淺談嵌入式微內(nèi)核實時操作系統(tǒng)的說明與測試

摘要：介紹嵌入式微內(nèi)核實時操作系統(tǒng)的體系結構;針對Wolf嵌入式操作系統(tǒng)，設計一套微內(nèi)核嵌入式操作系統(tǒng)測試實現(xiàn)方案。在Wolf操作系統(tǒng)支持下，已產(chǎn)業(yè)化的閱讀不耗電電子書(eBook)驗證了Wolf操作系統(tǒng)的可靠性。 關鍵詞：嵌入式實時操作系統(tǒng)ERTOS 微內(nèi)核 Wolf 軟件測試儀 eBook 1 嵌入式實時操作系統(tǒng)概述 嵌入式實時操作系統(tǒng)(ERTOS)是操作系統(tǒng)研究的一個重要分支，它與一般商用多任務OS，如UNIX，Windows等，最大的不同之處在于：商用多任務OS的目的是追求系統(tǒng)資源最大利用率和公平對待所有的系統(tǒng)請求;而ERTPS追求的是實時性、可確定性、可靠性。 自20世紀90年代以來，ERTOS發(fā)展迅速。國外著名商用EPTOS有：Wind River公司的VxWorks、IS(Integrated Systems)公司(2000年已被Wind River公司合并)的pSOS、AC(Accelerated Technology)公司的Nucleus等等。國外ERTOS很多，大多是針對不同應用的專用ERTOS或通用ERTOS。

與傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)模式相比，雖然ERTOS會要求一些額外的開銷，但可以由現(xiàn)代微控制器的高速度、大存儲器以及產(chǎn)品提前進入市場的優(yōu)勢來彌補。優(yōu)秀的ERTOS可以對幾十個系列的嵌入式處理器MPU、微控制器MCU提供API接口。在此基礎上，可以編定出各川硬件驅動程序、產(chǎn)品庫函數(shù)，與通用性的應用程序一起作為產(chǎn)品銷售。 2 ERTOS——Wolf分析 嵌入式實時操作系統(tǒng)產(chǎn)品Wolf(南開津科ERTOS)是一個開放式的微內(nèi)核實時操作系統(tǒng)。其基本設計思想是： *低功耗(具有間歇式工作機制，支持哈偶結構); *支持尖端智能輸入/輸出設備; *支持微型大容量存儲卡(SM卡、SD卡等); *本質安全，支持信息版權及安全保護; *為第三方提供產(chǎn)品級的SDK。 具有以下特點： *微內(nèi)核結構; *支持多種CPU產(chǎn)品; *基于優(yōu)先級的搶占式調度和輪轉調度相結合的多任務調度; *極小的內(nèi)存開銷; *高可用性、可靠性。 2.1 微內(nèi)核體系結構 微內(nèi)核體系結構是相對層次內(nèi)核體系結構而言的。層次操作系統(tǒng)體系結構如圖1(a)所示，大部分或全部層次功能由內(nèi)核實現(xiàn)，所有的接口功能只與相鄰層有關，系統(tǒng)和應用獨立，但其每一功能層的變化都會影響整個系統(tǒng)，層間安全性低。微內(nèi)核體系結構如圖1(b)所示，其基本思想是將原來屬于傳統(tǒng)如圖1(b)所示，其基本思想是將原來屬于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)內(nèi)核的一些功能和服務從內(nèi)核中分出，以子系統(tǒng)(組件)的形式與內(nèi)核或其它子系統(tǒng)相互作用。組件功能以服務進程的方式通過消息與微內(nèi)核和其它組件相互通信來完成。微內(nèi)核的主要功能就是消息交換：確認消息、在組件間傳送消息及準許對硬件操作。微內(nèi)核結構的主要優(yōu)點是：系統(tǒng)具有統(tǒng)一的接口，擴展性、可靠性及支持分布式系統(tǒng)。 Wolf是一個具有微內(nèi)核結構的嵌入式操作系統(tǒng)，它由一個實時多任務內(nèi)核和多個組件的集合組成。軟件組件都是獨立的標準構件塊，可以不用變更地從一個應用程序移到另一個應用程序。Wolf體系結構如圖2所示。

2.2 微內(nèi)核剖析 Wolf多任務調度是動態(tài)基于消息觸發(fā)調度機制，任務切換由臨時事件驅動，任務間是內(nèi)部同步，不同的任務能夠異步招待。Wolf內(nèi)核負責維護系統(tǒng)中的所有任務的當前狀態(tài)，所有任務具有以下四種狀態(tài)之一： *就緒態(tài)(Ready)，縮寫為R。一個就緒態(tài)任務是可運行的，等待高優(yōu)先級的任務釋放CPU。 *運行態(tài)(Run)，縮寫為E。一個運行態(tài)的任務是一個正在使用CPU的就緒任務。任何時刻有且只有一個運行著的任務。 *阻塞態(tài)(Blocked)，縮寫為B。一個任務被阻塞是由于任務自身的多個活動的必要手段。一個任務不能從就緒態(tài)到阻塞態(tài)。 *刮起態(tài)(Suspend)。一個掛起態(tài)的任務不能執(zhí)行，主要用于調試。 *任務調試程序維護1個或多個跟蹤每個任務狀態(tài)的內(nèi)部列表。它有一個就緒列表和每個(任務正在等待的)同步對象的一個單獨受阻列表。就緒隊列前頭的任務是下一個要運行的任務。在受阻列表中的任何任務都被掛起，每當受阻列表中的一個任務等待的事情發(fā)生時，該任務就從受阻列表中被刪除，并被放到就緒列表中等待執(zhí)行、如圖3所示。 (1)多任務調度 任務調度是指根據(jù)一定的約束規(guī)定，將CPU分配給符合條件的任務使用。約束規(guī)則又稱為調度算法。Wolf內(nèi)核采用多種調度算法分配CPU給處于Ready 態(tài)(就緒態(tài))的任務。默認基于優(yōu)先級的搶占式調度算法，也支持基于時間片的輪轉(Round-Robin)調度算法。在嵌入式系統(tǒng)實時應用中，不是每次搶占都是合理的，非期待的搶占會導致系統(tǒng)出現(xiàn)無法預料的情況，Woif提供允許和禁止調度的功能調用實現(xiàn)禁止搶占機制。 (2)任務通信、同步、互斥機制