现在大火的嵌入式实时 *** 作系统，你都了解多少

嵌入式实时 *** 作系统强调了什么？

系统最大的特点当然是嵌入。嵌入就意味着它和硬件的联系很强，对硬件的适配和依赖度都是很高的，对于系统移植的难易度也就成了评价嵌入实时系统的重要方面。嵌入式 *** 作系统移植的目的是使嵌入式 *** 作系统能在某个微处理器或微控制器上运行。比如VxWorks是商用 *** 作系统的有很多API函数及相关技术支持，所以移植和二次开发比较容易，但是移植成本较高。嵌入还意味着对于小型的硬件要求，主要是面对实时产生的数据，在数据产生终端进行快速的运算。所以系统极其强调灵敏性和实时性。

另一个特点就是实时。对于实时性的要求，有很多种实现措施。我们一一道来。首先就是分区处理的思想。对于核心的功能划分，使用户信息和系统程序和运行分列在不同的区划里，保证任务的有效有序运转。其次， 任务管理是嵌入式实时 *** 作系统的核心和灵魂，决定了 *** 作系统的实时性能。它通常包含优先级设置、多任务调度机制和时间确定性等部分。 嵌入式 *** 作系统支持多任务，每个任务都具有优先级，任务越重要，赋予的优先级应越高。优先级的设置分为静态优先级和动态优先级两种。静态优先级指的是每个任务在运行前都被赋予一个优先级，而且这个优先级在系统运行期间是不能改变的；动态优先级则是指每个任务的优先级(特别是应用程序的优先级)在系统运行时可以动态地改变。 嵌入式 *** 作系统支持多任务，每个任务都具有优先级。任务调度主要是协调任务对计算机系统资源的争夺使用。对系统资源非常匮乏的嵌入式系统来说，任务调度尤为重要，它直接影响到系统的实时性能。通常，多任务调度机制分为基于优先级抢占式调度和时间片轮转调度。

基于优先级抢占式调度：系统中每个任务都有一个优先级，内核总是将CPU分配给处于就绪态的优先级最高的任务运行。如果系统发现就绪队列中有比当前运行任务更高的优先级任务，就把当前运行任务置于就绪队列中，调入高优先级任务运行。系统采用优先级抢占方式进行调度，可以保证重要的突发事件及时得到处理。

时间片轮转调度：让优先级相同的处于就绪状态的任务按时间片使用CPU，以防止同优先级的某一任务长时间独占CPU。

在一般情况下，嵌入式实时 *** 作系统采用基于优先级抢占式调度与时间片轮转调度相结合的调度机制。

第三，在运行的执行方式上，VXworks等系统采用进程和线程的执行方式，而市面上其他的系统多采用任务执行方式。

嵌入式实时 *** 作系统函数调用与服务的执行时间应具有可确定性。系统服务的执行时间不依赖于应用程序任务的多少。基于此特征，系统完成某个确定任务的时间是可预测的。表1具体列出了4种 *** 作系统的调度机制。

VxWorks具有高效的任务管理功能，它支持多任务，可分配256个优先级，支持优先级抢占式调试和时间片轮转调度，实时性最好。μC／OS-II内核是针对实时系统的要求设计实现的，只支持基于固定优先级抢占式调度；调度方法简单，可以满足较高的实时性要求。μClinux在结构上继承了标准Linux的多任务实现方式，分为实时进程和普通进程，分别采用先来先服务和时间片轮转调度；仅针对中低档嵌入式CPU特点进行改良，且不支持内核抢占。eCos调度方法丰富，提供了两种基于优先级的调度器(即位图调度器和多级队列调度器)，允许用户在进行配置时选择其中一个凋度器，适应性好。

此外，还涉及到任务的中断管理。

中断管理是实时系统中一个很重要的部分，系统经常通过中断与外部事件交互。主要考虑是否支持中断嵌套、中断处理机制、中断延时等。

以VXwoks为例，xWorks *** 作系统中断管理采用中断处理与普通任务分别在不同栈中处理的中断处理机制，使得中断只会引发一些关键寄存器的存储，而不会导致任务的上下文切换，从而极大地缩短了中断延时。同时，VxWorks的中断处理程序只能在最短时间内通告中断的发生，而将其他的非实时处理尽量放入被引发的中断服务程序中来完成，这也缩短了中断延时。但是凼为中断服务程序不在一个固定的仟务上下文中执行，而目没有任务控制块，所以所有中断服务程序使用相同的中断堆栈。为了能处理最坏情况下的中断嵌套，必须分配足够大的中断堆栈空间。

因商业原因，不对其他新型嵌入式实时 *** 作系统做分析。

·有哪些厉害的MPU实时 *** 作系统？

1、VXworks

VxWorks *** 作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时 *** 作系统（RTOS），是嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时 *** 作系统领域占据一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、d道制导、飞机导航等。在美国的 F-16、FA-18战斗机、B-2 隐形轰炸机和爱国者导d上，甚至连1997年4月在火星表面登陆的火星探测器、2008年5月登陆的凤凰号，和2012年8月登陆的好奇号也都使用到了VxWorks上。

VxWorks *** 作系统有以下部件组成：

多任务调度（采用基于优先级抢占方式，同时支持同优先级任务间的分时间片调度）

任务间的同步

进程间通信机制

中断处理

定时器和内存管理机制

总之，VxWorks的系统结构是一个相当小的微内核的层次结构。内核仅提供多任务环境、进程间通信和同步功能。这些功能模块足够支持VxWorks在较高层次所提供的丰富的性能的要求。

2、QNX

QNX是一种商用的遵从POSIX规范的类Unix实时 *** 作系统，目标市场主要是面向嵌入式系统。它可能是最成功的微内核 *** 作系统之一。

QNX成立于1980年，是加拿大一家知名的嵌入式系统开发商。

QNX的应用范围极广，包含了：控制保时捷跑车的音乐和媒体功能、核电站和美国陆军无人驾驶Crusher坦克的控制系统[2]，还有RIM公司的BlackBerry PlayBook平板电脑。

3、Rtems

RTEMS, 即： 实时多处理器系统(Real Time Executive for Multiprocessor Systems)，是一个开源的无版税实时嵌入 *** 作系统RTOS。

它最早用于美国国防系统，早期的名称为实时导d系统（Real Time Executive for Missile Systems），后来改名为实时军用系统（Real Time Executive for Military Systems），现在由OAR公司负责版本的升级与维护。无论是航空航天、军工，还是民用领域RTEMS都有着极为广泛的应用。

国外商用嵌入式实时 *** 作系统 VxWORKS 介绍

1 综述

WRS(Wind River System) 公司是国际著名的嵌入式实时 *** 作系统的供应商。其产品 VxWroks 早期运行在 VRTX 、 pSOS 及自身运行较慢的 WIND 内核等实时内核之上，从 50 发行起，不再支持别的内核，只运行自己的 WIND 内核（重写的 WIND 内核）。这个系统的基本设计思想是要充分利用 VxWORKS 和 Unix/Windows 的优点，使之与嵌入式软件相互补充达到最优。

Unix 和 Windows 虽然用户界面友好、开发工具丰富，但是由于嵌入式实时系统的时间、空间的局限性，他们不适用于实时应用开发。传统的实时 *** 作系统提供的用于开发的环境资源（非实时组件）又非常贫乏。 VxWORKS 使嵌入式系统开发人员能在嵌入开发环境下更好的使用 Unix/Windows 。

VxWORKS 能够一方面处理紧急的实时事务，另一方面，让主机用于程序开发和非实时的事务。开发者可以根据应用需要恰当地裁减 VxWORKS 。开发时可以包含附加的网络功能加速开发过程，在产品最终版本中，再去掉附加功能，节省系统资源。

WRS 公司还提供最新一代的 IDE---- 主机上的集成开发环境 Tornado, 开发者通过 Tornado 来编辑、编译、连接和存储实时代码，但是实时代码的运行和调试都在 VxWORKS 上进行。最终生成的目标映像可以脱离主机系统和网络，单独运行在 ROM 、磁盘（软 / 硬）或 FLASH 上。主机系统和 VxWORKS 可以在一个混合应用中共同工作：通过网络联接，主机使用 VxWORKS 系统作为实时服务器。

1995 年开发出的 Tornado ，赢得电子设计新闻该年度的“嵌入式开发软件创新奖“（ Electronic Design News' “Embedded Development Software Innovation of the Year” award ） [9] 。

2 特点

• 支持多种硬件环境

VxWORKS *** 作系统支持的 CPU 包括： Power PC 、 68K 、 CPU32 、 Space 、 i960 、 x86 、 Mips 等等；同时支持 RISC 、 DSP 技术。

• 微内核结构，任务间切换时间短，中断延迟小，网络流量大。

• 较好的可剪裁能力，可裁减组件超过 80 个，用户通过交叉开发环境方便地进行配置。

• 支持应用程序的动态连接和动态下载，使开发者省去了每次调试都将应用程序与 *** 作系统内核进行连接和下载的步骤，缩短了编辑 / 调试的周期。

• 较好的兼容性：兼容 POSIX10031b 标准（ Portable Operating System Interface for computer Environments,= Portable Operating System UNIX ， IEEE 10031 ） 。

• 高可靠性、高可用性、高安全性。

3 组成

VxWORKS 包括进程管理、存储管理、设备管理、文件系统管理、网络协议及系统应用等部分，占用很小的存储空间，支持高度裁减，保证系统能以较高的效率运行。 VxWORKS 体系结构如图 15 所示 [9][10][59] 。

VxWORKS 包括以下部分：

• Wind 内核

Wind 内核包括基于优先级的抢占式多任务调度机制、任务间的同步和进程间的通讯机制以及中断处理、看门狗和内存管理机制。不仅提供多种信号量支持任务间同步和互斥的机制，而且提供消息队列、管道、套接字和信号等机制支持进程间通信。

• I/O 系统

VxWORKS 提供了快速灵活的与 ANSI C 兼容的 I/O 系统，包括 UNIX 标准的缓冲 I/O 和 POSIX 标准的异步 I/O 。还包括多个驱动程序（包括网络驱动、管道驱动、 RAM 盘驱动、 SCSI 驱动、磁盘驱动、显示驱动、键盘驱动、并口驱动等）。

• 文件系统

VxWORKS 提供了快速文件系统适合于实时系统应用。它拥有多种支持使用块设备的本地文件系统。这些设备都使用一个标准接口，从而使得文件系统能够灵活地在设备驱动程序上移植。

• 板级支持包 BSP(Board Support Package)

板级支持包对各种板的硬件功能提供了统一的软件接口，它包括硬件初始化、中断的产生和处理、硬件时钟和计时器管理、局域和总线内存地址映射、内存分配等等。每个板级支持包括一个 ROM 启动（ Root ROM ）或其他启动机制。

• 网络设施与产品

• 虚拟内存与共享内存

VxWORKS 的 VxWMI 为带有 MMU （ Memory Mapping Unit ）的目标板提供了虚拟内存机制。 VxMP 提供了共享信号量、消息队列和不同处理器之间的共享内存区域。

• 目标代理（ Target Agent ）

目标代码遵循 WDB(Wind Debug) 协议，允许目标机与主机上的 Tornado 开发工具相连。如图 16 所示，目标代理是以 VxWORKS 的一个任务的形式运行。

Tornado 目标服务器向目标代理发送调试请求。调试请求通常决定目标代理对系统中其他任务的控制和处理。默认状态下，目标服务器与目标代理通过网络进行通信，用户也可以改变通信方式。

VxWORKS *** 作系统自 1996 年进入中国，广泛应用于通信、国防、工业控制、医疗设备等嵌入式实时应用领域。它是研究嵌入式实时 *** 作系统的一个极好对象。

在VxWorks启动时自动运行自己的程序方法：

方法一：

右击任务栏空白处－属性－自定义－勾选“启用拖放” ；

左键拖动程序执行文件（exe,bat）的快捷方式，到左下角的开始，不要松鼠标；等菜单d出，仍然不要松鼠标，移动鼠标到所有程序－启动－空内，松开鼠标 。就可以了。

方法二：

打开C:\Documents and Settings\你的用户名\「开始」菜单\程序\启动，将可执行文件的快捷方式拷贝到这里就可以了。

semaphore options /

)

区别：

1互斥信号量只能用于互斥 *** 作。

2只能由已经获取了互斥信号量的任务去释放它。

3中断服务程序(ISR)不可以释放(semGive())互斥信号量。

4互斥信号量不支持semFlush() *** 作。

应用方向：

1避免优先级倒置(Priority Inversion)：

在上图中，task2等待task1的资源，于是处于Pend状态，这时一个中等优先级的task进来，并抢占了task1的CPU，此时的表现是低优先级task在高优先级的task2前执行。这种现象就是先级倒置。

使用semId = semMCreate(SEM_Q_PRIORITY | SEM_INVERSION_SAFE);就可以避免倒置。

此时，task1的优先级提升与task2一样，至到task2执行完成。

SEM_INVERSION_SAFE不能与SEM_Q_FIFO配对！

2Deletion Safety(安全删除)

使用：semId = semMCreate(SEM_Q_FIFO | SEM_DELETE_SAFE);可以实现安全删除。

其实质是：在Task对互斥信号量执行semTake() *** 作并成功占有该信号量之前，隐含执行了taskSafe() *** 作；在执行semGive() *** 作之后，隐含执行taskUnsafe() *** 作。

如果一个任务task1试图删除一个已经被保护起来的任务task2，task1则将被阻塞起来，直到task2解除保护（释放掉具有删除保护的互斥信号量）才能完成删除工作。

3递归访问

[c-sharp] view plaincopy

InitFun()

{

sem_ID = semMCreate(…);

}

funB()

{

semTake(sem_ID, SEM_FOREVER);

/访问临界资源/

semGive(sem_ID);

}

funA()

{

semTake(sem_ID, SEM_FOREVER);

/访问临界资源/

funB(); //递归访问， 而不会死锁

semGive(sem_ID);

}

五．Counting Semaphores（计数信号量）

计数信号量与二进制信号量都可以用于任务之间的同步与互斥。其不同点在于，计数信号量可记录信号量释放的次数，可以用来监视某一资源的使用状况。

1、FreeRTOS是一个迷你的实时 *** 作系统内核。最大的特点是“小”，占用资源小，支持8位、16位、32位MCU平台。FreeRTOS提供了 *** 作系统基本的功能和组件，包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能、软件定时器、协程等。此外FreeRTOS还有一个最大的优势就是就是免费。不足之处，一方面体现在系统的服务功能上，如FreeRTOS只提供了消息队列和信号量的实现，无法以后进先出的顺序向消息队列发送消息；另一方面，FreeRTOS只是一个 *** 作系统内核，需外扩第三方的GUI(图形用户界面)、TCP／IP协议栈、FS(文件系统)等才能实现一个较复杂的系统，不像μC／OS-II可以和μC／GUI、μC／FS、μC／TCP-IP等无缝结合。

2、VxWorks不仅是一种嵌入式实时 *** 作系统，又是可以运行的最小基本程序。其内部有BSP（BoardSupportPackage，板级支持包），便于进行驱动程序的编写。此外，VxWorks具有强实时性、微内核设计、可裁剪性、可移植性和可靠性等特点，能较好地满足嵌入式开发的需求。缺点就是昂贵的价格让开发者望而却步。

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