計算機網絡中的嵌入式實時操作系統

摘要：傳統的嵌入式實時操作系統中的緩存機制在執行時會出現許多報文塊會過度消耗系統CPU使用壽命。為此，文中提出基于計算機網絡技術的嵌入式實時操作系統設計。在硬件設計上，設計微內核體系結構，保留基本服務在系統內核中，將其他功能移出到用戶空間，設計以太網控制器，使系統在不同的網絡環境下實現各種功能。在軟件設計上，優化嵌入式網絡通信協議，針對不同的報文采取不同的處理方式，同時處理產生的實時信號，將信號與報文結合在一起，預測系統下一步操作，達到實時操作的目的。實驗結果表明，設計的基于計算機網絡技術的嵌入式實時操作系統在執行任務時內存空間占比小，數據開銷小，系統CPU使用壽命得到增長。

關鍵詞：實時操作系統;計算機網絡技術;系統設計;以太網控制器;緩存機制;報文處理;信號處理

引言

嵌入式軟件指的是支持嵌入式裝置運行的軟件層或是應用軟件層，主要負責處理計算機發出的各項控制指令。嵌入式軟件能夠增值嵌入式設備，通過軟件代碼間的相互作用，實現軟件的不同功能[1]。隨著嵌入式軟件應用面不斷拓展，軟件與局域網間的連接問題逐漸成為研究熱點。國外對嵌入式軟件研究起步較早，在軟件與網絡連接錯誤故障的檢測上也起步較早，借助于解析模型手段，現已研究得到實時檢測方法。國內在研究嵌入式軟件上的時間并不久，但在我國研究人員不斷地努力下，已經得到了多種檢測方法和測試平臺。文獻[2]提出嵌入式通信系統遠程高速數據準確識別檢測，分析遠程高速數據，獲取數據增高預警值，建立遠程數據通信傳輸模型，利用遠程數據點均值處理系統中的無效數據，采用動態平均線處理方法對通信系統中的有效數據缺失進行數據補償，獲得有效數據交叉信息鏈，連接相對獨立的多個遠程數據點均值，計算出數據的包絡特征值，用于識別通信系統中的有效數據，形成遠程有效數據時域波形信息分量，實現數據的精確識別檢測。文獻[3]提出采用隨機Petri網的嵌入式機載軟件可靠性檢測，針對典型缺陷，建立了嵌入式機載軟件系統行為模型，給出了典型缺陷的檢測策略和判斷準則，通過對Petri網模型進行仿真驗證，驗證系統是否存在這種設計缺陷，并給出了軟件設計運行過程的仿真驗證算法，以完成可靠性檢測。

1嵌入式實時操作系統特征

與傳統計算機系統相比，嵌入式實時操作系統本身所具備的簡便性特征，保證在控制程序中以嵌入式結構作為主體控制功能，深植于各個設備載體中，實現對整個運行體系的監控。此類嵌入式運作模式，在工業生產以及智能操控中具有較大的優勢。例如物聯網體系、自動化生產體系以及智能家居體系中，嵌入式結構的應用可將整個功能建設在系統運行訴求之上，進而達到高質量、高效率的運行基準。嵌入式實時操作系統的運行特征如下。（1）能耗低屬性。嵌入式實時操作系統所搭載的設備具有小巧型與簡便性，整個設備在運行過程中可以在短時間內完成高效率處理，降低能源損耗，提高整個系統的使用壽命。（2）在存儲量方面。嵌入式實時操作系統主要是以閃存處理器為主，其所具備的存儲量較小，這也使得在實際應用過程中可以更為優質的解決小型電子設備高效率傳輸的問題。但是其也存在一定的局限，無法支撐大容量存儲設備的運行。（3）在可靠性方面。嵌入式實時操作系統，在運行過程中可以按照主體指令的下達，對整個操作模式進行可靠性、穩定性的支撐，保證每一類數據信息在核對過程中規避數據故障問題，提供更為優質的服務。從結構屬性來講，嵌入式實時操作系統本身所具備的模塊功能，可以按照不同管理機制建設出針對性可行性的管控方案。在整個關聯系統的影響，保證每一類機構實現的獨立性，利用設備管理存儲器管理，文件管理等，通過不同專業機構的設定，令系統結構應用過程中具有層次性與關聯性，真正實現對數據信息以及相關質量的層次化處理，提高數據羅列質量。

2計算機嵌入實時系統的展望

從現有的系統運行角度來講，整個系統處理功能的實現是建立在網絡需求之上，同時受到軟件與硬件方面的制約，操控系統在運行過程中所產生的荷載量也在逐漸增大。這就需要系統在未來發展過程中，按照系統本身所具備定向性功能，進行逐步分解與更新，在保證系統關聯運行功能前提下，實現獨立化操作，真正將整個功能建設于系統組織之上。

（1）系統化。嵌入式實時操作系統具備的應用特征，隨著多類型需求而逐漸擴大，這就需要在綜合化、復雜化的處理工藝下，嵌入式開發設計質量也應隨之提升，真正實現以自我核心為基準的優化與改進，保證每一項開發功能，在具體實現過程中，將系統化作為核心，建立在數據信號高效率處理訴求之上。

（2）生活化。隨著嵌入式實時操作系統的逐步應用，其已經在工業產業、交通管理產業以及智能控制方面得到了更為廣泛的應用。為進一步提高嵌入式系統與社會技術需求之間的對接，則必須向生活化方向所轉變，保證簡便式的操作，可以扶持各類操控機構的精準運行。例如，目前智能設備所具備的語音實時錄入與轉換功能，改變傳統手工錄入的形式，通過系統多功能錄入與識別，保證數據信息傳輸的精準性。

（3）網絡化。隨著大數據技術、5G技術的到來，互聯網與物聯網組成的萬物互聯體系，真正與人們日常生活與工作相結合，這也認證了以網絡數據為核心的各類發展體系，正在逐步滲透在行業發展規律之中，甚至可能形成以科學技術為驅動的客觀發展體系。對于此，嵌入式實時操作系統必須跟隨著計算機網絡發展，實現數據遠程操控，保證每一位功能在對接過程中可以依據數字信息、數字化信號等實現網絡鏈接，提高整體操控質量。

（4）優化嵌入式網絡通信協議

嵌入式實時操作系統中，數據的發送與接收通過簡單的函數調用即可實現，但是因為報文的不可預知性，會導致系統額外的開銷增加。因此，本文利用嵌入式網絡通信協議優化方法解決上述中的難題。對于短小的報文，不需要在系統中實現過多的函數功能，所以利用層次旁路確定協議層次的協議規范。根據系統功能需求，決定必要的協議層次功能，將待使用的協議實現函數組合成小型模塊，同時去除掉無用的協議層次，避免協議層次產生的多余開銷[13]。對于長報文，利用系統內部的任務調度方法，創建接收數據緩存，提供緩存映射指針，調用OS服務，使用相關的協議處理模塊將其分組，通過內存映射直接從緩存中接收數據，減少處理長報文過程中的數據拷貝，達到節省開銷的目的。

總結

計算機網絡技術持續性更新發展下，對相關設備載體的運行提出更高訴求，這就需要從多個方面分析出技術的可優化特征，打造出更為完整的技術框架，提高系統應用性能。從嵌入式實時操作系統的開發設計可以滿足實時操控需求，且系統本身不再局限于邏輯性預算體系內，通過預測與分析功能，更好地在整個數據體系下完成自主優化時的操作，確保每一類系統功能的開放性與兼容性，實現對固有計算機行業的有效促進。為此，針對嵌入式實時操作系統進行設計優化時，需要從多個角度界定出系統框架的應用特征，結合外部應用環境，創建更為完整的技術框架，滿足系統運行的需求。

參考文獻

[1]張帝，董飛，高彬，等.基于嵌入式實時操作系統的智能礦燈設計[J].工礦自動化，2018，44（2）：23-27.

[2]李寶平，朱嫻.基于嵌入式實時操作系統的艦船繼電保護裝置設計[J].艦船科學技術，2018，40（20）：82-84.

[3]歐陽湘臻，朱怡安，李聯，等.一種安全關鍵的嵌入式實時操作系統內核設計[J].計算機工程，2019，45（7）：78-85.

個人簡介：楊飛飛，男，漢，出生于1978.1.11，陜西咸陽人，學歷：本科，畢業院校：西北工業大學，職稱：中級，研究方向：嵌入式計算機應用，郵箱：1578194904@qq.com