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嵌入式實(shí)時(shí)操作系統研究與分析
摘要:嵌入式實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）是嵌入式系統的基礎運行平臺，是嵌入式系統穩定、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的功能和性能。嵌入式時(shí)實(shí)操作系統目前應用的范圍越來(lái)越廣，逐漸成為今后操作系統開(kāi)發(fā)和發(fā)展的主要方向。其應用領(lǐng)域大到工業(yè)控制,小到個(gè)人消費用品如數碼相機,手機,PDA等無(wú)處不在，通信系統也大量的使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統作為操作系統平臺.
關(guān)鍵詞:操作系統；嵌入式；實(shí)時(shí)
一、嵌入式和實(shí)時(shí)系統介紹
嵌入式系統在我們的生活中已經(jīng)無(wú)處不在，如火星探測器，汽車(chē)上的電動(dòng)裝置,可視電話(huà)，PDA，嵌入式網(wǎng)絡(luò )交換系統等等。嵌入式系統在我們的生活中發(fā)揮著(zhù)巨大的作用,嵌入式系統是為實(shí)現特定功能，并且軟硬件緊密結合在一起的計算機系統。
實(shí)時(shí)嵌入式系統是嵌入式系統的一種，它能夠對外部事件給予及時(shí)響應。對外部事件的響應有三個(gè)步驟：對外部事件的識別，必要的處理，以及結果的輸出。實(shí)時(shí)系統又分為硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)兩種。在軟實(shí)時(shí)系統中，系統的宗旨是使各個(gè)任務(wù)運行得越快越好，對響應時(shí)間的介定有一定的靈活性；在硬實(shí)時(shí)系統中，各任務(wù)不僅要執行無(wú)誤而且要做到準時(shí)，一旦不能在確定的時(shí)間內完成,有可能導致災難性后果。實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）以及時(shí)的方式進(jìn)行任務(wù)調度、系統資源的管理以及為應用開(kāi)發(fā)提供一個(gè)穩固的平臺。RTOS可以是一個(gè)小而簡(jiǎn)單的系統，也可以是一個(gè)大而全的系統，具體要視實(shí)際應用而定.目前流行的許多RTOS都是用戶(hù)可裁剪定制的,如vxworks和pSOS等。
二、嵌入式操作系統實(shí)時(shí)性的幾個(gè)重要性能指標
成熟度一個(gè)操作系統從研發(fā)成功到能穩定、可靠運行的過(guò)程是需要較長(cháng)時(shí)間的，只有經(jīng)過(guò)廣泛使用才能逐步走向成熟，成熟度是綜合評價(jià)操作系統穩定性和可靠性的重要指標。
穩定性穩定性是反映嵌入式實(shí)時(shí)操作系統在長(cháng)時(shí)間運行過(guò)程中不會(huì )出現異常情況，保證應用系統能夠穩定、可靠地工作的指標。
可靠性可靠性是反映嵌入式實(shí)時(shí)操作系統能夠保持正常運行而不受外界影響的能力，通常以系統連續并且可靠運行時(shí)間來(lái)度量。
安全性安全性是反映嵌入式實(shí)時(shí)操作系統能夠抵御外部攻擊和應用軟件自身缺陷的能力。
開(kāi)放性開(kāi)放性是反映嵌入式實(shí)時(shí)操作系統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(dòng)程序、開(kāi)發(fā)工具、其它功能軟件等）廣泛支持的基本條件。
實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)性是反映嵌入式實(shí)時(shí)操作系統快速響應外部事件的能力。通常包括：系統調用時(shí)間、任務(wù)切換時(shí)間、中斷響應和延遲時(shí)間、信號量混洗時(shí)間、數據包吞吐率等。
三、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的體系結構
操作系統發(fā)展至今,模塊結構已經(jīng)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。只有文件系統是屬于建立在存儲器上的邏輯管理功能,因為可以說(shuō),現今的操作系統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。
操作系統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功能模塊分類(lèi)的基礎之上,是一種模塊集合作為“層”的結構。操作系統按模塊間功能調用方式分單內核與微核兩類(lèi)。另外還有兩種應用模型:虛擬機與客戶(hù)機(服務(wù)器)模式,它們是建立在操作系統的系統應用擴展模型。
四、如何提高嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的可靠性
提高RTOS的可靠性的關(guān)鍵取決于RTOS的架構。例如在實(shí)時(shí)執行模式架構中，大部分或所有軟件組件都在一個(gè)單一的內存地址空間中運行，包括操作系統內核、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧、設備驅動(dòng)程序、應用程序等。雖然這種架構的效率較高，但有兩個(gè)明顯的缺陷：任何組件中的一個(gè)指針錯誤，都可能破壞操作系統內核或任何其它組件，導致不可預測的行為和整個(gè)系統的崩潰；很難動(dòng)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(wèn)題時(shí)系統復位是唯一的選擇。
有一些RTOS試圖通過(guò)使用單內核架構來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。在這種架構中，用戶(hù)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(gè)應用程序試圖訪(fǎng)問(wèn)其地址空間之外的數據，內存管理單元（MMU）將通知操作系統，操作系統可能會(huì )采取保護措施，例如終止出錯進(jìn)程。由于這樣的操作系統需要將大多數或所有驅動(dòng)程序、文件系統和其它系統服務(wù)綁定到內核中，因此任何組件中的一個(gè)錯誤都可能帶來(lái)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等操作系統都基于微內核架構。微內核有兩個(gè)明確的特征：（1）在操作系統內核中只實(shí)現了一個(gè)包含了基本OS服務(wù)的小內核（如信號量、定時(shí)器、任務(wù)調度等），包括驅動(dòng)程序、文件系統、協(xié)議棧和用戶(hù)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(jìn)程中運行。有問(wèn)題的系統服務(wù)不再作為孤立的故障點(diǎn)，而是在破壞其它服務(wù)或操作系統內核之前被終止并重啟。（2）所有的組件能夠通過(guò)消息傳遞進(jìn)行通信，一個(gè)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(jìn)行數據交換。適當實(shí)現的消息傳遞也可以作為一個(gè)虛擬的“軟件總線(xiàn)”，允許任何的軟件組件，甚至是一個(gè)設備驅動(dòng)程序被動(dòng)態(tài)地加入或替換，對于必須提供連續服務(wù)的系統而言這是一項關(guān)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(dòng)態(tài)升級能力。在實(shí)際應用中，如果實(shí)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(gè)微內核RTOS可以采用多段式消息和線(xiàn)程到線(xiàn)程的消息數據直接拷貝等各種技術(shù)，來(lái)確保系統性能可以達到傳統的進(jìn)程間通信方法的水平。
五、幾種常用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的介紹
VxWorks。VxWorks是美國WindRiver公司的產(chǎn)品,是目前嵌入式系統領(lǐng)域中應用很廣泛,市場(chǎng)占有率比較高的嵌入式操作系統。VxWorks實(shí)時(shí)操作系統由400多個(gè)相對獨立、短小精悍的目標模塊組成,用戶(hù)可根據需要選擇適當的模塊來(lái)裁剪和配置系統;提供基于優(yōu)先級的任務(wù)調度、任務(wù)間同步與通信、中斷處理、定時(shí)器和內存管理等功能,內建符合POSIX(可移植操作系統接口)規范的內存管理,以及多處理器控制程序;并且具有簡(jiǎn)明易懂的用戶(hù)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(lái)的,是美國嵌入式系統專(zhuān)家Jean J.Labrosse用C語(yǔ)言編寫(xiě)的一個(gè)結構小巧、搶占式的多任務(wù)實(shí)時(shí)內核。μC/OS-II能管理64個(gè)任務(wù),并提供任務(wù)調度與管理、內存管理、任務(wù)間同步與通信、時(shí)間管理和中斷服務(wù)等功能,具有執行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴展性強等特點(diǎn)。
μClinux。μClinux是一種優(yōu)秀的嵌入式Linux版本,其全稱(chēng)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操作系統的主要特性,包括良好的穩定性和移植性、強大的網(wǎng)絡(luò )功能、出色的文件系統支持、標準豐富的API,以及TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議等。因為沒(méi)有MMU內存管理單元,所以其多任務(wù)的實(shí)現需要一定技巧。
eCos。eCos(embedded Configurable operating system),即嵌入式可配置操作系統。它是一個(gè)源代碼開(kāi)放的可配置、可移植、面向深度嵌入式應用的實(shí)時(shí)操作系統。最大特點(diǎn)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(yǔ)言庫和底層運行包等。每個(gè)組件可提供大量的配置選項(實(shí)時(shí)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(guò)不同的配置使得eCos能夠滿(mǎn)足不同的嵌入式應用要求。
參考文獻
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