摘要：嵌入式操作系統(tǒng)在很多領域得到應用。由于嵌入式實時操作系統(tǒng)支持多任務，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，對多任務的調(diào)度切換進行了分析比較。
關鍵詞：嵌入式操作系統(tǒng)；任務切換；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)。任務調(diào)度策略是實時系統(tǒng)內(nèi)核的關鍵部分，如何進行任務調(diào)度，使得各個任務能在其期限之內(nèi)得以完成，是實時操作系統(tǒng)的重要研究領域。而不同的操作系統(tǒng)對任務調(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)領域中應用很廣泛、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)先級的任務調(diào)度、任務間同步與通信、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語言編寫的一個結構小巧、搶占式的多任務實時內(nèi)核。μC／OS-II能管理64個任務，并提供任務調(diào)度與管理、內(nèi)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(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)。其設計目的是為符合廣泛的智能設備的需求，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、電話和家庭娛樂設備等)，提供自動控制、視聽娛樂、行動計算、終端機等各個應用領域一個穩(wěn)定、實時及多任務的操作系統(tǒng)。

2 任 務
2．1 任務切換概述
    上下文切換(context switch)，其實際含義是任務切換，或者CPU寄存器切換。當多任務內(nèi)核決定運行另外的任務時，它保存正在運行任務的當前狀態(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的當前狀況從該任務的棧中重新裝入CPU寄存器，并開始下一個任務的運行，這一過程就是context switch。
    每個任務都是整個應用的一部分，都被賦予一定的優(yōu)先級，有自己的一套CPU寄存器和棧空間，如圖1所示。

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2．2 任務的切換與調(diào)度
    μC／OS-II是可搶占實時多任務內(nèi)核，它總是運行優(yōu)先級最高的就緒任務，不支持時間片輪轉調(diào)度法，每個任務的優(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。

    當一個任務在運行狀態(tài)中時，如果沒有關閉中斷，就有可能被中斷打斷，去執(zhí)行中斷服務子程序ISR。執(zhí)行完后內(nèi)核要判斷此時是否有更高優(yōu)先級，新的任務就緒，如果有則原有的任務被搶占，實現(xiàn)了任務的切換。
    當一個任務在運行狀態(tài)中時，調(diào)用OSTimeDly()或OSTimeDlyHMSM()函數(shù)，該任務進入等待狀態(tài)，一直到延時時間到，這2個函數(shù)立即強制執(zhí)行任務切換，讓下一個優(yōu)先級最高的就緒任務運行。當然，如果運行的任務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，來實現(xiàn)任務的切換。
    實際的任務切換是調(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)先級任務時須用到的。OS_TA-SK_SW()總是在任務級代碼中被調(diào)用。另一個函數(shù)OSIntExit()用在中斷服務子程序ISR中。當中斷任務子程序使更高優(yōu)先級任務進入就緒態(tài)時，OSintExit()完成任務切換功能，任務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的堆棧中，并且從堆棧中恢復要運行的更高優(yōu)先級的任務。

    μC／OS-II總是運行進入就緒態(tài)任務中優(yōu)先級最高的任務，確定哪個任務優(yōu)先級最高，以及下面該哪個任務運行。這一工作是由調(diào)度器完成的，所以任務調(diào)度的工作就是：查找準備就緒的最高優(yōu)先級的任務并進行上下文切換。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，任務的上下文切換和調(diào)度比較復雜。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)。
    在多任務系統(tǒng)中，都會提供一個系統(tǒng)函數(shù)來進行進程(任務)間切換，綜合來說，它們有兩種進程(任務)切換方式：
    ①由進程(任務)本身直接調(diào)用任務切換函數(shù)進行進程(任務)切換。在當前進程(任務)因為不能獲得必需的資源而立即被堵塞時，就由進程(任務)本身直接調(diào)用進程(任務)切換函數(shù)進行進程(任務)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)用任務切換函數(shù)進行進程(任務)切換。此方式是把當前進程(任務)設置一調(diào)度標志而以延遲方式調(diào)用任務切換函數(shù)進行進程(任務)切換。在Linux系統(tǒng)中，總是在恢復用戶態(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，任務的優(yōu)先級為0～255。任務有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，該任務被剝奪CPU使用權，而去執(zhí)行優(yōu)先級更高的任務。而在相同優(yōu)先級的多個任務之間，采用時間片輪轉調(diào)度機制。采用這種機制，當一個任務到達時，它被安排在輪轉隊列的后面，等待分配給自己的時間片的到來，如果在時間片內(nèi)沒有結束，則在等待屬于自己的時間片的到來，直到任務完成。
    在VxWorks系統(tǒng)中，對于優(yōu)先級相同的任務，如果狀態(tài)為Ready，則可以通過時間片輪轉方式公平享有CPU資源。輪轉調(diào)度法給處于就緒態(tài)的每個同優(yōu)先級的任務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用程序。Windows CE．NET采用基于動態(tài)優(yōu)先級的搶占式多任務機制，越重要的任務，優(yōu)先級越高。Windows CE．NET在任務調(diào)度中采用任務優(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這樣復雜、高性能的多任務實時內(nèi)核，由于多個任務允許公用一個優(yōu)先級，則相同優(yōu)先級的任務要采用Windows CE．NET提供的時間片輪轉法實現(xiàn)。具體實現(xiàn)如圖4所示。

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

3 總結
    本文對幾種操作系統(tǒng)的內(nèi)核的主要部分(任務切換與調(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。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。