实时批量同步技术与嵌入式系统探讨
时间：2020-10-19 07:51:38 来源：达达文档网 本文已影响 人 
摘要：随着计算机软硬件技术的不断发展以及各行各业对于信息化需求的不断激增，对于相关的计算机系统方面的研究逐渐成为了大家关注的焦点问题之一。鉴于此，该文选择实时批量同步技术与嵌入式系统为研究对象，针对相关问题进行了分析与探讨。文章首先回顾了嵌入式系统的概念，然后阐述了嵌入式系统的特点和嵌入式操作系统，然后阐述了Vxworks操作系统的相关概念，并对实时批量同步技术在嵌入式系统中应用的可行性进行了分析。希望该文的研究能够为相关领域提供一些指导，可以为他们的实践应用提供一些新的方法和思路。
关键词：实时批量同步技术；嵌入式系统；特点
中图分类号：TP315文献标识码：A文章编号：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嵌入式系统的含义
嵌入式系统在电气工程师协会(IEE)给出的定义是指：它是对机器、工厂或装置进行控制盒监视的大规模系统的设备。它包括如下特点：
第一，一般嵌入式系统与一般的办公设备或者是数据库的区别在于它只执行指定的功能；
第二，嵌入式系统的重要组成部分是微电脑和周边器件，而且它的规模可以在很大的范围内进行变化；
第三，嵌入式系统对稳定性和时间性的要求很高，因为在进行机器控制的过程中，一旦程序运行出现的错误都会使整个系统崩溃，更有甚者会造成很大的伤害；
第四，嵌入式系统是一个完全自动的操作循环系统。它是以具体的应用为核心的，是电脑软件与硬件的统一体，它的基础是计算机技术，通过对计算机硬件的裁剪，使系统可以在具体的运行过程中适应专业的计算机系统的可靠性、体积、功耗能要求。并且在实际的应用数量上嵌入式计算机比通用型计算机要多很多。一般情况型，通用型计算机的外部设备包括5-10个嵌入式微处理器，其中的键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数码相机、USB集线器等等都是通过嵌入式处理器在其中运行进行相应的控制。并且嵌入式计算机在制造工业、通信、仪表、汽车、航空、军事装备、消费类产品等方面都发挥了很大的作用。
2嵌入式系统的特点
嵌入式系统与以往其他系统相比具有很多特点，这些特点主要表现在以下几个方面：
1）嵌入式系统是一种多种技术相集合的产物。它主要集中了计算机技术、半导体技术以及相关的行业特色技术。以上各项技术的集合，可以有针对性的为各行业提供可靠的服务，它是集多种学科的集成产物。
我们知道，在传统的计算机行业中，几乎超过百分之九十以上的市场容量被个人电脑所占据。而在目前市场上使用的个人电脑中，其中的绝大部分电脑采用的又是Intel的x86体系结构。从目前芯片制造的行业来分析，整个行业中著名的也就是我们熟知的Intel, AMD, Cyrix等屈指可数的几家公司，这种行业的垄断状态一时之间很难被打破。
而这一现象与嵌入式系统市场的情况形成了鲜明的对比，在嵌入式系统市场中没有哪几家公司可以在市场中称霸，占据相对较大的市场份额，因此在整领域中，服务提供者众多，竞争业相对较为激烈，同时对各企业的创新意识也提出一定的要求。
2）嵌入式系统一般情况下面对的是特定的用户、产品或者应用，因此具有一定的特殊性。这一特定性对与系统的CPU也提出了相应的要求，基于个性化需求的嵌入式系统CPU显然与通用型CPU相比，所强调的就是特定服务的满足性。一般来说嵌入式系统CPU在外形体积上要比通用型CPU要小，这是实际应用过程中对于嵌入型系统的体积要求。虽然嵌入式系统CPU在外形体积上小，但是功能与传统的通用型CPU相比一点业不少，相反它还要集成通用型CPU不具备的功能，它要把许多由板卡上的功能也要集成进来，这样好能方便整个系统小型化设计的发展趋势。
3）嵌入式系统的同步性。对于嵌入式系统而言，它往往是与其提供特定的用户、产品或者应用相结合的整体。因此，作为一个整体而言，嵌入式系统产品的生命周期一般情况来说时间周期都较为长久。
4）嵌入式系统的存储特点。由于以上分析的嵌入式系统与产品的整体性，很多情况下嵌入式系统不是存贮在通用电脑的硬盘等载体中，而是存储在存储器芯片或被固化到单片机之中的。基于以上的特点，嵌入式系统对于相关的实时性、系统运行的可靠性提出了较高的要求，我们在实际过程中必须注意以上的特点。
5）嵌入式系统自身的开发能力较弱。由于嵌入式系统存储空间和位置的特点，决定了它在设计完成后，如果用户有了其他新的需求后，不能利用嵌入式系统自身进行相关的修订和完善。如果需要进行相关的修订和完善必须借助一套开发工具和环境，只有在外在的其他开发环境，使用特定的开发工具才能对嵌入式系统进行修改和完善。
3嵌入式操作系统
嵌入式操作系统随之计算机相关技术的发展也经历了一个逐渐发展，逐渐完善的过程。从历史发展的进程上来看，以往最为传统的嵌入式系统，它实际上不具有特定的操作系统。因此，从传统的对于嵌入式系统的需求上看，传统的需求只是为了实现某些实际中需要的特定功能，在这样的需求下，利用相关简单的循环控制就能实现。因此，不需要操作系统提供相关的平台和环境。当时与我们现在对于操作系统的定义显然不一致，因为它没有实际意义中的进程管理、通信功能、设备管理、存储管理等功能。按照当时的需求来分析，这种类型的嵌入式操作系统可以满足要求了，但是随着需求的不断激增，需求多样化的发展趋势日益明显，传统的这种类型的嵌入式操作系统已经出现的不适应性。这也就是嵌入式操作系统存在的最大问题。因此，对于嵌入式操作系统的创新研究就显得尤为重要，具有重要的意义。传统的嵌入式操作系统存如需修改或者增加一些特定的功能，整个系统必须重新进行各项功能的设计、安排和调整，这样操作往往进行了很多重复性的处理，因此整个系统的开发成本过高，系统的修改难度也随之增大。
而C语言的出现打破了这一个格局，它使得操作系统开发变得更加的便捷和简单。我们清楚的知道，Dennis M. Ritchie和Brian W. Kernighan利用C语言编写出了著名的UNIX操作系统。它的出现对整个计算机产业的发展都起到了具体的促进和推动作用。而无疑C语言为嵌入式系统的开发提供重要的工具和方法，提高了整个系统的利用效率。随之C语言的不断发展，从二十世纪八十年代开始，针对商业用嵌入式操作系统的研究逐渐成为了大家关注的焦点。针对这一领域进行了很多相关系统的开发。
4 Vxworks操作系统的特点
操作系统按照一定的维度可以进行适当的分类，例如如果以是否能够进行相关的实时性操作为维度进行操作系统的分类，操作系统可以分成以下两种类型。一种是分时操作系统，另外一种则是实时操作系统。而在实时操作系统中，Vxworks就是其中的一个重要成员。以Vxworks操作系统为代表的实时操作系统，其特点主要有可靠性、实时性、可裁减性等。具体来说如下：
1）可靠性
对于一个操作系统而言，它的一个最重要的功能就是要为相关的用户、软件和应用提供一个可靠的环境和操作平台，让他们在整个环境中，利用整个操作平台实现相关的操作需求，从而达到特定的目的。因此，这对每个用户都需要在一个相对稳定的环境和操作平台中进行相关特定的操作。这就对系统的稳定性提出的较高的要求。而Vxworks操作系统在稳定性方面表现出了优秀的特点，自从推出以来给我国的用户提供了大量的便捷。Vxworks操作系统不仅仅可以为用户提供问题的系统环境，还能够在其中使用各种工具对系统进行相关特定功能的开发。自从Vxworks操作系统在我国销售解禁以后，Vxworks操作系统的市场占有率持续增长，在实际使用过程中受到了各界用户的一致好评。
2）实时性
实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能并对外部的异步事件作出响应的能力。实时性的强弱是以完成规定功能和作出响应时间的长短来衡量的。VxWorks操作系统在这方面表现很出色，VxWorks操作系统在使用过程中对于相关进程的调用和协调进程间通信方面可以做出快速的反应，可以大大节省相关的系统相应、停止、等待时间。从而为用户降低了时间成本，在一定程度上提高了效率。VxWorks提供的多任务机制中对任务的控制采用了优先级抢占(Preemptive Priority Scheduling)和轮转调度(Round-Robin Scheduling)机制。这两种机制如果可以充分的发挥作用，它们对于实时性的实现也提供了必要的保证，使同样的硬件配置能满足更强的实时性要求，为应用的开发留下更大的余地，为实践中相关特定需求的满足提供的便利，创造了条件。
3）可裁减性
相关的用户在实践的过程中，使用操作系统时，多数情况下并不是对操作系统中的每一个部件就进行调用，仅仅调用一些针对特定需求的部件就可以实现修改和完善的功能。例如图形显示、文件系统以及一些设备驱动等相关的一些部件，在某些嵌入系统中往往并不经常使用。
VxWorks的体积很小，一般情况下，VxWorks的内核及一些可以根据需要进行定制的系统模块组成。VxWorks内核最小为8kB，即便加上其它必要模块，所占用的空间也很小，且不失多任务的系统特征。正是由于它具有这样的小巧特点，从而是它具备了高度的灵活性，用户可以很容易地对这一操作系统进行定制或作适当开发，来满足自己的实际应用需要。
5实时批量同步技术在嵌入式系统中应用的可行性
该文介绍的交换机的嵌入式操作系统VxWorks，其主要的结构是采用的多任务调度方式是抢占式的。交换机的在其中发挥的基本功能是数据转发，而ARP数据资源在整个过程中，尤其是在数据转发过程中有重要的作用，因此同步ARP数据资源的任务有较高的优先级，而这一个要求要引起我们的重视。在这种情况下，如果采用实时同步技术，CPU就会一直被同步ARP数据资源的任务占用，这就比然给资源的分配带来了一定的难度，尤其是对交换机的性能的影响往往是至关重要的。而我们提出了实时批量同步技术就可以在一定程度上解决这一问题，不会让ARP数据资源同步任务一直占用CPU，这样就保证其它任务可以获得CPU的资源，保证其得到及时的处理。这也是我们提出实时批量同步技术的最主要的原因。
在实时批量同步技术实现的过程中，对ARP数据资源和一些全局的变量都做了信号量保护，实现了进程间的同步及互斥，避免在多个任务需要对同一数据进行操作时出现异常，从而确保整个系统的顺畅性和完整性。
参考文献：
[1]徐超,何炎祥,陈勇,等.面向嵌入式系统的威胁建模与风险评估[J].计算机应用研究, 2012,29(3):826-828,846.
[2] Shi Wenhua, Xiong Yuanbo.Dimensions information presentation and color coding[J].embedded system user interface and interaction de sign research of mechanical manufacturing and automation,2012,41(1):123-125.
[3]李皓,郑衍松,庞九凤,等. EmBIOS:一种支持MSWindows的嵌入式系统BIOS设计[J].北京大学学报:自然科学版,2012,48(1):20-28.
[4]陈小娅.基于嵌入式系统点阵式LED显示屏数据输出速度优化分析[J].科技资讯, 2012(3):21-22.
[5] Continued bud.Based on the ARM920T Samsung S3C2440A[J].embedded system real time clock analysis and research of manufacturing industry automation,2012,34(5):99-101104.
[6] Silicon Labs.MCU显著延长无线嵌入式系统电池寿命[J].单片机与嵌入式系统应用,2012,12(2):87-88.
[7] Embedded Systems Association" embedded operating system present situation and the trend of" theme seminar end satisfactorily[J]. MCU and embedded system application,2012,12(1):75-75.
