四種嵌入式實時操作系統(tǒng)分析及比較

由于嵌入式實時操作系統(tǒng)可以支持多任務，使得程序開發(fā)更加容易，在便于維護的同時還能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，所以逐步成為嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，對嵌入式操作系統(tǒng)的研究變得尤為重要。
　　本文介紹4種嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks、μClinux、μC／OS-II和eCos，詳細分析比較了這4種操作系統(tǒng)的主要性能，并根據(jù)分析結(jié)果指出了各自的適用領域。
　　VxWorks、μClinux、μC／OS-II和eCos是4種性能優(yōu)良并被廣泛應用的實時操作系統(tǒng)。本文通過對這4種操作系統(tǒng)的主要性能進行分析與比較，歸納出它們的選型依據(jù)和適用領域。
　　1 四種操作系統(tǒng)的介紹
　?。?）VxWorks
　　VxWorks是美國WindRiver公司的產(chǎn)品，是目前嵌入式系統(tǒng)領域中應用很廣泛，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)先級的任務調(diào)度、任務間同步與通信、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；并且具有簡明易懂的用戶接口，在核心方面甚至町以微縮到8 KB。
　?。?） μC／OS-II
　　μC／OS-II是在μC-OS的基礎上發(fā)展起來的，是美國嵌入式系統(tǒng)專家Jean J．Labrosse用C語言編寫的一個結(jié)構(gòu)小巧、搶占式的多任務實時內(nèi)核。μC／OS-II能管理64個任務，并提供任務調(diào)度與管理、內(nèi)存管理、任務間同步與通信、時間管理和中斷服務等功能，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。
　?。?）μClinux
　　μClinux是一種優(yōu)秀的嵌入式Linux版本，其全稱為micro-control Linux，從字面意思看是指微控制Linux。同標準的Linux相比，μClinux的內(nèi)核非常小，但是它仍然繼承了Linux操作系統(tǒng)的主要特性，包括良好的穩(wěn)定性和移植性、強大的網(wǎng)絡功能、出色的文件系統(tǒng)支持、標準豐富的API，以及TCP／IP網(wǎng)絡協(xié)議等。因為沒有MMU內(nèi)存管理單元，所以其多任務的實現(xiàn)需要一定技巧。
　?。?）eCos
　　eCos（embedded Configurable operating system），即嵌入式可配置操作系統(tǒng)。它是一個源代碼開放的可配置、可移植、面向深度嵌入式應用的實時操作系統(tǒng)。最大特點是配置靈活，采用模塊化設計，核心部分由小同的組件構(gòu)成，包括內(nèi)核、C語言庫和底層運行包等。每個組件可提供大量的配置選項（實時內(nèi)核也可作為可選配置），使用eCos提供的配置工具可以很方便地配置，并通過不同的配置使得eCos能夠滿足不同的嵌入式應用要求。
　　2 性能分析與比較
　　任務管理、任務及中斷間的同步與通信機制、內(nèi)存管理、中斷管理、文件系統(tǒng)、對硬件的支持和系統(tǒng)移植這幾方面是實時操作系統(tǒng)的主要性能。下面就從這幾個方面著手對上述4種操作系統(tǒng)進行分析與比較。
　　2．1 任務管理
　　任務管理是嵌入式實時操作系統(tǒng)的核心和靈魂，決定了操作系統(tǒng)的實時性能。它通常包含優(yōu)先級設置、多任務調(diào)度機制和時間確定性等部分。
　　2.1.1 優(yōu)先級設置
　　嵌入式操作系統(tǒng)支持多任務，每個任務都具有優(yōu)先級，任務越重要，賦予的優(yōu)先級應越高。優(yōu)先級的設置分為靜態(tài)優(yōu)先級和動態(tài)優(yōu)先級兩種。靜態(tài)優(yōu)先級指的是每個任務在運行前都被賦予一個優(yōu)先級，而且這個優(yōu)先級在系統(tǒng)運行期間是不能改變的；動態(tài)優(yōu)先級則是指每個任務的優(yōu)先級（特別是應用程序的優(yōu)先級）在系統(tǒng)運行時可以動態(tài)地改變。
　　2.1.2 多任務調(diào)度機制
　　任務調(diào)度主要是協(xié)調(diào)任務對計算機系統(tǒng)資源的爭奪使用。對系統(tǒng)資源非常匱乏的嵌入式系統(tǒng)來說，任務調(diào)度尤為重要，它直接影響到系統(tǒng)的實時性能。通常，多任務調(diào)度機制分為基于優(yōu)先級搶占式調(diào)度和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。
　　基于優(yōu)先級搶占式調(diào)度：系統(tǒng)中每個任務都有一個優(yōu)先級，內(nèi)核總是將CPU分配給處于就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務運行。如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)就緒隊列中有比當前運行任務更高的優(yōu)先級任務，就把當前運行任務置于就緒隊列中，調(diào)入高優(yōu)先級任務運行。系統(tǒng)采用優(yōu)先級搶占方式進行調(diào)度，可以保證重要的突發(fā)事件及時得到處理。
　　時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度：讓優(yōu)先級相同的處于就緒狀態(tài)的任務按時間片使用CPU，以防止同優(yōu)先級的某一任務長時間獨占CPU。
　　在一般情況下，嵌入式實時操作系統(tǒng)采用基于優(yōu)先級搶占式調(diào)度與時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度相結(jié)合的調(diào)度機制。
　　2.1.3 時間的可確定性
　　嵌入式實時操作系統(tǒng)甬數(shù)調(diào)用與服務的執(zhí)行時間應具有可確定性。系統(tǒng)服務的執(zhí)行時間不依賴于應用程序任務的多少?；诖颂卣鳎到y(tǒng)完成某個確定任務的時間是可預測的。表1具體列出了4種操作系統(tǒng)的調(diào)度機制。
　　4種嵌入式實時操作系統(tǒng)都支持多任務，只是在支持任務數(shù)量上和任務調(diào)度機制上有所不同。VxWorks具有高效的任務管理功能，它支持多任務，可分配256個優(yōu)先級，支持優(yōu)先級搶占式調(diào)試和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，實時性最好。μC／OS-II內(nèi)核是針對實時系統(tǒng)的要求設計實現(xiàn)的，只支持基于固定優(yōu)先級搶占式調(diào)度；調(diào)度方法簡單，可以滿足較高的實時性要求。μClinux在結(jié)構(gòu)上繼承了標準Linux的多任務實現(xiàn)方式，分為實時進程和普通進程，分別采用先來先服務和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度；僅針對中低檔嵌入式CPU特點進行改良，且不支持內(nèi)核搶占。eCos調(diào)度方法豐富，提供了兩種基于優(yōu)先級的調(diào)度器（即位圖調(diào)度器和多級隊列調(diào)度器），允許用戶在進行配置時選擇其中一個凋度器，適應性好。
　　2．2 任務及中斷間的同步與通信機制
　　實時操作系統(tǒng)的功能一般要通過若干任務和中斷服務程序共同完成。任務與任務之間、任務與中斷間任務及中斷服務程序之間必須協(xié)調(diào)動作，互相配合，這就涉及任務間的同步與通信問題。嵌入式實時操作系統(tǒng)通常是通過信號量、互斥信號量、事件標志和異步信號來實現(xiàn)同步，通過消息郵箱、消息隊列、管道和共享內(nèi)存來提供通信服務。由于互斥信號量的使用，帶來了實時操作系統(tǒng)中常見的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。優(yōu)先級反轉(zhuǎn)是一種不確定的延遲形式，當高優(yōu)先級任務企圖訪問已被低優(yōu)先級占有的共享資源時，必須等待低優(yōu)先級任務釋放共享資源；如果這時低優(yōu)先級任務被一個或多個中優(yōu)先級任務搶占，那么高優(yōu)先級任務被延遲的時間將更進一步延長，實時性難以保證。因此，應采取相關措施以盡鼉避免出現(xiàn)優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。實時系統(tǒng)通常采用優(yōu)先級繼承和優(yōu)先級置頂機制。