嵌入式操作系統(tǒng) - 基于AT91SAM9260的智能保密柜設(shè)計(jì)方案

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　　該系統(tǒng)由內(nèi)向外可分操作系統(tǒng)層、任務(wù)層和硬件電路層三層，如圖3所示。嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)軟硬件資源的控制中心，它組織多個(gè)任務(wù)共享嵌入式系統(tǒng)的資源。常見(jiàn)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有Window CE，VxWorks，μC/OS-Ⅱ，Linux等，后兩種操作系統(tǒng)免費(fèi)公開(kāi)源代碼。

　　2.1 嵌入式操作系統(tǒng)方案選擇

　　為了選擇合適的嵌入式操作系統(tǒng)，本文對(duì)開(kāi)源的μC/OS-Ⅱ與Linux操作系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度、文件系統(tǒng)支持和系統(tǒng)移植等因素進(jìn)行了分析比較，因?yàn)檫@是設(shè)計(jì)、應(yīng)用、移植嵌入式操作系統(tǒng)中的關(guān)鍵。

　　(1)進(jìn)程調(diào)度

　　進(jìn)程調(diào)度是操作系統(tǒng)協(xié)調(diào)調(diào)度系統(tǒng)中多任務(wù)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部資源的爭(zhēng)奪使用。作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，μC/OS-Ⅱ采用可剝奪型實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，它在任何時(shí)候都運(yùn)行已就緒的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)。μC/OS-Ⅱ最多可以支持64個(gè)任務(wù)，它通過(guò)就緒任務(wù)表尋找最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，并進(jìn)行任務(wù)切換。

　　Linux操作系統(tǒng)則每隔一定時(shí)間掛起進(jìn)程，同時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生快速和周期性的時(shí)鐘計(jì)時(shí)中斷，通過(guò)調(diào)度函數(shù)決定調(diào)用的進(jìn)程。Linux操作系統(tǒng)每個(gè)進(jìn)程的task_struct結(jié)構(gòu)中有調(diào)度策略、靜態(tài)優(yōu)先級(jí)、動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)、時(shí)間片、實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)等5個(gè)參數(shù)，Linux根據(jù)調(diào)度策略區(qū)分實(shí)時(shí)進(jìn)程和普通進(jìn)程，實(shí)時(shí)進(jìn)程優(yōu)先于普通進(jìn)程運(yùn)行。Linux操作系統(tǒng)對(duì)于同一類型的不同進(jìn)程，采用不同的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇進(jìn)程：

　　①普通進(jìn)程調(diào)度。當(dāng)調(diào)度策略的值為SCHED_OTHER時(shí)，為普通用戶進(jìn)程，Linux采用動(dòng)態(tài)優(yōu)先調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)，選擇進(jìn)程的依據(jù)是進(jìn)程time_sli-ce的值。

　　②實(shí)時(shí)進(jìn)程調(diào)度。對(duì)手實(shí)時(shí)進(jìn)程，Linux采用了兩種調(diào)度策略，即先來(lái)先服務(wù)調(diào)度和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。當(dāng)調(diào)度策略的值為SCHED_FIFO時(shí)，選用先來(lái)先服務(wù)調(diào)度規(guī)則。當(dāng)調(diào)度策略的值為SCHED_RR時(shí)，選用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度規(guī)則，即時(shí)間片用完則釋放CPU，進(jìn)程排到等待隊(duì)列末尾。

　　(2)文件系統(tǒng)

　　文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)存取和管理文件信息。在嵌入式系統(tǒng)里，常見(jiàn)的文件系統(tǒng)有YAFFS，JFFS2，CramFS，RamFS，Ramdisk等。

　　μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)本身沒(méi)有對(duì)文件系統(tǒng)的支持，雖然μC/OS-Ⅱ具有良好的擴(kuò)展性能，如果需要也可自行擴(kuò)展對(duì)文件系統(tǒng)的支持，但畢竟會(huì)增加開(kāi)發(fā)工作量。

　　Linux操作系統(tǒng)則具有完善的文件系統(tǒng)，并且具有網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，可以方便地支持網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)且內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，這為L(zhǎng)inux開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備提供了便利。

　　(3)操作系統(tǒng)的移植

　　嵌入式操作系統(tǒng)必須經(jīng)過(guò)移植才能夠在不同的微處理器上運(yùn)行。μC/OS-Ⅱ和Linux都提供了開(kāi)源代碼，其結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)也便于裁剪，所以它們都能夠移植到新的處理器平臺(tái)。

　?、佴藽/OS-Ⅱ的移植。移植μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，目標(biāo)處理器必須滿足以下要求：處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼，且用C語(yǔ)言就可以打開(kāi)和關(guān)閉中斷;處理器有足夠的存儲(chǔ)容量作為多任務(wù)環(huán)境下的任務(wù)堆棧;處理器具備將堆棧指針和寄存器讀出和存儲(chǔ)到堆?；騼?nèi)存中的指令。所以μC/OS-Ⅱ的移植只需根據(jù)以上要求修改不同處理器之間的相關(guān)代碼。

　?、贚inux的移植。

　　首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化：關(guān)閉Watchdog，改變系統(tǒng)時(shí)鐘，初始化存儲(chǔ)控制器，將操作系統(tǒng)內(nèi)核復(fù)制到內(nèi)存中。這一系列操作稱作BootLoa-der，通常移植U-boot來(lái)實(shí)現(xiàn)BootLoader的功能;其次進(jìn)行Linux內(nèi)核移植：下載內(nèi)核源代碼，對(duì)內(nèi)核進(jìn)行裁剪配置，編譯內(nèi)核生成鏡像文件，下載到目標(biāo)板;最后進(jìn)行文件系統(tǒng)的移植：生成根文件系統(tǒng)目錄，移植Busybox，生成鏡像文件，下載到目標(biāo)板。綜上所述，μC/OS-Ⅱ和Linux二者都具有開(kāi)源碼和滿足較高的實(shí)時(shí)性要求。μC/OS-Ⅱ是一種結(jié)構(gòu)小巧的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時(shí)間管理、任務(wù)間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能，最小內(nèi)核可編譯至2 kB，全部功能編譯后內(nèi)核也僅占6～10 KB。雖然μC/OS-Ⅱ執(zhí)行效率高，占用空間小，實(shí)時(shí)性能優(yōu)良，可擴(kuò)展性能強(qiáng)，但μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)缺少對(duì)文件系統(tǒng)的支持，所以μC/OS-Ⅱ適用于存儲(chǔ)資源比較有限的應(yīng)用場(chǎng)合和小的控制系統(tǒng)。然而Linux具有多任務(wù)、可定制內(nèi)核、完善的網(wǎng)絡(luò)通信、圖形及文件管理機(jī)制，可支持大量的外圍硬件設(shè)備等功能，其性能高效穩(wěn)定，開(kāi)發(fā)及移植環(huán)境良好。鑒于該系統(tǒng)需完成多種任務(wù)控制和文件管理，且存儲(chǔ)資源充裕，也考慮到以后的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，所以選用了Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)。