王飛躍 吳朝暉

王飛躍
---- 研究員，博士生導師。1990年畢業(yè)于美國倫瑟利爾理工學院電機、計算
機與系統(tǒng)工程系，獲博士學位。后擔任美國亞利桑那大學系統(tǒng)與工業(yè)工程系
終身教授。1999年9月入選國家 “引入國外杰出人才”計劃回國，創(chuàng)建中科
院自動化研究所智能控制與系統(tǒng)工程中心并任主任?，F(xiàn)已發(fā)表并主編研究專
著近20卷、論文60余篇。主要研究方向為：大型綜合項目的研究開發(fā)以及系
統(tǒng)的產品化方面包括智能交通系統(tǒng)、智能車輛安全與自動化系統(tǒng)開發(fā)、網(wǎng)上
實驗室及其應用、高容量高性能磁帶機的機電一體化設計與開發(fā)等；基礎理
論研究方面包括語言動力學的計算理論、復雜系統(tǒng)的控制機制、智能交通系
統(tǒng)的先進控制與優(yōu)化方法、系統(tǒng)的動力學與控制等；基礎技術研究方面包括
微電子芯片設計及ASIC、SOC、SOPL設計以及內嵌實時操作系統(tǒng)。

 

吳朝暉
---- 教授，博士生導師。現(xiàn)在浙江大學計算機系統(tǒng)工程研究所常務副所長、
計算機科學與工程系副主任。曾任德國國家人工智能中心DFKI和法國科學院
CNRS客座研究員。擔任中國智能CAD/CAM委員會理事、蠅國計算機學會前沿科
技論壇理事、中國智能軟件協(xié)會理事。多年來主要從事人工智能、嵌入式系
統(tǒng)、軟件、CSCW工程等領域的研究和開發(fā)工作，開辟協(xié)同質量管理和智能多
媒體表現(xiàn)的研究方向，填補了國內空白，提出并研制基于工作流的應用軟件
集成平臺，采用該平臺開發(fā)的項目產生了巨大的經濟效益。承擔和主持國家
科研項目20余項，發(fā)表論文70余篇。


EOS走向應用特制
----1．何為嵌入式系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)
----Internet與網(wǎng)絡的迅速普及應用，并向家庭領域不斷擴展，使消費電子
、計算機、通信（3C）一體化趨勢日趨明顯，嵌入式系統(tǒng)再度成為研究與應
用的熱點。
----嵌入式系統(tǒng)被描述為：以應用為中心，軟硬件可裁減的，適應應用系統(tǒng)
對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。
嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應用軟
件系統(tǒng)等組成，它是集軟硬件于一體的可獨立工作的“器件”。嵌入式處理
器主要由一個單片機或微控制器（MCU）組成。相關支撐硬件包括顯示卡、存
儲介質、通信設備、IC卡或信用卡讀取設備等。
----嵌入式操作（real-time embedded operating system,RTOS 或EOS）是
一種實時的、支持嵌入式系統(tǒng)應用的操作系統(tǒng)軟件，它是嵌入式系統(tǒng)（包括
硬、軟件系統(tǒng)）極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關的底層驅動軟件
、系統(tǒng)內核、設備驅動接口、通信協(xié)議、圖形界面。標準化瀏覽器Browser等
。目前，嵌入式操作系統(tǒng)的品種較多，據(jù)統(tǒng)計，僅用于信息電器的嵌入式操
作系統(tǒng)就有40種左右，其中較為流行的主要有： Windows CE、Palm OS、Re
al-Time Linux、VxWorks、pSOS、PowerTV以及Microware 公司的OS-9。與通
用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關依賴性
、軟件固態(tài)化以及應用的專用性等方面具有較為突出的特點。
----2．面向Internet的、特定應用的嵌入式操作系統(tǒng)是重要發(fā)展趨勢嵌入式
操作系統(tǒng)伴隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展經歷了三個比較明顯的階段：
----(1) 無操作系統(tǒng)的嵌入算法階段
----這一階段的嵌入式系統(tǒng)是以可編程控制器的形式、以單芯片為核心的系
統(tǒng)，同時具有與一些監(jiān)測、伺服、指示設備相配合的功能。這種系統(tǒng)大部分
應用于一些專業(yè)性極強的工業(yè)控制系統(tǒng)中，一般沒有明顯的被稱為操作系統(tǒng)
（RTOS）的支持，而是通過匯編語言編程對系統(tǒng)進行直接控制，運行結束后
清除內存。這一階段系統(tǒng)的主要特點是系統(tǒng)結構和功能都相對單一，針對性
強，但無操作系統(tǒng)支持，幾乎沒有用戶接口。
----(2) 簡單監(jiān)控式的實時操作系統(tǒng)階段
----這一階段的嵌入式系統(tǒng)主要以嵌入式處理器為基礎、以簡單監(jiān)控式操作
系統(tǒng)為核心。系統(tǒng)的特點是處理器種類繁多，通用性比較弱；系統(tǒng)開銷小，
效率高；系統(tǒng)一般配備系統(tǒng)仿真器，具有一定的兼容性和擴展性；操作系統(tǒng)
的用戶界面不夠友好，其主要用來控制系統(tǒng)負載以及監(jiān)控應用程序運行。
----(3) 通用的嵌入式實時操作系統(tǒng)階段
----以通用型嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）為標志的嵌入式系統(tǒng)。如VxWork
s、pSOS、OS-9、Windows CE就是這一階段的典型代表。這一階段系統(tǒng)的特點
是能運行在各種不同類型強大的微處理器上；具有強大的通用型操作系統(tǒng)的
功能，如具備了文件和目錄管理、多任務、設備支持、網(wǎng)絡支持、圖形窗口
以及用戶界面等功能；具有大量的豐富的應用程序接口（API）和嵌入式應用
軟件豐富。
----伴隨著通用型嵌入式實時操作系統(tǒng)的發(fā)展，一個以面向 Internet網(wǎng)絡的
、特定應用的嵌入式操作系統(tǒng)正日益引起人們的重視，成為極為重要的發(fā)展
方向。嵌入式系統(tǒng)與Internet的真正結合、嵌入式操作系統(tǒng)與應用設備的無
縫結合代表著嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展的真正未來。
----3．需要面向應用、專用特制的新一代嵌入式操作系統(tǒng)
----在工業(yè)控制及其他相關領域的長期應用與商業(yè)競爭中已逐漸形成了一些
較為成功的嵌入式操作系統(tǒng)，其中主流的嵌入式操作系統(tǒng)有Windows CE、 P
alm OS、Embedded Linux、VxWorks、pSOS及OS-9等。我們通過對這些系統(tǒng)進
行分析認為，它們雖然提供了較為強大的類似于桌面操作系統(tǒng)的功能，但針
對嵌入式系統(tǒng)的特征與特性而言，其共同的缺點是缺乏應用的高效性，網(wǎng)絡
連接功能較差，系統(tǒng)對應用程序開發(fā)支持相對較弱，因此，迫切需要面向應
用的、專用特制的新一代嵌入式操作系統(tǒng)。
----微軟公司的Windows CE是一個較具代表性的、由桌面操作系統(tǒng)演變而成
的實時嵌入式操作系統(tǒng)。它是精簡的Windows 95，從技術的角度來說，并不
能算是優(yōu)秀的RTOS。首先，RTOS非常注重個性化，而Windows CE是非開放性
OS，使第三方很難實現(xiàn)產品的定制；其次，RTOS追求高效、節(jié)能，而Window
s CE在這方面是笨拙的，占用過多的RAM，應用程序龐大；第三，Windows C
E在內核結構的設計中并未考慮適應系統(tǒng)的高度可裁減性的要求。
----3Com公司的Palm OS是掌上電腦市場中較為優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)，是針
對這一市場專門設計的系統(tǒng)，它有開放的操作系統(tǒng)應用程序接口(API)，支持
開發(fā)商根據(jù)需要自行開發(fā)所需的應用程序，具有十分豐富的應用程序。從技
術層面上講， Palm OS是一套專門為掌上電腦開發(fā)的操作系統(tǒng)，具有許多Wi
ndows CE無法比擬的優(yōu)勢，是一個面向個人信息輔助應用的操作系統(tǒng)范例，
它表明了特定應用的嵌入式操作系統(tǒng)是這一領域的研究熱點與方向。
----目前各種嵌入式Linux操作系統(tǒng)正迅速發(fā)展，已經形成了能與Windows C
E等嵌入式操作系統(tǒng)進行有力競爭的局面。嵌入式Linux操作系統(tǒng)的迅速崛起
，主要由于人們對自由軟件的渴望與嵌入式系統(tǒng)應用的特制性，要求提供系
統(tǒng)源碼層次上的支持，而嵌入式Linux正適應了這一需求，它不僅具有開放源
代碼，系統(tǒng)內核小、效率高、內核網(wǎng)絡結構完整，裁減后的系統(tǒng)很適于如信
息家電等嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。
----VxWorks、pSOS和OS-9是傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)領域中應用最廣泛、市場占
有率較具優(yōu)勢的幾個系統(tǒng)。它們是專門為嵌入式微處理器設計的高模塊化、
高性能的實時操作系統(tǒng)，廣泛應用于高科技產品中，包括消費電子設備、工
業(yè)自動化、無線通信產品、醫(yī)療儀器、數(shù)字電視與多媒體設備，具有很好的
安全性、容錯性以及系統(tǒng)靈活性。雖然它們都提供專有的API接口，但并不適
用現(xiàn)在的許多應用需要，迫切需要在系統(tǒng)級整合改造并支持應用特制的性能
，即在定制的或商品化的硬件上提供高性能和高可靠性系統(tǒng)服務，將操作系
統(tǒng)的功能和內存需求定制成每個應用所需的系統(tǒng)，在此基礎上來實現(xiàn)從簡單
的單個獨立設備到復雜的、網(wǎng)絡化的、多處理器的嵌入式系統(tǒng)。

ASOS概念
----特定應用的嵌入式實時操作系統(tǒng)（application specific operating s
ystems，ASOS）是指面向應用的、專用特制的嵌入式實時操作系統(tǒng)。它除具
有基本的處理多任務、文件及設備驅動的操作系統(tǒng)功能之外，還具有如下系
統(tǒng)特性：
面向特定應用的簡化型系統(tǒng)調用接口，專門支持一種或一類嵌入式應用；
最小內核處理集，系統(tǒng)開銷小，運行效率高，并可用于各種非計算機設備；

可伸縮性、可裁減的系統(tǒng)體系結構，提供多層次的系統(tǒng)體系結構；
具有各種即插即用的設備驅動接口；
具有網(wǎng)絡如Internet或無線接入功能，提供TCP/UDP/IP/PPP協(xié)議支持及統(tǒng)一
的 MAC 訪問層接口，為各種移動計算設備預留接口。
----ASOS與通用型RTOS相比較，至少有以下差別：
ASOS更強調面向應用的功能專用性，如面向某一（組）應用的高可靠性的部
分功能集，而并不像RTOS的系統(tǒng)通用性與系統(tǒng)資源可配置性；
ASOS更強調面向應用的實時高性能，而并不像RTOS強調的系統(tǒng)整體效率；
ASOS更強調系統(tǒng)結構的可伸縮性和可裁減性，一個極典型的例子是傳真機操
作系統(tǒng)（OS for FAX Machine）；
ASOS更強調與Internet的連接，特別是無線接入接口。

ASOS體系結構
----ASOS的系統(tǒng)結構是一個可伸縮、可裁減的，提供多層次的、功能對象化
的系統(tǒng)體系結構。多層次的構造有利于操作系統(tǒng)的系統(tǒng)功能規(guī)整和可伸縮性
；面向對象的系統(tǒng)功能劃分有利于系統(tǒng)的裁減與增添。
----1．層次化的、可伸縮性的體系結構
----ASOS的一個較為理想的概念模型是4層體系結構，即硬件接口層（hardw
are interface layer）、內核層(kernel layer)、系統(tǒng)層(system layer)、
系統(tǒng)服務接口層(system server layer)，如圖1所示。
----各層的主要功能如下：
----硬件接口層 提供與嵌入式硬件系統(tǒng)的接口。
----內核結構層 系統(tǒng)內核精小，控制在非常小的代碼（如 10KB）以內，能
運行在多種嵌入式處理器構架上。內核針對應用提供幾種最基本的操作，如
系統(tǒng)時鐘、電源管理、程序裝載與運行、進程/線程調度、內存管理等。應提
供一個實時系統(tǒng)所需要的基本要素，如實現(xiàn)多任務、由優(yōu)先級驅動的急者優(yōu)
先式調度方法和快速現(xiàn)場切換機制。
----系統(tǒng)層 系統(tǒng)功能模塊化和對象化，提供面向對象的系統(tǒng)資源管理功能，
如FFS Flash內存管理、文件與目錄管理、設備管理、網(wǎng)絡協(xié)議管理等?？筛?
據(jù)實際應用的需要選擇應用特制的功能模塊或部件。每個系統(tǒng)級模塊又都提
供標準的系統(tǒng)服務的API接口，向用戶開放，便于在其上擴充新的功能。
----系統(tǒng)服務接口層 提供基于系統(tǒng)功能的、面向應用的系統(tǒng)功能調用與服務
接口。
----系統(tǒng)內核的微小化、系統(tǒng)功能的對象化、系統(tǒng)服務接口的應用化是ASOS
體系結構構造的基本特點。
----2．面向對象的系統(tǒng)功能劃分
----面向對象的操作系統(tǒng)的系統(tǒng)功能劃分是實現(xiàn)系統(tǒng)可裁減性的基礎。在特
定應用的嵌入式操作系統(tǒng)的系統(tǒng)構造，特別是系統(tǒng)層的功能劃分與框定上，
需要采用面向對象的方法進行設計。至少有以下兩個例子說明在面向Window
s的用戶界面的設計與設備驅動資源的規(guī)劃方面采用面向對象的方法是非常必
要的。
----ASOS提供類似Windows窗口功能的系統(tǒng)外殼和面向圖形化窗口功能的用戶
界面，包括菜單、按鈕、單選框、復選框、編輯框、列表框、組合框、靜態(tài)
控制框、滾動條、對話框和默認窗口等多種窗口界面對象（控件）。利用系
統(tǒng)本身提供的API和消息，便可編制各種基于圖形界面的應用程序，以滿足用
戶的實際應用需要。這些面向對象在Windows下的應用程序，可以不改代碼、
不用重新編譯或稍改一些接口API即可使用。
----ASOS所提供的設備驅動程序通常包括目前在市場上流行的各種輸入、輸
出設備，如通用視頻驅動、鍵盤、鼠標、筆、觸摸屏等其他輸入設備接口。
面向對象的設備驅動的構造支持可重構造的、可拆卸的系統(tǒng)接口。

ASOS的構造方法
----ASOS的設計方法研究是構造嵌入式操作系統(tǒng)的關鍵問題，我們認為至少
存在以下兩種方法：
----1． 面向應用的裁減生成方法
----面向應用的裁減生成方法（application oriented plus-and- minus m
ethod for ASOS）是針對應用問題，在原嵌入式操作系統(tǒng)的基礎上增加或裁
減，定制而成一個ASOS。在4層構架面向對象構件的系統(tǒng)結構中，依據(jù)應用的
需求，采用面向對象的原型軟件開發(fā)方法，對于面向對象部件的裁減與增添
，二次開發(fā)特制而成一個針對某一種或一組應用的專用化嵌入式實時操作系
統(tǒng)。
----2．基于模式的生成方法
----基于模式的生成方法（pattern-based generation method for ASOS）
，就是在原嵌入式操作系統(tǒng)的基礎上，依據(jù)生成模式產生一個ASOS。生成模
式可采用規(guī)則表達或框架系統(tǒng)。依據(jù)應用的需求，并基于生成模式規(guī)則，在
設計專家的交互參與下，在原嵌入式操作系統(tǒng)的基礎上，生成針對某一種或
一組應用的專用化嵌入式實時操作系統(tǒng)?；谀Ｊ降纳煞椒蛇M一步開發(fā)
成計算機輔助的ASOS的開發(fā)系統(tǒng)，如圖2所示。

ASOS的應用前景分析
----ASOS的發(fā)展前景將非常廣闊。嵌入式系統(tǒng)具有巨大的市場需求前景，僅
就美國市場而言，據(jù)估計，21世紀接入Internet的將有1億輛汽車、幾千萬臺
個人通信裝置、每個家庭中5～20個聯(lián)網(wǎng)的家用電器以及數(shù)以百萬計的工廠系
統(tǒng)。業(yè)界分析家認為， 嵌入式系統(tǒng)在IP電話、游戲裝置和手持式通信裝置的
推動下將會有突飛猛進的發(fā)展。據(jù)市場分析人員預測，到2000年，嵌入式PC
的銷售額將達到10億美元;
----到2001年，非PC的“軟”嵌入裝置將達到4000萬臺。而在中國，信息電
器涉及的領域很廣，市場也很大。1999年，中國信息電器市場規(guī)模為10 億元
人民幣；據(jù)預測，2000年將達到50億～100億元規(guī)模，2001年將達到500億～
700 億元，而2004年，市場規(guī)模有望達到3500億～5000億元。
----這類嵌入式操作系統(tǒng)不僅在傳統(tǒng)的工業(yè)控制和商業(yè)管理領域有極其廣泛
的應用空間，如智能工控設備、POS/ATM機、IC卡等，而且在信息家電領域的
應用更具有極為廣泛的潛力，例如機頂盒、WebTV、網(wǎng)絡冰箱、網(wǎng)絡空調等眾
多的消費類和醫(yī)療保健類電子設備，以及在車載盒、智能交通等領域的應用
也呈現(xiàn)出前所未有的生機。
----1．信息家電領域
----機頂盒、WebTV、網(wǎng)絡冰箱、網(wǎng)絡空調等眾多的消費類和家庭醫(yī)療保健類
電子設備將在未來幾年取得快速發(fā)展，信息家電的個性化、區(qū)域化以及季節(jié)
化的趨勢，為特定應用的嵌入式操作系統(tǒng)提供了應用發(fā)展空間。據(jù)估計，未
來10年是信息家電發(fā)展的黃金時期，以機頂盒為例，估計10年間總量可達到
1億～1.5億臺，總市場需求將達到900億～1500億元。信息智能家居是未來發(fā)
展的方向，估計幾年內將在中國得到快速發(fā)展。
----2． 醫(yī)療儀器領域
----大量醫(yī)療儀器的應用，如嵌入式心臟起搏器、嵌入式放射設備及分析監(jiān)
護設備，都需要ASOS的支持，像各種化驗設備，如肌動電流描記器、離散光
度化學分析、分光光度計等，都需要使用高性能的、專用化的嵌入式系統(tǒng)來
提高其精度和速度。引入ASOS后，現(xiàn)有的各種監(jiān)護儀的功能與性能都將得到
大幅度的提高。
----3．智能汽車領域
----隨著無線通信與全球定位技術的日益成熟和廣泛應用，集通信、信息、
導航、娛樂和各類汽車安全電子系統(tǒng)于一體的車載盒會成為下一代和未來汽
車的發(fā)展方向。由于足夠的市場需求，車載盒必將成為近年來發(fā)展的熱點，
ASOS在該領域應用市場的規(guī)模未來幾年里將迅速增加。
----4．智能交通領域
----隨著人們對環(huán)境要求的不斷提高，智能交通系統(tǒng)（ITS）必將是新世紀迅
猛發(fā)展的支柱產業(yè)。特定應用的嵌入式操作系統(tǒng)將是發(fā)展智能綜合路口控制
機、路車交互系統(tǒng)、新型停車系統(tǒng)、高速公路的信息監(jiān)控與收費綜合管理系
統(tǒng)的關鍵技術，其應用將確保智能交通系統(tǒng)的低成本與高性能，大大提高系
統(tǒng)的可靠性和智能化程度。
----ASOS已引起許多相關行業(yè)的高度重視，出現(xiàn)了一些專門對此進行研制開
發(fā)的公司，如美國ASOS系統(tǒng)有限公司。隨著對高性能與低成本的不斷追求，
ASOS將成為許多產品尤其是智能型產品的核心技術，其應用前景十分廣闊。