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嵌入式C語(yǔ)言?xún)?yōu)化技巧
嵌入式系統是指完成一種或幾種特定功能的計算機系統，具有自動(dòng)化程度高，響應速度快等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應用于消費電子，工業(yè)控制等領(lǐng)域。嵌入式系統受其使用的硬件以及運行環(huán)境的限制，非常注重代碼的時(shí)間和空間效率，因此選擇一種合適的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言十分重要。下面是嵌入式C語(yǔ)言?xún)?yōu)化技巧相關(guān)的知識，歡迎閱讀。
目前，在嵌入式系統開(kāi)發(fā)中可使用的語(yǔ)言很多，其中 C語(yǔ)言應用得最廣泛。雖然用 C 語(yǔ)言編程具有許多優(yōu)點(diǎn)，但基于嵌入式系統的C語(yǔ)言和標準 C語(yǔ)言又有很大區別。接下來(lái)小編結合嵌入式系統的特點(diǎn)和高手們的一些積累，給大家整理出在程序設計中代碼優(yōu)化的一些小技巧。
1、嵌入式C語(yǔ)言的特點(diǎn)
作為一種結構化程序設計語(yǔ)言，C 語(yǔ)言兼顧多種高級語(yǔ)言的特點(diǎn)，具有很強的功能性和可移植性。但在嵌入式系統開(kāi)發(fā)中，出于對低價(jià)產(chǎn)品的需求，系統的計算能力和存儲容量都非常有限，因此如何利用好這些資源就顯得十分重要。開(kāi)發(fā)人員應注意嵌入式 C語(yǔ)言和標準 C 語(yǔ)言的區別，減少生成代碼長(cháng)度，提高程序執行效率，在程序設計中對代碼進(jìn)行優(yōu)化。
2、C代碼在程序中的優(yōu)化
現在的 C 編譯器會(huì )自動(dòng)對代碼進(jìn)行優(yōu)化，但這些優(yōu)化是對執行速度和代碼長(cháng)度的平衡。如果要獲得更小且執行效率更高的代碼，需要程序員手工對代碼進(jìn)行優(yōu)化。
3、變量類(lèi)型的定義
不同的數據類(lèi)型所生成的機器代碼長(cháng)度相差很多，變量類(lèi)型選取的范圍越小運行速度越快，占用的內存越少。能夠使用字符型(char)定義的變量，就不要使用整型(int)變量來(lái)定義;能夠使用整型變量定義的變量就不要用長(cháng)整型(long int)，能不使用浮點(diǎn)型(float)變量就不要使用浮點(diǎn)型變量。相同類(lèi)型的數據類(lèi)型，有無(wú)符號對機器代碼長(cháng)度也有影響。因此我們應按照實(shí)際需要合理的選用數據類(lèi)型。當然，在定義變量后不要超過(guò)變量的作用范圍，如果超過(guò)變量的范圍賦值，C編譯器并不報錯，但程序運行結果卻錯了，而且這樣的錯誤很難發(fā)現。
4、算法優(yōu)化
算法優(yōu)化指對程序時(shí)空復雜度的優(yōu)化:在 PC 機上進(jìn)行程序設計時(shí)一般不必過(guò)多關(guān)注程序代碼的長(cháng)短，只需考慮功能的實(shí)現，但嵌入式系統就必須考慮系統的硬件資源，在程序設計時(shí)，應盡量采用生成代碼短的算法，在不影響程序功能實(shí)現的情況下優(yōu)化算法。
5、適當的使用宏
在C程序中使用宏代碼可以提高程序的執行效率。宏代碼本身不是函數，但使用起來(lái)像函數。函數調用要使用系統的棧來(lái)保存數據，同時(shí) CPU 在函數調用時(shí)需要保存和恢復當前的現場(chǎng)，進(jìn)行進(jìn)棧和出棧操作，所以函數調用也需要 CPU時(shí)間。而宏定義就沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題:宏定義僅僅作為預先寫(xiě)好的代碼嵌入到當前程序中，不產(chǎn)生函數調用，所占用的僅僅是一些空間，省去了參數壓棧，生成匯編語(yǔ)言的 call 調用，返回參數，執行 return等過(guò)程，從而提高了程序的執行速度。雖然宏破壞了程序的可讀性，使排錯更加麻煩，但對于嵌入式系統，為了達到要求的性能，嵌入代碼常常是必須的做法。
此外，我們還要避免不必要的函數調用，請看下面的代碼:
[plain] view plain copy print?
void str_print( char *str )
{
int i;
for ( i = 0; i < strlen ( str ); i++ )
{
printf("%c"，str[ i ] );
}
}
void str_print1 ( char *str )
{
int len;
len = strlen ( str );
for ( i = 0; i < len; i++ )
{
printf("%c"，str[ i ] );
}
}
請注意，這兩個(gè)函數的功能相似。然而，第一個(gè)函數調用strlen函數多次，而第二個(gè)函數只調用函數strlen一次。因此第二個(gè)函數性能明顯比第一個(gè)好。
6、內嵌匯編
程序中對時(shí)間要求苛刻的部分可以用內嵌匯編來(lái)重寫(xiě)，以帶來(lái)速度上的顯著(zhù)提高。但是，開(kāi)發(fā)和測試匯編代碼是一件辛苦的工作，它將花費更長(cháng)的時(shí)間，因而要慎重選擇要用匯編的部分。在程序中，存在一個(gè)80-20原則，即20%的程序消耗了80%的運行時(shí)間，因而我們要改進(jìn)效率，最主要是考慮改進(jìn)那20%的代碼。
7、提高循環(huán)語(yǔ)言的效率
在 C 語(yǔ)言中循環(huán)語(yǔ)句使用頻繁，提高循環(huán)體效率的基本辦法就是降低循環(huán)體的復雜性:
(1) 在多重循環(huán)中，應將最長(cháng)的循環(huán)放在最內層，最短的循環(huán)放在最外層。這樣可以減少 CPU跨切循環(huán)的次數。如例 1-1 的效率比 1-2 的效率要低:
[plain] view plain copy print?
for (j = 0; j < 30; j++)
{
for (i = 0; i < 10; i++)
{……}
} // 例子 1-1
for (i = 0; i < 10; i++)
{
for (j = 0; j < 30; j++)
{……}
} // 例子 2-2 程序部簡(jiǎn)潔但效率高
8、提高 switch 語(yǔ)句的效率
switch 語(yǔ)句是 C 語(yǔ)言中常用的選擇語(yǔ)句， 在編譯時(shí)會(huì )產(chǎn)生if- else- if 嵌套代碼，并按照順序進(jìn)行比較，發(fā)現匹配時(shí)，就跳轉到滿(mǎn)足條件的語(yǔ)句執行。
當 switch 語(yǔ)句中的 case 標號很多時(shí)，為了減少比較的次數，可以把發(fā)生頻率相對高的條件放到第一位或者把整個(gè) switch 語(yǔ)句轉化嵌套 switch 語(yǔ)句。把發(fā)生頻率高的 case 標號放在最外層的 switch 語(yǔ)句中，發(fā)生相對頻率相對低的 case 標號放在另外的 switch 語(yǔ)句中。如例 3 中，把發(fā)生率高的case 標號放在外層的 switch 語(yǔ)句中，把發(fā)生頻率低的放在缺省的(default)內層 switch 語(yǔ)句中。
[plain] view plain copy print?
switch (表達式)
{
case 值1:
語(yǔ)句1: break;
case 值2：
語(yǔ)句2：break;
……
/*把發(fā)生頻率低的放在內層的switch語(yǔ)句中*/
default:
switch (表達式)
{
case 值n:
語(yǔ)句n: break;
case 值m:
語(yǔ)句m: break;
……
}
}
例子3 使用嵌套switch語(yǔ)句提高程序執行效率。
9、避免使用標準庫
使用 C語(yǔ)言標準庫可以加快開(kāi)發(fā)進(jìn)度，但由于標準庫需要設法處理用戶(hù)所有可能遇到的情況，所以很多標準庫代碼很大。比如標準庫中的 sprintf函數非常大。這個(gè)龐大的代碼中有很大一部分用于處理浮點(diǎn)數，如果程序中不需要格式化浮點(diǎn)數值( 如%f)，程序設計人員就可以根據實(shí)際情況用少量的代碼實(shí)現這個(gè)功能。
10、采用數學(xué)方法優(yōu)化程序
數學(xué)是計算機之母，沒(méi)有數學(xué)的依據和基礎，就沒(méi)有計算機的發(fā)展，所以在編寫(xiě)程序的時(shí)候，采用一些數學(xué)方法會(huì )對程序的執行效率有數量級的提高。有時(shí)候這個(gè)問(wèn)題常常被大家忽略， 對于沒(méi)有經(jīng)驗的程序員來(lái)說(shuō)更是如此。例如:求 1~100 的和:
sum = 100*(100+1)/2;
數學(xué)公式： (a1 + an)*n/2
使用C語(yǔ)言的位操作可以減少除法和取模的運算。在計算機程序中數據的位是可以操作的最小數據單位，理論上可以用“位運算”來(lái)完成所有的運算和操作。因而，靈活的位操作可以有效地提高程序運行的效率。比如用用位操作區代替除法:比如:128 / 8 ->> 128 >> 3;
優(yōu)化算法和數據結構對提高代碼的效率有很大的幫助。當然有時(shí)候時(shí)間效率和空間效率是對立的，此時(shí)應分析哪個(gè)更重要， 做出適當的折中。另外，在進(jìn)行優(yōu)化的時(shí)候不要片面的追求緊湊的代碼，因為緊湊的代碼并不能產(chǎn)生高效率的機器碼。
11、存儲器分配
由于成本限制，嵌入式系統存儲器容量有限。程序中所有的變量，包含的庫函數以及堆棧等都使用有限的內存:全局變量在整個(gè)程序范圍內都有效。程序執行完后才會(huì )釋放;靜態(tài)變量的作用范圍也是整個(gè)程序，只有局部變量中的動(dòng)態(tài)變量在函數執行完后會(huì )釋放。因此， 在程序中應盡量使用局部變量，提高內存使用效率。程序中堆的大小受限于所有全局數據和�？臻g都分配后的剩余量，如果堆太小，程序不能夠在需要的時(shí)候分配內存。因此在使用 malloc 函數申請內存之后一定要用 free 函數進(jìn)行釋放， 防止內存泄露。
12、選擇好的無(wú)限循環(huán)
在編程中，我們常常需要用到無(wú)限循環(huán)，常用的兩種方法是while (1) 和 for (;;)。這兩種方法效果完全一樣，但那一種更好呢?然我們看看它們編譯后的代碼:
編譯前：
while (1);
編譯后：
mov eax，1
test eax，eax
je foo+23h
jmp foo+18h
編譯前：
for (;;);
編譯后：
jmp foo+23h
顯然，for (;;)指令少，不占用寄存器，而且沒(méi)有判斷，跳轉，比while (1)好。
13、使用Memoization，以避免遞歸重復計算
考慮Fibonacci(斐波那契)問(wèn)題，Fibonacci問(wèn)題是可以通過(guò)簡(jiǎn)單的遞歸方法來(lái)解決:
[plain] view plain copy print?
1. int fib ( n )
2. {
3. if ( n == 0 || n == 1 )
4. {
5. return 1;
6. }
7. else
8. {
9. return fib( n - 2 ) + fib ( n - 1 );
10. }
11. }
注:在這里，我們考慮Fibonacci 系列從1開(kāi)始，因此，該系列看起來(lái):1，1，2，3，5，8，…
注意:從遞歸樹(shù)，我們計算fib(3)函數2次，fib(2)函數3次。這是相同函數的重復計算。如果n非常大，fib函數的效率會(huì )比較低。Memoization是一個(gè)簡(jiǎn)單的技術(shù)，可以被用在遞歸，加強計算速度。fibonacci 函數Memoization的代碼如下:
[plain] view plain copy print?
1. int calc_fib ( int n )
2. {
3. int val[ n ] ， i;
4. for ( i = 0; i <=n; i++ )
5. {
6. val[ i ] = -1; // Value of the first n + 1 terms of the fibonacci terms set to -1
7. }
8. val[ 0 ] = 1; // Value of fib ( 0 ) is set to 1
9. val[ 1 ] = 1; // Value of fib ( 1 ) is set to 1
10. return fib( n ， val );
11. }
12.
13. int fib( int n ， int* value )
14. {
15. if ( value[ n ] != -1 )
16. {
17. return value[ n ]; // Using memoization
18. }
19. else
20. {
21. value[ n ] = fib( n - 2 ， value ) + fib ( n - 1 ， value ); // Computing the fibonacci term
22. }
23. return value[ n ]; // Returning the value
24. }
除了編程上的技巧外，為提高系統的運行效率，我們通常也需要最大可能地利用各種硬件設備自身的特點(diǎn)來(lái)減小其運轉開(kāi)銷(xiāo)，例如減小中斷次數，利用DMA傳輸方式等。
嵌入式C語(yǔ)言簡(jiǎn)介
簡(jiǎn)單地說(shuō)，嵌入式系統集系統的應用軟件與硬件于一體，類(lèi)似于 PC 中 BIOS 的工作方式，具有軟件代碼小、高度自動(dòng)化、響應速度快等特點(diǎn)，特別適合于要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)的體系。嵌入式系統主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統及應用軟件系統等組成，它是可獨立工作的“器件”。
嵌入式系統幾乎包括了生活中的所有電器設備，如掌上 PDA 、移動(dòng)計算設備、電視機頂盒、手機上網(wǎng)、數字電視、多媒體、汽車(chē)、微波爐、數字相機、家庭自動(dòng)化系統、電梯、空調、安全系統、自動(dòng)售貨機、蜂窩式電話(huà)、消費電子設備、工業(yè)自動(dòng)化儀表與醫療儀器等。
嵌入式系統的硬件部分，包括處理器 / 微處理器、存儲器及外設器件和 I/O 端口、圖形控制器等。嵌入式系統有別于一般的計算機處理系統，它不具備像硬盤(pán)那樣大容量的存儲介質(zhì)，而大多使用 EPROM 、 EEPROM 或閃存 (Flash Memory) 作為存儲介質(zhì)。軟件部分包括操作系統軟件 ( 要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作 ) 和應用程序編程。應用程序控制著(zhù)系統的運作和行為；而操作系統控制著(zhù)應用程序編程與硬件的交互作用。 據不完全統計，目前全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過(guò) 1000 種，流行的體系結構有 30 多個(gè)系列。其中 8051 體系占多半，生產(chǎn)這種單片機的半導體廠(chǎng)家有 20 多個(gè)，共 350 多種衍生產(chǎn)品，僅 Philips 就有近 100 種�，F在幾乎每個(gè)半導體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器，越來(lái)越多的公司有自己的處理器設計部門(mén)。嵌入式處理器的尋址空間一般從 64kB 到 16MB ，處理速度為 0.1~2000MIPS ，常用封裝 8~144 個(gè)引腳。
根據現狀，嵌入式計算機可分成下面幾類(lèi)。
(1) 嵌入式微處理器 (Embedded Microprocessor Unit, EMPU)
嵌入式微處理器采用“增強型”通用微處理器。由于嵌入式系統通常應用于環(huán)境比較惡劣的環(huán)境中，因而嵌入式微處理器在工作溫度、電磁兼容性以及可靠性方面的要求較通用的標準微處理器高。但是，嵌入式微處理器在功能方面與標準的微處理器基本上是一樣的。根據實(shí)際嵌入式應用要求，將嵌入式微處理器裝配在專(zhuān)門(mén)設計的主板上，只保留和嵌入式應用有關(guān)的主板功能，這樣可以大幅度減小系統的體積和功耗。和工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器組成的系統具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但在其電路板上必須包括 ROM 、 RAM 、總線(xiàn)接口、各種外設等器件，從而降低了系統的可靠性，技術(shù)保密性也較差。由嵌入式微處理器及其存儲器、總線(xiàn)、外設等安裝在一塊電路主板上構成一個(gè)通常所說(shuō)的單板機系統。嵌入式處理器目前主要有 Am186/88 、 386EX 、 SC-400 、 Power PC 、 68000 、 MIPS 、 ARM 系列等。
(2) 嵌入式微控制器 (Microcontroller Unit, MCU) (3) 嵌入式 DSP 處理器 (Embedded Digital Signal Processor, EDSP (4) 嵌入式片上系統 (System On Chip, SOC)
隨著(zhù) EDI 的推廣和 VLSI 設計的普及化，以及半導體工藝的迅速發(fā)展，可以在一塊硅片上實(shí)現一個(gè)更為復雜的系統，這就產(chǎn)生了 SOC 技術(shù)。各種通用處理器內核將作為 SOC 設計公司的標準庫，和其他許多嵌入式系統外設一樣，成為 VLSI 設計中一種標準的器件，用標準的 VHDL 、 Verlog 等硬件語(yǔ)言描述，存儲在器件庫中。用戶(hù)只需定義出其整個(gè)應用系統，仿真通過(guò)后就可以將設計圖交給半導體工廠(chǎng)制作樣品。這樣除某些無(wú)法集成的器件以外，整個(gè)嵌入式系統大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應用系統電路板將變得很簡(jiǎn)單，對于減小整個(gè)應用系統體積和功耗、提高可靠性非常有利。 SOC 可分為通用和專(zhuān)用兩類(lèi)，通用 SOC 如 Infineon(Siemens) 的 TriCore 、 Motorola 的 M-Core ，以及某些 ARM 系列器件，如 Echelon 和 Motorola 聯(lián)合研制的 Neuron 芯片等；專(zhuān)用 SOC 一般專(zhuān)用于某個(gè)或某類(lèi)系統中，如 Philips 的 Smart XA ，它將 XA 單片機內核和支持超過(guò) 2048 位復雜 RSA 算法的 CCU 單元制作在一塊硅片上，形成一個(gè)可加載 Java 或 C 語(yǔ)言的專(zhuān)用 SOC ，可用于互聯(lián)網(wǎng)安全方面。
嵌入式操作系統是一種支持嵌入式系統應用的操作系統軟件，它是嵌入式系統 ( 包括硬、軟件系統 ) 極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅動(dòng)軟件、系統內核、設備驅動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器等 Browser 。嵌入式操作系統具有通用操作系統的基本特點(diǎn)，如能夠有效管理越來(lái)越復雜的系統資源；能夠把硬件虛擬化，使得開(kāi)發(fā)人員從繁忙的驅動(dòng)程序移植和維護中解脫出來(lái)；能夠提供庫函數、驅動(dòng)程序、工具集以及應用程序 。與通用操作系統相比較，嵌入式操作系統在系統實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴(lài)性、軟件固態(tài)化以及應用的專(zhuān)用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。
1. 嵌入式操作系統的種類(lèi)
一般情況下，嵌入式操作系統可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是面向控制、通信等領(lǐng)域的實(shí)時(shí)操作系統，如 WindRiver 公司的 VxWorks 、 ISI 的 pSOS 、 QNX 系統軟件公司的 QNX 、 ATI 的 Nucleus 等；另一類(lèi)是面向消費電子產(chǎn)品的非實(shí)時(shí)操作系統，這類(lèi)產(chǎn)品包括個(gè)人數字助理 (PDA) 、移動(dòng)電話(huà)、機頂盒、電子書(shū)、 WebPhone 等。
a. 非實(shí)時(shí)操作系統
早期的嵌入式系統中沒(méi)有操作系統的概念，程序員編寫(xiě)嵌入式程序通常直接面對裸機及裸設備。在這種情況下，通常把嵌入式程序分成兩部分，即前臺程序和后臺程序。前臺程序通過(guò)中段來(lái)處理事件，其結構一般為無(wú)限循環(huán)；后臺程序則掌管整個(gè)嵌入式系統軟、硬件資源的分配、管理以及任務(wù)的調度，是一個(gè)系統管理調度程序。這就是通常所說(shuō)的前后臺系統。一般情況下，后臺程序也叫任務(wù)級程序，前臺程序也叫事件處理級程序。在程序運行時(shí)，后臺程序檢查每個(gè)任務(wù)是否具備運行條件，通過(guò)一定的調度算法來(lái)完成相應的操作。對于實(shí)時(shí)性要求特別嚴格的操作通常由中斷來(lái)完成，僅在中斷服務(wù)程序中標記事件的發(fā)生，不再做任何工作就退出中斷，經(jīng)過(guò)后臺程序的調度，轉由前臺程序完成事件的處理，這樣就不會(huì )造成在中斷服務(wù)程序中處理費時(shí)的事件而影響后續和其他中斷。
實(shí)際上，前后臺系統的實(shí)時(shí)性比預計的要差。這是因為前后臺系統認為所有的任務(wù)具有相同的優(yōu)先級別，即是平等的，而且任務(wù)的執行又是通過(guò) FIFO 隊列排隊，因而對那些實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)不可能立刻得到處理。另外，由于前臺程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán)的結構，一旦在這個(gè)循環(huán)體中正在處理的任務(wù)崩潰，使得整個(gè)任務(wù)隊列中的其他任務(wù)得不到機會(huì )被處理，從而造成整個(gè)系統的崩潰。由于這類(lèi)系統結構簡(jiǎn)單，幾乎不需要 RAM/ROM 的額外開(kāi)銷(xiāo)，因而在簡(jiǎn)單的嵌入式應用被廣泛使用。
b. 實(shí)時(shí)操作系統
實(shí)時(shí)系統是指能在確定的時(shí)間內執行其功能并對外部的異步事件做出響應的計算機系統。其操作的正確性不僅依賴(lài)于邏輯設計的正確程度，而且與這些操作進(jìn)行的時(shí)間有關(guān)�！霸诖_定的時(shí)間內”是該定義的核心。也就是說(shuō)，實(shí)時(shí)系統是對響應時(shí)間有嚴格要求的。
實(shí)時(shí)系統對邏輯和時(shí)序的要求非常嚴格，如果邏輯和時(shí)序出現偏差將會(huì )引起嚴重后果。實(shí)時(shí)系統有兩種類(lèi)型：軟實(shí)時(shí)系統和硬實(shí)時(shí)系統。軟實(shí)時(shí)系統僅要求事件響應是實(shí)時(shí)的，并不要求限定某一任務(wù)必須在多長(cháng)時(shí)間內完成；而在硬實(shí)時(shí)系統中，不僅要求任務(wù)響應要實(shí)時(shí)，而且要求在規定的時(shí)間內完成事件的處理。通常，大多數實(shí)時(shí)系統是兩者的結合。實(shí)時(shí)應用軟件的設計一般比非實(shí)時(shí)應用軟件的設計困難。實(shí)時(shí)系統的技術(shù)關(guān)鍵是如何保證系統的實(shí)時(shí)性。
實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統是指具有實(shí)時(shí)性、能支持實(shí)時(shí)控制系統工作的操作系統。其首要任務(wù)是調度一切可利用的資源完成實(shí)時(shí)控制任務(wù)，其次才著(zhù)眼于提高計算機系統的使用效率，重要特點(diǎn)是要滿(mǎn)足對時(shí)間的限制和要求。實(shí)時(shí)操作系統具有如下功能：任務(wù)管理 ( 多任務(wù)和基于優(yōu)先級的任務(wù)調度 ) 、任務(wù)間同步和通信 ( 信號量和郵箱等 ) 、存儲器優(yōu)化管理 ( 含 ROM 的管理 ) 、實(shí)時(shí)時(shí)鐘服務(wù)、中斷管理服務(wù)。實(shí)時(shí)操作系統具有如下特點(diǎn)：規模小，中斷被屏蔽的時(shí)間很短，中斷處理時(shí)間短，任務(wù)切換很快。
實(shí)時(shí)操作系統可分為可搶占型和不可搶占型兩類(lèi)。對于基于優(yōu)先級的系統而言，可搶占型實(shí)時(shí)操作系統是指內核可以搶占正在運行任務(wù)的 CPU 使用權并將使用權交給進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級更高的任務(wù)，是內核搶了 CPU 讓別的任務(wù)運行。不可搶占型實(shí)時(shí)操作系統使用某種算法并決定讓某個(gè)任務(wù)運行后，就把 CPU 的控制權完全交給了該任務(wù)，直到它主動(dòng)將 CPU 控制權還回來(lái)。中斷由中斷服務(wù)程序來(lái)處理，可以激活一個(gè)休眠態(tài)的任務(wù)，使之進(jìn)入就緒態(tài)；而這個(gè)進(jìn)入就緒態(tài)的任務(wù)還不能運行，一直要等到當前運行的任務(wù)主動(dòng)交出 CPU 的控制權。使用這種實(shí)時(shí)操作系統的實(shí)時(shí)性比不使用實(shí)時(shí)操作系統的系統性能好，其實(shí)時(shí)性取決于最長(cháng)任務(wù)的執行時(shí)間。不可搶占型實(shí)時(shí)操作系統的缺點(diǎn)也恰恰是這一點(diǎn)，如果最長(cháng)任務(wù)的執行時(shí)間不能確定，系統的實(shí)時(shí)性就不能確定。
可搶占型實(shí)時(shí)操作系統的實(shí)時(shí)性好，優(yōu)先級高的任務(wù)只要具備了運行的條件，或者說(shuō)進(jìn)入了就緒態(tài)，就可以立即運行。也就是說(shuō)，除了優(yōu)先級最高的任務(wù)，其他任務(wù)在運行過(guò)程中都可能隨時(shí)被比它優(yōu)先級高的任務(wù)中斷，讓后者運行。通過(guò)這種方式的任務(wù)調度保證了系統的實(shí)時(shí)性，但是，如果任務(wù)之間搶占 CPU 控制權處理不好，會(huì )產(chǎn)生系統崩潰、死機等嚴重后果。
2. 嵌入式操作系統的發(fā)展
嵌入式操作系統伴隨著(zhù)嵌入式系統的發(fā)展經(jīng)歷了 4 個(gè)比較明顯的階段。
第一階段是無(wú)操作系統的嵌入算法階段，是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統，同時(shí)具有與監測、伺服、指示設備相配合的功能。這種系統大部分應用于一些專(zhuān)業(yè)性極強的工業(yè)控制系統中，一般沒(méi)有操作系統的支持，通過(guò)匯編語(yǔ)言編程對系統進(jìn)行直接控制，運行結束后清除內存。這一階段系統的主要特點(diǎn)是：系統結構和功能都相對單一，處理效率較低，存儲容量較小，幾乎沒(méi)有用戶(hù)接口。由于這種嵌入式系統使用簡(jiǎn)便、價(jià)格很低，以前在國內工業(yè)領(lǐng)域應用較為普遍，但是已經(jīng)遠遠不能適應高效的、需要大容量存儲介質(zhì)的現代化工業(yè)控制和新興的信息家電等領(lǐng)域的需求。
第二階段是以嵌入式 CPU 為基礎、以簡(jiǎn)單操作系統為核心的嵌入式系統。這一階段系統的主要特點(diǎn)是： CPU 種類(lèi)繁多，通用性比較差；系統開(kāi)銷(xiāo)小， 效率高；一般配備系統仿真器，操作系統具有一定的兼容性和擴展性；應用軟件較專(zhuān)業(yè)，用戶(hù)界面不夠友好；系統主要用來(lái)控制系統負載以及監控應用程序運行。
第三階段是通用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統階段，是以嵌入式操作系統為核心的嵌入式系統。這一階段系統的主要特點(diǎn)是：嵌入式操作系統能運行于各種不同類(lèi)型的微處理器上，兼容性好；操作系統內核精小、效率高，并且具有高度的模塊化和擴展性；具備文件和目錄管理、設備支持、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò )支持、圖形窗口以及用戶(hù)界面等功能；具有大量的應用程序接口 (API) ，開(kāi)發(fā)應用程序簡(jiǎn)單；嵌入式應用軟件豐富。
第四階段是以基于 Internet 為標志的嵌入式系統，這是一個(gè)正在迅速發(fā)展的階段。目前大多數嵌入式系統還孤立于 Internet 之外，但隨著(zhù) Internet 的發(fā)展以及 Internet 技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等結合日益密切，嵌入式設備與 Internet 的結合將代表著(zhù)嵌入式技術(shù)的真正未來(lái)。
3. 使用實(shí)時(shí)操作系統的必要性
嵌入式實(shí)時(shí)操作系統在目前的嵌入式應用中用得越來(lái)越廣泛，尤其在功能復雜、系統龐大的應用中顯得愈來(lái)愈重要。
首先，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統提高了系統的可靠性。在控制系統中，出于安全方面的考慮，要求系統起碼不能崩潰，而且還要有自愈能力。不僅要求在硬件設計方面提高系統的可靠性和抗干擾性，而且也應在軟件設計方面提高系統的抗干擾性，盡可能地減少安全漏洞和不可靠的隱患。長(cháng)期以來(lái)的前后臺系統軟件設計在遇到強干擾時(shí)，使得運行的程序產(chǎn)生異常、出錯、跑飛，甚至死循環(huán)，造成了系統的崩潰。而實(shí)時(shí)操作系統管理的系統，這種干擾可能只是引起若干進(jìn)程中的一個(gè)被破壞，可以通過(guò)系統運行的系統監控進(jìn)程對其進(jìn)行修復。通常情況下，這個(gè)系統監視進(jìn)程用來(lái)監視各進(jìn)程運行狀況，遇到異常情況時(shí)采取一些利于系統穩定可靠的措施，如把有問(wèn)題的任務(wù)清除掉。從某種意義上說(shuō)，沒(méi)有操作系統的計算機 ( 裸機 ) 是沒(méi)有用的。在嵌入式應用中，只有把 CPU 嵌入到系統中，同時(shí)又把操作系統嵌入進(jìn)去，才是真正的計算機嵌入式應用。
4. 實(shí)時(shí)操作系統的優(yōu)缺點(diǎn)
在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統環(huán)境下開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)應用程序使程序的設計和擴展變得容易，不需要大的改動(dòng)就可以增加新的功能。通過(guò)將應用程序分割成若干獨立的任務(wù)模塊，使應用程序的設計過(guò)程大為簡(jiǎn)化；而且對實(shí)時(shí)性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理。通過(guò)有效的系統服務(wù)，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統使得系統資源得到更好的利用。
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