嵌入式操作系統(tǒng)任務(wù)切換方法對(duì)比分析

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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)支持多任務(wù)，使得程序開(kāi)發(fā)更加容易，在便于維護(hù)的同時(shí)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks、μClinux、μC／OS-II和Windo-ws CE，對(duì)多任務(wù)的調(diào)度切換進(jìn)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(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(jiǎn)單地移植到嵌入式系統(tǒng)中，所以需要重新開(kāi)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(guó)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(chǎng)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(hù)可根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)哪K來(lái)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(jiǎn)明易懂的用戶(hù)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(lái)的，是美國(guó)嵌入式系統(tǒng)專(zhuān)家Jean J．Lal3rosse用C語(yǔ)言編寫(xiě)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(lèi)多用戶(hù)、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(kāi)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(xiàn)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(huà)和家庭娛樂(lè)設(shè)備等)，提供自動(dòng)控制、視聽(tīng)娛樂(lè)、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?jī)?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(kāi)始下一個(gè)任務(wù)的運(yùn)行，這一過(guò)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。