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(shí)時(shí)性的要求，但是由于體積、能耗、價(jià)格等方面的約束，其處理器速度往往比較慢，存儲(chǔ)器容量也有限。而傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(duì)嵌入式系統(tǒng)特性的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。任務(wù)調(diào)度策略是實(shí)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)核的關(guān)鍵部分，如何進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，使得各個(gè)任務(wù)能在其期限之內(nèi)得以完成，是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的重要研究領(lǐng)域。而不同的操作系統(tǒng)對(duì)任務(wù)調(diào)度的機(jī)制也有所不同，本文對(duì)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(jī)制進(jìn)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)由400多個(gè)相對(duì)獨(dú)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K來裁剪和配置系統(tǒng)；提供基于優(yōu)先級(jí)的任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間同步與通信、中斷處理、定時(shí)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(gè)結(jié)構(gòu)小巧、搶占式的多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核。μC／OS-II能管理64個(gè)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(shí)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(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。

　　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(yùn)行在Intel 80386及更高檔次的PC、ARM、DECAlpha等多種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，已經(jīng)成為應(yīng)用廣泛、可靠性高、功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。

　　1．4 WindOWS CE

　　微軟Windows CE是一個(gè)開放且多樣化的32位嵌入式操作系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)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(jī)系統(tǒng))到電子消費(fèi)性產(chǎn)品(如攝影機(jī)、電話和家庭娛樂設(shè)備等)，提供自動(dòng)控制、視聽娛樂、行動(dòng)計(jì)算、終端機(jī)等各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域一個(gè)穩(wěn)定、實(shí)時(shí)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(shí)際含義是任務(wù)切換，或者CPU寄存器切換。當(dāng)多任務(wù)內(nèi)核決定運(yùn)行另外的任務(wù)時(shí)，它保存正在運(yùn)行任務(wù)的當(dāng)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(gè)將要運(yùn)行的任務(wù)的當(dāng)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(gè)任務(wù)的運(yùn)行，這一過程就是context switch。

　　每個(gè)任務(wù)都是整個(gè)應(yīng)用的一部分，都被賦予一定的優(yōu)先級(jí)，有自己的一套CPU寄存器和棧空間，如圖1所示。

　　2．2 任務(wù)的切換與調(diào)度

　　μC／OS-II是可搶占實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，它總是運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)，不支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法，每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)要求不一樣，且是唯一的。它有5種狀態(tài)，如圖2所示。 　　

　　當(dāng)一個(gè)任務(wù)在運(yùn)行狀態(tài)中時(shí)，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(shí)是否有更高優(yōu)先級(jí)，新的任務(wù)就緒，如果有則原有的任務(wù)被搶占，實(shí)現(xiàn)了任務(wù)的切換。

　　當(dāng)一個(gè)任務(wù)在運(yùn)行狀態(tài)中時(shí)，調(diào)用OSTimeDly()或OSTimeDlyHMSM()函數(shù)，該任務(wù)進(jìn)入等待狀態(tài)，一直到延時(shí)時(shí)間到，這2個(gè)函數(shù)立即強(qiáng)制執(zhí)行任務(wù)切換，讓下一個(gè)優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)運(yùn)行。當(dāng)然，如果運(yùn)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(shí)現(xiàn)任務(wù)的切換。

　　實(shí)際的任務(wù)切換是調(diào)用OS_TASK_SW()函數(shù)。OS_TASK_SW()是一個(gè)宏，是在μC／OS-II從低優(yōu)先級(jí)切換到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)時(shí)須用到的。OS_TA-SK_SW()總是在任務(wù)級(jí)代碼中被調(diào)用。另一個(gè)函數(shù)OSIntExit()用在中斷服務(wù)子程序ISR中。當(dāng)中斷任務(wù)子程序使更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)時(shí)，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(yùn)行的更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。

　　μC／OS-II總是運(yùn)行進(jìn)入就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，確定哪個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高，以及下面該哪個(gè)任務(wù)運(yùn)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(zhǔn)備就緒的最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)并進(jìn)行上下文切換。該工作由函數(shù)OSSched()完成。中斷級(jí)的調(diào)度由OS-intExt()完成。代碼如下：

　　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(gè)工作：

　?、偾袚Q虛擬內(nèi)存映射，即負(fù)責(zé)把虛擬內(nèi)存從被切換下來的進(jìn)程映射到新進(jìn)程中，該功能由函數(shù)switcn_mm()實(shí)現(xiàn)。

　?、谇袚Q進(jìn)程的寄存器狀態(tài)，即負(fù)責(zé)從一個(gè)進(jìn)程的處理器狀態(tài)切換到新進(jìn)程的處理器狀態(tài)，該功能由函數(shù)switcn_to()實(shí)現(xiàn)。

　　在多任務(wù)系統(tǒng)中，都會(huì)提供一個(gè)系統(tǒng)函數(shù)來進(jìn)行進(jìn)程(任務(wù))間切換，綜合來說，它們有兩種進(jìn)程(任務(wù))切換方式：

　?、儆蛇M(jìn)程(任務(wù))本身直接調(diào)用任務(wù)切換函數(shù)進(jìn)行進(jìn)程(任務(wù))切換。在當(dāng)前進(jìn)程(任務(wù))因?yàn)椴荒塬@得必需的資源而立即被堵塞時(shí)，就由進(jìn)程(任務(wù))本身直接調(diào)用進(jìn)程(任務(wù))切換函數(shù)進(jìn)行進(jìn)程(任務(wù))間調(diào)度。在Linux中可以直接調(diào)用schedule()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

　　②延遲調(diào)用任務(wù)切換函數(shù)進(jìn)行進(jìn)程(任務(wù))切換。此方式是把當(dāng)前進(jìn)程(任務(wù))設(shè)置一調(diào)度標(biāo)志而以延遲方式調(diào)用任務(wù)切換函數(shù)進(jìn)行進(jìn)程(任務(wù))切換。在Linux系統(tǒng)中，總是在恢復(fù)用戶態(tài)進(jìn)程執(zhí)行之前，檢查這一調(diào)度標(biāo)志，在這里標(biāo)志是need_resched，如果有這一標(biāo)志，就調(diào)用調(diào)度函數(shù)進(jìn)行進(jìn)程切換。

　　此種情況主要包括以下幾種：

　　①當(dāng)前進(jìn)程用完了它的CPU時(shí)間片，由scheduler_tick()函數(shù)完成schedule()的延遲調(diào)用。

　　②當(dāng)一個(gè)被喚醒進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)比當(dāng)前進(jìn)程優(yōu)先級(jí)高時(shí)，由try_to_wake_up()函數(shù)完成schedule()的延遲調(diào)用。

　?、郛?dāng)發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用sched_setscheduler()時(shí)。在這些情況中，主要由于系統(tǒng)調(diào)用或中斷而進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，或者當(dāng)前進(jìn)程本來在內(nèi)核態(tài)時(shí)，返回用戶態(tài)時(shí)發(fā)生的。

　　在VxWorks系統(tǒng)中，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)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(jī)制為基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度。采用這種機(jī)制，系統(tǒng)把處理機(jī)分配給優(yōu)先級(jí)最高的進(jìn)程，使之執(zhí)行。一旦出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)更高的進(jìn)程時(shí)，該任務(wù)被剝奪CPU使用權(quán)，而去執(zhí)行優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)。而在相同優(yōu)先級(jí)的多個(gè)任務(wù)之間，采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制。采用這種機(jī)制，當(dāng)一個(gè)任務(wù)到達(dá)時(shí)，它被安排在輪轉(zhuǎn)隊(duì)列的后面，等待分配給自己的時(shí)間片的到來，如果在時(shí)間片內(nèi)沒有結(jié)束，則在等待屬于自己的時(shí)間片的到來，直到任務(wù)完成。

　　在VxWorks系統(tǒng)中，對(duì)于優(yōu)先級(jí)相同的任務(wù)，如果狀態(tài)為Ready，則可以通過時(shí)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(gè)同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)分配一個(gè)相同的時(shí)間片，該時(shí)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(jí)增長到256個(gè)，0優(yōu)先級(jí)級(jí)別最高，255優(yōu)先級(jí)級(jí)別最低。0～247的優(yōu)先級(jí)屬于實(shí)時(shí)性優(yōu)先級(jí)，248～255的優(yōu)先級(jí)一般分配給普通應(yīng)用程序。Windows CE．NET采用基于動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的搶占式多任務(wù)機(jī)制，越重要的任務(wù)，優(yōu)先級(jí)越高。Windows CE．NET在任務(wù)調(diào)度中采用任務(wù)優(yōu)先級(jí)制、優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制和搶占式調(diào)度，都是為了最大限度地滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。對(duì)于一個(gè)優(yōu)先級(jí)只有一個(gè)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(duì)于Windows CE．NET這樣復(fù)雜、高性能的多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核，由于多個(gè)任務(wù)允許公用一個(gè)優(yōu)先級(jí)，則相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)要采用Windows CE．NET提供的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

　　在沒有更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒時(shí)，相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)依照就緒的先后次序執(zhí)行。執(zhí)行一定的時(shí)間片后，無論任務(wù)完成與否，均轉(zhuǎn)入下一任務(wù)運(yùn)行。未運(yùn)行完的任務(wù)釋放處理器的控制權(quán)后轉(zhuǎn)入就緒隊(duì)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(jí)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(shí)間片大小為10 ms。

　　3 總結(jié)

　　本文對(duì)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(jìn)行了分析比較，便于理解其實(shí)時(shí)性、可靠性等方面的優(yōu)缺點(diǎn)，為以后進(jìn)行系統(tǒng)的移植和開發(fā)打下基礎(chǔ)。由于筆者時(shí)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(duì)其他更多的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行分析比較。