淺析嵌入式實時操作系統(tǒng)_

　　摘要：嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）是嵌入式系統(tǒng)的基礎運行平臺，是嵌入式系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠工作的基礎，其功能和性能的好壞將直接影響嵌入式系統(tǒng)的功能和性能。嵌入式時實操作系統(tǒng)目前應用的范圍越來越廣，逐漸成為今后操作系統(tǒng)開發(fā)和發(fā)展的主要方向。其應用領域大到工業(yè)控制,小到個人消費用品如數碼相機,手機,PDA等無處不在，通信系統(tǒng)也大量的使用嵌入式實時操作系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)平臺.
　　關鍵詞：操作系統(tǒng)；嵌入式；實時
　　中圖分類號：TP316.2文獻標識碼：A
　　1嵌入式實時操作系統(tǒng)介紹
　　嵌入式系統(tǒng)在我們的生活中已經無處不在，如火星探測器，汽車上的電動裝置,可視電話，PDA，嵌入式網絡交換系統(tǒng)等等。嵌入式系統(tǒng)在我們的生活中發(fā)揮著巨大的作用,嵌入式系統(tǒng)是為實現特定功能，并且軟硬件緊密結合在一起的計算機系統(tǒng)。
　　實時嵌入式系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的一種，它能夠對外部事件給予及時響應。對外部事件的響應有三個步驟：對外部事件的識別，必要的處理，以及結果的輸出。實時系統(tǒng)又分為硬實時和軟實時兩種。在軟實時系統(tǒng)中，系統(tǒng)的宗旨是使各個任務運行得越快越好，對響應時間的介定有一定的靈活性；在硬實時系統(tǒng)中，各任務不僅要執(zhí)行無誤而且要做到準時，一旦不能在確定的時間內完成,有可能導致災難性后果。實時操作系統(tǒng)（RTOS）以及時的方式進行任務調度、系統(tǒng)資源的管理以及為應用開發(fā)提供一個穩(wěn)固的平臺。RTOS可以是一個小而簡單的系統(tǒng)，也可以是一個大而全的系統(tǒng)，具體要視實際應用而定.目前流行的許多RTOS都是用戶可裁剪定制的,如vxworks和pSOS等。
　　2嵌入式操作系統(tǒng)實時性的幾個重要性能指標
　　成熟度：一個操作系統(tǒng)從研發(fā)成功到能穩(wěn)定、可靠運行的過程是需要較長時間的，只有經過廣泛使用才能逐步走向成熟，成熟度是綜合評價操作系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的重要指標。
　　穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是反映嵌入式實時操作系統(tǒng)在長時間運行過程中不會出現異常情況，保證應用系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地工作的指標。
　　可靠性可靠性是反映嵌入式實時操作系統(tǒng)能夠保持正常運行而不受外界影響的能力，通常以系統(tǒng)連續(xù)并且可靠運行時間來度量。
　　安全性：安全性是反映嵌入式實時操作系統(tǒng)能夠抵御外部攻擊和應用軟件自身缺陷的能力。
　　開放性：開放性是反映嵌入式實時操作系統(tǒng)符合國際和國家標準水平以及能否得到眾多第三方（主要包括：驅動程序、開發(fā)工具、其它功能軟件等）廣泛支持的基本條件。
　　實時性：實時性是反映嵌入式實時操作系統(tǒng)快速響應外部事件的能力。通常包括：系統(tǒng)調用時間、任務切換時間、中斷響應和延遲時間、信號量混洗時間、數據包吞吐率等。
　　3嵌入式實時操作系統(tǒng)的體系結構
　　 操作系統(tǒng)發(fā)展至今,模塊結構已經非常明確,即可分成處理器管理、存儲器器管理、設備管理和文件管理等模塊,如表1所示。只有文件系統(tǒng)是屬于建立在存儲器上的邏輯管理功能,因為可以說,現今的操作系統(tǒng)是一種直接的計算機硬件的邏輯映射,是硬件組合模型的軟件表達形式。
　　表1：
　　操作系統(tǒng)最基本的結構是模塊結構和層次結構。模塊結構是最一般的結構化設計。單內核就是模塊結構,但內核的概念是一種層次概念。層次結構是建立在系統(tǒng)功能模塊分類的基礎之上,是一種模塊集合作為“層”的結構。操作系統(tǒng)按模塊間功能調用方式分單內核與微核兩類。另外還有兩種應用模型:虛擬機與客戶機(服務器)模式,它們是建立在操作系統(tǒng)的系統(tǒng)應用擴展模型。
　　當外界事件或數據產生時，能夠接受并以足夠快的速度予以處理，其處理的結果又能在規(guī)定的時間之內來控制生產過程或對處理系統(tǒng)作出快速響應，并控制所有實時任務協(xié)調一致運行的嵌入式實時操作系統(tǒng)。
　　嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般就具備以下4個特點：1）對實時多任務有很強的支持能力，能完成多任務并且有較短的中斷響應時間，從而使內部的代碼和實時內核心的執(zhí)行時間減少到最低限度。2）具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結構已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現錯誤的交叉作用，需要設計強大的存儲區(qū)保護功能，同時也有利于軟件診斷。3）可擴展的處理器結構，以能最迅速地開展出滿足應的最高性能的嵌入式微處理器。4）嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級。
　　4如何提高嵌入式實時操作系統(tǒng)的可靠性
　　提高RTOS的可靠性的關鍵取決于RTOS的架構。例如在實時執(zhí)行模式架構中，大部分或所有軟件組件都在一個單一的內存地址空間中運行，包括操作系統(tǒng)內核、網絡協(xié)議棧、設備驅動程序、應用程序等。雖然這種架構的效率較高，但有兩個明顯的缺陷：任何組件中的一個指針錯誤，都可能破壞操作系統(tǒng)內核或任何其它組件，導致不可預測的行為和整個系統(tǒng)的崩潰；很難動態(tài)修復或替換任何有故障的組件，大多數情況下，出現這些問題時系統(tǒng)復位是唯一的選擇。
　　有一些RTOS試圖通過使用單內核架構來解決這個問題。在這種架構中，用戶的應用程序在隔離的、受保護內存地址空間中運行。如果一個應用程序試圖訪問其地址空間之外的數據，內存管理單元（MMU）將通知操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)可能會采取保護措施，例如終止出錯進程。由于這樣的操作系統(tǒng)需要將大多數或所有驅動程序、文件系統(tǒng)和其它系統(tǒng)服務綁定到內核中，因此任何組件中的一個錯誤都可能帶來災難性的內核故障。
　　采用微內核（mricokernel）架構可提供更精確的故障隔離，如QNX Neutrino等操作系統(tǒng)都 基于微內核架構。微內核有兩個明確的特征：（1）在操作系統(tǒng)內核中只實現了一個包含了基本OS服務的小內核（如信號量、定時器、任務調度等），包括驅動程序、文件系統(tǒng)、協(xié)議棧和用戶應用程序在內的所有其它的組件在內核外部分離的、保護內存的進程中運行。有問題的系統(tǒng)服務不再作為孤立的故障點，而是在破壞其它服務或操作系統(tǒng)內核之前被終止并重啟。（2）所有的組件能夠通過消息傳遞進行通信，一個定義良好的通信機制保障了程序在保持彼此安全隔離的前提下進行數據交換。適當實現的消息傳遞也可以作為一個虛擬的“軟件總線”，允許任何的軟件組件，甚至是一個設備驅動程序被動態(tài)地加入或替換，對于必須提供連續(xù)服務的系統(tǒng)而言這是一項關鍵要求。
　　基于消息傳遞的微內核RTOS通常提供了更好的容錯性和動態(tài)升級能力。在實際應用中，如果實現正確，消息傳遞的性能可以接近底層硬件的內存帶寬。例如，一個微內核RTOS可以采用多段式消息和線程到線程的消息數據直接拷貝等各種技術，來確保系統(tǒng)性能可以達到傳統(tǒng)的進程間通信方法的水平。
　　5幾種常用嵌入式實時操作系統(tǒng)的介紹
　　 VxWorks：VxWorks是美國WindRiver公司的產品,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,用戶可根據需要選擇適當的模塊來裁剪和配置系統(tǒng);提供基于優(yōu)先級的任務調度、任務間同步與通信、中斷處理、定時器和內存管理等功能,內建符合POSIX(可移植操作系統(tǒng)接口)規(guī)范的內存管理,以及多處理器控制程序;并且具有簡明易懂的用戶接口,在核心方面甚至可以微縮到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語言編寫的一個結構小巧、搶占式的多任務實時內核。μC/OS-II能管理64個任務,并提供任務調度與管理、內存管理、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、強大的網絡功能、出色的文件系統(tǒng)支持、標準豐富的API,以及TCP/IP網絡協(xié)議等。因為沒有MMU內存管理單元,所以其多任務的實現需要一定技巧。
　　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,核心部分由不同的組件構成,包括內核、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。
　　
　　參考文獻：
　　[1] 羅蕾. 嵌入式實時操作系統(tǒng)及應用開發(fā)[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2007.
　　[2] 何小慶. 微軟嵌入式操作系統(tǒng)的分析和比對(下)[J]. 電子產品世界, 2007(11).
　　[3] 胡繼陽. 嵌入式系統(tǒng)導論[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2005.
　　[4] 季志均, 馬文麗, 陳虎等.四種嵌入式實時操作系統(tǒng)關鍵技術分析[J]. 計算機應用研究, 2005(9).

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