對(duì)計(jì)算機(jī)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的研究及分析

摘 要：當(dāng)今社會(huì)，信息技術(shù)發(fā)展迅速，嵌入式系統(tǒng)也得到了廣泛的運(yùn)用，而嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)決定著嵌入式系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定運(yùn)行。因此，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的研究工作尤為關(guān)鍵。本文首先簡(jiǎn)單概述嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其次通過(guò)分析嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及嵌入式系統(tǒng)中圖形圖像的顯示方式，進(jìn)而提出有效的加強(qiáng)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可靠性的對(duì)策。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；嵌入式圖形圖像技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP316.2

目前，保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的一項(xiàng)核心產(chǎn)業(yè)便是信息產(chǎn)業(yè)。信息產(chǎn)業(yè)通過(guò)充分結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)逐步發(fā)展成為了一項(xiàng)先進(jìn)的學(xué)科領(lǐng)域。其中，最為重要的研究課題之一便是對(duì)計(jì)算機(jī)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的研究及分析。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是一項(xiàng)基礎(chǔ)運(yùn)行平臺(tái)，其應(yīng)用領(lǐng)域包含工業(yè)、人們?nèi)粘Ｉ罴巴ㄐ畔到y(tǒng)等多個(gè)方面，已成為操作系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的概述

嵌入式系統(tǒng)隨著科學(xué)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，已被廣泛運(yùn)用在軍事領(lǐng)域以及人民日常生活中，并發(fā)揮著極其重要的作用。結(jié)合軟件和硬件，實(shí)現(xiàn)制定功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)即為嵌入式系統(tǒng)，當(dāng)前我國(guó)的技術(shù)開(kāi)放項(xiàng)目中，就包含了對(duì)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和研究。

在嵌入式操作系統(tǒng)中，起著對(duì)外部事件進(jìn)行及時(shí)回應(yīng)作用的便是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。其中，識(shí)別、處理以及輸出結(jié)果為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)響應(yīng)外部事件的三個(gè)步驟。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)為實(shí)時(shí)系統(tǒng)的兩大組成部分。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求準(zhǔn)時(shí)、無(wú)誤地完成任務(wù)，倘若不能滿(mǎn)足這一條件的話(huà)，將會(huì)造成非常嚴(yán)重的后果。對(duì)于軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)而言，高速完成任務(wù)為其遵守的原則，對(duì)時(shí)間的界定較為靈活[1]。

2 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)中，模塊結(jié)構(gòu)與層次結(jié)構(gòu)為其最基本的兩種結(jié)構(gòu)，其中，最常見(jiàn)、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)為模塊結(jié)構(gòu)。模塊結(jié)構(gòu)分為處理器管理、存儲(chǔ)器管理、設(shè)備管理及文件管理等幾大管理模塊，且分別對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)的CPU、內(nèi)存及各種存儲(chǔ)設(shè)備和管理硬件。由于建立在存儲(chǔ)器設(shè)備上的只有文件管理模塊，因此嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)通過(guò)軟件的方式將計(jì)算機(jī)硬件組合模型表達(dá)出來(lái)，且直接邏輯映射出計(jì)算機(jī)的硬件。此外，層次結(jié)構(gòu)中，層的結(jié)構(gòu)由模塊的集合構(gòu)成，是建立在整個(gè)系統(tǒng)的模塊分類(lèi)上的[2]。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)根據(jù)模塊之間的調(diào)用方式，還可分成單內(nèi)核及微核兩類(lèi)。

3 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中圖形圖像的顯示方式

在嵌入式系統(tǒng)中，圖形圖像的顯示方式為以下兩種：

（1）采用專(zhuān)用的圖像顯示芯片，這種芯片通常屬于先進(jìn)高端技術(shù)產(chǎn)品，雖然運(yùn)行速度較快，但是價(jià)格比較昂貴，極大程度上增加嵌入式系統(tǒng)的投資成本。此外，這種芯片的使用通常需要使用專(zhuān)業(yè)的接口，轉(zhuǎn)換接口也為實(shí)際操作帶來(lái)了不必要的麻煩。

（2）圖形圖像的另一種顯示方式便是采用MCU集成LCD控制器。該控制器為一個(gè)接口部件，嵌入式微處理器通過(guò)它可以將圖像顯示在LCD顯示屏上。然而，該控制器只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的向顯示屏填充圖案，其他顯示工作還要依靠MCU通過(guò)軟件來(lái)完成。這種圖形圖像的顯示方式不但造成了極大的資源浪費(fèi)，而且對(duì)嵌入式系統(tǒng)也造成了極為嚴(yán)重的影響。

在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，隨著圖形圖像處理的不斷應(yīng)用，人們對(duì)嵌入式圖形的加速技術(shù)也不斷重視起來(lái)。在整個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，圖形加速技術(shù)對(duì)其運(yùn)行效率起著關(guān)鍵作用。目前，為提高處理圖形的速度，許多工程師已加大了研究力度，并考慮通過(guò)硬件來(lái)完成微處理器完成的工作[3]。當(dāng)前，為實(shí)現(xiàn)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中圖形圖像能進(jìn)行加速顯示，眾多嵌入式工程師已致力于研究可編程邏輯器。在圖形圖像顯示中，由于數(shù)據(jù)的顯示以及緩存中像素信息的顯示等均需MCU的配合，因此，應(yīng)加大MCU運(yùn)用技術(shù)的研究。

4 加強(qiáng)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可靠性的對(duì)策

在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，架構(gòu)為其提高可靠性的關(guān)鍵性技術(shù)。然而，在對(duì)模塊架構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)執(zhí)行的操作過(guò)程中，軟件通常獨(dú)立運(yùn)行在內(nèi)存地址的空間內(nèi)。雖然此種架構(gòu)方式具有非常高的運(yùn)行效率，但同樣存在著極為明顯的缺陷：如果任何組件的指針指向發(fā)生錯(cuò)誤，都會(huì)嚴(yán)重破壞到嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的內(nèi)核與其它組組件，從而致使整個(gè)操作系統(tǒng)崩潰及其它嚴(yán)重問(wèn)題的出現(xiàn)。當(dāng)這類(lèi)問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)，由于無(wú)法進(jìn)行動(dòng)態(tài)修復(fù)，也無(wú)法替換出現(xiàn)故障的組件，因此，我們采取的主要解決方案便是復(fù)位系統(tǒng)。

對(duì)于這類(lèi)問(wèn)題，我們通常采取的解決方法為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的常用辦法。用戶(hù)在這樣的架構(gòu)中，其應(yīng)用程序一般都是存在于受保護(hù)的內(nèi)存地址或是隔離的空間里面，倘若任何一個(gè)程序?qū)κ鼙Ｗo(hù)的地址、空間之外的數(shù)據(jù)進(jìn)行了訪(fǎng)問(wèn)，那么內(nèi)存系統(tǒng)便會(huì)及時(shí)收到內(nèi)存管理單元發(fā)出的信號(hào)。這樣系統(tǒng)便會(huì)采取立刻終止出錯(cuò)程序等保護(hù)措施[4]。一般情況下，此項(xiàng)操作系統(tǒng)需在綁定其他程序下方可實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，這也就造成一旦組件之間出現(xiàn)錯(cuò)誤，便會(huì)引發(fā)極為嚴(yán)重的后果。因此，在運(yùn)用微內(nèi)核架構(gòu)過(guò)程中，必須對(duì)可能發(fā)生的故障進(jìn)行非常準(zhǔn)確的隔離，其具體的特點(diǎn)表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

（1）在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，只有一個(gè)涵蓋了諸如OS服務(wù)、人物調(diào)度等基本服務(wù)的小內(nèi)核，這個(gè)小內(nèi)核能有效保護(hù)包含用戶(hù)應(yīng)用程序在內(nèi)的驅(qū)動(dòng)程序與文件系統(tǒng)，并有效分離內(nèi)外核。這種情況下，孤立了故障點(diǎn)，系統(tǒng)服務(wù)也不再作為故障點(diǎn)處理，而是在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的其他服務(wù)及內(nèi)核遭到破壞前被及時(shí)終止，并進(jìn)行重啟。

（2）在操作系統(tǒng)中，其所有組件之間的通訊工作均由消息傳遞的方式進(jìn)行。通信機(jī)制若處于良好的定義中，數(shù)據(jù)的交換則在程序被安全隔離的情況下進(jìn)行?？梢詫⑾⒌膫鬟f當(dāng)成虛擬的軟件總線(xiàn)，對(duì)于任何軟件組件及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的被動(dòng)加入或替換，允許此項(xiàng)操作的進(jìn)行。這項(xiàng)技術(shù)在必須提供連續(xù)服務(wù)的系統(tǒng)中，起著非常關(guān)鍵的作用。通常情況下， 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可為起傳遞消息作用的內(nèi)核提供非常優(yōu)質(zhì)的容錯(cuò)性，而且能夠提供更為強(qiáng)大的升級(jí)能力。此外，倘若進(jìn)行正確的實(shí)際應(yīng)用操作，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)傳遞消息的性能幾乎可以實(shí)現(xiàn)接近底層硬件寬帶的性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上可知，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展已被應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)及日常生活的各個(gè)方面，嵌入式系統(tǒng)也成為了人們研究的重要課題之一。而作為嵌入系統(tǒng)的重要支柱，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)也逐步成為操作系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，其不但能帶來(lái)巨大的社會(huì)效益，更能促進(jìn)信息交流，為社會(huì)的進(jìn)步起著重要的推進(jìn)作用。因此，相關(guān)嵌入式工程師應(yīng)加大對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的研究，充分保障其可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃文漢.基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與可靠性研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2012（20）.

[2]胡曙輝，陳健.幾種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的分析與比較[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（05）：58-61.

[3]馮先成，李寒，段文瀟，陳穎.嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與教學(xué)應(yīng)用研究[J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（04）：87-90.

[4]王新政，程小輝，周華茂.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度策略的研究與設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2012（11）：35-36.

作者簡(jiǎn)介：董延軍（1984-），研究方向：嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)技術(shù)，嵌入式圖形圖像技術(shù)。

作者單位：中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710068