嵌入式系統在航天、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。而傳統的實時操作系統難以簡單地移植到嵌入式系統中，所以需要重新開發針對嵌入式系統特性的實時操作系統。任務調度策略是實時系統內核的關鍵部分，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，是實時操作系統的重要研究領域。而不同的操作系統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——VxWorks、μClinux、μC／OS-II、Windows CE的任務切換機制進行分析和比較。

　　1 操作系統介紹

　　1．1 VxWorks

　　VxWorks是美國WindRiver公司的產品，是目前嵌入式系統領域中應用很廣泛、市場占有率比較高的嵌入式操作系統。VxWorks實時操作系統由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；提供基于優先級的任務調度、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(可移植操作系統接口)規范的內存管理，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的基礎上發展起來的，是美國嵌入式系統專家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，具有執行效率高、占用空間小、實時性能優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，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。

　　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。其設計目的是為符合廣泛的智能設備的需求，例如從企業工具(如工業控制器、通信集線器和收款機系統)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定、實時及多任務的操作系統。

　　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，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，都被賦予一定的優先級，有自己的一套CPU寄存器和棧空間，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，每個任務的優先級要求不一樣，且是唯一的。它有5種狀態，如圖2所示。 　　

　　當一個任務在運行狀態中時，如果沒有關閉中斷，就有可能被中斷打斷，去執行中斷服務子程序ISR。執行完后內核要判斷此時是否有更高優先級，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中時，調用OSTimeDly()或OSTimeDlyHMSM()函數，該任務進入等待狀態，一直到延時時間到，這2個函數立即強制執行任務切換，讓下一個優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從低優先級切換到高優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先級任務進入就緒態時，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先級的任務。

　　μC／OS-II總是運行進入就緒態任務中優先級最高的任務，確定哪個任務優先級最高，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：

　　①切換虛擬內存映射，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。

　　②切換進程的寄存器狀態，即負責從一個進程的處理器狀態切換到新進程的處理器狀態，該功能由函數switcn_to()實現。

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

　　①由進程(任務)本身直接調用任務切換函數進行進程(任務)切換。在當前進程(任務)因為不能獲得必需的資源而立即被堵塞時，就由進程(任務)本身直接調用進程(任務)切換函數進行進程(任務)間調度。在Linux中可以直接調用schedule()函數來實現。

　　②延遲調用任務切換函數進行進程(任務)切換。此方式是把當前進程(任務)設置一調度標志而以延遲方式調用任務切換函數進行進程(任務)切換。在Linux系統中，總是在恢復用戶態進程執行之前，檢查這一調度標志，在這里標志是need_resched，如果有這一標志，就調用調度函數進行進程切換。

　　此種情況主要包括以下幾種：

　　①當前進程用完了它的CPU時間片，由scheduler_tick()函數完成schedule()的延遲調用。

　　②當一個被喚醒進程的優先級比當前進程優先級高時，由try_to_wake_up()函數完成schedule()的延遲調用。

　　③當發出系統調用sched_setscheduler()時。在這些情況中，主要由于系統調用或中斷而進入內核態，或者當前進程本來在內核態時，返回用戶態時發生的。

　　在VxWorks系統中，任務的優先級為0～255。任務有4種狀態：就緒態、懸置態、休眠態和延遲態，如圖3所示。

　　內核缺省調度機制為基于優先級的搶占式調度。采用這種機制，系統把處理機分配給優先級最高的進程，使之執行。一旦出現優先級更高的進程時，該任務被剝奪CPU使用權，而去執行優先級更高的任務。而在相同優先級的多個任務之間，采用時間片輪轉調度機制。采用這種機制，當一個任務到達時，它被安排在輪轉隊列的后面，等待分配給自己的時間片的到來，如果在時間片內沒有結束，則在等待屬于自己的時間片的到來，直到任務完成。

　　在VxWorks系統中，對于優先級相同的任務，如果狀態為Ready，則可以通過時間片輪轉方式公平享有CPU資源。輪轉調度法給處于就緒態的每個同優先級的任務分配一個相同的時間片，該時間片的大小由系統調用KernelTimeSlice決定。

　　在Windows CE系統中，Windows CE 3．0之后，系統支持的優先級增長到256個，0優先級級別最高，255優先級級別最低。0～247的優先級屬于實時性優先級，248～255的優先級一般分配給普通應用程序。Windows CE．NET采用基于動態優先級的搶占式多任務機制，越重要的任務，優先級越高。Windows CE．NET在任務調度中采用任務優先級制、優先級動態調整機制和搶占式調度，都是為了最大限度地滿足系統的實時性要求。對于一個優先級只有一個任務的簡單系統內核，上述的3種調度足以滿足要求，但對于Windows CE．NET這樣復雜、高性能的多任務實時內核，由于多個任務允許公用一個優先級，則相同優先級的任務要采用Windows CE．NET提供的時間片輪轉法實現。具體實現如圖4所示。

　　在沒有更高優先級任務就緒時，相同優先級的任務依照就緒的先后次序執行。執行一定的時間片后，無論任務完成與否，均轉入下一任務運行。未運行完的任務釋放處理器的控制權后轉入就緒隊列的末尾，依次往復。這樣的輪轉策略保證了具有相同優先級的任務平等地享有控制權的處理權。在Windows CE系統中，一般設置的時間片大小為10 ms。

　　3 總結

　　本文對幾種操作系統的內核的主要部分(任務切換與調度)進行了分析比較，便于理解其實時性、可靠性等方面的優缺點，為以后進行系統的移植和開發打下基礎。由于筆者時間和精力有限，而且目前的操作系統很多，本文只分析了4種系統，還不夠完善。未來可以對其他更多的實時操作系統進行分析比較。