嵌入式操作系統(tǒng)幾種操作系統(tǒng)內(nèi)核的主要部分分析比較

嵌入式系統(tǒng)在航天、軍事、工控以及家電等方面得到了廣泛應(yīng)用。大量的嵌入式系統(tǒng)具有實時性的要求，但是由于體積、能耗、價格等方面的約束，其處理器速度往往比較慢，存儲器容量也有限。而傳統(tǒng)的實時操作系統(tǒng)難以簡單地移植到嵌入式系統(tǒng)中，所以需要重新開發(fā)針對嵌入式系統(tǒng)特性的實時操作系統(tǒng)。任務(wù)調(diào)度策略是實時系統(tǒng)內(nèi)核的關(guān)鍵部分，如何進行任務(wù)調(diào)度，使得各個任務(wù)能在其期限之內(nèi)得以完成，是實時操作系統(tǒng)的重要研究領(lǐng)域。而不同的操作系統(tǒng)對任務(wù)調(diào)度的機制也有所不同，本文對目前比較流行的操作系統(tǒng)——VxWorks、μClinux、μC／OS-II、Windows CE的任務(wù)切換機制進行分析和比較。
　　1 操作系統(tǒng)介紹
　　1．1 VxWorks
　　VxWorks是美國WindRiver公司的產(chǎn)品，是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中應(yīng)用很廣泛、市場占有率比較高的嵌入式操作系統(tǒng)。VxWorks實時操作系統(tǒng)由400多個相對獨立、短小精悍的目標模塊組成，用戶可根據(jù)需要選擇適當?shù)哪K來裁剪和配置系統(tǒng)；提供基于優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間同步與通信、中斷處理、定時器和內(nèi)存管理等功能，內(nèi)建符合POSIX（可移植操作系統(tǒng)接口）規(guī)范的內(nèi)存管理，以及多處理器控制程序；具有簡明易懂的用戶接口，在核心方面甚至可以微縮到8KB。
　　1．2 μC／OS-lI
　　μC／OS-II是在μC／OS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是美國嵌入式系統(tǒng)專家Jean J．Lal3rosse用C語言編寫的一個結(jié)構(gòu)小巧、搶占式的多任務(wù)實時內(nèi)核。μC／OS-II能管理64個任務(wù)，并提供任務(wù)調(diào)度與管理、內(nèi)存管理、任務(wù)間同步與通信、時間管理和中斷服務(wù)等功能，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點。
　　1．3 Linux
　　Linux是一種自由的Unix類多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)，可運行在Intel 80386及更高檔次的PC、ARM、DECAlpha等多種計算機平臺上，已經(jīng)成為應(yīng)用廣泛、可靠性高、功能強大的計算機操作系統(tǒng)。
　　1．4 WindOWS CE
　　微軟Windows CE是一個開放且多樣化的32位嵌入式操作系統(tǒng)。其設(shè)計目的是為符合廣泛的智能設(shè)備的需求，例如從企業(yè)工具（如工業(yè)控制器、通信集線器和收款機系統(tǒng)）到電子消費性產(chǎn)品（如攝影機、電話和家庭娛樂設(shè)備等），提供自動控制、視聽娛樂、行動計算、終端機等各個應(yīng)用領(lǐng)域一個穩(wěn)定、實時及多任務(wù)的操作系統(tǒng)。
　　2 任 務(wù)
　　2．1 任務(wù)切換概述
　　上下文切換（context switch），其實際含義是任務(wù)切換，或者CPU寄存器切換。當多任務(wù)內(nèi)核決定運行另外的任務(wù)時，它保存正在運行任務(wù)的當前狀態(tài)，也就是CPU寄存器中的全部內(nèi)容。這些內(nèi)容被保存在任務(wù)自己的堆棧中，入棧工作完成后就把下一個將要運行的任務(wù)的當前狀況從該任務(wù)的棧中重新裝入CPU寄存器，并開始下一個任務(wù)的運行，這一過程就是context switch。
　　
　　每個任務(wù)都是整個應(yīng)用的一部分，都被賦予一定的優(yōu)先級，有自己的一套CPU寄存器和?？臻g，如圖1所示。
　　2．2 任務(wù)的切換與調(diào)度
　　μC／OS-II是可搶占實時多任務(wù)內(nèi)核，它總是運行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)，不支持時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法，每個任務(wù)的優(yōu)先級要求不一樣，且是唯一的。它有5種狀態(tài)，如圖2所示。
　　
　　當一個任務(wù)在運行狀態(tài)中時，如果沒有關(guān)閉中斷，就有可能被中斷打斷，去執(zhí)行中斷服務(wù)子程序ISR。執(zhí)行完后內(nèi)核要判斷此時是否有更高優(yōu)先級，新的任務(wù)就緒，如果有則原有的任務(wù)被搶占，實現(xiàn)了任務(wù)的切換。
　　當一個任務(wù)在運行狀態(tài)中時，調(diào)用OSTimeDly（）或OSTimeDlyHMSM（）函數(shù)，該任務(wù)進入等待狀態(tài)，一直到延時時間到，這2個函數(shù)立即強制執(zhí)行任務(wù)切換，讓下一個優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)運行。當然，如果運行的任務(wù)需要等待某一事件的發(fā)生，可以調(diào)用一些函數(shù)（如OSFlag Pend（）、OSSemPend（）、OSMutexPend（）、OSMboxPend（）、OSQPrnd（）等）掛起該任務(wù)，來實現(xiàn)任務(wù)的切換。
　　實際的任務(wù)切換是調(diào)用OS_TASK_SW（）函數(shù)。OS_TASK_SW（）是一個宏，是在μC／OS-II從低優(yōu)先級切換到高優(yōu)先級任務(wù)時須用到的。OS_TA-SK_SW（）總是在任務(wù)級代碼中被調(diào)用。另一個函數(shù)OSIntExit（）用在中斷服務(wù)子程序ISR中。當中斷任務(wù)子程序使更高優(yōu)先級任務(wù)進入就緒態(tài)時，OSintExit（）完成任務(wù)切換功能，任務(wù)切換只是簡單地將處理器的寄存器保存到將被掛起的任務(wù)的堆棧中，并且從堆棧中恢復要運行的更高優(yōu)先級的任務(wù)。