小型微控制器上的实时操作系统

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1、w.tecos.rg大连悠龙咨询服务有限公司（ w.uloong.c) 第 1页小 型 微 控 制 器 上 的 实 时 操 作 系 统author（ TranNguyenBaoAnhSu-Lim Tan）作者 单位（新加坡工程中心 南洋理工大学）译者注： T-Engine中国开源社区在参展 2010年 12月的日本东京 Tronshow时看 到T-Engine官方宣传资料上引用了 IEEE杂志的一篇文章 “ REAL-TIMEOPERATINGSYSTEMSFORSMALLMICROCONTROLLERS” 的内容，该文章详细对 uC/OS、 uTenux(uT-Kernel)等多种 RTOS

2、进 行 了 性 能 测 试 ， 社 区 感 觉 对 国 内 的 读 者 会 很 有 帮 助 ， 正 好 大 连 理 工 大 学 软 件学院的学生康海龙在实验室实习，康海龙同学很积极的利用业余时间翻译成了中文 ， 再次深表感谢，也希望大家能够通过这篇文章对常用的 RTOS有更深的了解。实时操作系统 已经在基于 微控制器和处理器的嵌入式系统设计 中 获得了普及 。 本文讨论 实时操作系统和通用操作系统间的差异 ， 在小型微控制器系统开发中使用实时操作系统的优缺点 ， 以及用于实时操作系统基准测试的方法 。 基准 测试 结果表明没有明显的赢家 ，在不同的标准下， 每个实时操作系统上 的执行 比 其他

3、的 更好一些。嵌入式实时系统 用于 各种用途 ， 如控制或处理数据 。 实时操作系统是一种 带有一 套API的 软件 ， 开发人员可以使用 这些 API来构建应用程序 。 为 支持一些嵌入式系统 的 需要 ， 实时操作系统满足最后期限 。 但是 ， 使用实时操作系统并不能保证系统一定能满足最后期限 ， 因为这些系统 也取决于 整个系统的设计 。 虽然嵌入式实时系统主要是在高 端32位 CPU的 微处理器或微控制器 上 使用 ， 但是在中端 （ 16位和 8位 ） 处理器的系统 上提供这些功能，也有着 日益增长的趋势 。实 时操作系统和通用操作系统间的比较 操作系统管理计算机系统 的 共享资源

4、。 不同于 通用 操作系统 ， 实时操作系统 是 被 专门设计 来实现 实时响应。在其他 方面 ， 实时操作系统也不同于 通用操作系统。首先 ， 实时操作系统 提供 抢占式的基于优先级的 调度 方法 。 调度方案指的是 实时操作 系 统 怎 样 为 执 行 的 任 务 指 定 CPU周 期 。 因 此 ， 调 度 方 案 影 响 操 作 系 统 如 何 执 行 各 种软件程序。 大多数 通用操作系统分配任务的执行时间片数相同（例如通过 轮番 调度） 。实时操作系统 经常分配任务的优先级 ， 高优先级的任务可以在执行过程中抢占 低优先级w.tecos.rg大连悠龙咨询服务有限公司（ w.uloo

5、ng.c) 第 2页的 任务 （ 抢占式调度 ） 。 其他实时操作系统采取协同调度 ， 这通常意味着正在运行的任务必须明确地调用调度 器来 进行任务之间 的 切换。此外 ， 实时操作系统 允许 可预见的任务同步 。 在通用操作系统中 ， 任务同步 ， 是难以预测的 ， 原因是操作系统可直接或间接地 在 应用软件 中 引入延迟 。 在实时操作系统 中 ，任务同步必须 是 时间可以预测的。该系统服务必须 存在已知的、可预期的 执行时间 。通 用 操 作 系 统 和 实 时 操 作 系 统 的 主 要 区 别 是 ， 实 时 操 作 系 统 支 持 确 定 性 行 为 。 在实时操作系统 中 ， 即

6、使任务的数量 在 增加 ， 任务 分派 时间 ， 任务切换延迟和中断延迟必须 是时间可预测的 和一致的 。 与此相反 ， 当 任务数量的增加 时 ， 通用操作系统 （ 主要是由于其分时办法）减少系统的整体响应 ， 并不能保证在一定的时间 内 调用服务 的 执行 。动态内存分配 （ m aloc（ ） 在 C语言 中 ） ， 虽然在通用操作系统 被 广泛 地 支持 ， 但是 在实时操作系统 中 不建议 使用 ， 因为它 产生不可预测的 行为 。 相反 ， 实时操作系统提供固定大小的内存分配，他们为每个请求只分配固定大小的内存块。 小 规模嵌入系统的实时操作系统 可 利 用 的 实 时 操 作 系

7、 统 包 括 商 业 ， 私 有 和 开 源 系 统 。 许 多 系 统 设 计 师 相 信 被 设 计使用小型微控制器的小规模嵌入系统 (即 ROM最大 值 128KB和 RAM最大 值 4KB的微型控制器 )不需要实时操作系统 。 然而 ， 实时操作系统 为 这个范围的 设备提供 重大好处 。例如 ， 开发人员可以使用实时操作系统优化软件开发 。 在使用小型微控制器 进行 系统开发 ， 软件生产率是一个关键问题 ， 因为上市时间的压力以及缩短 的 开发周期 （ 见 2004年 嵌 入 式 系 统 设 计 调 查 http:/w.em ns/survey） 。 对 于 涉 及 复 杂 的

8、代码 的 项 目 ， 实 时 操 作 系 统 是 一 种 有 效 的 工 具 来 管 理 和 分 发 软 件 开 发 人 员 之 间 的 任 务 。使用实时操作系统 ， 项目负责人 可以把 整个软件 分割成模块任务 ， 便于个体程序员处理 。此外，其他开发人员能够开发低级别的驱动程序。 实时操作系统也提供了更好的和更安全的同步 机制 。 在没有实时操作系统 的 小型嵌入式系统 开发中 ，开发人员通常使用全局变量 来用于 同步 、 模块和函数间通信。但是 ，使用全局变量可以导致错误和软件安全问题 ， 特别是在高度 的 中断驱动 的 系统 ， （ 见 2006年嵌入式系统设计调查 htp:/w.e

9、m ns/） 。 因为这些全局变量往往 被共享和 函数 之间的访问 ， 在 程序执行过程中他们是非常 容易被篡改 。 随着 代码开始增长 ，这些错误隐藏得更深 ， 从而更难以发现 。 结果 ， 即使是这些小规模的系统 ， 开发 时间 将被 延长 。 随着实时操作系统到位 ， 任务可以安全地传递信息或相互同步 ， 不存在篡改 问题。w.tecos.rg大连悠龙咨询服务有限公司（ w.uloong.c) 第 3页大多数实时操作系统提供 API，让开发 人员 管理系统资源，建立包括任务管理 ， 内存 池 管 理 ， 时 间 管 理 ， 中 断 管 理 ， 通 信 和 同 步 的 函 数 。 实 时

10、 操 作 系 统 为 开 发 人 员 提 供了抽象层 ， 开发人员可以自由组织 软件 ， 实现更干净的代码 ， 甚至 通过很少的 代码修改 ，在不同硬件平台快速 移植 。 特别是在小型系统开发 中 ， 硬件成本是一个重要的制约因素 ，开发 时间通常 是 较短 的 。时间管理功能让软件设计者不必了解底层硬件机制 ， 实现任务延误，定时器处理 ，或时间触发的处理 。 在没有实时操作系统 的 小系统 中 ， 实现定时相关的 特性 可能会非常棘手 ， 因为软件设计人员必须了解相关的外围设备 （ 如定时器 ） ， 如何使用它们 ， 以及如何 和 顶层应用程序代码联系在一起 。 任何修改 ， 如延迟时间

11、加 长 ， 将要求开发人员重新检查代码和相应的外围设备 ， 来 进行更改 。 为了移植软件 到另一个使用不同微控制器 、不同外设 的 平台，开发人员必须重写这些定时 函数 。除非该项目涉及 到关键 计时问题 ，而使用 一个独特的硬件 ， 否则 使用实时操作系统可以帮助加快开发所需的时间 ， 以 处理这些 时间 问题 。Ganssle使 用 打 印 机 系 统 的 例 子 说 明 了 在 小 系 统 的 设 计 中 实 时 操 作 系 统 的 重 要 性 。如果没有实时操作系统，该系统采用了单独的代码块来管理所有打印机活动，送纸 ， 用户输入阅读，打印控 制 。实时操作系统让 独立 任务管理 各

12、自 活动。除了传递状态信息 ，每一个任务并不需要知道其他任务正在执行什么 。 因此 ， 有一个到位的实时操作系统可以 在 时 间 域 中 和 在 功 能 方 面 分 配 软 件 的 执 行 （ 任 务 同 时 运 行 ， 每 个 任 务 的 执 行 特 定 操作）。w.tecos.rg大连悠龙咨询服务有限公司（ w.uloong.c) 第 4页图 1.在 2004年 嵌 入 式 系 统 设 计 嵌 入 式 市 场 调 查 （http:/w.em 实时操作系统使用报告：已经使用（ a） ， 即将考虑使用（ ）（版权所有 2009TechInsights.授权使用）图 1显 示 了 从 2004

13、年 嵌 入 式 系 统 设 计 对 开 发 人 员 使 用 ， 并 会 考 虑 在 其 现 有 的 和 即将开展的项目 中使用 实时操作系统 数量的 嵌入 市场 调查结果 。 （ 从 2004年 、 2006年调查 结果在 http:/w.em ） 2004年 ， 超 过 49%的 开发人员说 ，他们曾使用实时操作系统 。 在 2005年的调查 中 这个百分比上升到 80.9， 并于 2006年达 到 71%。 开 发 人 员 会 考 虑 在 即 将 开 展 的 项 目 中 使 用 实 时 操 作 系 统 的 比 例 为 66.6%， 在2004年和 2005年的 86%，表明使用实时操作系

14、统走向稳定的趋势。w.tecos.rg大连悠龙咨询服务有限公司（ w.uloong.c) 第 5页表 1使 用 的 各 种 类 型 的 操 作 系 统 在 2006年 嵌 入 式 系 统 设 计 嵌 入 式 市 场 的 调 查 结 果（ http:/w.em 2009TechInsights.授权使用）表 1显示 来自于 ， 揭示 另一种在实时操作系统选择 上的 趋势 。 公司正在走向开源实时 操 作 系 统 -从 目 前 的 项 目 中 16%到 在 即 将 开 展 的 项 目 中 19%， 走 向 商 业 发 行 的 开 源 实时操作系统从目前的项目中 12至在即将开展的项目 中 17。

15、商业和内部系统的使用 ，目前虽然 使用 广泛 ， 但 正在下降 ， 商业操作系统从目前的项目中 51至即将开展的项 目47%， 内 部 操 作 系 统 从 21%至 17。 在 2007年 的 调 查 中 ， 商 业 操 作 系 统 的 使 用 进 一 步下 降 至 41.2007年 的 调 查 还 显 示 ， 在 实 时 操 作 系 统 选 择 中 ， 选 择 商 业 操 作 系 统 关 键 影响的因素是质量和技术支持 。 如果 没有 足够的技术支持 ， 公司可能会寻找其他更符合成本效益的选择。在小型 微控制器 上使用 实时操作系统也有一些缺点 。 因为实时操作系统消耗 额外 的内存 （ R

16、OM和 RA） ， 计算资源和 电量 ， 系统设计者必须确定系统是否可以 承担这些开 销 。 对 于 小 型 的 微 控 制 器 ， 实 时 操 作 系 统 必 须 有 紧 凑 ROM和 RA的 需 求 。 各 种 实w.tecos.rg大连悠龙咨询服务有限公司（ w.uloong.c) 第 6页时操作系统可用于这些设备 ， 有些是具有足够的灵活性 ， 设计人员可以将它们配置为仅拥有那些功能和应用程序需要 的 API， 从而 有 一个较小的代码大小 。 此外 ， 大多数实时操作系统需要一个周期定时器（操作系统 滴答 ）执行调度程序和其他相关系统服务。如任务同步实时操作系统服务必须有一个已知的执行时间 （ 也就是任务需要 一定量的时间 切换到发生 ） 。 根据这些时间因素 ， 并使用相关的实时操作系统服务