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绵阳维博电子有限责任公司

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维博电子:监测产品中嵌入式实时操作系统的选择
发布时间:2019-07-09        浏览次数:748        返回列表

刘万山

(绵阳市维博电子有限责任公司,四川 绵阳 621000)

【摘要】:为在监测产品研发中能更好的选择嵌入式实时操作系统,从实用性、经济性、通用性等方面着手,描述了操作系统选择的各种限制因素,提出了前后台软件系统中融入实时操作系统的思路与解决方法。

【关键词】:监测产品;嵌入式操作系统;选择;前后台系统;实时性

0  引言

嵌入式系统是一门软硬件结合、覆盖广泛的应用与工程技术,按照IEEE的定义,其是一种软件与硬件的综合体,可以涵盖机电等附属装置。很显然,在电子技术高速发展的今天,从本质的定义来看,嵌入式系统无处不在,从基本的生活用品如电视机、电磁炉、电冰箱、洗衣机,到每天使用的智能手机、电脑等工业用品,再到汽车、高铁、飞机等交通工具、再到人造卫星、尖端武器等科技前沿产品,均早已离不开嵌入式系统[1]。

而嵌入式操作系统则是嵌入式系统逐步发展的产物,是运行于系统核心部件MCU或DSP中的一个具有任务调度、内存管理、通信服务等功能的内核软件系统。20世纪70年代末,嵌入式操作系统的商业产品开始在北美出现[1],鉴于其应用的广泛性及优越性,发展极为迅速,尤其是进入20世纪90年代后,其发展可以说是忽如一夜春风来,千树万树梨花开,鼎盛时期市面上存在着数百种之多。如今,经过市场的洗礼,真正流行开来的也尚有几十种,应用于不同行业,不同类型的系统当中。如μC/OS、RTX、FreeRTOS、Linux、VxWorks、μClinux、Android、WinCE等等。开发人员面对如此多的操作系统,哪一个才是产品研发佳的选择,尤其是在要求低成本、高实时的监测系统中,是否合适采用市面流行的操作系统,的确可以探讨。

1  操作系统的选用限制

监测产品通常包括模拟前端AD采样、数据处理与通信输出,其产品特点是,长期在线监测、实时性要求高,研发特点是,开发周期短、成本控制要求高,比如铁路系统用的道岔转辙机动作曲线监测产品,为了得到曲线的尖峰细节,要求采集系统具有很高的实时性,在很短的时间内完成数据的采样与处理。而新能源行业,如近年来兴起的充电桩电量计量产品,走的是招投标方式,一个需求下来,多个厂家都在竞争,产品的研发周期显得尤其重要。鉴于上述监测产品的固有特点与产品研发特点,在其研发过程中是否选用、选择何种嵌入式实时操作系统对一个企业来说,尤其重要,在选择中通常要着重考虑如下多个方面的因素。

1)对实时性的影响。一般智能监测产品多为单一货架化产品,该类产品功能一般并不复杂,但作为上位系统的采集前端,实时性是其关注的性能指标之一。引入操作系统要重点考虑MCU的适应性、上下文切换延迟时间、中断延迟时间、小节拍时间等,应根据系统的性能要求与MCU主频做出正确的选择,如在某些单片机系统中,小节拍时间只能做到ms级,对交流采样类产品的支持就显得实时性不足,此时就应选用能提供更小时间节拍的实时操作系统,或升级单片机,利用其软件触发AD采样与DMA功能与操作系统的有效配合。

2)对成本的影响。操作系统可以说是一个系统的管理内核,其运行始终是要占用系统资源的,势必会增加系统的软硬件开销,要综合评价采用操作系统带来的便利与成本增加的矛盾。但有个建议是,从长远来说,一个好的操作系统的成功引入,对研发是有继承性的,对一个新员工的软件研发进度与软件可靠性会有帮助,一定程度上增加了企业对产品性能的把控力度,从长远来说,降低了工程维护与客户维护成本,所以引入操作系统对产品成本的影响是要结企业研发人员情况而长远的考虑的。

3)产品特性的需求。某些系统级的项目,会存在特殊的系统配置要求,这也会影响到操作系统的选择,例如,如果系统要采用多处理器结构,好就不要采用VRTX,因为它不支持多处理器结构;如果系统需要较强的网络功能,建议选用VxWorks,因为它早将TCP/IP协议实现到实时操作系统中,并且提供了丰富的协议栈[2]。产品特性的需求还包括另一方面,如一个监测系统中的通信分机产品,要处理来自前端的多个采集单元的数据,并实现协议转换及数据格式化,其实时性较采集单元有所宽松,但数据吞吐量大,任务多,且有一定的网络要求,该类产品在系统中的作用非常突出,但通常量不会很多,成本接受度较高,可采用Linux或VxWorks操作系统[3];而某些前端采集单元,用量很大,成本十分关键,则可以考虑选用μC/OS等可较小移植的操作系统[4],实际上,该类产品更多的是选择企业自己的前后台系统,因为在简单应用下,前后台系统的响应可能比实时操作系统更快。

4)软件的通用性。如引言所述,嵌入式操作系统是一个不断发展中的产品,某些产品已处于衰退期。选择的实时操作系统应当为当下或预期流行的软件,这样会有软好的技术支持,有较为丰富的技术资源,便于产品的继承发展,客户交流,技术合作等。

2  前后台系统中的操作系统思想

学习和选用嵌入式实时操作系统为重要的一点是要理解操作系统思想,实事求是,做到优的平衡。操作系统之所以形成,是因为电子系统的任务增多,管理功能复杂化,简单的前后台系统变得不可控。 而操作系统的主要思是采用即定的系统节拍实现多任务调度,这样做的目的是让系统内核之外层的任务应用变得明晰,更容易控制。前后台系统和实时系统并不是对立的,实时系统也不是说越快越好,而是说系统在规定的时间能完成预期要完成的任务。实时系统也可以通过前后台系统实现。

因此,在一些低成本、高实时的前端采集单元设计上,在前后台软件系统中,融入实时操作系统思想是一种非常不错的选择,这也是监测产品操作系统选择的一种明智思路。理解实时操作系统的思想,并应用于一般前后台系统中去,会让处理较为复杂任务的系统变得思路明晰,结构严谨,而又没有付出操作系统额外的成本代价。比如,一个系统中有多个任务,有4ms周期的,有30ms周期的,有100ms周期的,250ms周期的等等,如果每一个任务都做一个中断去响应或在主程中做延时处理,这是简单的前后台思想,但如果开设一个1ms的系统节拍,定时设置各个任务的执行标志与优先级,这个系统的可控性就会变得更好,就具备一定操作系统的思想方法了。

实现这类带有操作系统思想的前后台系统,相当于自制企业的实时操作系统,这需要有丰富工作经验且逻辑思路清晰的工程师,在深入理解操作系统原理的基础上实现,具体软件功能要求以符合企业产品要求为准,符合企业应用的就是优的方案,这类软件系统的应用同样具有一定的继承性,对企业来说,其效果通常会优于移植市面的实时操作系统。

3  结束语

监测产品是存在于工业过程的方方面面,产品可以是单一的货架形式,亦可以是复杂的系统级订制产品,工程上对各个部件产品的成本、研发周期要求也大不一样,对于这类产品,引入嵌入式实时操作系统需要综合考虑各种情况,以实现优的性价比。可以说引入操作系统是一种手段,真正为重要的是软件人员要有实进操作系统的思想。


参考文献:

[1] 何小庆.嵌入式操作系统风云录:历史演进与物联网未来[M]. 机械工业出版社,2016.10.

[2] 武强. 选择嵌入式实时操作系统应注意的几个问题 [J] .航空计算技术, 2002,32(3):90-92.

[3] 郁发新. 常用嵌入式实时操作系统比较分析 [J]. 计算机应用, 2006, 26(4): 761-764.

[4] JeanJ.Labrosse. 嵌入式实时操作系统μc/OS-Ⅱ[M]. 北京航空航天大学出版社 , 2012.

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