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嵌入式微內(nèi)核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)分析與測(cè)試
摘要：介紹嵌入式微內(nèi)核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)；針對(duì)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(cè)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(shí)操作系統(tǒng)ERTOS微內(nèi)核Wolf軟件測(cè)試儀eBook
1嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)概述
嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（ERTOS）是操作系統(tǒng)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(tǒng)資源最大利用率和公平對(duì)待所有的系統(tǒng)請(qǐng)求；而ERTPS追求的是實(shí)時(shí)性、可確定性、可靠性。
自20世紀(jì)90年代以來(lái)，ERTOS發(fā)展迅速。國(guó)外著名商用EPTOS有：WindRiver公司的VxWorks、IS（IntegratedSystems）公司（2000年已被WindRiver公司合并）的pSOS、AC（AcceleratedTechnology）公司的Nucleus等等。國(guó)外ERTOS很多，大多是針對(duì)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(huì)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(chǔ)器以及產(chǎn)品提前進(jìn)入市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)來(lái)彌補(bǔ)。優(yōu)秀的ERTOS可以對(duì)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(chǔ)上，可以編定出各川硬件驅(qū)動(dòng)程序、產(chǎn)品庫(kù)函數(shù)，與通用性的應(yīng)用程序一起作為產(chǎn)品銷售。
2ERTOS——Wolf分析
嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)產(chǎn)品Wolf（南開津科ERTOS）是一個(gè)開放式的微內(nèi)核實(shí)時(shí)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(chǔ)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(jí)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(jí)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(duì)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(huì)影響整個(gè)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(lái)屬于傳統(tǒng)如圖1（b）所示，其基本思想是將原來(lái)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(guò)消息與微內(nèi)核和其它組件相互通信來(lái)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(duì)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(gè)具有微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的嵌入式操作系統(tǒng)，它由一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核和多個(gè)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(gè)應(yīng)用程序移到另一個(gè)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(dòng)態(tài)基于消息觸發(fā)調(diào)度機(jī)制，任務(wù)切換由臨時(shí)事件驅(qū)動(dòng)，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(gè)就緒態(tài)任務(wù)是可運(yùn)行的，等待高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)釋放CPU。
*運(yùn)行態(tài)（Run），縮寫為E。一個(gè)運(yùn)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(yùn)行著的任務(wù)。
*阻塞態(tài)（Blocked），縮寫為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(zhí)行，主要用于調(diào)試。
*任務(wù)調(diào)試程序維護(hù)1個(gè)或多個(gè)跟蹤每個(gè)任務(wù)狀態(tài)的內(nèi)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(duì)象的一個(gè)單獨(dú)受阻列表。就緒隊(duì)列前頭的任務(wù)是下一個(gè)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(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(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(jí)的搶占式調(diào)度算法，也支持基于時(shí)間片的輪轉(zhuǎn)（Round-Robin）調(diào)度算法。在嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)應(yīng)用中，不是每次搶占都是合理的，非期待的搶占會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)無(wú)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(dòng)的機(jī)制。
�、俟蚕韮�(nèi)存，提供數(shù)據(jù)共享。Woif采用簡(jiǎn)單快速的禁止中斷手段保證共享數(shù)據(jù)被互斥訪問(wèn)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(kù)創(chuàng)建、刪除、發(fā)送消息，消息隊(duì)列是動(dòng)態(tài)建立的抽象對(duì)象，不綁定于任務(wù)一個(gè)任務(wù)。
3微內(nèi)核測(cè)試設(shè)計(jì)方案
設(shè)計(jì)嵌入式操作系統(tǒng)軟件測(cè)試方案時(shí)，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(cè)試、系統(tǒng)調(diào)用功能測(cè)試。
（1）多任務(wù)狀態(tài)測(cè)試
下面運(yùn)用判定表設(shè)計(jì)狀態(tài)轉(zhuǎn)移測(cè)試用例。首先確定狀態(tài)轉(zhuǎn)移活動(dòng)（5類活動(dòng)）：
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；
�、芫途w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(dòng)必須遵守的狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則并編號(hào)。這里編號(hào)形式定義為：具體活動(dòng)編號(hào)+數(shù)字序列編號(hào)。例如：用轉(zhuǎn)換規(guī)則編號(hào)③2，表明該規(guī)則是活動(dòng)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(gè)運(yùn)行態(tài)的任務(wù)E變成阻塞態(tài)B（E→B）：
�、伲鼜囊粋�(gè)空消息隊(duì)列中請(qǐng)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(qǐng)求一個(gè)當(dāng)前不能提供的信號(hào)量標(biāo)志；或者④，它請(qǐng)求一段目前不能提供的內(nèi)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(duì)列中的第一個(gè)任務(wù)，它等待的消息來(lái)到消息隊(duì)列中；或者②，一個(gè)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(gè)信號(hào)量標(biāo)志被返回，B是等待隊(duì)列中的第一個(gè)；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(shí)等待一個(gè)事件、消息、信號(hào)量或一個(gè)內(nèi)存段（當(dāng)超過(guò)時(shí)間間隔）。
◇一個(gè)阻塞態(tài)的任務(wù)B變成運(yùn)行態(tài)（B→E）：
任何一個(gè)（B→R）任務(wù)條件滿足，該任務(wù)運(yùn)行優(yōu)先級(jí)就高于運(yùn)行態(tài)任務(wù)，這個(gè)運(yùn)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(yùn)行態(tài)任務(wù)（R→E），在當(dāng)前運(yùn)行態(tài)任務(wù)是：
�、僮枞换蛘撷�，可搶占。R有較高的優(yōu)先級(jí)。
◇一個(gè)運(yùn)行態(tài)的任務(wù)R會(huì)變成就緒態(tài)任務(wù)（E→R），當(dāng)：
�、偃魏我粋�(gè)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(gè)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(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(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(duì)應(yīng)規(guī)則，則填寫“Y”，不滿足對(duì)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(dòng)正確，則用“√”確認(rèn)，錯(cuò)誤用“×”確認(rèn)，尚未測(cè)試用“□”確認(rèn)，無(wú)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①1①2①3①4①5②1②2②3②4②5當(dāng)前狀態(tài)EYYYYYNNNNN當(dāng)前狀態(tài)BNNNNNYYYYY當(dāng)前狀態(tài)RNNNNNNNNNN①E→B√√√√√⊙⊙⊙⊙⊙②B→R⊙⊙⊙⊙⊙√√√√√③B→E⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙④R→E⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⑤E→R⊙⊙⊙⊙⊙×××××
表1顯示了測(cè)試活動(dòng)1和活動(dòng)2的正確性。其中滿足條件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(duì)應(yīng)的規(guī)則，所以結(jié)果用“×”標(biāo)示。
由表1可以看出，使用判定表明晰測(cè)試覆蓋，能保持測(cè)試的完備性和一致性。
（2）多任務(wù)功能測(cè)試
首先，分析Wolf的微內(nèi)核功能，將其劃分成3個(gè)測(cè)試功能域：
�、倜嫦驊�(yīng)用層的高級(jí)系統(tǒng)服務(wù)（調(diào)用）測(cè)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(tái)服務(wù)5類。
②面向內(nèi)核的多任務(wù)調(diào)度測(cè)試、任務(wù)通信測(cè)試及內(nèi)存測(cè)試域。
�、勖嫦虻蛯佑布脑O(shè)備驅(qū)動(dòng)測(cè)試、時(shí)鐘測(cè)試、功耗測(cè)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(guò)數(shù)據(jù)分類，使得上百個(gè)函數(shù)測(cè)試通過(guò)20多個(gè)數(shù)據(jù)類型的測(cè)試來(lái)實(shí)現(xiàn)，。提高測(cè)試效率。測(cè)試提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)字為最后的測(cè)試失敗率、覆蓋率提供依據(jù)。（N1，N2，N3，N4，N5，N6分別代表測(cè)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(cè)試用例測(cè)試的個(gè)數(shù)測(cè)試域①StringN1N4應(yīng)用層②BufferN2N5內(nèi)核層③IntegerN3N6應(yīng)用層
結(jié)束語(yǔ)
本文在嵌入式微內(nèi)核操作系統(tǒng)Wolf測(cè)試過(guò)程中設(shè)計(jì)出有效的測(cè)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(lái)，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(tái)系統(tǒng)及電子出版業(yè)相結(jié)合，帶給人們一個(gè)便攜式閱讀電子書籍的新時(shí)代。
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