摘要：嵌入式操作系統(tǒng)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。由于嵌入式實時操作系統(tǒng)支持多任務(wù)，使得程序開發(fā)更加容易，在便于維護的同時還能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，所以逐步成為嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分。本文介紹4種嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks、μClinux、μC／OS-II和Windo-ws CE，對多任務(wù)的調(diào)度切換進行了分析比較。
關(guān)鍵詞：嵌入式操作系統(tǒng)；任務(wù)切換；VxWorks；Linux；μC／OS-II；Wiladows CE

引言
    嵌入式系統(tǒng)在航天、軍事、工控以及家電等方面得到了廣泛應(yīng)用。大量的嵌入式系統(tǒng)具有實時性的要求，但是由于體積、能耗、價格等方面的約束，其處理器速度往往比較慢，存儲器容量也有限。而傳統(tǒng)的實時操作系統(tǒng)難以簡單地移植到嵌入式系統(tǒng)中，所以需要重新開發(fā)針對嵌入式系統(tǒng)特性的實時操作系統(tǒng)。任務(wù)調(diào)度策略是實時系統(tǒng)內(nèi)核的關(guān)鍵部分，如何進行任務(wù)調(diào)度，使得各個任務(wù)能在其期限之內(nèi)得以完成，是實時操作系統(tǒng)的重要研究領(lǐng)域。而不同的操作系統(tǒng)對任務(wù)調(diào)度的機制也有所不同，本文對目前比較流行的操作系統(tǒng)——VxWorks、μClinux、μC／OS-II、Windows CE的任務(wù)切換機制進行分析和比較。

1 操作系統(tǒng)介紹
1．1 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、短小精悍的目標模塊組成，用戶可根據(jù)需要選擇適當?shù)哪K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；具有簡明易懂的用戶接口，在核心方面甚至可以微縮到8KB。
1．2 μC／OS-lI
    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．Lal3rosse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)良和可擴展性強等特點。
1．3 Linux
    Linux是一種自由的Unix類多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)，可運行在Intel 80386及更高檔次的PC、ARM、DECAlpha等多種計算機平臺上，已經(jīng)成為應(yīng)用廣泛、可靠性高、功能強大的計算機操作系統(tǒng)。
1．4 WindOWS CE
    微軟Windows CE是一個開放且多樣化的32位嵌入式操作系統(tǒng)。其設(shè)計目的是為符合廣泛的智能設(shè)備的需求，例如從企業(yè)工具(如工業(yè)控制器、通信集線器和收款機系統(tǒng))到電子消費性產(chǎn)品(如攝影機、電話和家庭娛樂設(shè)備等)，提供自動控制、視聽娛樂、行動計算、終端機等各個應(yīng)用領(lǐng)域一個穩(wěn)定、實時及多任務(wù)的操作系統(tǒng)。

2 任 務(wù)
2．1 任務(wù)切換概述
    上下文切換(context switch)，其實際含義是任務(wù)切換，或者CPU寄存器切換。當多任務(wù)內(nèi)核決定運行另外的任務(wù)時，它保存正在運行任務(wù)的當前狀態(tài)，也就是CPU寄存器中的全部內(nèi)容。這些內(nèi)容被保存在任務(wù)自己的堆棧中，入棧工作完成后就把下一個將要運行的任務(wù)的當前狀況從該任務(wù)的棧中重新裝入CPU寄存器，并開始下一個任務(wù)的運行，這一過程就是context switch。
    每個任務(wù)都是整個應(yīng)用的一部分，都被賦予一定的優(yōu)先級，有自己的一套CPU寄存器和?？臻g，如圖1所示。

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2．2 任務(wù)的切換與調(diào)度
    μC／OS-II是可搶占實時多任務(wù)內(nèi)核，它總是運行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)，不支持時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法，每個任務(wù)的優(yōu)先級要求不一樣，且是唯一的。它有5種狀態(tài)，如圖2所示。

    當一個任務(wù)在運行狀態(tài)中時，如果沒有關(guān)閉中斷，就有可能被中斷打斷，去執(zhí)行中斷服務(wù)子程序ISR。執(zhí)行完后內(nèi)核要判斷此時是否有更高優(yōu)先級，新的任務(wù)就緒，如果有則原有的任務(wù)被搶占，實現(xiàn)了任務(wù)的切換。
    當一個任務(wù)在運行狀態(tài)中時，調(diào)用OSTimeDly()或OSTimeDlyHMSM()函數(shù)，該任務(wù)進入等待狀態(tài)，一直到延時時間到，這2個函數(shù)立即強制執(zhí)行任務(wù)切換，讓下一個優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)運行。當然，如果運行的任務(wù)需要等待某一事件的發(fā)生，可以調(diào)用一些函數(shù)(如OSFlag Pend()、OSSemPend()、OSMutexPend()、OSMboxPend()、OSQPrnd()等)掛起該任務(wù)，來實現(xiàn)任務(wù)的切換。
    實際的任務(wù)切換是調(diào)用OS_TASK_SW()函數(shù)。OS_TASK_SW()是一個宏，是在μC／OS-II從低優(yōu)先級切換到高優(yōu)先級任務(wù)時須用到的。OS_TA-SK_SW()總是在任務(wù)級代碼中被調(diào)用。另一個函數(shù)OSIntExit()用在中斷服務(wù)子程序ISR中。當中斷任務(wù)子程序使更高優(yōu)先級任務(wù)進入就緒態(tài)時，OSintExit()完成任務(wù)切換功能，任務(wù)切換只是簡單地將處理器的寄存器保存到將被掛起的任務(wù)的堆棧中，并且從堆棧中恢復(fù)要運行的更高優(yōu)先級的任務(wù)。

    μC／OS-II總是運行進入就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級最高的任務(wù)，確定哪個任務(wù)優(yōu)先級最高，以及下面該哪個任務(wù)運行。這一工作是由調(diào)度器完成的，所以任務(wù)調(diào)度的工作就是：查找準備就緒的最高優(yōu)先級的任務(wù)并進行上下文切換。該工作由函數(shù)OSSched()完成。中斷級的調(diào)度由OS-intExt()完成。代碼如下：
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    在Linux系統(tǒng)中，任務(wù)的上下文切換和調(diào)度比較復(fù)雜。Linux的上下文切換功能是由context_switch()函數(shù)完成的。代碼如下：
   
  
    context_switch()完成了2個工作：
    ①切換虛擬內(nèi)存映射，即負責把虛擬內(nèi)存從被切換下來的進程映射到新進程中，該功能由函數(shù)switcn_mm()實現(xiàn)。
    ②切換進程的寄存器狀態(tài)，即負責從一個進程的處理器狀態(tài)切換到新進程的處理器狀態(tài)，該功能由函數(shù)switcn_to()實現(xiàn)。
    在多任務(wù)系統(tǒng)中，都會提供一個系統(tǒng)函數(shù)來進行進程(任務(wù))間切換，綜合來說，它們有兩種進程(任務(wù))切換方式：
    ①由進程(任務(wù))本身直接調(diào)用任務(wù)切換函數(shù)進行進程(任務(wù))切換。在當前進程(任務(wù))因為不能獲得必需的資源而立即被堵塞時，就由進程(任務(wù))本身直接調(diào)用進程(任務(wù))切換函數(shù)進行進程(任務(wù))間調(diào)度。在Linux中可以直接調(diào)用schedule()函數(shù)來實現(xiàn)。
    ②延遲調(diào)用任務(wù)切換函數(shù)進行進程(任務(wù))切換。此方式是把當前進程(任務(wù))設(shè)置一調(diào)度標志而以延遲方式調(diào)用任務(wù)切換函數(shù)進行進程(任務(wù))切換。在Linux系統(tǒng)中，總是在恢復(fù)用戶態(tài)進程執(zhí)行之前，檢查這一調(diào)度標志，在這里標志是need_resched，如果有這一標志，就調(diào)用調(diào)度函數(shù)進行進程切換。
    此種情況主要包括以下幾種：
    ①當前進程用完了它的CPU時間片，由scheduler_tick()函數(shù)完成schedule()的延遲調(diào)用。
    ②當一個被喚醒進程的優(yōu)先級比當前進程優(yōu)先級高時，由try_to_wake_up()函數(shù)完成schedule()的延遲調(diào)用。
    ③當發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用sched_setscheduler()時。在這些情況中，主要由于系統(tǒng)調(diào)用或中斷而進入內(nèi)核態(tài)，或者當前進程本來在內(nèi)核態(tài)時，返回用戶態(tài)時發(fā)生的。
    在VxWorks系統(tǒng)中，任務(wù)的優(yōu)先級為0～255。任務(wù)有4種狀態(tài)：就緒態(tài)、懸置態(tài)、休眠態(tài)和延遲態(tài)，如圖3所示。

    內(nèi)核缺省調(diào)度機制為基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度。采用這種機制，系統(tǒng)把處理機分配給優(yōu)先級最高的進程，使之執(zhí)行。一旦出現(xiàn)優(yōu)先級更高的進程時，該任務(wù)被剝奪CPU使用權(quán)，而去執(zhí)行優(yōu)先級更高的任務(wù)。而在相同優(yōu)先級的多個任務(wù)之間，采用時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度機制。采用這種機制，當一個任務(wù)到達時，它被安排在輪轉(zhuǎn)隊列的后面，等待分配給自己的時間片的到來，如果在時間片內(nèi)沒有結(jié)束，則在等待屬于自己的時間片的到來，直到任務(wù)完成。
    在VxWorks系統(tǒng)中，對于優(yōu)先級相同的任務(wù)，如果狀態(tài)為Ready，則可以通過時間片輪轉(zhuǎn)方式公平享有CPU資源。輪轉(zhuǎn)調(diào)度法給處于就緒態(tài)的每個同優(yōu)先級的任務(wù)分配一個相同的時間片，該時間片的大小由系統(tǒng)調(diào)用KernelTimeSlice決定。
    在Windows CE系統(tǒng)中，Windows CE 3．0之后，系統(tǒng)支持的優(yōu)先級增長到256個，0優(yōu)先級級別最高，255優(yōu)先級級別最低。0～247的優(yōu)先級屬于實時性優(yōu)先級，248～255的優(yōu)先級一般分配給普通應(yīng)用程序。Windows CE．NET采用基于動態(tài)優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)機制，越重要的任務(wù)，優(yōu)先級越高。Windows CE．NET在任務(wù)調(diào)度中采用任務(wù)優(yōu)先級制、優(yōu)先級動態(tài)調(diào)整機制和搶占式調(diào)度，都是為了最大限度地滿足系統(tǒng)的實時性要求。對于一個優(yōu)先級只有一個任務(wù)的簡單系統(tǒng)內(nèi)核，上述的3種調(diào)度足以滿足要求，但對于Windows CE．NET這樣復(fù)雜、高性能的多任務(wù)實時內(nèi)核，由于多個任務(wù)允許公用一個優(yōu)先級，則相同優(yōu)先級的任務(wù)要采用Windows CE．NET提供的時間片輪轉(zhuǎn)法實現(xiàn)。具體實現(xiàn)如圖4所示。

    在沒有更高優(yōu)先級任務(wù)就緒時，相同優(yōu)先級的任務(wù)依照就緒的先后次序執(zhí)行。執(zhí)行一定的時間片后，無論任務(wù)完成與否，均轉(zhuǎn)入下一任務(wù)運行。未運行完的任務(wù)釋放處理器的控制權(quán)后轉(zhuǎn)入就緒隊列的末尾，依次往復(fù)。這樣的輪轉(zhuǎn)策略保證了具有相同優(yōu)先級的任務(wù)平等地享有控制權(quán)的處理權(quán)。在Windows CE系統(tǒng)中，一般設(shè)置的時間片大小為10 ms。

3 總結(jié)
    本文對幾種操作系統(tǒng)的內(nèi)核的主要部分(任務(wù)切換與調(diào)度)進行了分析比較，便于理解其實時性、可靠性等方面的優(yōu)缺點，為以后進行系統(tǒng)的移植和開發(fā)打下基礎(chǔ)。由于筆者時間和精力有限，而且目前的操作系統(tǒng)很多，本文只分析了4種系統(tǒng)，還不夠完善。未來可以對其他更多的實時操作系統(tǒng)進行分析比較。