比選擇操作系統(tǒng)更重要的是用好選定的操作系統(tǒng)

清華大學(xué)邵貝貝

回想過(guò)去，用過(guò)或多少了解一點(diǎn)兒的操作系統(tǒng)確有一些。20世紀(jì)80年代，一個(gè)叫做VMS的操作系統(tǒng)風(fēng)靡全球，是DEC公司小型機(jī)上用的，我國(guó)也引進(jìn)了不少DEC計(jì)算機(jī)。VMS功能齊全、用戶界面友好，比Unix好用很多，微機(jī)的DOS系統(tǒng)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，接著是Linux。VMS消失主要因?yàn)槠洳婚_(kāi)源。后來(lái)世界公認(rèn)最牛、想用卻用不起的VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)也不得不開(kāi)源了。那時(shí)蘋果公司的Mac視窗操作系統(tǒng)比PC的Windows好用得多，在操作系統(tǒng)技術(shù)方面蘋果至少領(lǐng)先Intel五年，也是由于不開(kāi)放，Mac輸給了PC。20世紀(jì)90年代以后，操作系統(tǒng)不再神秘，開(kāi)源成為趨勢(shì)。

別人認(rèn)為好的未必適合自己

在國(guó)外工作期間也接觸過(guò)一些RTOS，例如OS-9、QNX等，都是不錯(cuò)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(cuò)，是最早開(kāi)放源碼的RTOS(如今如何就不了解了)。當(dāng)年在歐洲，由于是客人，只能用主人選定的RTOS。然而，人家認(rèn)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)夾雜著法語(yǔ)，讓我這個(gè)對(duì)法語(yǔ)一竅不通的人恨死那個(gè)操作系統(tǒng)了，盡管有法國(guó)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(tǒng)的過(guò)程中也走過(guò)一段彎路，嘗試過(guò)將那個(gè)著名的非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)化成RTOS，結(jié)果事倍功半，只得放棄了。

用好操作系統(tǒng)更重要

目前可選用的操作系統(tǒng)的確很多，哪個(gè)好哪個(gè)不好，由于知識(shí)范圍所限，實(shí)在不敢妄加評(píng)論。存在的就是合理的。一些生存多年、有業(yè)績(jī)、口碑好、有團(tuán)隊(duì)支持的操作系統(tǒng)肯定都是可選用的。不同操作系統(tǒng)有各自不同的定位，選擇時(shí)首先應(yīng)考慮本行業(yè)認(rèn)可的操作系統(tǒng)，比選擇操作系統(tǒng)更重要的似乎是如何用好選定的操作系統(tǒng)。

嵌入式RTOS通常僅指系統(tǒng)內(nèi)核(Kernel)，內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心，用于建立多任務(wù)運(yùn)行環(huán)境，管理任務(wù)及系統(tǒng)的共享資源。操作系統(tǒng)間的差異主要體現(xiàn)在任務(wù)調(diào)度策略與算法上，不同操作系統(tǒng)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(xiàn)的競(jìng)爭(zhēng)與死鎖等問(wèn)題，是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用工程師開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)用的有力工具。任務(wù)調(diào)度算法也有很多種，如時(shí)間片調(diào)度法、保證調(diào)度算法、最短任務(wù)優(yōu)先、隨機(jī)調(diào)度法(也稱擲骰子)、多重隊(duì)列法、二級(jí)調(diào)度法等。這些算法基本上可分為兩大類：基于時(shí)間片的分時(shí)系統(tǒng)和基于優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)?；跁r(shí)間片的多為非實(shí)時(shí)系統(tǒng)，而嵌入式應(yīng)用多使用基于優(yōu)先級(jí)的RTOS。除內(nèi)核外，操作系統(tǒng)通常還需提供與之配套的文件系統(tǒng)、圖形界面、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧、主從USB協(xié)議棧、CAN總線協(xié)議棧、系統(tǒng)調(diào)試工具等，供用戶選配使用。嵌入式RTOS應(yīng)滿足可裁剪、可固化、可移植等基本要求。

優(yōu)先選擇行業(yè)認(rèn)可的操作系統(tǒng)

行業(yè)認(rèn)可并推薦的操作系統(tǒng)應(yīng)該是首選。例如汽車行業(yè)，首選自然是符合OSEK標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)(OSEK-OS)。OSEK源自德國(guó)的汽車電子類開(kāi)放系統(tǒng)和對(duì)應(yīng)接口標(biāo)準(zhǔn)，除實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)OSEK-OS外，還有通信子系統(tǒng)(OSEK-COM)和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)(OSEK-NM)。若開(kāi)發(fā)手機(jī)應(yīng)用軟件，在我國(guó)自然首選以Java為編程語(yǔ)言的、基于Linux的Android操作系統(tǒng)。

需要自選操作系統(tǒng)的工程師，首先得對(duì)各種不同操作系統(tǒng)的內(nèi)核調(diào)度策略有所了解，看看是否適合自己的項(xiàng)目應(yīng)用。若這方面的知識(shí)不夠，建議精讀一兩本關(guān)于操作系統(tǒng)的經(jīng)典教材，以加深對(duì)操作系統(tǒng)原理的理解。對(duì)于準(zhǔn)備使用Linux類型的、有復(fù)雜文件系統(tǒng)的、需要MMU硬件支持的非RTOS，建議首先認(rèn)真讀懂Andrew S. Tanenbaum所著的《操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》一書。該書自1987年問(wèn)世以來(lái)，至今已出到第3版，講的是一個(gè)專門用于教學(xué)的、由Unix簡(jiǎn)化而來(lái)的Minix范例操作系統(tǒng)。正是這本書觸發(fā)了LinusB. Torvalds的靈感，寫成了Linux內(nèi)核，從而被稱作Linux之父。故該教材被公認(rèn)為L(zhǎng)inux原理的權(quán)威教材，非常值得細(xì)讀。

順便提一句，Linux是當(dāng)前最好的非實(shí)時(shí)開(kāi)源操作系統(tǒng)，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(rèn)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(tǒng)設(shè)計(jì)的RTOS。

嵌入式RTOS推薦學(xué)習(xí)μC/OS

對(duì)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RTOS μC/OS-II》或《嵌入式RTOS μC/OS-III》，這兩個(gè)操作系統(tǒng)都可以直接拿來(lái)使用。對(duì)于ARM Cortex-M單片機(jī)，如果使用Cortex-M3及以上，應(yīng)使用μC/OS-III，而對(duì)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(jī)中的CLZ指令就是專門為優(yōu)先級(jí)算法提供的硬件指令，所用單片機(jī)是否帶有專門為操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件指令，也是選擇操作系統(tǒng)時(shí)要考慮的。讀書的同時(shí)，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(fēng)格經(jīng)典規(guī)范，注釋清晰易懂，非常漂亮，值得學(xué)習(xí)。操作系統(tǒng)要選好，更要用好。

既然選了開(kāi)源系統(tǒng)，就要讀一讀該操作系統(tǒng)的核心代碼，弄清楚該操作系統(tǒng)的特點(diǎn)、大致結(jié)構(gòu)，以判斷任務(wù)調(diào)度算法是否符合自己的任務(wù)要求。讀代碼是對(duì)代碼可讀性、代碼質(zhì)量的最好檢驗(yàn)。你或許會(huì)喜歡上這個(gè)操作系統(tǒng)的代碼風(fēng)格，或許對(duì)其感到厭惡而棄之。我的體會(huì)，個(gè)人感覺(jué)也很重要。

操作系統(tǒng)必須與硬件匹配

所選操作系統(tǒng)必須能和項(xiàng)目的硬件匹配。對(duì)于手機(jī)類應(yīng)用，系統(tǒng)偶爾死機(jī)未必不可接受。但對(duì)于嵌入式應(yīng)用，若系統(tǒng)死機(jī)可能造成難以預(yù)料的嚴(yán)重后果，那么選擇操作系統(tǒng)和寫開(kāi)發(fā)及測(cè)試程序等就要格外小心了。這類系統(tǒng)被稱作安全緊要系統(tǒng)(Safety Critical System)，要確保系統(tǒng)安全，不死機(jī)或者有故障也能安全，是對(duì)這類系統(tǒng)的最低要求。理論上，計(jì)算機(jī)總是能被“搞死”的，如果操作系統(tǒng)能有什么措施，使系統(tǒng)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(tǒng)和應(yīng)用軟件并不能保證系統(tǒng)不死機(jī)。硬件的可靠性是需要硬件工程師來(lái)保證的。那些自稱面向多核單片機(jī)的操作系統(tǒng)，在解決系統(tǒng)受到強(qiáng)電磁干擾而出錯(cuò)的問(wèn)題上，顯然不及兩套獨(dú)立供電的單核系統(tǒng)更為可靠。

2017-08-02)