统的种类很多，根据不同的实时性级别，可以分为以下几类：
• 硬实时操作系统：这类操作系统能够保证所有的任务都能在严格的截止时间之前完成，否则会导致灾难性的后果。硬实时操作系统通常采用抢占式的调度方式，具有微秒级的响应时间，适用于对实时性要求极高的领域，如航空航天、军事防务、工业控制等。代表性的硬实时操作系统有RTLinux、RTAI、VxWorks、QNX等。
• 软实时操作系统：这类操作系统能够保证大部分的任务都能在宽松的截止时间之前完成，偶尔的超时不会导致灾难性的后果，但会影响系统的性能和质量。软实时操作系统通常采用非抢占式的调度方式，具有毫秒级的响应时间，适用于对实时性要求较低的领域，如消费电子、智能家居、医疗设备等。代表性的软实时操作系统有Linux、Windows CE、Android等。
• 固定优先级操作系统：这类操作系统是一种特殊的软实时操作系统，它将所有的任务按照优先级的高低进行排序，总是让优先级最高的任务先运行，优先级相同的任务则采用时间片轮转的方式进行调度。固定优先级操作系统具有简单、高效、可预测的特点，适用于对实时性要求一般的领域，如嵌入式控制、通信等。代表性的固定优先级操作系统有FreeRTOS、uC/OS-II、eCos等。