摘  要： 通過對二種典型的開源嵌入式操作系統(tǒng)的對比，分析和總結(jié)了嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用中的若干問題，歸納了嵌入式操作系統(tǒng)的選型依據(jù)。
關(guān)鍵詞： 嵌入式操作系統(tǒng)  μC/OS  μClinux

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，信息技術(shù)已從PC時(shí)代過渡到了以個(gè)人數(shù)字助理、手持個(gè)人電腦和信息家電為代表的3C(計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)電子)一體的后PC時(shí)代。在后PC時(shí)代里，嵌入式系統(tǒng)扮演了越來越重要的角色，被廣泛應(yīng)用于信息電器、移動設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和工控仿真等領(lǐng)域。
　　嵌入式系統(tǒng)以嵌入式計(jì)算機(jī)為核心，面向用戶、產(chǎn)品和應(yīng)用，軟硬件可裁減。它適用于對功能、可靠性、體積、成本、功耗等綜合性能有嚴(yán)格要求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的前/后臺程序開發(fā)機(jī)制已經(jīng)不能滿足日益復(fù)雜的實(shí)時(shí)要求，因而現(xiàn)在通常采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS（Real Time Operating System）開發(fā)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)一般可以提供多任務(wù)的任務(wù)調(diào)度、時(shí)間管理、任務(wù)間通信和同步以及內(nèi)存管理MMU（Memory Manager Unit）等重要服務(wù)，這使得嵌入式應(yīng)用程序易于設(shè)計(jì)和擴(kuò)展。采用RTOS可以使嵌入式產(chǎn)品更可靠，開發(fā)周期更短。在嵌入式應(yīng)用中使用RTOS已經(jīng)成為當(dāng)前嵌入式應(yīng)用的一個(gè)熱點(diǎn)。
　　完成簡單功能的嵌入式系統(tǒng)一般不需要操作系統(tǒng)，如以前許多MCS51系列單片機(jī)組成的小系統(tǒng)就只是利用軟件實(shí)現(xiàn)簡單的控制環(huán)路。但是隨著后PC時(shí)代的來臨，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜，嵌入式操作系統(tǒng)就必不可少了。
　　嵌入式RTOS在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固化以及應(yīng)用的專業(yè)性等方面具有較為突出的優(yōu)勢。一般而言，嵌入式操作系統(tǒng)不同于一般意義的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，它有占用空間小、執(zhí)行效率高、方便進(jìn)行個(gè)性化定制和軟件要求固化存儲等特點(diǎn)。
　　μC/OS和μClinux操作系統(tǒng)是二種性能優(yōu)良、源碼公開且被廣泛應(yīng)用的免費(fèi)嵌入式操作系統(tǒng)，可以作為研究實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的典范。本文通過對μC/OS和μClinux的對比，分析和總結(jié)了嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用中的若干重要問題，歸納了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中操作系統(tǒng)的選型依據(jù)。
1  二種開源嵌入式操作系統(tǒng)介紹
　　μC/OS和μClinux操作系統(tǒng)是當(dāng)前廣泛應(yīng)用的二種免費(fèi)且公開源碼的嵌入式操作系統(tǒng)。μC/OS適合小型控制系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，最小內(nèi)核可編譯至2KB。μClinux則是繼承標(biāo)準(zhǔn)Linux的優(yōu)良特性，針對嵌入式處理器的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的一種操作系統(tǒng)。它具有內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、支持多種文件系統(tǒng)的功能。其編譯后的目標(biāo)文件可控制在幾百KB量級。
　　μC/OS是一種源代碼免費(fèi)公開、結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時(shí)間管理、任務(wù)間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能。
　　μClinux是一種優(yōu)秀的嵌入式Linux版本。μClinux是Micro-Control-Linux的縮寫。同標(biāo)準(zhǔn)Linux相比，它集成了標(biāo)準(zhǔn)Linux操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性、強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)功能和出色的文件系統(tǒng)等主要優(yōu)點(diǎn)。但是由于沒有MMU(內(nèi)存管理單元)，其多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)需要一定技巧。
2  二種嵌入式操作系統(tǒng)主要性能比較 
　　嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)軟硬件資源的控制中心，它以盡量合理有效的方法組織多個(gè)用戶共享嵌入式系統(tǒng)的各種資源。其中用戶指的是系統(tǒng)程序之上的所有軟件。所謂合理有效的方法，指的是操作系統(tǒng)如何協(xié)調(diào)并充分利用硬件資源來實(shí)現(xiàn)多任務(wù)。復(fù)雜的操作系統(tǒng)都支持文件系統(tǒng)，能方便組織文件并易于對其進(jìn)行規(guī)范化操作。
　　嵌入式操作系統(tǒng)的另一個(gè)特點(diǎn)是系統(tǒng)不能在不同的平臺上直接應(yīng)用，一般需要針對專門平臺經(jīng)過移植操作系統(tǒng)才能正常工作。
　　進(jìn)程調(diào)度、文件系統(tǒng)支持和系統(tǒng)移植是在嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中最常見的問題。下面就從這幾方面對μC/OS和μClinux進(jìn)行分析比較。
2.1 進(jìn)程調(diào)度
　　任務(wù)調(diào)度主要是協(xié)調(diào)任務(wù)對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)資源(如內(nèi)存、I/O設(shè)備、CPU)的爭奪使用。進(jìn)程調(diào)度又稱為CPU調(diào)度，其根本任務(wù)是按照某種原則為處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程分配CPU。由于嵌入式系統(tǒng)中內(nèi)存和I/O設(shè)備一般都和CPU同時(shí)歸屬于某進(jìn)程，所以任務(wù)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度概念相近，很多場合不加區(qū)分。下文中提到的任務(wù)其實(shí)就是進(jìn)程的概念。
　　進(jìn)程調(diào)度可分為剝奪型調(diào)度和非剝奪型調(diào)度二種基本方式。所謂非剝奪型調(diào)度是指：一旦某個(gè)進(jìn)程被調(diào)度執(zhí)行，則該進(jìn)程一直執(zhí)行下去直至該進(jìn)程結(jié)束，或由于某種原因自行放棄CPU進(jìn)入等待狀態(tài)，才將CPU重新分配給其他進(jìn)程。所謂剝奪型調(diào)度是指：一旦就緒狀態(tài)中出現(xiàn)優(yōu)先權(quán)更高的進(jìn)程，或者運(yùn)行的進(jìn)程已用滿了規(guī)定的時(shí)間片時(shí)，便立即剝奪當(dāng)前進(jìn)程的運(yùn)行(將其放回就緒狀態(tài))，把CPU分配給其他進(jìn)程。
　　作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，μC/OS采用的是可剝奪型實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。可剝奪型的實(shí)時(shí)內(nèi)核在任何時(shí)候都運(yùn)行就緒任務(wù)中最高優(yōu)先級的任務(wù)。μC/OS中最多可以支持64個(gè)任務(wù)，分別對應(yīng)優(yōu)先級0～63，其中0為最高優(yōu)先級。調(diào)度工作的內(nèi)容可以分為最高優(yōu)先級任務(wù)的尋找和切換二部分。
　　其最高優(yōu)先級任務(wù)的尋找是通過建立就緒任務(wù)表來實(shí)現(xiàn)的。μC/OS中的每一個(gè)任務(wù)都有獨(dú)立的堆棧空間，并有一個(gè)稱為任務(wù)控制塊TCB(Task Control Block)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中第一個(gè)成員變量就是保存的任務(wù)堆棧指針。任務(wù)調(diào)度模塊首先用變量OSTCBHighRdy記錄當(dāng)前最高級就緒任務(wù)的TCB地址，然后調(diào)用OS_TASK_SW( )函數(shù)進(jìn)行任務(wù)切換。
　　μClinux的進(jìn)程調(diào)度沿用了Linux的傳統(tǒng)，系統(tǒng)每隔一定時(shí)間掛起進(jìn)程，同時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生快速和周期性的時(shí)鐘計(jì)時(shí)中斷，并通過調(diào)度函數(shù)(定時(shí)器處理函數(shù))決定進(jìn)程什么時(shí)候擁有它的時(shí)間片，然后進(jìn)行相關(guān)進(jìn)程切換。進(jìn)程切換通過父進(jìn)程調(diào)用fork函數(shù)生成子進(jìn)程實(shí)現(xiàn)。
　　μClinux系統(tǒng)中fork調(diào)用完成后，或者子進(jìn)程代替父進(jìn)程執(zhí)行(此時(shí)父進(jìn)程已經(jīng)sleep)，直到子進(jìn)程調(diào)用exit退出；或者調(diào)用exec執(zhí)行一個(gè)新的進(jìn)程，這時(shí)產(chǎn)生可執(zhí)行文件的加載。即使這個(gè)進(jìn)程只是父進(jìn)程的拷貝，此過程也不可避免。當(dāng)子進(jìn)程執(zhí)行exit或exec后，子進(jìn)程使用wakeup將父進(jìn)程喚醒，使父進(jìn)程繼續(xù)往下執(zhí)行。
　　μClinux由于沒有MMU管理存儲器，其對內(nèi)存的訪問是直接的，所有程序中訪問的地址都是實(shí)際的物理地址。操作系統(tǒng)對內(nèi)存空間沒有保護(hù)，各個(gè)進(jìn)程實(shí)際上共享一個(gè)運(yùn)行空間，這就需要實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)，同時(shí)也導(dǎo)致了用戶程序使用的空間可能占用到系統(tǒng)內(nèi)核空間。這些問題在編程時(shí)都需要多加注意，否則容易導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。
　　由上述分析可以得知，μC/OS內(nèi)核是針對實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。它相對簡單，可以滿足較高的實(shí)時(shí)性要求。而μClinux則在結(jié)構(gòu)上繼承了標(biāo)準(zhǔn)Linux的多任務(wù)實(shí)現(xiàn)方式，僅針對嵌入式處理器特點(diǎn)進(jìn)行改良。其要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性效果則需要使系統(tǒng)在實(shí)時(shí)內(nèi)核的控制下運(yùn)行，RT-Linux就是可以實(shí)現(xiàn)這種功能的實(shí)時(shí)內(nèi)核。
2.2 文件系統(tǒng)
　　文件系統(tǒng)是指負(fù)責(zé)存取和管理文件信息的機(jī)構(gòu)，也可以說是負(fù)責(zé)文件的建立、撤銷、組織、讀寫、修改、復(fù)制及對文件管理所需要的資源(如目錄表、存儲介質(zhì)等)實(shí)施管理的軟件部分。
　　μC/OS是面向中小型嵌入式系統(tǒng)的，如果包含全部功能(信號量、消息郵箱、消息隊(duì)列及相關(guān)函數(shù))，編譯后的μC/OS內(nèi)核僅有6~10KB，所以系統(tǒng)本身并沒有對文件系統(tǒng)的支持。但是μC/OS具有良好的擴(kuò)展性能，需要時(shí)可自行加入文件系統(tǒng)的內(nèi)容。
　　μClinux則繼承了Linux完善的文件系統(tǒng)性能，其采用的是romfs文件系統(tǒng)，這種文件系統(tǒng)與一般的ext2文件系統(tǒng)相比所需的空間較小。空間的節(jié)約來自于二個(gè)方面，首先內(nèi)核支持romfs文件系統(tǒng)比支持ext2文件系統(tǒng)需要的代碼少；其次romfs文件系統(tǒng)相對簡單，在建立文件系統(tǒng)超級塊時(shí)(superblock)需要的存儲空間較小。Romfs文件系統(tǒng)不支持動態(tài)擦寫保存，對于系統(tǒng)需要動態(tài)保存的數(shù)據(jù)采用虛擬ram盤的方法進(jìn)行處理(ram盤采用ext2文件系統(tǒng))。
　　μClinux還繼承了Linux網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的優(yōu)勢，可以很方便地支持網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)且內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，這為μClinux開發(fā)網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備提供了便利。
　　由二種操作系統(tǒng)對文件系統(tǒng)的支持可知，在復(fù)雜的、需要較多文件處理的嵌入式系統(tǒng)中，μClinux是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。而μC/OS主要適合于一些控制系統(tǒng)。
2.3 操作系統(tǒng)的移植
　　嵌入式操作系統(tǒng)移植的目的是使操作系統(tǒng)能在某個(gè)微處理器或微控制器上運(yùn)行。μC/OS和μClinux都是源碼公開的操作系統(tǒng)，且其結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)便于把與處理器相關(guān)的部分分離出來，所以被移植到新的處理器上是可能的。
　　下面對二種系統(tǒng)的移植分別予以說明。
　　(1)μC/OS的移植
　　要移植μC/OS，目標(biāo)處理器必須滿足以下要求：
　?、偬幚砥鞯腃編譯器能產(chǎn)生可重入代碼，且用C語言就可以打開和關(guān)閉中斷；②處理器支持中斷，并能產(chǎn)生定時(shí)中斷；③處理器支持足夠的RAM(幾KB)，作為多任務(wù)環(huán)境下的任務(wù)堆棧；④處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器讀出和存儲到堆?；騼?nèi)存中的指令。
　　在理解了處理器和C編譯器的技術(shù)細(xì)節(jié)后，μC/OS的移植只需要修改與處理器相關(guān)的代碼即可。修改代碼的內(nèi)容如下：
　?、貽S_CPU.H中需要設(shè)置一個(gè)常量來標(biāo)識堆棧增長方向；②OS_CPU.H中需要聲明幾個(gè)用于開關(guān)中斷和任務(wù)切換的宏；③OS_CPU.H中需要針對具體處理器的字長重新定義一系列數(shù)據(jù)類型；④OS_CPU_A.ASM需要改寫4個(gè)匯編語言的函數(shù)；⑤OS_CPU_C.C需要用C語言編寫6個(gè)簡單函數(shù)；⑥修改主頭文件INCLUDE.H，將上面的三個(gè)文件和其他自己的頭文件加入。
　　(2)μClinux的移植
　　由于μClinux其實(shí)是Linux針對嵌入式系統(tǒng)的一種改良，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以相對μC/OS來說，μClinux的移植也復(fù)雜得多。一般而言要移植μClinux，目標(biāo)處理器除了應(yīng)滿足上述μC/OS應(yīng)滿足的條件外，還需要具有足夠容量(幾百KB以上)的外部ROM和RAM。
　　μClinux的移植大致可以分為三個(gè)層次：
　　①結(jié)構(gòu)層次的移植。如果待移植處理器的結(jié)構(gòu)不同于任何已經(jīng)支持的處理器結(jié)構(gòu)，則需要修改linux/arch目錄下相關(guān)處理器結(jié)構(gòu)的文件。雖然μClinux內(nèi)核代碼的大部分是獨(dú)立于處理器和其體系結(jié)構(gòu)的，但是其最低級的代碼也是特定于各個(gè)系統(tǒng)的。這主要表現(xiàn)在它們的中斷處理上下文、內(nèi)存映射的維護(hù)、任務(wù)上下文和初始化過程都是獨(dú)特的。這些例行程序位于linux/arch/目錄下。由于Linux所支持體系結(jié)構(gòu)的種類繁多，所以對一個(gè)新型的體系，其低級例程可以模仿與其相似的體系例程編寫。
　　②平臺層次的移植。如果待移植處理器是某種μClinux已支持體系的分支處理器，則需要在相關(guān)體系結(jié)構(gòu)目錄下建立相應(yīng)目錄并編寫相應(yīng)代碼。如MC68EZ328就是基于無MMU的m68k內(nèi)核的。此時(shí)的移植需要創(chuàng)建linux/arch/m68knommu/platform/MC68EZ328目錄并在其下編寫跟蹤程序(實(shí)現(xiàn)用戶程序到內(nèi)核函數(shù)的接口等功能)、中斷控制調(diào)度程序和向量初始化程序等。
　?、郯寮壱浦?。如果所用處理器已被μClinux支持，則只需要板級移植。板級移植需要在linux/arch/?platform/中建立一個(gè)相應(yīng)板的目錄，再在其中建立相應(yīng)的啟動代碼crt0_rom.s或crt0_ram.s和鏈接描述文檔rom.ld或ram.ld即可。板級移植還包括驅(qū)動程序的編寫和環(huán)境變量設(shè)置等內(nèi)容。
3  結(jié)束語
　　通過對μC/OS和μClinux的比較可以看出，這二種操作系統(tǒng)在應(yīng)用方面各有優(yōu)劣。μC/OS占用空間少，執(zhí)行效率高，實(shí)時(shí)性能優(yōu)良，且針對新處理器的移植相對簡單。μClinux則占用空間相對較大，實(shí)時(shí)性能一般，針對新處理器的移植相對復(fù)雜。但是，μCLinux具有對多種文件系統(tǒng)的支持能力并內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議，可以借鑒Linux豐富的資源。對一些復(fù)雜的應(yīng)用，μClinux具有相當(dāng)優(yōu)勢。例如CISCO公司的 2500/3000/4000 路由器就是基于μClinux操作系統(tǒng)開發(fā)的?？傊僮飨到y(tǒng)的選擇是由嵌入式系統(tǒng)的需求決定的。小型控制系統(tǒng)可充分利用μC/OS小巧且實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)勢。如果開發(fā)PDA和互聯(lián)網(wǎng)連接終端等較為復(fù)雜的系統(tǒng)，則μClinux是不錯(cuò)的選擇。
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