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嵌入式实时操作系统PetOS设计与实现
摘要：PetOS是一个自行设计的嵌入式实时操作系统。本文介绍了PetOS的技术背景，并详细阐述PetOS系统中的任务调度机制、任务管理机制以及中断管理机制的实现原理,指出PetOS在应用中的优缺点。关键词:PetOS，嵌入式操作系统，任务调度、中断管理
1引言
在嵌入式领域中，嵌入式实时操作系统正得到越来越广泛的应用。采用嵌入式实时操作系统(RTOS)可以更合理、更有效地利用CPU的资源,简化应用软件的设计,缩短系统开发时间,更好地保证系统的实时性和可靠性。由于RTOS需占用一定的系统资源(尤其是RAM资源),只有μC/OSII、PalOS等少数实时操作系统能在小RAM系统上运行。相对于μC/OSII[2]等商业操作系统,PalOS[1]操作系统是完全免费的操作系统,具有源码公开、内核简单等的特点。但该系统不支持任务优先级、中断等相对复杂的功能，不能很好的满足嵌入式电子设备的需要。
2PetOS简介
PalOS是UCLA（加州大学洛山机分校）为传感器网络而设计微型操系统。系统轮询每个任务的消息队列，如果存在消息则调用任务相应的消息处理函数。但是这种简单的轮询机制和系统结构无法满足更为复杂的应用需求。在任务管理、系统时钟管理和中断管理等功能上,PalOS的功能都有待加强。
PetOS以PalOS为原型，改进了任务调度算法，引入优先级的概念。每个任务可根据重要程度的不同被赋予一定的优先级,CPU总是让处于就绪态的、优先级最高的任务先运行，从而实现任务的优先级管理。PetOS还提供了严格优先级调度模式和非严格优先级调度模式，用于缓解高优先级任务持续被调度时，低优先级任务出现‘饿死’的现象。

图1PetOS内核框架简单轮询或者优先级调度都无法保证系统的实时性。这两种调度都基于事件驱动，任务必须完成事件响应才会执行下一轮调度，因此系统的实时性会受到事件响应函数的粒度的影响，为了增加系统的实时性，PetOS加入了中断管理及系统时钟管理，用于提高系统的实时性。中断可以由硬件产生，也可以由应用程序产生。中断产生后，系统会及时进入中断模式进行处理，从而保证实时性要求很高的事务能得到及时的处理。
PetOS内核框架如图1。
3PetOS的实现
3.1PETOS任务维护/调度模块
任务维护/调度模块是PetOS的核心模块负责任务的管理和调度。
·TASK（任务）:
TASK是PetOS应用程序的逻辑实体，拥有独立的输入响应、消息响应和输出控制，是PetOS的调度实体。
PetOS任务具有如下5个状态：
·UNREGISTER：由于Task列表采用静态数组，此状态表示该数组项无效
·UNINIT：任务已经注册，但是尚未初始化，不可执行
·STOP：任务停止状态。不接受消息，不可执行。无数据

图2PetOS任务状态转换图·RUN：任务运行状态。能接受消息，可以执行
·PAUSE：任务挂起状态：不能接受消息，不可执行。但保持数据。
任务在PetOS启动时被注册，并常驻在操作系统中。即操作系统初始化完毕并启动之后，操作系统调度的任务列表是固定的。操作系统启动后，任务只会在运行、暂停、挂起状态之前切换。
任务状态图如图2：
为了方便任务的管理与控制，每个TASK都会绑定TCB（taskcontrolblock）。TCB类似于现代操作系统中进程的PCB，它记录了task的各种状态变量、控制变量以及标准接口的函数指针，便于PetOS和应用程序维护。
Event(事件消息):
Event是PetOS进程调度的粒度单位。
由于PetOS的每个任务不具备独立的代码/数据段/堆栈指针，我们无法在任意的位置暂停一个task而启动另一个。PetOS的解决策略是：将task拆分成为一个个独立的由事件驱动的逻辑模块，每个task都有各自独立的事件队列。Task的每个逻辑功能都会被映射成一个事件，操作系统通过赋予某个task响应事件的权利来完成一次调度。而操作系统的多任务调度可以Task轮流响应事件来实现。
任务的调度:

图3调度算法流程图在嵌入式系统中，很多应用要求执行的优先级绝对优先，比如USB文件传输的处理。为此，PetOS采用了多级任务机制，并赋予高优先级的任务更高的执行权限。调度时，PetOs将优先调度优先级高的任务。这种调度方式保证了高优先级任务的实时响应，但可能导致低优先级的任务永远无法被执行。为了缓解这种‘饿死’现象，PetOS提供了两种可选的配置：
·严格优先级调度模式：即，若高优先级的任务队列中存在还有事件未响应的任务，则无条件执行高优先级的任务。
·非严格优先级调度模式：即，当高优先级队列调度一轮过后，次优先级的任务队列中的第一个待执行任务可以得到1次调度。调度完成后继续轮询高优先级队列。
可以看到两者的区别在于