嵌入式操作系统任务切换方法对比分析

摘要：嵌入式操作系统在很多领域得到应用。由于嵌入式实时操作系统支持多任务，使得程序开发更加容易，在便于维护的同时还能提高系统的稳定性和可靠性，所以逐步成为嵌入式系统的重要组成部分。本文介绍4种嵌入式实时操作系统VxWorks、μClinux、μC／OS-II和Windo-ws CE，对多任务的调度切换进行了分析比较。
关键词：嵌入式操作系统；任务切换；VxWorks；Linux；μC／OS-II；Wiladows CE

引言
嵌入式系统在航天、军事、工控以及家电等方面得到了广泛应用。大量的嵌入式系统具有实时性的要求，但是由于体积、能耗、价格等方面的约束，其处理器速度往往比较慢，存储器容量也有限。而传统的实时操作系统难以简单地移植到嵌入式系统中，所以需要重新开发针对嵌入式系统特性的实时操作系统。任务调度策略是实时系统内核的关键部分，如何进行任务调度，使得各个任务能在其期限之内得以完成，是实时操作系统的重要研究领域。而不同的操作系统对任务调度的机制也有所不同，本文对目前比较流行的操作系统——VxWorks、μClinux、μC／OS-II、Windows CE的任务切换机制进行分析和比较。

1 操作系统介绍
1．1 VxWorks
VxWorks是美国WindRiver公司的产品，是目前嵌入式系统领域中应用很广泛、市场占有率比较高的嵌入式操作系统。VxWorks实时操作系统由400多个相对独立、短小精悍的目标模块组成，用户可根据需要选择适当的模块来裁剪和配置系统；提供基于优先级的任务调度、任务间同步与通信、中断处理、定时器和内存管理等功能，内建符合POSIX(可移植操作系统接口)规范的内存管理，以及多处理器控制程序；具有简明易懂的用户接口，在核心方面甚至可以微缩到8KB。
1．2 μC／OS-lI
μC／OS-II是在μC／OS的基础上发展起来的，是美国嵌入式系统专家Jean J．Lal3rosse用C语言编写的一个结构小巧、抢占式的多任务实时内核。μC／OS-II能管理64个任务，并提供任务调度与管理、内存管理、任务间同步与通信、时间管理和中断服务等功能，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点。
1．3 Linux
Linux是一种自由的Unix类多用户、多任务操作系统，可运行在Intel 80386及更高档次的PC、ARM、DECAlpha等多种计算机平台上，已经成为应用广泛、可靠性高、功能强大的计算机操作系统。
1．4 WindOWS CE
微软Windows CE是一个开放且多样化的32位嵌入式操作系统。其设计目的是为符合广泛的智能设备的需求，例如从企业工具(如工业控制器、通信集线器和收款机系统)到电子消费性产品(如摄影机、电话和家庭娱乐设备等)，提供自动控制、视听娱乐、行动计算、终端机等各个应用领域一个稳定、实时及多任务的操作系统。

2 任 务
2．1 任务切换概述
上下文切换(context switch)，其实际含义是任务切换，或者CPU寄存器切换。当多任务内核决定运行另外的任务时，它保存正在运行任务的当前状态，也就是CPU寄存器中的全部内容。这些内容被保存在任务自己的堆栈中，入栈工作完成后就把下一个将要运行的任务的当前状况从该任务的栈中重新装入CPU寄存器，并开始下一个任务的运行，这一过程就是context switch。
每个任务都是整个应用的一部分，都被赋予一定的优先级，有自己的一套CPU寄存器和栈空间，如图1所示。