嵌入式微內核實(shí)時(shí)操作系統分析與測試

關(guān)鍵詞：嵌入式實(shí)時(shí)操作系統ERTOS 微內核 Wolf 軟件測試儀 eBook

1 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統概述

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統（ERTOS）是操作系統研究的一個(gè)重要分支，它與一般商用多任務(wù)OS，如UNIX，Windows等，最大的不同之處在于：商用多任務(wù)OS的目的是追求系統資源最大利用率和公平對待所有的系統請求；而ERTPS追求的是實(shí)時(shí)性、可確定性、可靠性。

自20世紀90年代以來(lái)，ERTOS發(fā)展迅速。國外著(zhù)名商用EPTOS有：Wind River公司的VxWorks、IS（Integrated Systems）公司（2000年已被Wind River公司合并）的pSOS、AC（Accelerated Technology）公司的Nucleus等等。國外ERTOS很多，大多是針對不同應用的專(zhuān)用ERTOS或通用ERTOS。

與傳統的嵌入式系統軟件開(kāi)發(fā)模式相比，雖然ERTOS會(huì )要求一些額外的開(kāi)銷(xiāo)，但可以由現代微控制器的高速度、大存儲器以及產(chǎn)品提前進(jìn)入市場(chǎng)的優(yōu)勢來(lái)彌補。優(yōu)秀的ERTOS可以對幾十個(gè)系列的嵌入式處理器MPU、微控制器MCU提供API接口。在此基礎上，可以編定出各川硬件驅動(dòng)程序、產(chǎn)品庫函數，與通用性的應用程序一起作為產(chǎn)品銷(xiāo)售。

2 ERTOS――Wolf分析

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統產(chǎn)品Wolf（南開(kāi)津科ERTOS）是一個(gè)開(kāi)放式的微內核實(shí)時(shí)操作系統。其基本設計思想是：

*低功耗（具有間歇式工作機制，支持哈偶結構）；

*支持尖端智能輸入/輸出設備；

*支持微型大容量存儲卡（SM卡、SD卡等）；

*本質(zhì)安全，支持信息版權及安全保護；

*為第三方提供產(chǎn)品級的SDK。

具有以下特點(diǎn)：

*微內核結構；

*支持多種CPU產(chǎn)品；

*基于優(yōu)先級的搶占式調度和輪轉調度相結合的多任務(wù)調度；

*極小的內存開(kāi)銷(xiāo)；

*高可用性、可靠性。

2.1 微內核體系結構

微內核體系結構是相對層次內核體系結構而言的。層次操作系統體系結構如圖1（a）所示，大部分或全部層次功能由內核實(shí)現，所有的接口功能只與相鄰層有關(guān)，系統和應用獨立，但其每一功能層的變化都會(huì )影響整個(gè)系統，層間安全性低。微內核體系結構如圖1（b）所示，其基本思想是將原來(lái)屬于傳統如圖1（b）所示，其基本思想是將原來(lái)屬于傳統操作系統內核的一些功能和服務(wù)從內核中分出，以子系統（組件）的形式與內核或其它子系統相互作用。組件功能以服務(wù)進(jìn)程的方式通過(guò)消息與微內核和其它組件相互通信來(lái)完成。微內核的主要功能就是消息交換：確認消息、在組件間傳送消息及準許對硬件操作。微內核結構的主要優(yōu)點(diǎn)是：系統具有統一的接口，擴展性、可靠性及支持分布式系統。

Wolf是一個(gè)具有微內核結構的嵌入式操作系統，它由一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)內核和多個(gè)組件的集合組成。軟件組件都是獨立的標準構件塊，可以不用變更地從一個(gè)應用程序移到另一個(gè)應用程序。Wolf體系結構如圖2所示。

2.2 微內核剖析

Wolf多任務(wù)調度是動(dòng)態(tài)基于消息觸發(fā)調度機制，任務(wù)切換由臨時(shí)事件驅動(dòng)，任務(wù)間是內部同步，不同的任務(wù)能夠異步招待。Wolf內核負責維護系統中的所有任務(wù)的當前狀態(tài)，所有任務(wù)具有以下四種狀態(tài)之一：

*就緒態(tài)（Ready），縮寫(xiě)為R。一個(gè)就緒態(tài)任務(wù)是可運行的，等待高優(yōu)先級的任務(wù)釋放CPU。

*運行態(tài)（Run），縮寫(xiě)為E。一個(gè)運行態(tài)的任務(wù)是一個(gè)正在使用CPU的就緒任務(wù)。任何時(shí)刻有且只有一個(gè)運行著(zhù)的任務(wù)。

*阻塞態(tài)（Blocked），縮寫(xiě)為B。一個(gè)任務(wù)被阻塞是由于任務(wù)自身的多個(gè)活動(dòng)的必要手段。一個(gè)任務(wù)不能從就緒態(tài)到阻塞態(tài)。

*刮起態(tài)（Suspend）。一個(gè)掛起態(tài)的任務(wù)不能執行，主要用于調試。

*任務(wù)調試程序維護1個(gè)或多個(gè)跟蹤每個(gè)任務(wù)狀態(tài)的內部列表。它有一個(gè)就緒列表和每個(gè)（任務(wù)正在等待的）同步對象的一個(gè)單獨受阻列表。就緒隊列前頭的任務(wù)是下一個(gè)要運行的任務(wù)。在受阻列表中的任何任務(wù)都被掛起，每當受阻列表中的一個(gè)任務(wù)等待的事情發(fā)生時(shí)，該任務(wù)就從受阻列表中被刪除，并被放到就緒列表中等待執行、如圖3所示。

（1）多任務(wù)調度

任務(wù)調度是指根據一定的約束規定，將CPU分配給符合條件的任務(wù)使用。約束規則又稱(chēng)為調度算法。Wolf內核采用多種調度算法分配CPU給處于Ready態(tài)（就緒態(tài)）的任務(wù)。默認基于優(yōu)先級的搶占式調度算法，也支持基于時(shí)間片的輪轉（Round-Robin）調度算法。在嵌入式系統實(shí)時(shí)應用中，不是每次搶占都是合理的，非期待的搶占會(huì )導致系統出現無(wú)法預料的情況，Woif提供允許和禁止調度的功能調用實(shí)現禁止搶占機制。

（2）任務(wù)通信、同步、互斥機制

任務(wù)間通信機制是提供多任務(wù)間相互同步和通信，以協(xié)調獨立任務(wù)之間活動(dòng)的機制。

①共享內存，提供數據共享。Woif采用簡(jiǎn)單快速的禁止中斷手段保證共享數據被互斥訪(fǎng)問(wèn)②消息隊列實(shí)現一CPU內多任務(wù)間通信和同步。Woif提供消息隊列函數庫創(chuàng )建、刪除、發(fā)送消息，消息隊列是動(dòng)態(tài)建立的抽象對象，不綁定于任務(wù)一個(gè)任務(wù)。

3 微內核測試設計方案

設計嵌入式操作系統軟件測試方案時(shí)，我們根據系統分析的基本思想，定用判定表、功能矩陣將其劃分成狀態(tài)測試、系統調用功能測試。

（1）多任務(wù)狀態(tài)測試

下面運用判定表設計狀態(tài)轉移測試用例。首先確定狀態(tài)轉移活動(dòng)（5類(lèi)活動(dòng)）：

①運行態(tài)到阻塞態(tài)E→B；

②阻塞態(tài)到就緒態(tài)B→R；

③阻塞態(tài)到運行態(tài)B→E；

④就緒態(tài)到就緒態(tài)E→R。

⑤執行態(tài)到就緒態(tài)E→R。

然后列出不同活動(dòng)必須遵守的狀態(tài)轉換規則并編號。這里編號形式定義為：具體活動(dòng)編號+數字序列編號。例如：用轉換規則編號③2，表明該規則是活動(dòng)3必須遵守的第2條規則。

以下是部分轉換規則。

◇一個(gè)運行態(tài)的任務(wù)E變成阻塞態(tài)B（E→B）：

①，它從一個(gè)空消息隊列中請求一個(gè)消息；或者②，它等待一個(gè)不會(huì )即將發(fā)生的事件條件；或者③，它請求一個(gè)當前不能提供的信號量標志；或者④，它請求一段目前不能提供的內存；或者⑤，它暫中止一個(gè)時(shí)間段或直到一個(gè)特殊的時(shí)刻。

◇一個(gè)阻塞態(tài)的任務(wù)B變成就緒態(tài)R（B→R）：

①，B是消息等待隊列中的第一個(gè)任務(wù)，它等待的消息來(lái)到消息隊列中；或者②，一個(gè)事件發(fā)送給了B，滿(mǎn)足了它一直等待的事件的條件；或者③，一個(gè)信號量標志被返回，B是等待隊列中的第一個(gè)；或者④，返還的內存區允許分配給B；或者⑤，B一直在超時(shí)等待一個(gè)事件、消息、信號量或一個(gè)內存段（當超過(guò)時(shí)間間隔）。

◇一個(gè)阻塞態(tài)的任務(wù)B變成運行態(tài)（B→E）：

任何一個(gè)（B→R）任務(wù)條件滿(mǎn)足，該任務(wù)運行優(yōu)先級就高于運行態(tài)任務(wù)，這個(gè)運行態(tài)任務(wù)是能被搶先的。

◇一個(gè)就緒態(tài)的任務(wù)R會(huì )變成運行態(tài)任務(wù)（R→E），在當前運行態(tài)任務(wù)是：

①阻塞；或者②，可搶占。R有較高的優(yōu)先級。

◇一個(gè)運行態(tài)的任務(wù)R會(huì )變成就緒態(tài)任務(wù)（E→R），當：

①任何一個(gè)阻塞狀態(tài)的任務(wù)B滿(mǎn)足了（E→R）的發(fā)生條件（由于當前E或一個(gè)ISR系統調用）；或者②，滿(mǎn)足（R→E）的2至4條件中的任何一個(gè)條件發(fā)生。

最后，確定判定條件，建立判定表。這里有3個(gè)判定條件：當前狀態(tài)是E，或當前狀態(tài)是B，或當前狀態(tài)是R。如滿(mǎn)足對應規則，則填寫(xiě)“Y”，不滿(mǎn)足對應規則，則填寫(xiě)“N”。如果在判定條件的規則下，進(jìn)行的活動(dòng)正確，則用“√”確認，錯誤用“”確認，尚未測試用“□”確認，無(wú)關(guān)用“⊙”確認。

表1為任務(wù)狀態(tài)判定表（部分）。

表1 任務(wù)狀態(tài)判定表（部分）

表1顯示了測試活動(dòng)1和活動(dòng)2的正確性。其中滿(mǎn)足條件2的活動(dòng)有2個(gè)，即活動(dòng)2和活動(dòng)5，但由于活動(dòng)5并支持對應的規則，所以結果用“”標示。

由表1可以看出，使用判定表明晰測試覆蓋，能保持測試的完備性和一致性。

（2）多任務(wù)功能測試

首先，分析Wolf的微內核功能，將其劃分成3個(gè)測試功能域：

①面向應用層的高級系統服務(wù)（調用）測試域。Wolf為應用層提供豐富的系統調用函數，將其細分為操作系統服務(wù)類(lèi)、內存服務(wù)類(lèi)、文件系統服務(wù)類(lèi)、I/O服務(wù)類(lèi)及調試平臺服務(wù)5類(lèi)。

②面向內核的多任務(wù)調度測試、任務(wù)通信測試及內存測試域。

③面向低層硬件的設備驅動(dòng)測試、時(shí)鐘測試、功耗測試域。

其次，將系統調用函數使用的數據類(lèi)型分類(lèi)，如表2所列。經(jīng)過(guò)數據分類(lèi)，使得上百個(gè)函數測試通過(guò)20多個(gè)數據類(lèi)型的測試來(lái)實(shí)現，。提高測試效率。測試提供的統計數字為最后的測試失敗率、覆蓋率提供依據。（N1，N2，N3，N4，N5，N6分別代表測試的次數）

表2 系統調用數據類(lèi)型分類(lèi)

結束語(yǔ)

本文在嵌入式微內核操作系統Wolf測試過(guò)程中設計出有效的測試方案和方法，取得良好的效果。Wolf微內核操作系統研制成功以來(lái)，能夠支持多種便攜式信息處理設備，例如已產(chǎn)業(yè)化的閱讀不耗電電子書(shū)（eBook）。

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