鄭剛 任小鳳

摘要：隨著計算機軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展以及各行各業(yè)對于信息化需求的不斷激增，對于相關(guān)的計算機系統(tǒng)方面的研究逐漸成為了大家關(guān)注的焦點問題之一。鑒于此，該文選擇實時批量同步技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)為研究對象，針對相關(guān)問題進行了分析與探討。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，并對實時批量同步技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性進行了分析。希望該文的研究能夠為相關(guān)領(lǐng)域提供一些指導(dǎo)，可以為他們的實踐應(yīng)用提供一些新的方法和思路。

關(guān)鍵詞：實時批量同步技術(shù)；嵌入式系統(tǒng)；特點

中圖分類號：TP315文獻標(biāo)識碼：A文章編號：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(IEE)給出的定義是指：它是對機器、工廠或裝置進行控制盒監(jiān)視的大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)備。它包括如下特點：

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)模可以在很大的范圍內(nèi)進行變化；

第三，嵌入式系統(tǒng)對穩(wěn)定性和時間性的要求很高，因為在進行機器控制的過程中，一旦程序運行出現(xiàn)的錯誤都會使整個系統(tǒng)崩潰，更有甚者會造成很大的傷害；

第四，嵌入式系統(tǒng)是一個完全自動的操作循環(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)是計算機技術(shù)，通過對計算機硬件的裁剪，使系統(tǒng)可以在具體的運行過程中適應(yīng)專業(yè)的計算機系統(tǒng)的可靠性、體積、功耗能要求。并且在實際的應(yīng)用數(shù)量上嵌入式計算機比通用型計算機要多很多。一般情況型，通用型計算機的外部設(shè)備包括5-10個嵌入式微處理器，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、掃描儀、數(shù)碼相機、USB集線器等等都是通過嵌入式處理器在其中運行進行相應(yīng)的控制。并且嵌入式計算機在制造工業(yè)、通信、儀表、汽車、航空、軍事裝備、消費類產(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

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

1）嵌入式系統(tǒng)是一種多種技術(shù)相集合的產(chǎn)物。它主要集中了計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)以及相關(guān)的行業(yè)特色技術(shù)。以上各項技術(shù)的集合，可以有針對性的為各行業(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)的計算機行業(yè)中，幾乎超過百分之九十以上的市場容量被個人電腦所占據(jù)。而在目前市場上使用的個人電腦中，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)一時之間很難被打破。

而這一現(xiàn)象與嵌入式系統(tǒng)市場的情況形成了鮮明的對比，在嵌入式系統(tǒng)市場中沒有哪幾家公司可以在市場中稱霸，占據(jù)相對較大的市場份額，因此在整領(lǐng)域中，服務(wù)提供者眾多，競爭業(yè)相對較為激烈，同時對各企業(yè)的創(chuàng)新意識也提出一定的要求。

2）嵌入式系統(tǒng)一般情況下面對的是特定的用戶、產(chǎn)品或者應(yīng)用，因此具有一定的特殊性。這一特定性對與系統(tǒng)的CPU也提出了相應(yīng)的要求，基于個性化需求的嵌入式系統(tǒng)CPU顯然與通用型CPU相比，所強調(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，這是實際應(yīng)用過程中對于嵌入型系統(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來，這樣好能方便整個系統(tǒng)小型化設(shè)計的發(fā)展趨勢。

3）嵌入式系統(tǒng)的同步性。對于嵌入式系統(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間周期都較為長久。

4）嵌入式系統(tǒng)的存儲特點。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，而是存儲在存儲器芯片或被固化到單片機之中的。基于以上的特點，嵌入式系統(tǒng)對于相關(guān)的實時性、系統(tǒng)運行的可靠性提出了較高的要求，我們在實際過程中必須注意以上的特點。

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)存儲空間和位置的特點，決定了它在設(shè)計完成后，如果用戶有了其他新的需求后，不能利用嵌入式系統(tǒng)自身進行相關(guān)的修訂和完善。如果需要進行相關(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)工具才能對嵌入式系統(tǒng)進行修改和完善。

3嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)隨之計算機相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也經(jīng)歷了一個逐漸發(fā)展，逐漸完善的過程。從歷史發(fā)展的進程上來看，以往最為傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，它實際上不具有特定的操作系統(tǒng)。因此，從傳統(tǒng)的對于嵌入式系統(tǒng)的需求上看，傳統(tǒng)的需求只是為了實現(xiàn)某些實際中需要的特定功能，在這樣的需求下，利用相關(guān)簡單的循環(huán)控制就能實現(xiàn)。因此，不需要操作系統(tǒng)提供相關(guān)的平臺和環(huán)境。當(dāng)時與我們現(xiàn)在對于操作系統(tǒng)的定義顯然不一致，因為它沒有實際意義中的進程管理、通信功能、設(shè)備管理、存儲管理等功能。按照當(dāng)時的需求來分析，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，整個系統(tǒng)必須重新進行各項功能的設(shè)計、安排和調(diào)整，這樣操作往往進行了很多重復(fù)性的處理，因此整個系統(tǒng)的開發(fā)成本過高，系統(tǒng)的修改難度也隨之增大。

而C語言的出現(xiàn)打破了這一個格局，它使得操作系統(tǒng)開發(fā)變得更加的便捷和簡單。我們清楚的知道，Dennis M. Ritchie和Brian W. Kernighan利用C語言編寫出了著名的UNIX操作系統(tǒng)。它的出現(xiàn)對整個計算機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都起到了具體的促進和推動作用。而無疑C語言為嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)提供重要的工具和方法，提高了整個系統(tǒng)的利用效率。隨之C語言的不斷發(fā)展，從二十世紀(jì)八十年代開始，針對商業(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。針對這一領(lǐng)域進行了很多相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)。

4 Vxworks操作系統(tǒng)的特點

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

1）可靠性

對于一個操作系統(tǒng)而言，它的一個最重要的功能就是要為相關(guān)的用戶、軟件和應(yīng)用提供一個可靠的環(huán)境和操作平臺，讓他們在整個環(huán)境中，利用整個操作平臺實現(xiàn)相關(guān)的操作需求，從而達到特定的目的。因此，這對每個用戶都需要在一個相對穩(wěn)定的環(huán)境和操作平臺中進行相關(guān)特定的操作。這就對系統(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，自從推出以來給我國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系統(tǒng)進行相關(guān)特定功能的開發(fā)。自從Vxworks操作系統(tǒng)在我國銷售解禁以后，Vxworks操作系統(tǒng)的市場占有率持續(xù)增長，在實際使用過程中受到了各界用戶的一致好評。

2）實時性

實時性是指能夠在限定時間內(nèi)執(zhí)行完規(guī)定的功能并對外部的異步事件作出響應(yīng)的能力。實時性的強弱是以完成規(guī)定功能和作出響應(yīng)時間的長短來衡量的。VxWorks操作系統(tǒng)在這方面表現(xiàn)很出色，VxWorks操作系統(tǒng)在使用過程中對于相關(guān)進程的調(diào)用和協(xié)調(diào)進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、等待時間。從而為用戶降低了時間成本，在一定程度上提高了效率。VxWorks提供的多任務(wù)機制中對任務(wù)的控制采用了優(yōu)先級搶占(Preemptive Priority Scheduling)和輪轉(zhuǎn)調(diào)度(Round-Robin Scheduling)機制。這兩種機制如果可以充分的發(fā)揮作用，它們對于實時性的實現(xiàn)也提供了必要的保證，使同樣的硬件配置能滿足更強的實時性要求，為應(yīng)用的開發(fā)留下更大的余地，為實踐中相關(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)的用戶在實踐的過程中，使用操作系統(tǒng)時，多數(shù)情況下并不是對操作系統(tǒng)中的每一個部件就進行調(diào)用，僅僅調(diào)用一些針對特定需求的部件就可以實現(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，從而是它具備了高度的靈活性，用戶可以很容易地對這一操作系統(tǒng)進行定制或作適當(dāng)開發(fā)，來滿足自己的實際應(yīng)用需要。

5實時批量同步技術(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，而這一個要求要引起我們的重視。在這種情況下，如果采用實時同步技術(shù)，CPU就會一直被同步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，尤其是對交換機的性能的影響往往是至關(guān)重要的。而我們提出了實時批量同步技術(shù)就可以在一定程度上解決這一問題，不會讓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，保證其得到及時的處理。這也是我們提出實時批量同步技術(shù)的最主要的原因。

在實時批量同步技術(shù)實現(xiàn)的過程中，對ARP數(shù)據(jù)資源和一些全局的變量都做了信號量保護，實現(xiàn)了進程間的同步及互斥，避免在多個任務(wù)需要對同一數(shù)據(jù)進行操作時出現(xiàn)異常，從而確保整個系統(tǒng)的順暢性和完整性。

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