嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計中的若干問題

1  什么是嵌入式操作系統(tǒng)
    隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，嵌入式應用已經(jīng)成為計算機應用領(lǐng)域的一個重要組成部分。所謂嵌入式應用，是指應用系統(tǒng)不是以計算機為主，而是把計算機技術(shù)做為應用系統(tǒng)的一個組成部分嵌入到應用系統(tǒng)中，使其具有更高的性能。例如：程控交換機、手持式電話等，計算機的嵌入式應用領(lǐng)域是十分廣闊的。
    為了適應嵌入式應用的復雜性和多樣性，并縮短其開發(fā)周期，嵌入式操作系統(tǒng)應運而生。嵌入式操作系統(tǒng)是相對于一般操作系統(tǒng)而言，通常指的是操作系統(tǒng)的核，嚴格地說是微內(nèi)核。嵌入式操作系統(tǒng)為了適應被嵌入系統(tǒng)的要求具備了一般操作系統(tǒng)最基本的功能，如任務調(diào)度、同步機制、中斷處理，但是沒有一般操作系統(tǒng)的用戶界面，如Shell。嵌入式操作系統(tǒng)是以庫的形式提供給用戶，用戶可以通過操作系統(tǒng)的API(Application Programming Interface)使用嵌入式操作系統(tǒng)。

2  操作系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)

單一操作系統(tǒng)
    操作系統(tǒng)由許多模塊組成，這些模塊之間可以相互調(diào)用。在這樣的操作系統(tǒng)中通常有二種工作模式，即系統(tǒng)模式和用戶模式。在系統(tǒng)模式下可以執(zhí)行任何操作，而在用戶模式下有些操作是受限制的，例如I/O操作和一些特殊指令。運行在用戶模式的應用程序可以通過系統(tǒng)調(diào)用進入系統(tǒng)模式，完成操作后再返回用戶模式，但是這樣的操作系統(tǒng)很難維護和調(diào)試。 
層次結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)
    層次結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)通常可以分為用戶程序、I/O管理、進程通信、存儲管理4層。程序可以在各層運行，這樣的操作系統(tǒng)提供了“環(huán)”管理機制，即第n環(huán)的程序無權(quán)修改第n-1環(huán)的數(shù)據(jù)，從而提高了操作系統(tǒng)的安全性。 
客戶/服務器方式操作系統(tǒng)
    這種操作系統(tǒng)只有一個很小的內(nèi)核，以完成進程間通信等基本功能，而把許多其它功能作為服務進程，運行于用戶模式，用戶程序作為客戶進程。其工作方式是客戶進程發(fā)出請求，服務進程響應請求，操作系統(tǒng)僅完成它們之間的通信。 
嵌入式操作系統(tǒng)
    一般的操作系統(tǒng)不僅向用戶提供開發(fā)應用程序的各種API，而且，還必須以命令行的形式或是圖形的形式提供一個界面。但是嵌入式操作系統(tǒng)只有API而沒有通常意義下的界面，亦即只有一個核心。在核心里只有操作系統(tǒng)的一些基本功能，如任務(線程)調(diào)度、存儲管理、同步機制、中斷管理、API等，而這些功能又可以根據(jù)不同的應用系統(tǒng)裁剪和擴充，以便以最小的代碼量滿足嵌入式系統(tǒng)的需求。 
3  設(shè)計嵌入式操作系統(tǒng)應考慮的問題
    確切地說，嵌入式設(shè)計不是一種技術(shù)，而是一種概念，一種設(shè)計哲學，即把計算機相關(guān)技術(shù)嵌入到各種應用系統(tǒng)中去，嵌入的方式可以是軟件嵌入或硬件嵌入。在這種概念下，一個好的嵌入式設(shè)計應該滿足以下幾點：

使用相關(guān)計算機的技術(shù)使被嵌入的系統(tǒng)獲得很好的性能價格比； 
能很好地與被嵌入系統(tǒng)相匹配； 
在滿足被嵌入系統(tǒng)功能的前提下盡可能簡單，避免導致大的系統(tǒng)開銷。 
    從某種意義上說，操作系統(tǒng)是計算機的一個擴展，它賦予了計算機更多的功能；從另一個角度看，操作系統(tǒng)也是計算機系統(tǒng)的資源管理者。因此，在嵌入式操作系統(tǒng)中，內(nèi)核的最小構(gòu)成也應包含下列各部分。
    (1)任務調(diào)度
    在當前的嵌入式應用中，特別是對一個復雜的嵌入式應用而言，用單任務來實現(xiàn)是不可能的，而只能采用多任務實現(xiàn)，因此任務調(diào)度策略的優(yōu)劣是至關(guān)重要的。
    雖然有各種各樣的任務調(diào)度方法，但概括起來可以分為優(yōu)先級調(diào)度、輪轉(zhuǎn)調(diào)度、時間片調(diào)度3種。
    優(yōu)先級調(diào)度又可以分為2種：優(yōu)先級搶占和優(yōu)先級不搶占。優(yōu)先級搶占是指當有高的優(yōu)先級進程被激活后，則立即終止當前運行的進程，使其搶占CPU運行。優(yōu)先級不搶占是指當有高的優(yōu)先級進程被激活后，并不立即終止當前運行的進程使其搶占CPU，而是將其放到進程就緒隊列中，在當前運行的進程結(jié)束后，從進程就緒隊列中選擇優(yōu)先級最高的進程運行。輪轉(zhuǎn)調(diào)度是進程管理者按照一個固定的時間間隔讓就緒進程輪流運行。時間片調(diào)度是根據(jù)每個進程各自的實際情況在不同數(shù)量的單位時間的時間片內(nèi)運行。
    在一般的操作系統(tǒng)中，固定采用其中的1種或幾種方法進行任務調(diào)度。例如在Unix和Linux中，采用了優(yōu)先級不搶占、輪轉(zhuǎn)和時間片3種方法，而在實時操作系統(tǒng)中，優(yōu)先級搶占則是必不可少的。
    無論是在一般的操作系統(tǒng)中還是在嵌入式操作系統(tǒng)中，任務調(diào)度都是操作系統(tǒng)的核心。在嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計中，很難明確地說哪一種方法比其它方法更好，而要根據(jù)被嵌入的實際系統(tǒng)的需求進行優(yōu)化選擇。由于線程的切換速度快于進程的切換速度，因此，在實時嵌入式應用中，多采用單進程多線程調(diào)度來提高實時性。在嵌入式操作系統(tǒng)中一般都配有上述3種調(diào)度算法的庫函數(shù)，以滿足不同用戶的不同需求。在用戶開發(fā)完自己的應用系統(tǒng)后，沒有使用到的代碼是不會被連接到最終系統(tǒng)中的，這一點是與一般的操作系統(tǒng)非常重要的區(qū)別。一般的操作系統(tǒng)則是將所有有關(guān)代碼都加載到計算機系統(tǒng)中，而不論應用時是否會使用這些代碼。
    在實時嵌入式應用中還有一種調(diào)度方法，即期限(deadline)調(diào)度法。這種調(diào)度方法是設(shè)法保證每一個進程(或線程)能在它的期限之前被調(diào)度執(zhí)行完，這種方法目前正在研究之中。
    (2)存儲管理
    一般操作系統(tǒng)的存儲管理非常復雜，虛擬管理被廣泛地使用，簡單地說虛擬存儲器管理就是通過操作系統(tǒng)對內(nèi)存和外存的管理，可以使應用程序獲得比計算機實際內(nèi)存更大的編址空間，使每一個應用程序都可以享有一個獨立的虛擬存儲空間。程序訪問的地址是虛擬地址，操作系統(tǒng)通過段、頁管理完成虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換和頁面的換入/換出，同時管理和維護各應用程序之間共享的存儲空間。這樣各應用程序被分隔在各自的地址空間運行，不致相互干擾。
    嵌入式操作系統(tǒng)的存儲管理通常比較簡單。在具體的嵌入式應用中，進程(或線程)的數(shù)量和各自可能使用的內(nèi)存容量是可以在開發(fā)時預測的，因此嵌入式操作系統(tǒng)通常采用靜態(tài)內(nèi)存分配。尤其是在實時嵌入式應用中，如果采用虛擬存儲技術(shù)，因為頁交換的時間不可預測，所以是不可取的。對于動態(tài)內(nèi)存分配通常的做法也是從緩沖區(qū)中動態(tài)分配一塊固定大小的內(nèi)存，在使用完畢后就釋放。一般地說，嵌入式操作系統(tǒng)的存儲管理沒有垃圾收集的功能。在一個復雜的應用系統(tǒng)中，可能會有幾種情況的組合，應視具體情況處理。例如，在一個有多個處理器，且既有硬實時應用，又有軟實時應用和非實時應用的嵌入式系統(tǒng)中，設(shè)計時可以在硬實時部分采用靜態(tài)內(nèi)存分配，軟實時部分采用動態(tài)內(nèi)存分配，而在非實時部分采用虛擬存儲技術(shù)，并且使這三種應用分別運行在不同的處理器上。
    在內(nèi)存分配的策略上，嵌入式操作系統(tǒng)強烈地依賴于實際的被嵌入系統(tǒng)。一個通用嵌入式操作系統(tǒng)可以提供幾種分配策略，而用戶在開發(fā)自己的實際系統(tǒng)時可以選擇，這就再次強調(diào)了前文提到的嵌入式操作系統(tǒng)的可裁剪性。
    存儲管理的另一個重要特性就是內(nèi)存保護。在一般的操作系統(tǒng)中，每個應用程序都有自己的地址空間，不能任意訪問其它應用程序的地址空間。這樣，當一個應用程序崩潰時，不會對其它程序產(chǎn)生影響。盡管存儲器芯片價格已經(jīng)很便宜，但因受應用環(huán)境的限制，不能大量使用存儲器，這時嵌入式操作系統(tǒng)的代碼量就受到嚴格限制。例如有的嵌入式操作系統(tǒng)只有幾KB，使其在處理內(nèi)存保護方面就非常薄弱，這樣的嵌入式操作系統(tǒng)一般應用于一些即使系統(tǒng)崩潰，也不致造成重大損失的領(lǐng)域，例如手持式電話。但某些嵌入式應用則對內(nèi)存保護有非常嚴格的要求，例如在武器系統(tǒng)中，就要求嵌入式操作系統(tǒng)具有內(nèi)存保護的功能。
    (3)中斷
    計算機系統(tǒng)接受事件有二種方法：查詢和中斷。在多任務操作系統(tǒng)中，由于采用查詢方式處理事件或I/O請求會消耗大量的系統(tǒng)資源—— CPU時間。因此無論在一般的操作系統(tǒng)還是嵌入式操作系統(tǒng)中都采用中斷方式來處理事件或I/O請求。
    在操作系統(tǒng)中，中斷是同中斷處理程序聯(lián)系在一起的。以I/O操作為例，一般的過程是：任務A發(fā)出I/O請求后被掛起→操作系統(tǒng)切換到其它任務運行→I/O設(shè)備完成相應的操作并發(fā)出中斷請求→操作系統(tǒng)調(diào)用相應的中斷處理程序→解掛任務A。
    在嵌入式操作系統(tǒng)中，對中斷處理十分重視，可以說多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)都是事件驅(qū)動的。在嵌入式操作系統(tǒng)中，中斷處理程序引發(fā)的任務切換如下所示：
    任務A運行→響應中斷并執(zhí)行中斷處理程序，切換到任務B→任務B運行退出后，切換到任務A→任務A繼續(xù)運行
    在中斷處理程序(ISR)中僅執(zhí)行一些必要的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，對于事件的真正處理則利用中斷任務(如上述的任務B)完成。這樣使得中斷處理程序的運行時間盡可能短，以便系統(tǒng)可以處理其它中斷事件。同時，在ISR中不能執(zhí)行有關(guān)信號量的操作。因為ISR具有最高優(yōu)先級，如果在ISR中執(zhí)行了信號量操作而被掛起，則整個系統(tǒng)將會死鎖。
    在中斷處理上，一般的操作系統(tǒng)與嵌入式操作系統(tǒng)的不同之處是現(xiàn)場保護。一般的操作系統(tǒng)的中斷現(xiàn)場保護是由操作系統(tǒng)來完成的，在中斷處理完成之后，也由操作系統(tǒng)恢復現(xiàn)場。在嵌入式操作系統(tǒng)中，有時由于受到代碼量的限制，中斷現(xiàn)場的保護往往由中斷處理程序來完成。在中斷處理程序的入口要保護在中斷處理程序中用到的寄存器，在中斷處理完成后恢復。這樣一方面減少了代碼量，另一方面提高了中斷響應時間，但是卻損失了系統(tǒng)的安全性，同時也增加了調(diào)試的難度。這是在嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計中應該予以關(guān)注的問題。
    (4)操作系統(tǒng)與用戶的接口
    操作系統(tǒng)提供給用戶使用的有二類接口。一類是人機界面，無論是視窗形式還是命令行形式，這個接口確切地說并不能做為操作系統(tǒng)的一部分，而僅僅是操作系統(tǒng)的一個外殼，這個界面是為了方便用戶使用操作系統(tǒng)，而這個接口在嵌入式操作系統(tǒng)中是不存在的。這里要討論的是另一個接口，操作系統(tǒng)提供給用戶開發(fā)自己的應用程序接口(API)，也就是系統(tǒng)調(diào)用。無論是一般的操作系統(tǒng)還是嵌入式操作系統(tǒng)都應具有這個接口。每一個操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用的功能和種類都不同，當然，對于一個操作系統(tǒng)來說，它提供的系統(tǒng)調(diào)用越多，則功能越強，對于應用程序的開發(fā)，也就越能提供高效而簡單的支持，同時也會減少應用程序的維護量。相反，一個操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用越少越單一，那么應用程序相對就要做更多的工作，應用程序也就越復雜。為了適應不斷復雜的應用程序開發(fā)的需求，操作系統(tǒng)中設(shè)計的系統(tǒng)調(diào)用也就越來越多，越來越復雜，功能越來越強大。但是這一規(guī)律并不適用于嵌入式操作系統(tǒng)，嵌入式操作系統(tǒng)的應用領(lǐng)域非常廣，簡單的可以應用在調(diào)制解調(diào)器上，復雜的可以應用在衛(wèi)星地面通信接收站。這就決定了嵌入式操作系統(tǒng)所提供的系統(tǒng)調(diào)用的數(shù)量和功能是因應用不同而不同的。盡管前文提到的可裁剪性是嵌入式操作系統(tǒng)的一個非常重要的特性，但是任何一個嵌入式操作系統(tǒng)都不可能從具有各種完善功能、代碼達幾百KB的操作系統(tǒng)，裁剪到只具有實時調(diào)度和信號量操作的幾KB代碼。所以嵌入式操作系統(tǒng)只能面向?qū)嶋H的被嵌入系統(tǒng)的具體需求，確定系統(tǒng)調(diào)用，以便達到在提供最有效的系統(tǒng)調(diào)用的同時具有最小的代碼量。
    最后，在系統(tǒng)調(diào)用的形式上要提到POSIX。由于各個操作系統(tǒng)提供自己的系統(tǒng)調(diào)用，其類型、功能和調(diào)用格式各不相同，這樣給應用程序的移植帶來了很大困難。POSIX標準的提出正是試圖解決這一問題。POSIX試圖定義一些標準的系統(tǒng)調(diào)用接口和功能，盡管各個操作系統(tǒng)的實現(xiàn)方式各不相同。POSIX是以類Unix為基礎(chǔ)開發(fā)的，同時，它試圖將實時和非實時的情況統(tǒng)一化，這樣就喪失了一定的效率和增加了代碼量，所以有些操作系統(tǒng)在提供POSIX兼容的系統(tǒng)調(diào)用的同時，也提供了非POSIX兼容的系統(tǒng)調(diào)用。

4  結(jié)論
    以上從構(gòu)成一個操作系統(tǒng)的幾個最重要的組成部分討論了嵌入式操作系統(tǒng)與一般的操作系統(tǒng)的相同與不同之處。當然，構(gòu)成一個完整的操作系統(tǒng)，還需要其它組成部分，如時鐘、同步/互斥、進程間通信等。從以上分析可以看出，要設(shè)計一個好的嵌入式操作系統(tǒng)，必須充分考慮被嵌入的系統(tǒng)，要根據(jù)實際的應用來設(shè)計、選擇操作系統(tǒng)。雖然嵌入式操作系統(tǒng)是可裁剪的，但這種裁剪也是有限的。
    嵌入式系統(tǒng)正在蓬勃發(fā)展，存在著無限的商機，在這一領(lǐng)域，機遇與挑戰(zhàn)并存。嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計將在競爭中起決定性作用。
linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）