微內(nèi)核操作系統(tǒng)在嵌入式平臺(tái)上的應(yīng)用

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　　所謂嵌入式系統(tǒng)是指為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用電腦系統(tǒng)，通常執(zhí)行的是帶有特定要求的預(yù)先定義的任務(wù)。說(shuō)到嵌入式系統(tǒng)上的操作系統(tǒng)，人們首先想到的是各種經(jīng)過(guò)裁剪的Linux以及WinCE。但是Linux和WinCE本身作為單內(nèi)核(monolithickernel)操作系統(tǒng)，內(nèi)核部分過(guò)于復(fù)雜，并不適用于嵌入式平臺(tái)。而μC/Os-II和eCos等又過(guò)于簡(jiǎn)單，不能提供完整的功能。而隨著微內(nèi)核(microkernel)操作系統(tǒng)的理論和實(shí)現(xiàn)越來(lái)越成熟，微內(nèi)核操作系統(tǒng)開(kāi)始成為嵌入式平臺(tái)一個(gè)很好的選擇。

　　圖1 嵌入式平臺(tái)操作系統(tǒng)占有率比較圖

　　嵌入式平臺(tái)對(duì)操作系統(tǒng)的需求

　　嵌入式平臺(tái)上運(yùn)行的操作系統(tǒng)一方面會(huì)根據(jù)嵌入式平臺(tái)所執(zhí)行的功能對(duì)內(nèi)核組件進(jìn)行裁剪，在滿足系統(tǒng)的應(yīng)用功能的基礎(chǔ)上去除不必要的部分;另一方面，嵌入式平臺(tái)對(duì)操作系統(tǒng)的可靠性，實(shí)時(shí)性和安全性特性有很高的要求。

　　可靠性是指嵌入式設(shè)備特別是工業(yè)設(shè)備中的嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常需要連續(xù)運(yùn)行數(shù)以年計(jì)的時(shí)間而不出差錯(cuò)?？梢韵胂袢绻w機(jī)中的嵌入式系統(tǒng)在飛機(jī)飛行時(shí)崩潰重啟，會(huì)造成多么大的危害。這就要求嵌入式系統(tǒng)上的操作系統(tǒng)的運(yùn)行完全沒(méi)有錯(cuò)誤，或者在錯(cuò)誤出現(xiàn)的時(shí)候可以快速自動(dòng)復(fù)位，并且避免在操作系統(tǒng)中使用不穩(wěn)定的模塊。

　　實(shí)時(shí)性是指系統(tǒng)能在確定的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行操作并對(duì)外部的異步事件做出響應(yīng)，比如汽車發(fā)生車禍時(shí)安全氣囊必須在極短的時(shí)間內(nèi)打開(kāi)。一次正確的操作不僅要求邏輯功能上的正確，而且要求完成這些操作所花費(fèi)的時(shí)間在限定之內(nèi)。實(shí)時(shí)又分成硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)，硬實(shí)時(shí)要求任務(wù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)必須完成，這由操作系統(tǒng)來(lái)保證;而軟實(shí)時(shí)要求事件響應(yīng)是實(shí)時(shí)的，并按照任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，盡可能在短時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需要調(diào)度一切可利用的資源完成有實(shí)時(shí)性要求的任務(wù)，其次才著考慮提高操作系統(tǒng)的整體效率。

　　隨著嵌入式系統(tǒng)越來(lái)越多得與外部連接，甚至是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接，其安全性也越來(lái)越受到關(guān)注。比如用掌上電腦進(jìn)行網(wǎng)上購(gòu)物的時(shí)候，用戶的銀行帳號(hào)信息必須得到嚴(yán)格的保護(hù)。安全性具體是指要求嵌入式設(shè)備在與外部連接的過(guò)程中，其內(nèi)部的數(shù)據(jù)不會(huì)偶然或被惡意地破壞、更改或者泄露，維持嵌入式系統(tǒng)中信息的保密性和完整性。

　　微內(nèi)核操作系統(tǒng)

　　所謂微內(nèi)核是一種最小的的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)內(nèi)核，其設(shè)計(jì)思想是內(nèi)核本身不提供操作系統(tǒng)的相關(guān)服務(wù)，而是提供實(shí)現(xiàn)這些服務(wù)的機(jī)制，諸如底層的地址空間管理，線程調(diào)度以及進(jìn)程間通信。一般的硬件都有執(zhí)行權(quán)限級(jí)別，比如IntelIA32架構(gòu)有Ring0到Ring3的特權(quán)級(jí)，而一般的操作系統(tǒng)至少會(huì)用到兩個(gè)，稱之為內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)。而對(duì)于微內(nèi)核操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，并非操作系統(tǒng)服務(wù)都運(yùn)行于內(nèi)核態(tài)，而是提供服務(wù)實(shí)現(xiàn)的機(jī)制部分運(yùn)行于內(nèi)核態(tài);而操作系統(tǒng)的服務(wù)，包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)，文件系統(tǒng)和用戶界面等則作為用戶態(tài)的服務(wù)應(yīng)用程序運(yùn)行。

　　圖2 單內(nèi)核操作系統(tǒng)(左)和微內(nèi)核操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較圖

　　如圖2所示，左邊的是單內(nèi)核操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。我們常用的Windows操作系統(tǒng)和Linux操作系統(tǒng)都屬于這個(gè)類型。單內(nèi)核操作系統(tǒng)的內(nèi)核提供完整的操作系統(tǒng)服務(wù)，比如圖中所示的文件系統(tǒng)，進(jìn)程間通信，進(jìn)程調(diào)度器，內(nèi)存管理，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等等。而應(yīng)用程序則運(yùn)行在用戶態(tài)，應(yīng)用程序想要使用操作系統(tǒng)提供的服務(wù)，需要通過(guò)內(nèi)核提供的接口，我們稱之為系統(tǒng)調(diào)用。當(dāng)應(yīng)用程序進(jìn)程執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，會(huì)陷入到內(nèi)核的代碼去執(zhí)行，進(jìn)程此時(shí)運(yùn)行于內(nèi)核態(tài)，處理器處于特權(quán)級(jí)最高的Ring0狀態(tài)執(zhí)行。當(dāng)應(yīng)用程序需要的操作系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用完成，進(jìn)程回到原本的應(yīng)用程序代碼中繼續(xù)執(zhí)行，也同時(shí)回到了用戶態(tài)，在Ring3的特權(quán)級(jí)上運(yùn)行。

　　而對(duì)于右邊的微內(nèi)核操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)的內(nèi)核部分被大大簡(jiǎn)化，只包括基本的IPC機(jī)制，虛擬內(nèi)存映射和調(diào)度機(jī)制，這些僅僅是用于實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)服務(wù)的基本機(jī)制。真正的操作系統(tǒng)服務(wù)，比如設(shè)備驅(qū)動(dòng)，文件系統(tǒng)，應(yīng)用程序間通信等，通過(guò)用戶態(tài)服務(wù)程序的方式實(shí)現(xiàn)。當(dāng)普通的應(yīng)用程序需要操作系統(tǒng)的相關(guān)服務(wù)時(shí)，通過(guò)發(fā)送IPC消息給這個(gè)服務(wù)程序，這些服務(wù)程序進(jìn)行相關(guān)的操作，必要時(shí)也會(huì)通過(guò)內(nèi)核提供的系統(tǒng)調(diào)用陷入到內(nèi)核態(tài)去執(zhí)行基本的操作，并把結(jié)果再通過(guò)IPC返回給請(qǐng)求服務(wù)的應(yīng)用程序。