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本文作者為清華大學(xué)教授邵貝貝，他本人與嵌入式操作系統有著(zhù)特殊的感情，對μC/OS在中國的推廣起到了巨大的推動(dòng)作用。應《單片機與嵌入式系統應用》之邀，邵老師精心梳理了多年來(lái)對嵌入式操作系統的理解和看法，希望能對所有嵌入式愛(ài)好者和從業(yè)者有所啟發(fā)。 回想過(guò)去，用過(guò)或多少了解一點(diǎn)兒的操作系統確有一些。20世紀80年代，一個(gè)叫做VMS的操作系統風(fēng)靡全球，是DEC公司小型機上用的，我國也引進(jìn)了不少DEC計算機。VMS功能齊全、用戶(hù)界面友好，比Unix好用很多，微機的DOS根本無(wú)法與之相比，1986年最先讓我們接入因特網(wǎng)的便是VMS。然而曾幾何時(shí)，VMS被Unix取代了，接著(zhù)是Linux。VMS消失主要因為其不開(kāi)源。后來(lái)世界公認最牛、想用卻用不起的VxWorks實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）也不得不開(kāi)源了。那時(shí)蘋(píng)果公司的Mac視窗操作系統比PC的Windows好用得多，在操作系統技術(shù)方面蘋(píng)果至少領(lǐng)先Intel五年，也是由于不開(kāi)放，Mac輸給了PC。20世紀90年代以后，操作系統不再神秘，開(kāi)源成為趨勢。 在國外工作期間也接觸過(guò)一些RTOS，例如OS-9、QNX等，都是不錯的RTOS，還有Nuclus，多年前開(kāi)發(fā)Motorola的68K時(shí)有所接觸，感覺(jué)還不錯，是最早開(kāi)放源碼的RTOS（如今如何就不了解了）。當年在歐洲，由于是客人，只能用主人選定的RTOS。然而，人家認為很好的未必適合你。曾經(jīng)不得不用到一個(gè)歐洲很流行的RTOS，可文檔和程序注解中，英語(yǔ)夾雜著(zhù)法語(yǔ)，讓我這個(gè)對法語(yǔ)一竅不通的人恨死那個(gè)操作系統了，盡管有法國朋友熱情幫忙。Freescale曾經(jīng)力推MQX，很多事情集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中都已經(jīng)做好了，也有不少朋友推薦。讀過(guò)其部分文檔和代碼后，就是感覺(jué)喜歡不起來(lái)。選擇操作系統的過(guò)程中也走過(guò)一段彎路，嘗試過(guò)將那個(gè)著(zhù)名的非實(shí)時(shí)操作系統實(shí)時(shí)化成RTOS，結果事倍功半，只得放棄了。 目前可選用的操作系統的確很多，哪個(gè)好哪個(gè)不好，由于知識范圍所限，實(shí)在不敢妄加評論。存在的就是合理的。一些生存多年、有業(yè)績(jì)、口碑好、有團隊支持的操作系統肯定都是可選用的。不同操作系統有各自不同的定位，選擇時(shí)首先應考慮本行業(yè)認可的操作系統，比選擇操作系統更重要的似乎是如何用好選定的操作系統。 嵌入式RTOS通常僅指系統內核（Kernel），內核是操作系統的核心，用于建立多任務(wù)運行環(huán)境，管理任務(wù)及系統的共享資源。操作系統間的差異主要體現在任務(wù)調度策略與算法上，不同操作系統以各自的任務(wù)管理方式提供必要的實(shí)時(shí)性保證，解決多任務(wù)環(huán)境下可能出現的競爭與死鎖等問(wèn)題，是嵌入式系統應用工程師開(kāi)發(fā)嵌入式應用的有力工具。任務(wù)調度算法也有很多種，如時(shí)間片調度法、保證調度算法、最短任務(wù)優(yōu)先、隨機調度法（也稱(chēng)擲骰子）、多重隊列法、二級調度法等。這些算法基本上可分為兩大類(lèi)：基于時(shí)間片的分時(shí)系統和基于優(yōu)先級的實(shí)時(shí)系統�；跁r(shí)間片的多為非實(shí)時(shí)系統，而嵌入式應用多使用基于優(yōu)先級的RTOS。除內核外，操作系統通常還需提供與之配套的文件系統、圖形界面、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧、主從USB協(xié)議棧、CAN總線(xiàn)協(xié)議棧、系統調試工具等，供用戶(hù)選配使用。嵌入式RTOS應滿(mǎn)足可裁剪、可固化、可移植等基本要求。 行業(yè)認可并推薦的操作系統應該是首選。例如汽車(chē)行業(yè)，首選自然是符合OSEK標準的操作系統（OSEK-OS）。OSEK源自德國的汽車(chē)電子類(lèi)開(kāi)放系統和對應接口標準，除實(shí)時(shí)操作系統OSEK-OS外，還有通信子系統（OSEK-COM）和網(wǎng)絡(luò )管理系統（OSEK-NM）。若開(kāi)發(fā)手機應用軟件，在我國自然首選以Java為編程語(yǔ)言的、基于Linux的Android操作系統。 需要自選操作系統的工程師，首先得對各種不同操作系統的內核調度策略有所了解，看看是否適合自己的項目應用。若這方面的知識不夠，建議精讀一兩本關(guān)于操作系統的經(jīng)典教材，以加深對操作系統原理的理解。對于準備使用Linux類(lèi)型的、有復雜文件系統的、需要MMU硬件支持的非RTOS，建議首先認真讀懂Andrew S. Tanenbaum所著(zhù)的《操作系統設計與實(shí)現》一書(shū)。該書(shū)自1987年問(wèn)世以來(lái)，至今已出到第3版，講的是一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于教學(xué)的、由Unix簡(jiǎn)化而來(lái)的Minix范例操作系統。正是這本書(shū)觸發(fā)了LinusB. Torvalds的靈感，寫(xiě)成了Linux內核，從而被稱(chēng)作Linux之父。故該教材被公認為L(cháng)inux原理的權威教材，非常值得細讀。順便提一句，Linux是當前最好的非實(shí)時(shí)開(kāi)源操作系統，似乎沒(méi)有之一。非要把它改成實(shí)時(shí)的所謂RT-Linux，我不認為是一個(gè)好的做法，不如直接選用那些本來(lái)就是為實(shí)時(shí)系統設計的RTOS。 對于擬選用嵌入式RTOS的工程師，有必要精讀一本Jean J. Labrosse 所著(zhù)的《嵌入式實(shí)時(shí)操作系統 μC/OS-II》或《嵌入式實(shí)時(shí)操作系統 μC/OS-III》，這兩個(gè)操作系統都可以直接拿來(lái)使用。對于ARM Cortex-M單片機，如果使用Cortex-M3及以上，應使用μC/OS-III，而對于精簡(jiǎn)掉CLZ指令的Cortex-M0/M1/M0+等，則仍建議使用μC/OS-II。Cortex-M單片機中的CLZ指令就是專(zhuān)門(mén)為優(yōu)先級算法提供的硬件指令，所用單片機是否帶有專(zhuān)門(mén)為操作系統設計的硬件指令，也是選擇操作系統時(shí)要考慮的。讀書(shū)的同時(shí)，特別要注意閱讀并欣賞一下書(shū)中所附源代碼，至少是代碼的核心部分。上述推薦讀物中的源碼寫(xiě)作風(fēng)格經(jīng)典規范，注釋清晰易懂，非常漂亮，值得學(xué)習。操作系統要選好，更要用好。 既然選了開(kāi)源系統，就要讀一讀該操作系統的核心代碼，弄清楚該操作系統的特點(diǎn)、大致結構，以判斷任務(wù)調度算法是否符合自己的任務(wù)要求。讀代碼是對代碼可讀性、代碼質(zhì)量的最好檢驗。你或許會(huì )喜歡上這個(gè)操作系統的代碼風(fēng)格，或許對其感到厭惡而棄之。我的體會(huì )，個(gè)人感覺(jué)也很重要。 所選操作系統必須能和項目的硬件匹配。對于手機類(lèi)應用，系統偶爾死機未必不可接受。但對于嵌入式應用，若系統死機可能造成難以預料的嚴重后果，那么選擇操作系統和寫(xiě)開(kāi)發(fā)及測試程序等就要格外小心了。這類(lèi)系統被稱(chēng)作安全緊要系統（Safety Critical System），要確保系統安全，不死機或者有故障也能安全，是對這類(lèi)系統的最低要求。理論上，計算機總是能被“搞死”的，如果操作系統能有什么措施，使系統被搞死的幾率低于硬件損壞的幾率，那就足夠好了。但實(shí)踐證明，單靠操作系統和應用軟件并不能保證系統不死機。硬件的可靠性是需要硬件工程師來(lái)保證的。那些自稱(chēng)面向多核單片機的操作系統，在解決系統受到強電磁干擾而出錯的問(wèn)題上，顯然不及兩套獨立供電的單核系統更為可靠。 如果采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)對系統安全性要求特別高的安全緊要系統，還要特別注意所選RTOS與MISRA-C編程規范的符合程度，該規范雖然是由汽車(chē)工業(yè)軟件可靠性聯(lián)合會(huì )制定的，但在國防、航空航天、電信、鐵路、醫療等領(lǐng)域的用戶(hù)遠多于汽車(chē)領(lǐng)域。當然首先是嵌入式應用工程師本人開(kāi)發(fā)的C程序，要經(jīng)得起MISRA檢驗。 以下課程可免費試聽(tīng)C語(yǔ)言、電子、PCB、STM32、Linux、FPGA、JAVA、安卓等。 想學(xué)習的你和我聯(lián)系預約就可以免費聽(tīng)課了。 宋工企鵝號：3524-6590-88 Tel/WX：173--1795--1908 
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