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用。大量的嵌入式系統(tǒng)具有實時性的要求，但是由于體積、能耗、價格等方面的約束，其處理器速度往往比較慢，存儲器容量也有限。而傳統(tǒng)的實時操作系統(tǒng)難以簡單地移植到嵌入式系統(tǒng)中，所以需要重新開發(fā)針對嵌入式系統(tǒng)特性的實時操作系統(tǒng)。任務調度策略是實時系統(tǒng)內核的關鍵部分，如何進行任務調度，使得各個任務能在其期限之內得以完成，是實時操作系統(tǒng)的重要研究領域。而不同的操作系統(tǒng)對任務調度的機制也有所不同，本文對目前比較流行的操作系統(tǒng)——VxWorks、μClinux、μC／OS-II、Windows CE的任務切換機制進行分析和比較。

　　1 操作系統(tǒng)介紹

　　1．1 VxWorks

　　VxWorks是美國WindRiver公司的產品，是目前嵌入式系統(tǒng)領域中應用很廣泛、市場占有率比較高的嵌入式操作系統(tǒng)。VxWorks實時操作系統(tǒng)由400多個相對獨立、短小精悍的目標模塊組成，用戶可根據需要選擇適當的模塊來裁剪和配置系統(tǒng)；提供基于優(yōu)先級的任務調度、任務間同步與通信、中斷處理、定時器和內存管理等功能，內建符合POSIX(可移植操作系統(tǒng)接口)規(guī)范的內存管理，以及多處理器控制程序；具有簡明易懂的用戶接口，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的基礎上發(fā)展起來的，是美國嵌入式系統(tǒng)專家Jean J．Lal3rosse用C語言編寫的一個結構小巧、搶占式的多任務實時內核。μC／OS-II能管理64個任務，并提供任務調度與管理、內存管理、任務間同步與通信、時間管理和中斷服務等功能，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點。

　　1．3 Linux

　　Linux是一種自由的Unix類多用戶、多任務操作系統(tǒng)，可運行在Intel 80386及更高檔次的PC、ARM、DECAlpha等多種計算機平臺上，已經成為應用廣泛、可靠性高、功能強大的計算機操作系統(tǒng)。

　　1．4 WindOWS CE

　　微軟Windows CE是一個開放且多樣化的32位嵌入式操作系統(tǒng)。其設計目的是為符合廣泛的智能設備的需求，例如從企業(yè)工具(如工業(yè)控制器、通信集線器和收款機系統(tǒng))到電子消費性產品(如攝影機、電話和家庭娛樂設備等)，提供自動控制、視聽娛樂、行動計算、終端機等各個應用領域一個穩(wěn)定、實時及多任務的操作系統(tǒng)。

　　2 任 務

　　2．1 任務切換概述

　　上下文切換(context switch)，其實際含義是任務切換，或者CPU寄存器切換。當多任務內核決定運行另外的任務時，它保存正在運行任務的當前狀態(tài)，也就是CPU寄存器中的全部內容。這些內容被保存在任務自己的堆棧中，入棧工作完成后就把下一個將要運行的任務的當前狀況從該任務的棧中重新裝入CPU寄存器，并開始下一個任務的運行，這一過程就是context switch。

每個任務都是整個應用的一部分，都被賦予一定的優(yōu)先級，有自己的一套CPU寄存器和?？臻g，如圖1所示。

　　2．2 任務的切換與調度

　　μC／OS-II是可搶占實時多任務內核，它總是運行優(yōu)先級最高的就緒任務，不支持時間片輪轉調度法，每個任務的優(yōu)先級要求不一樣，且是唯一的。它有5種狀態(tài)，如圖2所示。

當一個任務在運行狀態(tài)中時，如果沒有關閉中斷，就有可能被中斷打斷，去執(zhí)行中斷服務子程序ISR。執(zhí)行完后內核要判斷此時是否有更高優(yōu)先級，新的任務就緒，如果有則原有的任務被搶占，實現了任務的切換。

　　當一個任務在運行狀態(tài)中時，調用OSTimeDly()或OSTimeDlyHMSM()函數，該任務進入等待狀態(tài)，一直到延時時間到，這2個函數立即強制執(zhí)行任務切換，讓下一個優(yōu)先級最高的就緒任務運行。當然，如果運行的任務需要等待某一事件的發(fā)生，可以調用一些函數(如OSFlag Pend()、OSSemPend()、OSMutexPend()、OSMboxPend()、OSQPrnd()等)掛起該任務，來實現任務的切換。

　　實際的任務切換是調用OS_TASK_SW()函數。OS_TASK_SW()是一個宏，是在μC／OS-II從低優(yōu)先級切換到高優(yōu)先級任務時須用到的。OS_TA-SK_SW()總是在任務級代碼中被調用。另一個函數OSIntExit()用在中斷服務子程序ISR中。當中斷任務子程序使更高優(yōu)先級任務進入就緒態(tài)時，OSintExit()完成任務切換功能，任務切換只是簡單地將處理器的寄存器保存到將被掛起的任務的堆棧中，并且從堆棧中恢復要運行的更高優(yōu)先級的任務。

μC／OS-II總是運行進入就緒態(tài)任務中優(yōu)先級最高的任務，確定哪個任務優(yōu)先級最高，以及下面該哪個任務運行。這一工作是由調度器完成的，所以任務調度的工作就是：查找準備就緒的最高優(yōu)先級的任務并進行上下文切換。該工作由函數OSSched()完成。中斷級的調度由OS-intExt()完成。代碼如下：

在Linux系統(tǒng)中，任務的上下文切換和調度比較復雜。Linux的上下文切換功能是由context_switch()函數完成的。代碼如下：

context_switch()完成了2個工作：

　?、偾袚Q虛擬內存映射，即負責把虛擬內存從被切換下來的進程映射到新進程中，該功能由函數switcn_mm()實現。

　?、谇袚Q進程的寄存器狀態(tài)，即負責從一個進程的處理器狀態(tài)切換到新進程的處理器狀態(tài)，該功能由函數switcn_to()實現。

　　在多任務系統(tǒng)中，都會提供一個系統(tǒng)函數來進行進程(任務)間切換，綜合來說，它們有兩種進程(任務)切換方式：