摘要：嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）是嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)運行平臺，是嵌入式系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠工作的基礎(chǔ)，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(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域大到工業(yè)控制,小到個人消費用品如數(shù)碼相機(jī),手機(jī),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(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；嵌入式；實時
　　中圖分類號：TP316.2文獻(xiàn)標(biāo)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(jīng)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(wǎng)絡(luò)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(xiàn)特定功能，并且軟硬件緊密結(jié)合在一起的計算機(jī)系統(tǒng)。
　　實時嵌入式系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的一種，它能夠?qū)ν獠渴录�給予及時響應(yīng)。對外部事件的響應(yīng)有三個步驟：對外部事件的識別，必要的處理，以及結(jié)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(wù)運行得越快越好，對響應(yīng)時間的介定有一定的靈活性；在硬實時系統(tǒng)中，各任務(wù)不僅要執(zhí)行無誤而且要做到準(zhǔn)時，一旦不能在確定的時間內(nèi)完成,有可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果。實時操作系統(tǒng)（RTOS）以及時的方式進(jìn)行任務(wù)調(diào)度、系統(tǒng)資源的管理以及為應(yīng)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(yīng)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(biāo)
　　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(jīng)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(biāo)。
　　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(xiàn)異常情況，保證應(yīng)用系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地工作的指標(biāo)。
　　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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)水平以及能否得到眾多第三方（主要包括：驅(qū)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(yīng)外部事件的能力。通常包括：系統(tǒng)調(diào)用時間、任務(wù)切換時間、中斷響應(yīng)和延遲時間、信號量混洗時間、數(shù)據(jù)包吞吐率等。
　　3嵌入式實時操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
　　 操作系統(tǒng)發(fā)展至今,模塊結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常明確,即可分成處理器管理、存儲器器管理、設(shè)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(xiàn)今的操作系統(tǒng)是一種直接的計算機(jī)硬件的邏輯映射,是硬件組合模型的軟件表達(dá)形式。
　　表1：
　　操作系統(tǒng)最基本的結(jié)構(gòu)是模塊結(jié)構(gòu)和層次結(jié)構(gòu)。模塊結(jié)構(gòu)是最一般的結(jié)構(gòu)化設(shè)計。單內(nèi)核就是模塊結(jié)構(gòu),但內(nèi)核的概念是一種層次概念。層次結(jié)構(gòu)是建立在系統(tǒng)功能模塊分類的基礎(chǔ)之上,是一種模塊集合作為“層”的結(jié)構(gòu)。操作系統(tǒng)按模塊間功能調(diào)用方式分單內(nèi)核與微核兩類。另外還有兩種應(yīng)用模型:虛擬機(jī)與客戶機(jī)(服務(wù)器)模式,它們是建立在操作系統(tǒng)的系統(tǒng)應(yīng)用擴(kuò)展模型。
　　當(dāng)外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，能夠接受并以足夠快的速度予以處理，其處理的結(jié)果又能在規(guī)定的時間之內(nèi)來控制生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)作出快速響應(yīng)，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)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(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時間，從而使內(nèi)部的代碼和實時內(nèi)核心的執(zhí)行時間減少到最低限度。2）具有功能很強(qiáng)的存儲區(qū)保護(hù)功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設(shè)計強(qiáng)大的存儲區(qū)保護(hù)功能，同時也有利于軟件診斷。3）可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以能最迅速地開展出滿足應(yīng)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(shè)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(guān)鍵取決于RTOS的架構(gòu)。例如在實時執(zhí)行模式架構(gòu)中，大部分或所有軟件組件都在一個單一的內(nèi)存地址空間中運行，包括操作系統(tǒng)內(nèi)核、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、設(shè)備驅(qū)動程序、應(yīng)用程序等。雖然這種架構(gòu)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(nèi)核或任何其它組件，導(dǎo)致不可預(yù)測的行為和整個系統(tǒng)的崩潰；很難動態(tài)修復(fù)或替換任何有故障的組件，大多數(shù)情況下，出現(xiàn)這些問題時系統(tǒng)復(fù)位是唯一的選擇。
　　有一些RTOS試圖通過使用單內(nèi)核架構(gòu)來解決這個問題。在這種架構(gòu)中，用戶的應(yīng)用程序在隔離的、受保護(hù)內(nèi)存地址空間中運行。如果一個應(yīng)用程序試圖訪問其地址空間之外的數(shù)據(jù)，內(nèi)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(hù)措施，例如終止出錯進(jìn)程。由于這樣的操作系統(tǒng)需要將大多數(shù)或所有驅(qū)動程序、文件系統(tǒng)和其它系統(tǒng)服務(wù)綁定到內(nèi)核中，因此任何組件中的一個錯誤都可能帶來災(zāi)難性的內(nèi)核故障。
　　采用微內(nèi)核（mricokernel）架構(gòu)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(nèi)核架構(gòu)。微內(nèi)核有兩個明確的特征：（1）在操作系統(tǒng)內(nèi)核中只實現(xiàn)了一個包含了基本OS服務(wù)的小內(nèi)核（如信號量、定時器、任務(wù)調(diào)度等），包括驅(qū)動程序、文件系統(tǒng)、協(xié)議棧和用戶應(yīng)用程序在內(nèi)的所有其它的組件在內(nèi)核外部分離的、保護(hù)內(nèi)存的進(jìn)程中運行。有問題的系統(tǒng)服務(wù)不再作為孤立的故障點，而是在破壞其它服務(wù)或操作系統(tǒng)內(nèi)核之前被終止并重啟。（2）所有的組件能夠通過消息傳遞進(jìn)行通信，一個定義良好的通信機(jī)制保障了程序在保持彼此安全隔離的前提下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。適當(dāng)實現(xiàn)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(shè)備驅(qū)動程序被動態(tài)地加入或替換，對于必須提供連續(xù)服務(wù)的系統(tǒng)而言這是一項關(guān)鍵要求。
　　基于消息傳遞的微內(nèi)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(yīng)用中，如果實現(xiàn)正確，消息傳遞的性能可以接近底層硬件的內(nèi)存帶寬。例如，一個微內(nèi)核RTOS可以采用多段式消息和線程到線程的消息數(shù)據(jù)直接拷貝等各種技術(shù)，來確保系統(tǒng)性能可以達(dá)到傳統(tǒng)的進(jìn)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(chǎn)品,是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中應(yīng)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(biāo)模塊組成,用戶可根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)哪�塊來裁剪和配置系統(tǒng);提供基于優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間同步與通信、中斷處理、定時器和內(nèi)存管理等功能,內(nèi)建符合POSIX(可移植操作系統(tǒng)接口)規(guī)范的內(nèi)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(chǔ)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(jié)構(gòu)小巧、搶占式的多任務(wù)實時內(nèi)核。μC/OS-II能管理64個任務(wù),并提供任務(wù)調(diào)度與管理、內(nèi)存管理、任務(wù)間同步與通信、時間管理和中斷服務(wù)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(kuò)展性強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)的Linux相比,μClinux的內(nèi)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(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能、出色的文件系統(tǒng)支持、標(biāo)準(zhǔn)豐富的API,以及TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。因為沒有MMU內(nèi)存管理單元,所以其多任務(wù)的實現(xiàn)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(yīng)用的實時操作系統(tǒng)。最大特點是配置靈活,采用模塊化設(shè)計,核心部分由不同的組件構(gòu)成,包括內(nèi)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(nèi)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(yīng)用要求。
　　
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