嵌入式實時操作系統研究與分析

【文章摘要】

嵌入式實時操作系統（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。嵌入式時實操作系統目前應用的范圍越來越廣，逐漸成為今后操作系統開發和發展的主要方向。

【關鍵詞】

操作系統；嵌入式；實時

1 嵌入式和實時系統介紹

實時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。實時系統又分為硬實時和軟實時兩種。在軟實時系統中，系統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；在硬實時系統中，各任務不僅要執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（RTOS）以及時的方式進行任務調度、系統資源的管理以及為應用開發提供一個穩固的平臺。RTOS可以是一個小而簡單的系統，也可以是一個大而全的系統，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 嵌入式操作系統實時性的幾個重要性能指標

成熟度一個操作系統從研發成功到能穩定、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時操作系統在長時間運行過程中不會出現異常情況，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時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間來度量。

安全性安全性是反映嵌入式實時操作系統能夠抵御外部攻擊和應用軟件自身缺陷的能力。

開放性開放性是反映嵌入式實時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快速響應外部事件的能力。通常包括：系統調用時間、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的體系結構

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。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的系統應用擴展模型。

4 如何提高嵌入式實時操作系統的可靠性

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，包括操作系統內核、網絡協議棧、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內核或任何其它組件，導致不可預測的行為和整個系統的崩潰；很難動態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，操作系統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需要將大多數或所有驅動程序、文件系統和其它系統服務綁定到內核中，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、協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地加入或替換，對于必須提供連續服務的系統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，來確保系統性能可以達到傳統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的介紹

VxWorks。VxWorks是美國WindRiver公司的產品，是目前嵌入式系統領域中應用很廣泛，市場占有率比較高的嵌入式操作系統。VxWorks實時操作系統由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；提供基于優先級的任務調度、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（可移植操作系統接口）規范的內存管理，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的基礎上發展起來的，是美國嵌入式系統專家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，具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良和可擴展性強等特點。

μClinux。μClinux是一種優秀的嵌入式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操作系統的主要特性，包括良好的穩定性和移植性、強大的網絡功能、出色的文件系統支持、標準豐富的API，以及TCP/IP網絡協議等。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。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。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】

羅蕾.嵌入式實時操作系統及應用開發[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

【作者簡介】

肖剛（1973—），男，黑龍江省哈爾濱人，同濟大學軟件學院碩士研究生。