嵌入式微內(nèi)核實(shí)時操作系統(tǒng)分析與測試

摘要：介紹嵌入式微內(nèi)核實(shí)時操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu);針對Wolf嵌入式操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一套微內(nèi)核嵌入式操作系統(tǒng)測試實(shí)現(xiàn)方案。在Wolf操作系統(tǒng)支持下，已產(chǎn)業(yè)化的閱讀不耗電電子書(eBook)驗(yàn)證了Wolf操作系統(tǒng)的可靠性。 關(guān)鍵詞：嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)ERTOS 微內(nèi)核 Wolf 軟件測試儀 eBook 1 嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)概述 嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)(ERTOS)是操作系統(tǒng)研究的一個重要分支，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(tǒng)資源最大利用率和公平對待所有的系統(tǒng)請求;而ERTPS追求的是實(shí)時性、可確定性、可靠性。 自20世紀(jì)90年代以來，ERTOS發(fā)展迅速。國外著名商用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(yīng)用的專用ERTOS或通用ERTOS。

與傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)模式相比，雖然ERTOS會要求一些額外的開銷，但可以由現(xiàn)代微控制器的高速度、大存儲器以及產(chǎn)品提前進(jìn)入市場的優(yōu)勢來彌補(bǔ)。優(yōu)秀的ERTOS可以對幾十個系列的嵌入式處理器MPU、微控制器MCU提供API接口。在此基礎(chǔ)上，可以編定出各川硬件驅(qū)動程序、產(chǎn)品庫函數(shù)，與通用性的應(yīng)用程序一起作為產(chǎn)品銷售。 2 ERTOS——Wolf分析 嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)產(chǎn)品Wolf(南開津科ERTOS)是一個開放式的微內(nèi)核實(shí)時操作系統(tǒng)。其基本設(shè)計(jì)思想是： *低功耗(具有間歇式工作機(jī)制，支持哈偶結(jié)構(gòu)); *支持尖端智能輸入/輸出設(shè)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(quán)及安全保護(hù); *為第三方提供產(chǎn)品級的SDK。 具有以下特點(diǎn)： *微內(nèi)核結(jié)構(gòu); *支持多種CPU產(chǎn)品; *基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度和輪轉(zhuǎn)調(diào)度相結(jié)合的多任務(wù)調(diào)度; *極小的內(nèi)存開銷; *高可用性、可靠性。 2.1 微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu) 微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)是相對層次內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)而言的。層次操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，大部分或全部層次功能由內(nèi)核實(shí)現(xiàn)，所有的接口功能只與相鄰層有關(guān)，系統(tǒng)和應(yīng)用獨(dú)立，但其每一功能層的變化都會影響整個系統(tǒng)，層間安全性低。微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，其基本思想是將原來屬于傳統(tǒng)如圖1(b)所示，其基本思想是將原來屬于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)內(nèi)核的一些功能和服務(wù)從內(nèi)核中分出，以子系統(tǒng)(組件)的形式與內(nèi)核或其它子系統(tǒng)相互作用。組件功能以服務(wù)進(jìn)程的方式通過消息與微內(nèi)核和其它組件相互通信來完成。微內(nèi)核的主要功能就是消息交換：確認(rèn)消息、在組件間傳送消息及準(zhǔn)許對硬件操作。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)具有統(tǒng)一的接口，擴(kuò)展性、可靠性及支持分布式系統(tǒng)。 Wolf是一個具有微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的嵌入式操作系統(tǒng)，它由一個實(shí)時多任務(wù)內(nèi)核和多個組件的集合組成。軟件組件都是獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件塊，可以不用變更地從一個應(yīng)用程序移到另一個應(yīng)用程序。Wolf體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 微內(nèi)核剖析 Wolf多任務(wù)調(diào)度是動態(tài)基于消息觸發(fā)調(diào)度機(jī)制，任務(wù)切換由臨時事件驅(qū)動，任務(wù)間是內(nèi)部同步，不同的任務(wù)能夠異步招待。Wolf內(nèi)核負(fù)責(zé)維護(hù)系統(tǒng)中的所有任務(wù)的當(dāng)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)，縮寫為R。一個就緒態(tài)任務(wù)是可運(yùn)行的，等待高優(yōu)先級的任務(wù)釋放CPU。 *運(yùn)行態(tài)(Run)，縮寫為E。一個運(yùn)行態(tài)的任務(wù)是一個正在使用CPU的就緒任務(wù)。任何時刻有且只有一個運(yùn)行著的任務(wù)。 *阻塞態(tài)(Blocked)，縮寫為B。一個任務(wù)被阻塞是由于任務(wù)自身的多個活動的必要手段。一個任務(wù)不能從就緒態(tài)到阻塞態(tài)。 *刮起態(tài)(Suspend)。一個掛起態(tài)的任務(wù)不能執(zhí)行，主要用于調(diào)試。 *任務(wù)調(diào)試程序維護(hù)1個或多個跟蹤每個任務(wù)狀態(tài)的內(nèi)部列表。它有一個就緒列表和每個(任務(wù)正在等待的)同步對象的一個單獨(dú)受阻列表。就緒隊(duì)列前頭的任務(wù)是下一個要運(yùn)行的任務(wù)。在受阻列表中的任何任務(wù)都被掛起，每當(dāng)受阻列表中的一個任務(wù)等待的事情發(fā)生時，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(zhí)行、如圖3所示。 (1)多任務(wù)調(diào)度 任務(wù)調(diào)度是指根據(jù)一定的約束規(guī)定，將CPU分配給符合條件的任務(wù)使用。約束規(guī)則又稱為調(diào)度算法。Wolf內(nèi)核采用多種調(diào)度算法分配CPU給處于Ready 態(tài)(就緒態(tài))的任務(wù)。默認(rèn)基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度算法，也支持基于時間片的輪轉(zhuǎn)(Round-Robin)調(diào)度算法。在嵌入式系統(tǒng)實(shí)時應(yīng)用中，不是每次搶占都是合理的，非期待的搶占會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)無法預(yù)料的情況，Woif提供允許和禁止調(diào)度的功能調(diào)用實(shí)現(xiàn)禁止搶占機(jī)制。 (2)任務(wù)通信、同步、互斥機(jī)制

任務(wù)間通信機(jī)制是提供多任務(wù)間相互同步和通信，以協(xié)調(diào)獨(dú)立任務(wù)之間活動的機(jī)制。 ①共享內(nèi)存，提供數(shù)據(jù)共享。Woif采用簡單快速的禁止中斷手段保證共享數(shù)據(jù)被互斥訪問②消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)一CPU內(nèi)多任務(wù)間通信和同步。Woif提供消息隊(duì)列函數(shù)庫創(chuàng)建、刪除、發(fā)送消息，消息隊(duì)列是動態(tài)建立的抽象對象，不綁定于任務(wù)一個任務(wù)。 3 微內(nèi)核測試設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)嵌入式操作系統(tǒng)軟件測試方案時，我們根據(jù)系統(tǒng)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(tǒng)調(diào)用功能測試。 (1)多任務(wù)狀態(tài)測試 下面運(yùn)用判定表設(shè)計(jì)狀態(tài)轉(zhuǎn)移測試用例。首先確定狀態(tài)轉(zhuǎn)移活動(5類活動)： ①運(yùn)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(yùn)行態(tài)B→E; ④就緒態(tài)到就緒態(tài)E→R。 ⑤執(zhí)行態(tài)到就緒態(tài)E→R。 然后列出不同活動必須遵守的狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則并編號。這里編號形式定義為：具體活動編號+數(shù)字序列編號。例如：用轉(zhuǎn)換規(guī)則編號③2，表明該規(guī)則是活動3必須遵守的第2條規(guī)則。 以下是部分轉(zhuǎn)換規(guī)則。 ◇一個運(yùn)行態(tài)的任務(wù)E變成阻塞態(tài)B(E→B)： ①，它從一個空消息隊(duì)列中請求一個消息;或者②，它等待一個不會即將發(fā)生的事件條件;或者③，它請求一個當(dāng)前不能提供的信號量標(biāo)志;或者④，它請求一段目前不能提供的內(nèi)存;或者⑤，它暫中止一個時間段或直到一個特殊的時刻。 ◇一個阻塞態(tài)的任務(wù)B變成就緒態(tài)R(B→R)： ①，B是消息等待隊(duì)列中的第一個任務(wù)，它等待的消息來到消息隊(duì)列中;或者②，一個事件發(fā)送給了B，滿足了它一直等待的事件的條件;或者③，一個信號量標(biāo)志被返回，B是等待隊(duì)列中的第一個;或者④，返還的內(nèi)存區(qū)允許分配給B;或者⑤，B一直在超時等待一個事件、消息、信號量或一個內(nèi)存段(當(dāng)超過時間間隔)。 ◇一個阻塞態(tài)的任務(wù)B變成運(yùn)行態(tài)(B→E)： 任何一個(B→R)任務(wù)條件滿足，該任務(wù)運(yùn)行優(yōu)先級就高于運(yùn)行態(tài)任務(wù)，這個運(yùn)行態(tài)任務(wù)是能被搶先的。 ◇一個就緒態(tài)的任務(wù)R會變成運(yùn)行態(tài)任務(wù)(R→E)，在當(dāng)前運(yùn)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。 ◇一個運(yùn)行態(tài)的任務(wù)R會變成就緒態(tài)任務(wù)(E→R)，當(dāng)： ①任何一個阻塞狀態(tài)的任務(wù)B滿足了(E→R)的發(fā)生條件(由于當(dāng)前E或一個ISR系統(tǒng)調(diào)用);或者②，滿足(R→E)的2至4條件中的任何一個條件發(fā)生。 最后，確定判定條件，建立判定表。這里有3個判定條件：當(dāng)前狀態(tài)是E，或當(dāng)前狀態(tài)是B，或當(dāng)前狀態(tài)是R。如滿足對應(yīng)規(guī)則，則填寫“Y”，不滿足對應(yīng)規(guī)則，則填寫“N”。如果在判定條件的規(guī)則下，進(jìn)行的活動正確，則用“√”確認(rèn)，錯誤用“%26;#215;”確認(rèn)，尚未測試用“□”確認(rèn)，無關(guān)用“⊙”確認(rèn)。 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) 條 件 ①1 ①2 ①3 ①4 ①5 ②1 ②2 ②3 ②4 ②5 當(dāng)前狀態(tài)E Y Y Y Y Y N N N N N 當(dāng)前狀態(tài)B N N N N N Y Y Y Y Y 當(dāng)前狀態(tài)R N N N N N N N N N N ①E→B √ √ √ √ √ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ②B→R ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ √ √ √ √ √ ③B→E ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ④R→E ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⑤E→R ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ %26;#215; %26;#215; %26;#215; %26;#215; %26;#215; 表1顯示了測試活動1和活動2的正確性。其中滿足條件2的活動有2個，即活動2和活動5，但由于活動5并支持對應(yīng)的規(guī)則，所以結(jié)果用 “%26;#215;”標(biāo)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(nèi)核功能，將其劃分成3個測試功能域： ①面向應(yīng)用層的高級系統(tǒng)服務(wù)(調(diào)用)測試域。Wolf為應(yīng)用層提供豐富的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，將其細(xì)分為操作系統(tǒng)服務(wù)類、內(nèi)存服務(wù)類、文件系統(tǒng)服務(wù)類、I/O服務(wù)類及調(diào)試平臺服務(wù)5類。 ②面向內(nèi)核的多任務(wù)調(diào)度測試、任務(wù)通信測試及內(nèi)存測試域。 ③面向低層硬件的設(shè)備驅(qū)動測試、時鐘測試、功耗測試域。 其次，將系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)使用的數(shù)據(jù)類型分類，如表2所列。經(jīng)過數(shù)據(jù)分類，使得上百個函數(shù)測試通過20多個數(shù)據(jù)類型的測試來實(shí)現(xiàn)，。提高測試效率。測試提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)字為最后的測試失敗率、覆蓋率提供依據(jù)。(N1，N2，N3，N4，N5，N6分別代表測試的次數(shù)) 表2 系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)類型分類 數(shù)據(jù)類型函數(shù)調(diào)用的次數(shù)測試用例測試的個數(shù)測試域 ①String N1 N4 應(yīng)用層 ②Buffer N2 N5 內(nèi)核層 ③Integer N3 N6 應(yīng)用層 　　　　結(jié)束語 本文在嵌入式微內(nèi)核操作系統(tǒng)Wolf測試過程中設(shè)計(jì)出有效的測試方案和方法，取得良好的效果。Wolf微內(nèi)核操作系統(tǒng)研制成功以來，能夠支持多種便攜式信息處理設(shè)備，例如已產(chǎn)業(yè)化的閱讀不耗電電子書(eBook)。 Wolf作為電子閱讀應(yīng)用軟件的開發(fā)和數(shù)字圖書館閱讀終端產(chǎn)品開發(fā)的有利支持系統(tǒng)，與北大方正Apabi電子書籍網(wǎng)絡(luò)出版平臺系統(tǒng)及電子出版業(yè)相結(jié)合，帶給人們一個便攜式閱讀電子書籍的新時代。