微內(nèi)核操作系統(tǒng)在嵌入式平臺上的應用

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　　所謂嵌入式系統(tǒng)是指為特定應用而設計的專用電腦系統(tǒng)，通常執(zhí)行的是帶有特定要求的預先定義的任務。說到嵌入式系統(tǒng)上的操作系統(tǒng)，人們首先想到的是各種經(jīng)過裁剪的Linux以及WinCE。但是Linux和WinCE本身作為單內(nèi)核(monolithickernel)操作系統(tǒng)，內(nèi)核部分過于復雜，并不適用于嵌入式平臺。而μC/Os-II和eCos等又過于簡單，不能提供完整的功能。而隨著微內(nèi)核(microkernel)操作系統(tǒng)的理論和實現(xiàn)越來越成熟，微內(nèi)核操作系統(tǒng)開始成為嵌入式平臺一個很好的選擇。

　　圖1 嵌入式平臺操作系統(tǒng)占有率比較圖

　　嵌入式平臺對操作系統(tǒng)的需求

　　嵌入式平臺上運行的操作系統(tǒng)一方面會根據(jù)嵌入式平臺所執(zhí)行的功能對內(nèi)核組件進行裁剪，在滿足系統(tǒng)的應用功能的基礎上去除不必要的部分;另一方面，嵌入式平臺對操作系統(tǒng)的可靠性，實時性和安全性特性有很高的要求。

　　可靠性是指嵌入式設備特別是工業(yè)設備中的嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常需要連續(xù)運行數(shù)以年計的時間而不出差錯?？梢韵胂袢绻w機中的嵌入式系統(tǒng)在飛機飛行時崩潰重啟，會造成多么大的危害。這就要求嵌入式系統(tǒng)上的操作系統(tǒng)的運行完全沒有錯誤，或者在錯誤出現(xiàn)的時候可以快速自動復位，并且避免在操作系統(tǒng)中使用不穩(wěn)定的模塊。

　　實時性是指系統(tǒng)能在確定的時間內(nèi)執(zhí)行操作并對外部的異步事件做出響應，比如汽車發(fā)生車禍時安全氣囊必須在極短的時間內(nèi)打開。一次正確的操作不僅要求邏輯功能上的正確，而且要求完成這些操作所花費的時間在限定之內(nèi)。實時又分成硬實時和軟實時，硬實時要求任務在規(guī)定時間內(nèi)必須完成，這由操作系統(tǒng)來保證;而軟實時要求事件響應是實時的，并按照任務的優(yōu)先級，盡可能在短時間內(nèi)完成任務。實時操作系統(tǒng)需要調(diào)度一切可利用的資源完成有實時性要求的任務，其次才著考慮提高操作系統(tǒng)的整體效率。

　　隨著嵌入式系統(tǒng)越來越多得與外部連接，甚至是通過互聯(lián)網(wǎng)連接，其安全性也越來越受到關注。比如用掌上電腦進行網(wǎng)上購物的時候，用戶的銀行帳號信息必須得到嚴格的保護。安全性具體是指要求嵌入式設備在與外部連接的過程中，其內(nèi)部的數(shù)據(jù)不會偶然或被惡意地破壞、更改或者泄露，維持嵌入式系統(tǒng)中信息的保密性和完整性。

　　微內(nèi)核操作系統(tǒng)

　　所謂微內(nèi)核是一種最小的的計算機操作系統(tǒng)內(nèi)核，其設計思想是內(nèi)核本身不提供操作系統(tǒng)的相關服務，而是提供實現(xiàn)這些服務的機制，諸如底層的地址空間管理，線程調(diào)度以及進程間通信。一般的硬件都有執(zhí)行權限級別，比如IntelIA32架構有Ring0到Ring3的特權級，而一般的操作系統(tǒng)至少會用到兩個，稱之為內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)。而對于微內(nèi)核操作系統(tǒng)來說，并非操作系統(tǒng)服務都運行于內(nèi)核態(tài)，而是提供服務實現(xiàn)的機制部分運行于內(nèi)核態(tài);而操作系統(tǒng)的服務，包括設備驅(qū)動，文件系統(tǒng)和用戶界面等則作為用戶態(tài)的服務應用程序運行。

　　圖2 單內(nèi)核操作系統(tǒng)(左)和微內(nèi)核操作系統(tǒng)結(jié)構比較圖

　　如圖2所示，左邊的是單內(nèi)核操作系統(tǒng)的結(jié)構示意圖。我們常用的Windows操作系統(tǒng)和Linux操作系統(tǒng)都屬于這個類型。單內(nèi)核操作系統(tǒng)的內(nèi)核提供完整的操作系統(tǒng)服務，比如圖中所示的文件系統(tǒng)，進程間通信，進程調(diào)度器，內(nèi)存管理，設備驅(qū)動程序等等。而應用程序則運行在用戶態(tài)，應用程序想要使用操作系統(tǒng)提供的服務，需要通過內(nèi)核提供的接口，我們稱之為系統(tǒng)調(diào)用。當應用程序進程執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用時，會陷入到內(nèi)核的代碼去執(zhí)行，進程此時運行于內(nèi)核態(tài)，處理器處于特權級最高的Ring0狀態(tài)執(zhí)行。當應用程序需要的操作系統(tǒng)服務調(diào)用完成，進程回到原本的應用程序代碼中繼續(xù)執(zhí)行，也同時回到了用戶態(tài)，在Ring3的特權級上運行。

　　而對于右邊的微內(nèi)核操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)的內(nèi)核部分被大大簡化，只包括基本的IPC機制，虛擬內(nèi)存映射和調(diào)度機制，這些僅僅是用于實現(xiàn)操作系統(tǒng)服務的基本機制。真正的操作系統(tǒng)服務，比如設備驅(qū)動，文件系統(tǒng)，應用程序間通信等，通過用戶態(tài)服務程序的方式實現(xiàn)。當普通的應用程序需要操作系統(tǒng)的相關服務時，通過發(fā)送IPC消息給這個服務程序，這些服務程序進行相關的操作，必要時也會通過內(nèi)核提供的系統(tǒng)調(diào)用陷入到內(nèi)核態(tài)去執(zhí)行基本的操作，并把結(jié)果再通過IPC返回給請求服務的應用程序。