淺談嵌入式微內(nèi)核實(shí)時操作系統(tǒng)的說明與測試

摘要：介紹嵌入式微內(nèi)核實(shí)時操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu);針對Wolf嵌入式操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一套微內(nèi)核嵌入式操作系統(tǒng)測試實(shí)現(xiàn)方案。在Wolf操作系統(tǒng)支持下，已產(chǎn)業(yè)化的閱讀不耗電電子書(eBook)驗(yàn)證了Wolf操作系統(tǒng)的可靠性。 關(guān)鍵詞：嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)ERTOS 微內(nèi)核 Wolf 軟件測試儀 eBook 1 嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)概述 嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)(ERTOS)是操作系統(tǒng)研究的一個重要分支，它與一般商用多任務(wù)OS，如UNIX，Windows等，最大的不同之處在于：商用多任務(wù)OS的目的是追求系統(tǒng)資源最大利用率和公平對待所有的系統(tǒng)請求;而ERTPS追求的是實(shí)時性、可確定性、可靠性。 自20世紀(jì)90年代以來，ERTOS發(fā)展迅速。國外著名商用EPTOS有：Wind River公司的VxWorks、IS(Integrated Systems)公司(2000年已被Wind River公司合并)的pSOS、AC(Accelerated Technology)公司的Nucleus等等。國外ERTOS很多，大多是針對不同應(yīng)用的專用ERTOS或通用ERTOS。

與傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)模式相比，雖然ERTOS會要求一些額外的開銷，但可以由現(xiàn)代微控制器的高速度、大存儲器以及產(chǎn)品提前進(jìn)入市場的優(yōu)勢來彌補(bǔ)。優(yōu)秀的ERTOS可以對幾十個系列的嵌入式處理器MPU、微控制器MCU提供API接口。在此基礎(chǔ)上，可以編定出各川硬件驅(qū)動程序、產(chǎn)品庫函數(shù)，與通用性的應(yīng)用程序一起作為產(chǎn)品銷售。 2 ERTOS——Wolf分析 嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)產(chǎn)品Wolf(南開津科ERTOS)是一個開放式的微內(nèi)核實(shí)時操作系統(tǒng)。其基本設(shè)計(jì)思想是： *低功耗(具有間歇式工作機(jī)制，支持哈偶結(jié)構(gòu)); *支持尖端智能輸入/輸出設(shè)備; *支持微型大容量存儲卡(SM卡、SD卡等); *本質(zhì)安全，支持信息版權(quán)及安全保護(hù); *為第三方提供產(chǎn)品級的SDK。 具有以下特點(diǎn)： *微內(nèi)核結(jié)構(gòu); *支持多種CPU產(chǎn)品; *基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度和輪轉(zhuǎn)調(diào)度相結(jié)合的多任務(wù)調(diào)度; *極小的內(nèi)存開銷; *高可用性、可靠性。 2.1 微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu) 微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)是相對層次內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)而言的。層次操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，大部分或全部層次功能由內(nèi)核實(shí)現(xiàn)，所有的接口功能只與相鄰層有關(guān)，系統(tǒng)和應(yīng)用獨(dú)立，但其每一功能層的變化都會影響整個系統(tǒng)，層間安全性低。微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，其基本思想是將原來屬于傳統(tǒng)如圖1(b)所示，其基本思想是將原來屬于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)內(nèi)核的一些功能和服務(wù)從內(nèi)核中分出，以子系統(tǒng)(組件)的形式與內(nèi)核或其它子系統(tǒng)相互作用。組件功能以服務(wù)進(jìn)程的方式通過消息與微內(nèi)核和其它組件相互通信來完成。微內(nèi)核的主要功能就是消息交換：確認(rèn)消息、在組件間傳送消息及準(zhǔn)許對硬件操作。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)具有統(tǒng)一的接口，擴(kuò)展性、可靠性及支持分布式系統(tǒng)。 Wolf是一個具有微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的嵌入式操作系統(tǒng)，它由一個實(shí)時多任務(wù)內(nèi)核和多個組件的集合組成。軟件組件都是獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件塊，可以不用變更地從一個應(yīng)用程序移到另一個應(yīng)用程序。Wolf體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 微內(nèi)核剖析 Wolf多任務(wù)調(diào)度是動態(tài)基于消息觸發(fā)調(diào)度機(jī)制，任務(wù)切換由臨時事件驅(qū)動，任務(wù)間是內(nèi)部同步，不同的任務(wù)能夠異步招待。Wolf內(nèi)核負(fù)責(zé)維護(hù)系統(tǒng)中的所有任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)，所有任務(wù)具有以下四種狀態(tài)之一： *就緒態(tài)(Ready)，縮寫為R。一個就緒態(tài)任務(wù)是可運(yùn)行的，等待高優(yōu)先級的任務(wù)釋放CPU。 *運(yùn)行態(tài)(Run)，縮寫為E。一個運(yùn)行態(tài)的任務(wù)是一個正在使用CPU的就緒任務(wù)。任何時刻有且只有一個運(yùn)行著的任務(wù)。 *阻塞態(tài)(Blocked)，縮寫為B。一個任務(wù)被阻塞是由于任務(wù)自身的多個活動的必要手段。一個任務(wù)不能從就緒態(tài)到阻塞態(tài)。 *刮起態(tài)(Suspend)。一個掛起態(tài)的任務(wù)不能執(zhí)行，主要用于調(diào)試。 *任務(wù)調(diào)試程序維護(hù)1個或多個跟蹤每個任務(wù)狀態(tài)的內(nèi)部列表。它有一個就緒列表和每個(任務(wù)正在等待的)同步對象的一個單獨(dú)受阻列表。就緒隊(duì)列前頭的任務(wù)是下一個要運(yùn)行的任務(wù)。在受阻列表中的任何任務(wù)都被掛起，每當(dāng)受阻列表中的一個任務(wù)等待的事情發(fā)生時，該任務(wù)就從受阻列表中被刪除，并被放到就緒列表中等待執(zhí)行、如圖3所示。 (1)多任務(wù)調(diào)度 任務(wù)調(diào)度是指根據(jù)一定的約束規(guī)定，將CPU分配給符合條件的任務(wù)使用。約束規(guī)則又稱為調(diào)度算法。Wolf內(nèi)核采用多種調(diào)度算法分配CPU給處于Ready 態(tài)(就緒態(tài))的任務(wù)。默認(rèn)基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度算法，也支持基于時間片的輪轉(zhuǎn)(Round-Robin)調(diào)度算法。在嵌入式系統(tǒng)實(shí)時應(yīng)用中，不是每次搶占都是合理的，非期待的搶占會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)無法預(yù)料的情況，Woif提供允許和禁止調(diào)度的功能調(diào)用實(shí)現(xiàn)禁止搶占機(jī)制。 (2)任務(wù)通信、同步、互斥機(jī)制