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嵌入式研究简介

2019-07-12 20:52发布

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            嵌入式研究简介 （操作系统课程论文）                                                                      西安电子科技大学软件学院 黎建文         摘要： 随着嵌入式技术的发展，对嵌入式的研究呈现出新的特点。本文对嵌入式移动数据库，嵌入式Linux，嵌入式Internet作简单的介绍。 关键字： 嵌入式移动数据库，嵌入式Linux，嵌入式Internet 引言： 从上世纪70年代单片机的出现到今天各种嵌入式微处理器，微控制器的广泛使用，对嵌入式的研究已有很长的时间。随着信息技术对社会各行各业的渗透和数字化产品的普及，以计算机技术，芯片技术和软件技术为核心的嵌入式系统再度成为当前研究和应用。用户对嵌入式产品处理数据能力的要求越来越高，简单的数据管理程序已无法满足用户的要求，嵌入式移动数据库应运而生。随着嵌入式系统功能越来越强大，结构越来越复杂，设计和开发人员要摆脱对硬件底层的管理，将更大的精力投入到上层应用，需要有操作系统对机器进行管理。而嵌入式Linux由于具有多方面的优势，得到了广泛的应用。网络技术的迅猛发展，信息家电构想的一步步走向实现，嵌入式系统与Internet的紧密结合，是嵌入式技术的真正未来。本文对嵌入式移动数据库，嵌入式Linux，嵌入式Internet作简单的介绍。     一嵌入式系统简介[1] 嵌入式系统被定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软，硬件可裁剪，适用于系统对功能，可靠性，成本，体积，功耗有严格要求的专用计算机系统，一般由嵌入式微处理器，外围硬件设备，嵌入式操作系统及用户的应用程序4部分组成，用于实现对其他设备的控制，监视或管理等功能。 由于嵌入式系统是以应用为中心的专用系统，有着与通用计算机不同的特点，主要表现在以下方面：（1）采用功耗低，体积小，集成度高的嵌入式CPU（2）与具体应用有机地结合，升级换代与具体产品保持同步。（3）软件一般固化在存储器芯片或单片机中。（4）软硬件都必须高效地设计，去除冗余。（5）本身不具备自举开发能力，必须有一套开发工具和环境才能开发。 到目前为止，嵌入式系统的发展大致经历了以下四个阶段[2]：（1）无操作系统阶段。系统结构和功能相对单一，大多是基于单片机的简单程序；（2）简单操作系统阶段。系统越趋复杂，功能越趋强大，各种嵌入式操作系统开始出现并迅速发展，用于监控系统负载以及监控应用程序的运行；（3）实时操作系统阶段。嵌入式操作系统的实时性越来越强，应用也越来越广泛，高度方便了嵌入式系统的设计和开发；（4）面向Internet阶段。   二嵌入式移动数据库 1 背景[3]                                                                   随着嵌入式技术的空前发展和移动通信技术的进步，简单的数据管理程序已无法满足大量的，高效的，可靠的数据存取操作，必须依靠嵌入式数据库的支撑，才能满足用户日益增长的需求。由于嵌入式数据库大多数应用在移动设备上，为“无所不在”移动计算提供支撑，嵌入式数据库也常被叫做嵌入式移动数据库。 2 嵌入式移动数据库 嵌入式数据库[4]通常是与嵌入式操作系统及具体的应用集成在一起，无需独立运行数据库引擎，由程序直接调用响应的API就可以对数据的存取操作。典型的嵌入式数据库有SQLite，Birkeley DB，Firebird。嵌入式系统的开发环境决定了嵌入式数据库具有：体积尽可能小，功能完备，可移植，开源的特点。 3重要技术[5] 为了实现嵌入式移动数据库，必须解决移动计算环境中断接性、移动性、网络通信的不对称性等因素对移动数据库系统的影响。解决这些问题的重要技术主要有： （1）数据复制与缓存。维护多个复制节点数据状态的一致性，复制协议主要分为严格一致协议与弱一致协议。 （2）数据广播。利用客户机与服务器通信的不对称性，以周期性广播的形式向客户机发送数据。针对数据广播的研究分为服务器方面和客户机方面。 （3）位置相关查询优化。在传统分布式数据库查询优化技术基础上，利用多种方法，消除带宽多样性，断接等的影响，使得查询引擎可根据当前网络条件采取适当的优化策略。同时，合理组织本地数据库管理，远程数据库访问等耗电多的操作。 （4）移动事务处理。移动事务具有移动性，长事务，易错性，异构性等特点，传统的ACID模型已不能很好的描述移动事务，需要为其寻找更好的模型。维护数据的一致性和解决过去切换问题是移动事务管理的重要任务。 （5）移动Agent技术。基于移动Agent嵌入式移动数据库改革了传统的远程查询数据库的SQL查询方法，把查询任务存储到一个可通过网络进行移动的Agent上，Agent将移动到服务器上，执行查询并做结论，然后返回到用户并打印结果。在这个过程中，把查询任务分解为单个的查询方法，而这些指令在网络上的合适地点会被唤醒并执行。通过将移动Agent技术引入嵌入式移动数据库中，有助于实现嵌入式移动数据库查询优化。   三嵌入式Linux 1 背景[6]   在使用MCU设计嵌入式系统的初期，由于硬件的限制，使得不能在一个嵌入式系统上运行一个操作系统，任何对CPU，RAM等硬件的管理都必须由程序员写程序解决，集成电路技术的发展给运行嵌入式操作系统提供了物质保障，出现了Windows CE，VxWorks，嵌入式Linux（μCLinux，RTLinux）等多种嵌入式操作系统。嵌入式操作系统跟通用操作系统相比有如下特点：微型化，可裁剪，实时性，高可靠性，易移植性。 2 嵌入式Linux Linux操作系统的发展历程笔者不用多言。目前主流的嵌入式Linux操作系统都是对传统的Linux进行改造得到的。Linux天生具有成为嵌入式操作系统的优势[7]，主要体现在：（1）低成本开发系统；（2）可应用于多种硬件平台；（3）可定制的内核；（4）性能有异；（5）良好的网络支持；（6）优秀的开发工具 目前，主流的嵌入式Linux系统主要有：RTLinux，μCLinux等。   3 重要技术     当前已出现了大批基于嵌入式Linux的产品，嵌入式Linux占了很大的市场份额，但离市场更深远的需求仍有一段距离，目前的研究主要针对这几个方面： （1）提高系统实时性。Linux原本是一个通用性操作系统，实时性并不高，即便经过改造，也只是满足某个范围内的实时要求，还有许多缺陷，如在运行内核线程时中断被关闭，分时调度策略存在时间上的不确定性，缺乏高精度的计时器等。提高系统实时性是嵌入式Linux深化应用亟待解决的问题。 （2）改善内核结构。Linux内核一向因为采用了整合了宏内核和微内核的整体内核而备受称赞。但是由于嵌入式环境的限制，嵌入式系统更趋于采用微内核的结构。因此，要对Linux内核进行小型化改造。 （3）完善集成开发平台。在字符界面下，强大的GCC,GDB可提供良好的开发环境，包括交叉编译，链接。但是与WindowsCE等商业嵌入式操作系统下的开发环境相比，劣势相当明显。因此，开发可视化，可定制的开发平台大有可为。  根据笔者的理解，笔者还认为在以下两方面是大有可为的： （1）改造X-windows。在PC端Linux相对于MS-windows的一大劣势是Linux运行在用户空间的x-windows绘图质量比不上置于内核空间的MS-windows的图形引擎。在PDA，掌上电脑等嵌入式应用（也是Windows CE的用武之地）中，图形界面是必须的。改造X-windows，使其体积更小，绘图质量更好，笔者认为也是一大研究方向。 （2）开发上层应用程序。由于各种技术因素，商业因素，Linux上的上层应用软件无论从数量上，还是质量上，都比不上MS-windows。需要用到嵌入式操作系统的，一般都是相对复杂的系统，功能要求比较高，需要大量上层应用程序的支撑。   四嵌入式Internet 1 背景[8] 各种嵌入式系统已经得到及其广泛的应用，但大部分系统都是与外界独立的，或者只是简单地连入一些MCU组成的网络，与Internet的发展极不相称。 如何将嵌入式系统接入Internet，实现嵌入式系统与Internet的通信与数据共享，是当前嵌入式技术发展的一大趋势。   2 嵌入式Internet 所谓嵌入式Internet，顾名思义，就是通过特定的网络接口与网络协议，将嵌入式系统接入到Internet，从而实现嵌入式系统与Internet的通信与数据共享。   3 关键技术    Internet上面的各种通信协议对于计算机存储器，运算速度等的要求比较高，而一般的嵌入式系统达不到这样的要求。这是嵌入式Internet发展的主要障碍。 目前主要针对以下几个方面研究：    （1）兼容Internet的协议，处理嵌入式系统接入Internet的方式        （a）单片机+硬件协议芯片+以太网接口控制芯片。 （b）代理方式。通过轻量型网络技术（如RS223,RS485,CAN总线）等将多个嵌入式设备接入作为代理的PC，利用PC与外部Internet通信。 （c）高性能CPU+实时操作系统+以太网接口控制芯片。 （d）采用GPRS[9]。利用嵌入到产品里的GPRS网络移动台（MS）与Internet上的主机通信。 （e）Webit方式[10]。将MCU和以太网控制器集成到一块小板卡上，将它装入到嵌入式系统中可以完成嵌入式系统与Internet网的连接。    （2）增加中间层协议或改造TCP/IP协议        （a）如emWare公司开发的EMIT。EMIT由协议emNet与嵌入式网关emGateway组成。emNet协议运行在MCU内部，嵌入式网关接入Internet，系统通过emNet与emGateway相连。        （b）对TCP/IP协议进行裁剪[11]。裁剪后的TCP/IP协议栈能够运行在低速的MCU上。   五结束语      对嵌入式的研究正轰轰烈烈地开展，相信嵌入式移动数据库，嵌入式Linux，嵌入式Internet将在嵌入式领域引发一场革命，各种基于嵌入式移动数据库，嵌入式Linux，嵌入式Internet的产品将如雨后春笋般涌现。                                                                     六参考文献 [1] 嵌入式系统及其开发应用》沈连丰宋铁成叶芝慧等 电子工业出版社 2005年7月 [2]《走进嵌入式Linux世界》肖文鹏 CSDN文档中心 http://dev.csdn.net/article/33/33453.shtm [3]《嵌入式数据库应用现状及发展趋势》 嵌入式在线http://www.mcuol.com/Tech/114/952.htm [4]《嵌入式数据库典型技术―SQLite和Berkeley DB的研究》 中国论文下载中心http://www.studa.net/yingyong/070514/17251450.html [5]《嵌入式移动数据库应用研究》    中国DSP网http://www.chinadsp.cn/Article/ShowArticle.asp?ArticleID=179 [6]《嵌入式实时操作系统μC/ OS-II原理及应用》任哲 北京航空航天大学出版社 2006年4月 [7]《嵌入式Linux应用程序开发详解》华清远见嵌入式培训中心孙琼    人民邮电出版社 2006年7月 [8]《嵌入式Internet技术及其应用》中国单片机公共实验室(BOL)    http://www.goodic.com/embedsys/2.htm [9]《基于GPRS的嵌入式Internet设备》    机电专业技术网http://www.jdzyjs.com/dianqi/dpj/1354.html [10]《四种嵌入式 Internet 实现方式》上海大学刘锬    计算机世界网http://www2.ccw.com.cn/06/0630/b/0630b13_3.html [11]《基于嵌入式TCP/IP软件体系结构的优化设计与实现》 51电子网 http://www.51dzw.com/EmbedPage/2007-4-23/2007-4-232946.html

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