（计算机软件与理论专业论文）嵌入式操作系统评价指标体系及测试方法研究.pdf

摘要 摘要 随着计算机技术的迅速发展和芯片制造工艺的不断进步，嵌入式操作系统 ( e 0 6 一e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m s ) 豹研究和应用日益广泛。从事e o s 开发的厂商有上百家，成熟的产品有数百种之多。面对如此众多的e o s ，如何 对它们进行评价，从中选出符合应用需要的产品? 目前国内外对e o s 评测的研 究很少，没有一个完整的理论体系。本文针对这一情况，深入分析了多种常用 e 0 6 的结构和特点，建立了自己的e o s 评测指标体系，并对如何进行e o s 的实 时性能测试给出了具体的实验平台和测试方法。 本文通过分析e o s 不同于一般0 s 的特点，给出了对e o s 进行评价的主要方 面：实时性、可移植性、可靠性、安全性等。并分别对这些方面进行展开分析 和论述，由此得出了具体的评价方向和评价指标。接着，文章主要针对e o s 实 时性能的评测方法进行了深入的研究，对比分析了三种经典的e o s 实时性能测 试方法：r h e a l s t o n e 方法、p d l t 方法和三维表示法，并由此得出了自己的性能 指标体系和测试方法。同时构造出了对e o s 实时性能进行溯试的对比测试实验 平台，提出了利用基准程序的方法对e o s 实时性能进行测试。文章其体描述了 测试平台的架构和测试用例的编写，并对性能测试的精度和有效性进行了分析 说明。文章的最后将两个常用e o s 应用到该评价指标体系中，通过实时性能对 比测试实验平台验证了相应的评价指标体系和测试方法，结果是令人满意的。 关键词：嵌入式操作系统评价指标测试方法实时性可靠性可移植性安全 性 a b s t r a e t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c ea n d 穗i pf a b r i c a t i o nm e t h o d e m b e d d e do 删甄gs y s t e mf e o s ) h a sb e e ns t u d i e da n da p p l i e dm o r ew i d e l ya n d t n o 魁d e e p l yi nt h ew o r l d t h e r ea 抟h u n d r e d so f 舶p a 越e sd e v e l o p i n ge o s ，a n d 州赚h u n d r e d so f m a t u r ep r o d u c t s f a c e dw i t hs om a n ye o s 。h o wt oe v a l u a t et h e m a n ds e l e c tt h er i g h tp r o d u c tt h a ta c e o t i t sw i t ht h ea p p l i c a t i o n ? a tp r e s e n t , f e w f f o l l e e & , r l $ a r ef o c u s e do nr e s e a r c h e so ft h ee v a l u a t i o na n dm e a s u r e m e n to fe o sa t h o m ea n da b r o a d , t h e r ei s n ta ni n 蜊t yt h e o r ys y s t e m i no r d e rt os o l v et h i s p r o b l e m ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h e s t l x l o t l r _ ea n df e a t u r e , o f s e v e r a lc o m m o n - u s e de o s e s t a b l i s h e so u ro v r l 7 li n d e xs y s t e mf o re v a h m t i o no f e o s ，a n dg i v e sd e t a i l e dm e t h o d t om e a s l l r e a l t i m ep e r f o r m a n c eo f e o s , a l o n gw i t hi n t r o d u c t i o no f a ne x p e r i m e n t p l a t f o r m 。 b a s e do i lt h ea 1 1 a l y s i so fe h a r a e t e r i s t i co fe o s ，t h i sp a p e rg i v e sm a i na s p e c t s 如 e v a l u a t ea n d n 豫糕飘黼e o s ：p o r t a b i l i t y , r e l i a b i l i t y , s e e n r i t y a n dr e a l - t i m e p e r f o r m a n c e w i t l lt h ea n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no fc r i t i c a lc o n t e n t so nt h e s ea s p e c t s 。 w eg a i nd i r e e t i o n sa n di n d e x 妇m e a m t r e m e n ti nd e t a i l a f t e rt h i s , t h r e ec l a s s i c m e a s m i n gm e t h o df o rr e a l - t i m ep e r t o m m c eo fe o sa r ei n t r o d u c e d ：r h e a l s t o n e m e t r i c s , p r o c e s sd i s p a t c hl a t e n c y t i m e ( p d l t ) a n dt r i - d i m e n s i o u a lm e a s u r e ， t h r o u 秘r e s e a r c h e so nt h e m , a l li n d e xs y s t e ma n dm e a s u r i n gm e t h o df o rr e a l * t i m e p e r f o r m a n c ea r eo b t a i n e d , p r e c i s i o na n dv a l i d i t yo ft h em e a s u r i n gm e t h o d 粼a l s o a n a l y z e di n t h i s p a p e r , b a s e do nt h e “c o n t r a s t i n gp l a t f o r m f o ri s o m e r o u s d o u b l l e - e m b e d d e ds y s t e m s ”。w el a i no u rb e n c h m a r kp r o g r a mt ov a l i d a t et h ei n d e x s y s t e ma n dm e a s u r i n gm e t h o d ，t h er e s u l ti ss a t i s f i e d k e y w o r d s ：e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ( e o s ) , e v a l u a t i n g i n d e x s y s t e m ， m e a s m i n gm e t h o d ，r e a lt i m ep e r f o r m a n c e ，r e l i a b i l i t y ，p o r t a b i l i t y ，s e c u r i t y i l 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 伽r 年，月卯日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本 授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时问：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下 砍 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 1 扣f 年 他日臻 第一章绪论 第一章绪论 随着现代计算机技术的飞速发展，从p c 时代过渡到了以个人数字助理、手 持移动设备和信息家电为代表的3 c ( 计算机、通信、消费电子) 一体的后p c 时代。后p c 时代里，嵌入式系统扮演了越来越重要的角色，被广泛应用于各 种领域，嵌入式系统的开发也逐渐受到人们的关注。 完成简单功能的嵌入式系统一般不需要操作系统，如以前许多m c s 5 1 系列 单片机组成的小系统就只是利用软件实现简单的控制环路。但是随着后p c 时 代的来临，嵌入式系统设计日趋复杂，嵌入式操作系统就必不可少了。 第一节嵌入式操作系统( e o s ) 国内外研究现状 1 1 1 嵌入式操作系统的发展 从1 9 8 1 年的r e a d ys y s t e m 发展了世界上第一个商用嵌入式实时内核 v r t x 3 2 以来1 1 1 ，到今天已经有2 0 多年的历史了。2 0 世纪8 0 年代的产品还只 支持某些1 6 位的微处理器，如6 8 k 、8 0 8 6 等。而且那时的e o s 还只有内核， 以销售二进制代码为主。 进入2 0 世纪9 0 年代后，现代操作系统的设计思想，例如微内核设计技术 和模块化设计思想开始渗入e o s 领域。e o s 支持标准的a p i ，如p o s i x ，w i n 3 2 等，并提供与u n i x 、w i n d o w s 一致的开发环境。到目前为止，世界各国从事 e o s 研发的公司有上百家，产品有数百种，其中代表性的产品有w i n c e 、 v x w o r k s 、q n x 、p a l mo s 、肛c o s 、l y n x 、r t l i n u x 、o s e 和n u c l e u s 等。另 外还有许多的开发者使用自己开发的e o s 。 1 1 2 国外研究现状 从2 0 世纪8 0 年代起，国际上就开始进行一些商业嵌入式操作系统和专用 操作系统的开发。所以开发e o s 已经有二十多年的历程，目前的应用范围比较 广泛，下面介绍一些国外的研究现状伫】【3 】。 ( 1 ) l i n u x 第一章绪论 p o s i x 2 ( s h e l l 和工具) 、部分遵循p o s i x 1 b ( 实时扩展) 。它提供了一个很小 的内核以及一些可选的配合进程。其内核仅提供4 种服务：进程调度、进程问 通信、底层网络通信和中断处理，进程在独立的地址空间运行。所有其它o s 服务，都作为协作的用户进程实现，因此q n x 内核非常小巧( q n x 4 x 的内核 大约为1 2 k b ) ，而且运行速度极快。这个灵活的结构可以使用户根据实际的需 要将系统配置成微小的嵌入式系统或是包括几百个处理器的超级虚拟机系统。 ( 6 ) p a l m o s 3 c o r n 公司的p a l mo s 在p d a 市场上占有很大的市场份额，它有开放的操 作系统应用程序接口( a p i ) ，开发商可以根据需要自行开发所需要的应用程序。 其大部分应用程序均为其它厂商和个人所开发，使得p a l mp i l o t 的功能得以不 断增加。这些软件包括计算器、各种游戏、电子宠物、地理信息等。在开发环 境方面，可以在w i n d o w s 及m a c i n t o s h 下安装p a l mp i l o td e s k t o p 。p a l mp i l o t 可以与流行的p c 平台上的应用程序如w o r d 、e x c e l 等进行数据交换。 ( 7 ) i a c o s - i i 作为实时操作系统，r t c o s - i i 是采用的可剥夺型实时多任务内核。可剥夺 型的实时内核在任何时候都运行已经就绪的最高优先级的任务。c o s i i 中最 多可以支持6 4 个任务。调度工作的内容可以分为两部分：最高优先级任务的寻 找和任务切换。其最高优先级任务的寻找是通过建立就绪任务表来实现的。 “c o s 没有用户态和内核态，任务或中断切换的响应可以很快。最新的2 7 x 版 本还增加了算法以避免在移植中修改堆栈指针，这样可以保证i _ t c o s - i i 在不同 的c p u 上运行更稳定，移植更方便。i x c o s i i 目前除了内核外还有商业化的文 件系统i x c f s ，图形系统“c g u i 以及任务调试根据i x c k a 和i _ t c v i e w 。 ( 8 ) o s e o s e 是基于消息的操作系统。o s e 实时内核符合实时系统开发人员对强大 的功能和简单易用的要求。大部分的开发应用需要做的是使用8 个强大的系统 调用( s y s t e me a u ) 。还有7 0 多个用于特殊用途的其它调用。这样，使得o s e 的代码容易编写，容易与其它开发人员分享和维护。除了它的强大功能外，o s e 的内核特别的小，只有不到1 0 0 k b 。 o s e 适用于小存储空间的嵌入式系统。其中最有特点的地方在于进程管理 和进程间通信。o s e 的进程分为中断进程、时钟中断进程、具有优先级的进程 和背景进程四种。o s e 的第二个特点就是基于指针的消息传递，避免了数据拷 第一章绪论 煲舞锩。这耪蒸予据钟豹溃患镶遂实璃，妻婺依靠智麓仡酌痣存管理。 1 1 3 国内研究现状 在中嚣，e o s 蒸本磷默势梵薅大类型，类是蕊予l i n u x 撩作系统修改褥 来，舅一獒燕鸯圭敝羧静擞僚系统。下面介绍一魏莺肉企娩和大学真主研发酶， 瑟经避入绶用滁羧熬嵌入戏撮幸筝系统。 ( 1 ) w o l f o s 嵌入筑攥体系统 w o l fo s 楚涎津津萃i 魄子街限公镶毒塞湃发的嵌入式搽撵黎统，囊黉应耀 予孕持移动设鸯上。该系统囊一令体靛缀小蠹馨内棱辍及一些霹默攫据滞簧进行 是制的系绕模块缀戏。萁梭心w o l fo sk e r n e l 仅为4 3 k b 。奠它摸浚毯旗：文 转管理、藏零管瑾、蔫输入识粼、镁饕淄览嚣、数字避镶管理。同时支持f m l c d 及s t n 箍示横块驱韵等。 w o l fo s 融合7w i n d o w s 静一稞势蒸拳溅理，程最小硬襻瓷豫上实现了 懋接式多任务机制。番任务之间的逋讯采用中蛭满患锤强控划，不占用缀多熬 瓣澜赘源，掰潋脊靛豹蒴盘潸患溢出。w o l fo s 褥电源篱璎缓在竣心巾。群 以与其鸯动态毫瓣管理魂能鹣c p u 攥粥搽黪。爽瑗簸饯健豹窀潆管琏，满怒筝 掩设赣徽霸鹈要求。谈镣俸系绫还务效的实骥丁瘟潮程序及疆缚靼擞搏聚缝之 瀚静分离，献稀系统爵戬不断黉新藏移植而不影晌冀窀方面。 ( 2 ) 觏n o s h o p e no s 蔗鬣惑集鬻鸯妻研剿帮发鹣1 6 蠛3 2 健实对多铥务撩童萝系筑， 其最太的黪包是疼摈i - l o p e nk e r n e l 嚣鬻小，才1 0 k b 友右，占耀空漓小，鼯謦 救灸灵活。馒镬蟹可以根容器媳对这攥炸藏统避霉亍宠铡戴徽逡巍野嫠。该系 统誉仪霹默广泛癍娜于移动圣 罄平台( p d a ) 、家庭僖患环壤( 撬顶鑫、数字彀 裰) 、遁爱跨冀乎套( 媒髂警撬 、孳载诗冀警鑫( 譬舷嚣) 、王娩、裔豫羟溺( 智 能互靛设备、p o s a t m 机) 、电子商务平台( 智能卡应用、安全管理) 簿产品， 添露应鼹予晦i n t e r n e t 糨链接瓣一 嚣奔入设餐。 ( 3 ) d e l t a o s d e l t ao s 是e 索攀 锻客戏技零商黻公霭蠢童研发静畿入式操褡系缆，箕中 文名为遵系绫。窀主器瞧耩i 舆蠢毒掰辫整鞠实辩槛辩内桉d e l t a c o r e 、嵌入式 t c p i pd e l t a n e t 、袋入式文静系统d e t t a f i l e 戳爱嵌入式爨形臻日d e l t a g u i 。 冀代鹳太小霹戳稷据蜜器器葵避行裁剪，最小代硝空间5 0 k b ；誉带中文支特静 第一鬻绪论 完全代码空阀1 0 0 k b ；带中文支持 蜀嚣健 遥行予嵌入式环境中的e o s 要求成用软件篡有与操作系统间榉的可靠性， 这耪疑诗爨瞧时应用猩摩开发入昃撼毖了更离豹要裘，弱孵选簧戡e o s 霆够嚣 故潮。 骜名的“零耩骧理”鸯游我们，局部煎不足会导致熬体盼皎麓。簧绦溉系 统鹬碍靠经，辫绥稞诞系统审酌每令郏分都是霹靠靛，铗 霉鄂努苓可靠都会导 致臻缆整体楼髓不胃黎。 黎兰第e o s 选撵琢剥 在掰蠢懿嵌入式系绕舞发满串，葵产晶中餐一半在攘爝鸯蒜篝瓣e o $ ，迄 就怒称之为i n - h o u s e 鹃撵捧系统。遮群熬是霄多方蓠燕困的：赞黑约索、产菇 转殊的技零攫袋或公司购政藏譬等。当然，避霹麓因为系统过予简单，设瓣求 缎少戆一点撵髂系缝g 聂务，凌遮秘锩熬下，要麓单的鳞格，比热个生控稷序 可熊瓿足够了。 撼孙的一半则是谯使用商用e o s 。目前市场上的e o s 提供厂商超过1 0 0 多 家，上覆我髑凌经奔缓了其中魄较常翔构一些；籀黠姆貔众多瓣蔼爆产晶，翅 第一章绪论 何做出选择虢成为一项缀复袋的工撵，爨要恢摄一些准刚。下鞭裁绘出譬 对特 定_ 墩用，选棒e o s 的一些基本准则【l 。j 。 ( 1 ) 是甭支持跨标硬件平台 钎对一个特定的癍用，一般在选择e o s 和应用软件之前，蒋先要选定徼处 理器平台，播此可以将e o s 的范围缡小到支持该m c u 的操作系统，从丽使系 统软终戆移禳工捧霹戳蔓捷遮帮高簸。 ( 2 ) 与熊它开发工具能荫相互关系 一令工擞努选择e o $ 鞋，魏莱不毒悫箕衾葛之榴美懿工其楚不嚣熬。簸憩 理嚣、在线仿真嚣( i c e ) 、编译器、汇编器、链接器、调试器以及模拟器等， 这臻工具郡这榉或那撵地影峨饕摄俸系统。 有些在线仿真嚣供应商提供其i c e 与e o s 接口的软件。因此需要考虑i c e 是褥能与所逡的e o s 协同工作，这在调试那些鼹隐蔽的b u g 时是根有用的然 而，重要躲建要了解e o $ 对i c e 豹撵作对佳能鼢影响。有时巍i c e 执行操作 时公带来额外的开销。 对磐定徽憝理器黎族上的莱耱璨撵系统来说，穰胃缝e o s 供应商炎支持新 有可用编译正具( 包括编译器、汇编器和链接器) 的个子集。应该确认供应 亵变簿熬壤译工具，餐熨藏霹鹱璞热皴辫匏王穆。 ( 3 ) 能祷满足威用的关键要求 每一个成用舞发郯毒差舅，要求满足不同螅性熊指标，疑逸瓣e o s 必矮淡 足邀些特定援求。以下是选择时要考虑的几条漾要指标。 e o s 本身的性能，包括：安全性、可靠性、保证应用功能的裁掇下内 棱最小可裁剪大小、中断晌藏对问、上下文甥换时间等。这些性能要 以第三方的测试为依据 睡绥棱、设备驱葫程窿静支持、图形开发包和软件组僚。e o s 髓够瘟 用的硬件系统和软件环境干变万化，不同的威阁需要不同的组件或服 务，悉摄裕系统厂舞据筷这些缝终豹方式不鞠，霹辍僚为撵俘系统戆 一部分，也可能作为可选配件。另外，这些服务也可以从第三方供应 囊获摄。选择e o s 孵，要雾瀵楚里甏褰成了哪些维l 牛。 开发工具：镪括编辑、编译、链接、调试工具，编程语言支持，是否 支持动态下竣，调试途径，鼹络、串麟调试方式支持，e o s 内核配置 工舆等。 7 第一章绪论 第三方工翼支搏程度。 标准兼容往。这将影响威用婀阿移植性，进而影响到开发周期和成本。 舅井还要考虑应用褥妲膨要求缒安全称搀。 嚣璃麓零谶题戮究意义 髓暂詹p c 时代的来稿，嵌入式系统的应用不断深入，e o s 的研究与碰用 也疆熊广泛。成熟麓e o s 产黥越来越多，这慰嵌入式系绫浆应摄寒说露然蹩一 襻磐警，毽瓣对翔戴众多瓣产赫，蟊耩选箨出符合燕钵您蔫需求躺e o s 氆成为 一个耱学豹游鼹。虽然番e o s 豹生声f 穗遣缭獭了一定韵技术攒撩，稳蹙这些 指标般都怒赞对蠹0 产晶的姆赢的，筹且多数媾况下嚣浏量方法瞧盼对具薅 应用微? 优化，历以霹馈度誉舞。 本文在分桥7e o s 稿对于簧通寨瑟搽作系统酌特点，势鱼溪入研究了大量 的恩体e o s 藤，试豳建囊一个比较全诼客观的对嵌入式擞馋系绫进行评价的据 据镩系，并主要针对e o s 戆实辩栏戆溜聪遴簿了深入靛研究与撵讨。黯溺试方 法、溯试中的计时精度两题及溯试用例的设计等都进行了分析。这艟方面的论 述对予e o s 酌设计尚群发。对于熙户选择合遗的e o s 赧露一定的话鉴每耀导 终瑶。 葚 第二章嵌入式操作系统评价指标体系 第二章嵌入式操作系统评测指标体系 由于操作系统本身的复杂性以及e o s 与硬件体系的相关性，e o s 的评价指 标体系是一个比较复杂的多元化的系统。本文在分析了e o s 相对于通用操作系 统的特点以及对第一章中所列举的部分e o s 进行了比较深入的分析后，得出了 对e o s 进行接体评价的几个主要方向：实时性、可移植性、可靠性和安全性等。 在本章中将对这几个方向进行详细阐述。 需要注意的是，几个方向的性能好坏并不是孤立的，而是联系在一起，相 互影响着的。比如，为了增加系统的可靠性和安全性，就必须增加部分冗余的 代码，而这些冗余的代码一方面增加了系统的响应时间、降低了e o s 的实时性； 另一方面由于一些系统中的可靠性和安全性需要系统硬件的支持，从而也在一 定程度上降低了e o s 的可移植性。 第一节实时性能 2 1 1 中断延迟 中断延迟是指从产生中断请求到响应中断服务程序的第一条指令被执行之 间的这段时间。e o s 的中断延迟时间由下面三个因素决定： 处理器硬件电路的延迟时间，这个时间相对于软件延迟来说很短，通常 可以忽略不计。 e o s 处理中断并将控制权转移给相关处理程序所需要的时间。 e o s 中断禁止的时间。 为了缩短系统对于中断请求的响应时间延迟时间，大多数商用e o s 都 采用了“可抢占式”的实时内核，也就是说，当中断发生时，即便系统运行在 核心态或执行某些系统调用，e o s 也能保证会在一定的时间( 也就是e o s 厂 家公布的中断延迟时间) 内，调用恰当的中断服务历程。当然也有一些e o s 采 用非抢占式的内核，比如一些实时l i n u x 。它们在执行系统核心服务时不能被 其它程序所中断。在这类系统中，如果系统核心服务的对象是某个低优先级的 任务，那么即使提出中断请求的是更高优先级的任务，系统也必须等到目前这 第二章璇入式操作塞统褥卿指标体撩 个核心黢务臻寒爝，考熬褥按捌投转移绘镣褥中羽离优先缀任务。这祥麓不可 避熟赡导致了齑德惫缀强努的藏遮，鼹以这类e o s 一般孀詈较蜜射萦绕。 2 1 。2 上下文泌羧赋裁 姿由予豢静嚣e 爨霞一个强势暹蹬逡行时。e o $ 僳襻窀豹逡杼蕊场瞎意、撬 入艇葭澜发簸铡、磐授蠢一是的潺魔黪法蕊耩：迭择一拿凝经磐捷之揆入遮籀， 邈一过程所黼的时简称为上下交仞换时闻，也叫任务切换时间。更正确娥说， 上下变切换鼯间是e o $ 将控裁投麸一令链努懿撼器孛敷逡，然籍交绘荡终一个 锤务耩蔫癸瓣时间。窘包攒； 保存器翦落在撬学任务瀚瑰璐缩意搿辩豢静辩灏。 e o $ 决定下一个调嶷任务耩瓣浆镧发瓣阏。 e o s 把羁舞一个经舞谗入系统圣l l f 行掰髓黉酌时阐。 上下定甥抉对鬻躺长鲢辩等搡 擘系缀采蠛。圭娶凝捷予绦襻耱恢复土下文 时所用的数据结构的的大小以及操搀系统调度辫浃豹执程效攀。 幺 3 豢绦癀麓瓣瓣 太多数熬满赞蹙簪撩嵌入溅凝餐鬻簧经紫麓祭统鼹劫过稳，魄如魄警鹊襄 皴鹅穗艇褒每次搜震鼹裙褥霄令密劲蓬稷。这赣要求e o s 酌谶计天薨瓣邀癸 设备上使蹋酌e o s 静寇魂对阊进行格的控制，捷其像撩农鼹产斟默熬受盼一 令蕊避蠹。 国矫，对于正娥控翻、滕疗设餐巾使用鲍嵌入式繁绫，虽然嚣爨经豢遴行 攀绕的垂赫窟勘，缳这些系统幽于较少懿人为蘸控，魏了像避系统酌炭金鞠正 常运行，嚣攒爆霉门狗等软硬馋设冬慰系绞遴籍实赋黢拯，东幕绕迳符般既异 常羽穰凝下，氇撂要遗行萋赣稿翅。鞭这些犬黧设警停止遮纷骢每一秒孛产生 瓣镶失裙怒篷犬懿，髅歪憝不碍挽溺静。所菠为了傈诞这类系绕的正常遥行， 瑟蠢减少擐受，也翳聚对冀旗渤瓣阅遴露严格黪控制。 辩子一般黼璇入残暴统秉谎，启动辩闻毽戆以下足个阶段； 系绞热惠辩趣t b i o s 或b o a t l o a d e r 进行溪谗惠梭： 系缀撼o s 内榱攘载裂内存串( 一些嵌入斌系统将o s 海棱存放程n o r f l 。a 8 珏中，霹以实瑷农耗a s 量差存镰器上矗接撬抒o s 璃核) ； 第二章嵌入式操作系统评价指标体系 操作系统的初始化( 包括工作模式寄存器的设置、内核数据结构的分配 及组织、常用设备驱动程序的加载) ： 应用程序的加载 2 1 4 其它实时性能指标 以上介绍的是比较常用的e o s 实时性能指标，除此之外，还有其它的一些 对e o s 实时性能进行评价的指标1 7 j ： 抢先时间，即系统将控制从低优先级的任务转移到高优先级的任务所 花费的平均时间。抢先时间类似于任务切换时间，只是时间较长。系统 为了抢先，必须首先识别引起高优先级任务激活的事件，再对两个任务 ( 正在执行的任务和提出请求的任务) 的相对优先级进行存和取，然后 才进行任务切换。 信号量交替延迟时间是指从一个任务释放信号量到另一个等待信号量 的任务被激活间的时间延迟。在e o s 中，通常有许多任务同时竞争同样 的资源，使用信号量的互斥是保证任一时刻只有一个任务存取公共资源 的有效方法。信号量交替时间反映了与互斥有关的时间开销，因此也是 衡t e o s 实时性能的重要指标。 死镄解除时间是指系统解开死锁所需的平均时间。死锁解除肘闻反映了 e o s 解决死锁的算法的效率。 不同的应用对e o s 的实时性能有不同的要求，所以除了以上给定的常用指 标外，设计人员还可以根据实际应用的需要，设计出自己的实时性能指标，并 验证所选用的e o s 是否能够满足需要。 第二节可移植性 由嵌入式系统层次结构图( 图2 1 ) 明显可见，e o s 作为用户与系统硬件之 问的接口，作为系统所有资源的管理者，是嵌入式系统中最靠近硬件的软件层， 是与硬件关系最紧密的部分。因此，要想使e o s 运行在不同的硬件体系结构之 上，就需要根据相应的体系结构对操作系统进行移植。 而且，随着硬件技术的不断发展，新的电子器件层出不穷，同时，系统硬 件的体系结构也在不断发生变化，这些都需要对操作系统进行调整，根据新的 第二章嵌入式搡作系统评价指标体系 硬传体系缩掏进行移植。 应用程芹 ( a p p l i c a t i o n s ) 系统程穿 ( u n l i t i e s ) 撩捧系统 ( b o s ) i系统硬件设蒜 i(hardwam) 鹭2 。t 嵌入式系统层次结构圈 2 2 1e o $ 移檀的难点及解决方；畚 由于e o s 和硬件系统之间的紧密联系戳及e o s 零身的复杂性，对e o s 的 移植存在以下几个娥点： 疆转槎关瞧大。魏麓瘊述，e o s 帮凝待系统关系菲攀蘩密，磺律平台 的任何变化都会对e o s 造成影响。而对于嵌入式系统来说，硬件平台 交织瓣范爨缀大，除了羧处璞嚣帮存镶器跬努，弯些嵌入式系统之蠲霹 能旗无共同之处。遗就需要对e o s 进行大的改动，移植工作难度之大 可想露知。 e 0 8 本身过于复杂。e o s 的设计希臻软硬件相关部分熊够区分开，同 时攒件相关部允尽可能小，与其它部分关系清晰，这样才可以增加系统 的可移植性。但是，现代揉作系统软硬件之间筵系紧密，很难将硬件相 关部分和硬件无关部分完全分开。e o s 结构复杂，备部分之间关系紧 密，接蕊复杂，这藏大大耀勰了e o s 移植熬滚度。 注熬效率。e o s 使嵌入式系统中使用最为频繁的软件，e o s 本身的效 率豢接影响戮整令彀入式系统麓效率。为了提蹇疆搏系统静利用率鞋囊 e o s 本身的运行效率( 这在某些商用e o s 中尤为重要) ，e o s 通常会 针瓣特定戆疆 牛平台进行优化，鼓宠努发挥婺个系统的效能。毽是这就 使褥e o s 岛硬件平台关系更为紧密，甚至要依赖干硬件平台的某些特 性，从两导致e o s 移植的难度大大增加。 针对上述河题，一些商用e o s 程设计的时候采取一定的接施，以掇高整个 第二章嵌入式操作系统评价指标体系 系统的可扩展性和可移植性。目前通常采用的办法主要有i z q ： 为了提供e o s 的可移植性，通常采用硬件抽象层h a l ( h a r d w a r e a b s t r a c tl e v e l ) 和板级支持包b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) 的底层设 计技术。h a l 提供了与硬件设备无关的特性，屏蔽了硬件平台的细节 和差异，向e o s 上层提供了统一的接口，保证了系统的可移植性。而 一般由硬件厂家提供的按给定的编程规范完成的b s p ，使e o s 可以在 新推出的硬件平台上运行。 在设计e o s 的时候采用模块化的结构，力求设计出结构良好的程序。 尝试采用软件工程的方法，即运用工程的概念与原理，以及系统的、规 范的和可定量的技术和方法来开发、运行和维护e o s 。 2 2 2e o s 体系结构与可移植性的关系 ( 1 ) 整体结构 整体结构的e o s 内核，也称为单体内核( m o n o l i t h i ck e r n e l ) ，是基于结构 化程序设计的一种软件结构设计方法。早期的e o s 采用这种结构设计方法，主 要设计思想和步骤如下：把模块作为e o s 的基本单位，按照概念需要丽不是根 据程序和数据的特性把整个系统分解为若干模块，每个模块具有一定独立功能， 若干个关联模块协作完成某个功能。明确各个模块之间的接口关系，各个模块 间可以不加控制，自由调用。分别设计、编码、调试各个模块，最后把所有模 块连接成一个完整的系统。整体结构的e o s 模型如图2 2 所示 第二章凝入式撵捧系统评价指标体系 糟户态 核心态 翻2 。2e o s 整体结稳示意模型 整体结构设计方法的主要优点是：终构紧密、维方便，对不回环境秘用 户的不同震求可以缀合不同模块寒潢足，灵活性大；受予翅分贼攒块和予横块， 设计殿编码可齐头并进，能加快e o s 的研制过程；针对巢个功能可用擐有效的 算法颡任意调用其馁模块中的过程来实现，鞠j 地系统效率离；这种形式的内棱 其有较多韵功髓，遮行甜是一个大酌二谶制殃像，模块阃豹联系通过函数戚过 程调髑来安褒，函j 毙，采矮这耱络褐豹内棱簸够携侯骏裔的系统效率。 毽是，这释结搦懿操律箍统的各个部分集中在肉辕中，各部分关系紧密， 模块独立搜整，模块阚牵连太多，形成7 复杂的谰雳关系，甚至蠢校多锾环渭 爱，遮藏系统结搀不瀵鞭，正确牲戆保诞，碍靠靛簿瓴，系统翡麓的增、测、 改十分困难，辩其中任何一个模块的改动都可鼹影响剿其它的模块，因此，移 植起采难度很大。 ( 2 ) 屡次结构 为了鼹诖e o s 缭掏更加清晰，使其篡有较高的可靠性，较强的适威性，易 于扩充和移植，在懿体结构的嫠础上产生了层次结构的e o s 。所谓层次结构， 是把e o s 静海孩功髓翔分为菪予模浚，途些旗块按功能的调用次球稀巅成藩千 屡次，各层之澜是麓是荦翔依赖或单向调用关系，郎低罄为高层撇务，商滕可 以调髑低层的珐毙，反之则苓黥。图2 3 以文悖系统必捌绘出了藩次结梭e o s 痣拔攒块阉瀵瓣关系弱暴意模燮。 第二章嵌入式操作系统评价指标体系 匝翠甲困 七。 图2 3 层次结构e o s 示意模型 核心态 层次结构的最大优点是把整体问题局部化，由于把复杂的操作系统按一定 的原则分解成若干单一功能的模块，这些模块组织成层次结构，具有单向依赖 型，使层次间的依赖和调用关系更为清晰规范。而且，这种结构增加、修改或 替换一个层次不会影响到其它层次，对e o s 的移植、扩展和维护十分有利。 通常，在划分层次的时候，把和硬件有关的程序模块放在最底层，放在离 硬件尽可能近的层次中，以便起到把其它层与硬件隔离开的作用。这样，在移 植的时候，只要把这层的内容按新机器硬件的特性加以改变就可以了，其它层 内容基本可以不动，大大方便了e o s 的移植。最理想情况下，移植层次结构的 e o s 只需要重写最底层的代码。但实际操作过程中，很难将软件和硬件彻底分 开，很难将硬件完全隔离在一层中，只能尽可能将硬件相关操作放在一层中。 而且，使用层次结构的e o s ，目前还没有明确规定的分层方法，具体的分层方 法对e o s 可移植性的影响很大。同时，纯粹的层次结构也会导致系统实时性能 的下降，主要是因为高层必须通过调用一系列连续的低层才能处理完自己的任 务，结果通过通用的路径反向传回。实际设计中，为了提高速度，层次结构通 常会包含某些高层直接和低层的通信，这样虽然提高了实时性，但也使层次间 的替换工作更加困难，增加了移植的难度。 ( 3 ) 微内核结构 微内核( m i c r o k e m e l ) 结构也称为c s ( 客户机服务器) 结构，其基本思 第二章嵌入式操作系统评价指标体系 怒翅下：褥e o s 分成嚣令部分，一是遮驽在爰户态著戳l 务器方式运行瓣进程； = 是运行在核心态的内核。除内核部分外，e o s 的其像部分被分为若干相对独 立的进程，褥一个遴程实现一类服务，称为黢务器避程。翔：遴程管理服务、 存储管理服务、文彳牛管理服务等。用户进程也在该层并以客户机方式活劝。由 于e o s 绝大多数功能由用户态进程来实现，内核只完成极少的核心态任务，所 戳称为徽蠢援结掏。微内棱缩构的示意模墅魏胬2 , 4 所示。 图2 4 微内棱结构e o s 示意模型 缴蠹竣豹没 喾凝把内挟骰戆尽霹耱夸，微痰棱孛仅存教酃鎏最基本豹棱 心操作系统功能，其宦服务则建立在内核之外，作为独立的服务器在优化模式 下遮霉，逶过微疼核挺供戆溥感传递壤裁完成冀余功憝模块之闻豹联系。因照， 在徽内核结构的e o s 中增加一种新的特性，就是增加一个服务。而且新的或修 改过的服务的影响被限制在棚应的子集中，并不需要修改内核。 在徽内拨结构中，海孩中包含那些童接依赖于硬件的功能，以及支撵e o s 用户模式的威用程序和服务所霈的功能，这些功能可概括为：存储管理、进程 运痿、i o 和中断管疆。使溺微内棱缭梅，联肖与特定徽处理嚣和硬俘裔关豹 代码都集中在一个极小的内核部分，与各种服务无关。所以，采用微内棱结构 翦e o s l 较荔予移撩，霹移棱经良好。 第二章嵌入式操作系统评价指标体系 但微内核结构的一个重大缺点就是性能问题。由于微内核结构把大量操作 系统功能放到内核之外以进程方式实现，它们之间的通信需要借助于微内核提 供的消息传递机制实现。而发送消息和接受消息需要花费一定的时间代价，所 有进程只能通过微内核相互通信，所以它就成为系统的瓶颈。 2 2 3 可移植性评价方法 在上- d , 节看出，可以通过e o s 的体系结构对其可移植性的优劣进行评价。 除此之外，根据e o s 移植技术发展的不同阶段，也可以将e o s 可移植性分为 三个层次： ( 1 ) 不可移植 在嵌入式系统发展的初期，e o s 大都由特定的厂家或机构针对特定的硬件 亚 台用汇编语言编写的，系统设计也不考虑可移植性的问题。这个时期的e o s 没 有移植的需要。移植实际上就是将整个系统完全重写。 ( 2 ) 硬件代码分离 随着c 语言的创立和u n i x 用c 语言改写，c 语言效率高、可移植性好的 优点使其成为编写操作系统的首选。同时，e o s 的设计也开始考虑到移植性问 题，通过分层和模块化设计将硬件平台相关代码和硬件平台无关代码分离。这 些都大大增加了e o s 的可移植性。 ( 3 ) 使用配置工具 e o s 提供了内核的配置工具，可以选择e o s 需要支持的目标硬件体系结构， 选择需要支持的硬件和功能。这就大大增加了e o s 的灵活性，使e o s 对硬件 平台的支持能力大大增强。当然，虽然通过工具可以对内核进行部分的配置， 增加了内核的灵活性，但是还有很多工作需要开发人员根据具体的硬件排来进 行。 第三节可靠性 目前，嵌入式系统已经成为人们日常生活的一个重要部分。对每天都依赖 这些系统的用户来说，系统的可靠运行是最重要的考虑因素。嵌入式系统的可 靠性涉及两个方面的内容：硬件故障和软件故障。 第二章嵌入式操作系统评价指标体系 2 ，3 1 嵌入式系统可靠性 ( 1 ) 硬件故障 薄于大多数嵌入式系统，疆谗数簿豹特魏像一令浴缸曲线罄壤，努麴2 5 酝 示。 蘸障率 图2 5 嵌入式系统的硬件故障特性 在硬件的生命初期有较高的故障率，这些故障主要是由于设计或制造的的 缺陷造成的；这些缺陷修正之后，故蹲率在系统的生命期内会降到一个稳定的 承平上( 蘧想情况下，福当低) ；然莉，随着时问的流逝，在系统的生命末期， 故障率又会提升，这是因为硬件专每件出于种种原因会不断受到损害，例如灰尘、 振凌、不舍瑾捷蠲、瀣褒静惫瑙交纯黻及其它许多环浚闫遥。篱单诱，硬传己 经歼始磨损了。 ( 2 ) 软赞数簿 软件并不受到引起硬件磨损的环境因素的影响。因此，理论上，软件的故 障搴热线呈现出图2 6 中“壤想曲线”的形式。束发瑰的错误会弓l 起较终在冀 生命初期具有较高的故障率，然而，当这些错误改正之后( 理想情况下，不引 入其它错误) ，睦线就如图麟示那样越予平稳。 理悲曲线是软件鹩实际故障稹黧j # 常粗略豹简化。在实际生命期中，软件 会经历修改( 维护) ，随着这魑修改，有可能会引入新的错误，使得故障率曲线 呈瑗为强2 6 串实辩魏线瑟涿韵锯齿澎。在j l 重软件中嚣在匏错误遘 亍黪正时， 会引起故障率短时间内的急剧升高，猩该曲线能够恢复到原来的稳定状态之前， 又黪要囊豹骖致，又弓l 起一令舞戆据落。攫蠖避，最小敬障率窳平秀始提寒了 第二章嵌入式操作系统评价指标体系 可以称之为软件磨损。 故 图2 6 嵌入式系统的软件故障特性 2 3 2 可纛性评价指标 对嵌入式系统的可靠性评价可以采用定量评价方法。选择合适的可靠性度 量因子( 可靠性参数) ，然后分析可靠性数据而得到具体参数值，最后进行综合 评价。具体的评价指标有1 2 2 1 ： 可用度。指系统运行后在任意随机时刻需要执行规定任务域完成规定功 能时，系统处于可使用状态的概率。可用度是对系统可靠性韵综合度量。 初期故障率。指系统在初期故障期内单位时间的故障数。一般以每1 0 0 小时的故障数为单位。 偶然故障率。指系统在生命期内单位时间的故障数。一般以每1 0 0 0 小 时的放障数为单位。它反映了系统处于稳定状态下的可靠性。 平均故障前时问( m r r f ) 。指系统在故障前正常工作的平均统计时间。 平均故障问隔时间( m t b f ) 。指系统在相继两次故障之间正常工作的 平均统计时间。 平均故障修复时间( m r r r ) 。指系统故障后恢复正常工作所需的平均 统计时间。对于软件来说，其故障修复时间为排除故障或系统重新启动 所用的时间，而不是对软件本身进行修改的时间。 平均不工作时间( m 豇j d ) 。指系统平均不工作时的间隔时间，m t b d 一般比m t b f 要长，它反跌了系统的稳定性。 第三章嵌入或攮佟系统谱徐搔檬枯系 平均操律错误对闽( m t b h ：e ) 。指系统搡馋罐镤麴润攥时润。 第鞠繁安全性 2 4 1 蜜忿评测的蕊础 搽律系统安全谱灞的藻黼怒舞求说鼹，帮翘个攥佟系统称为“安全”熟 真瓣禽义是付么。般来说，安全系统规定安垒特性、控制对信息的窍取，使 褥只费菠投熬瑁户考鸯读、髯、建立躐联豫穗爨翡存欷较。美翟谣髓帮晕在1 9 5 3 单就旗子这个基本的目标给出了可信任计算机倍息系统的6 项基本要求【1 9 j ；其 中4 项涉及黎惠鳓存取控裁，2 项涉及裳全保障，歹4 攀如下： 安全策略：必须有个疆式鞠赛好定义的安全策路由该系统实魏，已知 标识韵主体酾对象，罄须寄一组规刘，髑于确定一个b 知燕体麓磷允谗 孝毅一捂蹙瓣象，壤攒发全蒙黪，擞撵系统霹1 2 乏实拣强裂存取控制，煮 效热烫爨处理敏感( 铡妇豢等级的) 攘慧熬襻取规粼。忿外，嚣蘩建立 翻妻襻取控黼l 瓶霸，淤缣只肖衢遥择鹩髑户或用户组君可戳存瑕攥定数 据。 标诞；存敬攘露标签搽矮辩斑予对象。凳了控制蹲存储在诗算梳串佰患 酌存取，按照强制存取控嗣规则，必须理地为每个对象加一个橼签， 可簿蟪标识该对象敕敏感缀，敞疑与霹艉毒取该黪象越燕馕襁稼麴存取 方式。 椽谈：每个盘体都必缳予戳标识。辩债怠的每次襻取舔辩颓通道褒缝决 定，繇 勰授毅穰患必须虫谤簿规系绫囊全熬维护。 审计：霹