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本文作者為清華大學教授邵貝貝，他本人與嵌入式操作系統有著特殊的感情，對μC/OS在中國的推廣起到了巨大的推動作用。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對嵌入式操作系統的理解和看法，希望能對所有嵌入式愛好者和從業者有所啟發。 回想過去，用過或多少了解一點兒的操作系統確有一些。20世紀80年代，一個叫做VMS的操作系統風靡全球，是DEC公司小型機上用的，我國也引進了不少DEC計算機。VMS功能齊全、用戶界面友好，比Unix好用很多，微機的DOS根本無法與之相比，1986年最先讓我們接入因特網的便是VMS。然而曾幾何時，VMS被Unix取代了，接著是Linux。VMS消失主要因為其不開源。后來世界公認最牛、想用卻用不起的VxWorks實時操作系統（RTOS）也不得不開源了。那時蘋果公司的Mac視窗操作系統比PC的Windows好用得多，在操作系統技術方面蘋果至少領先Intel五年，也是由于不開放，Mac輸給了PC。20世紀90年代以后，操作系統不再神秘，開源成為趨勢。 在國外工作期間也接觸過一些RTOS，例如OS-9、QNX等，都是不錯的RTOS，還有Nuclus，多年前開發Motorola的68K時有所接觸，感覺還不錯，是最早開放源碼的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。曾經不得不用到一個歐洲很流行的RTOS，可文檔和程序注解中，英語夾雜著法語，讓我這個對法語一竅不通的人恨死那個操作系統了，盡管有法國朋友熱情幫忙。Freescale曾經力推MQX，很多事情集成開發環境中都已經做好了，也有不少朋友推薦。讀過其部分文檔和代碼后，就是感覺喜歡不起來。選擇操作系統的過程中也走過一段彎路，嘗試過將那個著名的非實時操作系統實時化成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，哪個好哪個不好，由于知識范圍所限，實在不敢妄加評論。存在的就是合理的。一些生存多年、有業績、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，選擇時首先應考慮本行業認可的操作系統，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，用于建立多任務運行環境，管理任務及系統的共享資源。操作系統間的差異主要體現在任務調度策略與算法上，不同操作系統以各自的任務管理方式提供必要的實時性保證，解決多任務環境下可能出現的競爭與死鎖等問題，是嵌入式系統應用工程師開發嵌入式應用的有力工具。任務調度算法也有很多種，如時間片調度法、保證調度算法、最短任務優先、隨機調度法（也稱擲骰子）、多重隊列法、二級調度法等。這些算法基本上可分為兩大類：基于時間片的分時系統和基于優先級的實時系統。基于時間片的多為非實時系統，而嵌入式應用多使用基于優先級的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、互聯網協議棧、主從USB協議棧、CAN總線協議棧、系統調試工具等，供用戶選配使用。嵌入式RTOS應滿足可裁剪、可固化、可移植等基本要求。 行業認可并推薦的操作系統應該是首選。例如汽車行業，首選自然是符合OSEK標準的操作系統（OSEK-OS）。OSEK源自德國的汽車電子類開放系統和對應接口標準，除實時操作系統OSEK-OS外，還有通信子系統（OSEK-COM）和網絡管理系統（OSEK-NM）。若開發手機應用軟件，在我國自然首選以Java為編程語言的、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，建議精讀一兩本關于操作系統的經典教材，以加深對操作系統原理的理解。對于準備使用Linux類型的、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所著的《操作系統設計與實現》一書。該書自1987年問世以來，至今已出到第3版，講的是一個專門用于教學的、由Unix簡化而來的Minix范例操作系統。正是這本書觸發了LinusB. Torvalds的靈感，寫成了Linux內核，從而被稱作Linux之父。故該教材被公認為Linux原理的權威教材，非常值得細讀。順便提一句，Linux是當前最好的非實時開源操作系統，似乎沒有之一。非要把它改成實時的所謂RT-Linux，我不認為是一個好的做法，不如直接選用那些本來就是為實時系統設計的RTOS。 對于擬選用嵌入式RTOS的工程師，有必要精讀一本Jean J. Labrosse 所著的《嵌入式實時操作系統 μC/OS-II》或《嵌入式實時操作系統 μC/OS-III》，這兩個操作系統都可以直接拿來使用。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指令就是專門為優先級算法提供的硬件指令，所用單片機是否帶有專門為操作系統設計的硬件指令，也是選擇操作系統時要考慮的。讀書的同時，特別要注意閱讀并欣賞一下書中所附源代碼，至少是代碼的核心部分。上述推薦讀物中的源碼寫作風格經典規范，注釋清晰易懂，非常漂亮，值得學習。操作系統要選好，更要用好。 既然選了開源系統，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、大致結構，以判斷任務調度算法是否符合自己的任務要求。讀代碼是對代碼可讀性、代碼質量的最好檢驗。你或許會喜歡上這個操作系統的代碼風格，或許對其感到厭惡而棄之。我的體會，個人感覺也很重要。 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開發及測試程序等就要格外小心了。這類系統被稱作安全緊要系統（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保證的。那些自稱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語言開發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工業軟件可靠性聯合會制定的，但在國防、航空航天、電信、鐵路、醫療等領域的用戶遠多于汽車領域。當然首先是嵌入式應用工程師本人開發的C程序，要經得起MISRA檢驗。 以下課程可免費試聽C語言、電子、PCB、STM32、Linux、FPGA、JAVA、安卓等。 想學習的你和我聯系預約就可以免費聽課了。 宋工企鵝號：3524-6590-88 Tel/WX：173--1795--1908 
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