摘  要： 通過對二種典型的開源嵌入式操作系統的對比，分析和總結了嵌入式操作系統應用中的若干問題，歸納了嵌入式操作系統的選型依據。
關鍵詞： 嵌入式操作系統  μC/OS  μClinux

　　隨著計算機技術的飛速發展和互聯網技術的廣泛應用，信息技術已從PC時代過渡到了以個人數字助理、手持個人電腦和信息家電為代表的3C(計算機、通信、消費電子)一體的后PC時代。在后PC時代里，嵌入式系統扮演了越來越重要的角色，被廣泛應用于信息電器、移動設備、網絡設備和工控仿真等領域。
　　嵌入式系統以嵌入式計算機為核心，面向用戶、產品和應用，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格要求的計算機系統。隨著嵌入式系統的廣泛應用，傳統的前/后臺程序開發機制已經不能滿足日益復雜的實時要求，因而現在通常采用嵌入式實時操作系統RTOS（Real Time Operating System）開發實時多任務系統。嵌入式實時操作系統一般可以提供多任務的任務調度、時間管理、任務間通信和同步以及內存管理MMU（Memory Manager Unit）等重要服務，這使得嵌入式應用程序易于設計和擴展。采用RTOS可以使嵌入式產品更可靠，開發周期更短。在嵌入式應用中使用RTOS已經成為當前嵌入式應用的一個熱點。
　　完成簡單功能的嵌入式系統一般不需要操作系統，如以前許多MCS51系列單片機組成的小系統就只是利用軟件實現簡單的控制環路。但是隨著后PC時代的來臨，嵌入式系統設計日趨復雜，嵌入式操作系統就必不可少了。
　　嵌入式RTOS在系統實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固化以及應用的專業性等方面具有較為突出的優勢。一般而言，嵌入式操作系統不同于一般意義的計算機操作系統，它有占用空間小、執行效率高、方便進行個性化定制和軟件要求固化存儲等特點。
　　μC/OS和μClinux操作系統是二種性能優良、源碼公開且被廣泛應用的免費嵌入式操作系統，可以作為研究實時操作系統和非實時操作系統的典范。本文通過對μC/OS和μClinux的對比，分析和總結了嵌入式操作系統應用中的若干重要問題，歸納了嵌入式系統開發中操作系統的選型依據。
1  二種開源嵌入式操作系統介紹
　　μC/OS和μClinux操作系統是當前廣泛應用的二種免費且公開源碼的嵌入式操作系統。μC/OS適合小型控制系統，具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良和可擴展性強等特點，最小內核可編譯至2KB。μClinux則是繼承標準Linux的優良特性，針對嵌入式處理器的特點設計的一種操作系統。它具有內嵌網絡協議、支持多種文件系統的功能。其編譯后的目標文件可控制在幾百KB量級。
　　μC/OS是一種源代碼免費公開、結構小巧、具有可剝奪實時內核的實時操作系統。其內核提供任務調度與管理、時間管理、任務間同步與通信、內存管理和中斷服務等功能。
　　μClinux是一種優秀的嵌入式Linux版本。μClinux是Micro-Control-Linux的縮寫。同標準Linux相比，它集成了標準Linux操作系統的穩定性、強大網絡功能和出色的文件系統等主要優點。但是由于沒有MMU(內存管理單元)，其多任務的實現需要一定技巧。
2  二種嵌入式操作系統主要性能比較 
　　嵌入式操作系統是嵌入式系統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用戶共享嵌入式系統的各種資源。其中用戶指的是系統程序之上的所有軟件。所謂合理有效的方法，指的是操作系統如何協調并充分利用硬件資源來實現多任務。復雜的操作系統都支持文件系統，能方便組織文件并易于對其進行規范化操作。
　　嵌入式操作系統的另一個特點是系統不能在不同的平臺上直接應用，一般需要針對專門平臺經過移植操作系統才能正常工作。
　　進程調度、文件系統支持和系統移植是在嵌入式操作系統實際應用中最常見的問題。下面就從這幾方面對μC/OS和μClinux進行分析比較。
2.1 進程調度
　　任務調度主要是協調任務對計算機系統內資源(如內存、I/O設備、CPU)的爭奪使用。進程調度又稱為CPU調度，其根本任務是按照某種原則為處于就緒狀態的進程分配CPU。由于嵌入式系統中內存和I/O設備一般都和CPU同時歸屬于某進程，所以任務調度和進程調度概念相近，很多場合不加區分。下文中提到的任務其實就是進程的概念。
　　進程調度可分為剝奪型調度和非剝奪型調度二種基本方式。所謂非剝奪型調度是指：一旦某個進程被調度執行，則該進程一直執行下去直至該進程結束，或由于某種原因自行放棄CPU進入等待狀態，才將CPU重新分配給其他進程。所謂剝奪型調度是指：一旦就緒狀態中出現優先權更高的進程，或者運行的進程已用滿了規定的時間片時，便立即剝奪當前進程的運行(將其放回就緒狀態)，把CPU分配給其他進程。
　　作為實時操作系統，μC/OS采用的是可剝奪型實時多任務內核。可剝奪型的實時內核在任何時候都運行就緒任務中最高優先級的任務。μC/OS中最多可以支持64個任務，分別對應優先級0～63，其中0為最高優先級。調度工作的內容可以分為最高優先級任務的尋找和切換二部分。
　　其最高優先級任務的尋找是通過建立就緒任務表來實現的。μC/OS中的每一個任務都有獨立的堆棧空間，并有一個稱為任務控制塊TCB(Task Control Block)的數據結構，其中第一個成員變量就是保存的任務堆棧指針。任務調度模塊首先用變量OSTCBHighRdy記錄當前最高級就緒任務的TCB地址，然后調用OS_TASK_SW( )函數進行任務切換。
　　μClinux的進程調度沿用了Linux的傳統，系統每隔一定時間掛起進程，同時系統產生快速和周期性的時鐘計時中斷，并通過調度函數(定時器處理函數)決定進程什么時候擁有它的時間片，然后進行相關進程切換。進程切換通過父進程調用fork函數生成子進程實現。
　　μClinux系統中fork調用完成后，或者子進程代替父進程執行(此時父進程已經sleep)，直到子進程調用exit退出；或者調用exec執行一個新的進程，這時產生可執行文件的加載。即使這個進程只是父進程的拷貝，此過程也不可避免。當子進程執行exit或exec后，子進程使用wakeup將父進程喚醒，使父進程繼續往下執行。
　　μClinux由于沒有MMU管理存儲器，其對內存的訪問是直接的，所有程序中訪問的地址都是實際的物理地址。操作系統對內存空間沒有保護，各個進程實際上共享一個運行空間，這就需要實現多進程時進行數據保護，同時也導致了用戶程序使用的空間可能占用到系統內核空間。這些問題在編程時都需要多加注意，否則容易導致系統崩潰。
　　由上述分析可以得知，μC/OS內核是針對實時系統的要求設計實現的。它相對簡單，可以滿足較高的實時性要求。而μClinux則在結構上繼承了標準Linux的多任務實現方式，僅針對嵌入式處理器特點進行改良。其要實現實時性效果則需要使系統在實時內核的控制下運行，RT-Linux就是可以實現這種功能的實時內核。
2.2 文件系統
　　文件系統是指負責存取和管理文件信息的機構，也可以說是負責文件的建立、撤銷、組織、讀寫、修改、復制及對文件管理所需要的資源(如目錄表、存儲介質等)實施管理的軟件部分。
　　μC/OS是面向中小型嵌入式系統的，如果包含全部功能(信號量、消息郵箱、消息隊列及相關函數)，編譯后的μC/OS內核僅有6~10KB，所以系統本身并沒有對文件系統的支持。但是μC/OS具有良好的擴展性能，需要時可自行加入文件系統的內容。
　　μClinux則繼承了Linux完善的文件系統性能，其采用的是romfs文件系統，這種文件系統與一般的ext2文件系統相比所需的空間較小。空間的節約來自于二個方面，首先內核支持romfs文件系統比支持ext2文件系統需要的代碼少；其次romfs文件系統相對簡單，在建立文件系統超級塊時(superblock)需要的存儲空間較小。Romfs文件系統不支持動態擦寫保存，對于系統需要動態保存的數據采用虛擬ram盤的方法進行處理(ram盤采用ext2文件系統)。
　　μClinux還繼承了Linux網絡操作系統的優勢，可以很方便地支持網絡文件系統且內嵌TCP/IP協議，這為μClinux開發網絡接入設備提供了便利。
　　由二種操作系統對文件系統的支持可知，在復雜的、需要較多文件處理的嵌入式系統中，μClinux是一個不錯的選擇。而μC/OS主要適合于一些控制系統。
2.3 操作系統的移植
　　嵌入式操作系統移植的目的是使操作系統能在某個微處理器或微控制器上運行。μC/OS和μClinux都是源碼公開的操作系統，且其結構化設計便于把與處理器相關的部分分離出來，所以被移植到新的處理器上是可能的。
　　下面對二種系統的移植分別予以說明。
　　(1)μC/OS的移植
　　要移植μC/OS，目標處理器必須滿足以下要求：
　　①處理器的C編譯器能產生可重入代碼，且用C語言就可以打開和關閉中斷；②處理器支持中斷，并能產生定時中斷；③處理器支持足夠的RAM(幾KB)，作為多任務環境下的任務堆棧；④處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器讀出和存儲到堆棧或內存中的指令。
　　在理解了處理器和C編譯器的技術細節后，μC/OS的移植只需要修改與處理器相關的代碼即可。修改代碼的內容如下：
　　①OS_CPU.H中需要設置一個常量來標識堆棧增長方向；②OS_CPU.H中需要聲明幾個用于開關中斷和任務切換的宏；③OS_CPU.H中需要針對具體處理器的字長重新定義一系列數據類型；④OS_CPU_A.ASM需要改寫4個匯編語言的函數；⑤OS_CPU_C.C需要用C語言編寫6個簡單函數；⑥修改主頭文件INCLUDE.H，將上面的三個文件和其他自己的頭文件加入。
　　(2)μClinux的移植
　　由于μClinux其實是Linux針對嵌入式系統的一種改良，其結構比較復雜，所以相對μC/OS來說，μClinux的移植也復雜得多。一般而言要移植μClinux，目標處理器除了應滿足上述μC/OS應滿足的條件外，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層次：
　　①結構層次的移植。如果待移植處理器的結構不同于任何已經支持的處理器結構，則需要修改linux/arch目錄下相關處理器結構的文件。雖然μClinux內核代碼的大部分是獨立于處理器和其體系結構的，但是其最低級的代碼也是特定于各個系統的。這主要表現在它們的中斷處理上下文、內存映射的維護、任務上下文和初始化過程都是獨特的。這些例行程序位于linux/arch/目錄下。由于Linux所支持體系結構的種類繁多，所以對一個新型的體系，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，則需要在相關體系結構目錄下建立相應目錄并編寫相應代碼。如MC68EZ328就是基于無MMU的m68k內核的。此時的移植需要創建linux/arch/m68knommu/platform/MC68EZ328目錄并在其下編寫跟蹤程序(實現用戶程序到內核函數的接口等功能)、中斷控制調度程序和向量初始化程序等。
　　③板級移植。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/中建立一個相應板的目錄，再在其中建立相應的啟動代碼crt0_rom.s或crt0_ram.s和鏈接描述文檔rom.ld或ram.ld即可。板級移植還包括驅動程序的編寫和環境變量設置等內容。
3  結束語
　　通過對μC/OS和μClinux的比較可以看出，這二種操作系統在應用方面各有優劣。μC/OS占用空間少，執行效率高，實時性能優良，且針對新處理器的移植相對簡單。μClinux則占用空間相對較大，實時性能一般，針對新處理器的移植相對復雜。但是，μCLinux具有對多種文件系統的支持能力并內嵌了TCP/IP協議，可以借鑒Linux豐富的資源。對一些復雜的應用，μClinux具有相當優勢。例如CISCO公司的 2500/3000/4000 路由器就是基于μClinux操作系統開發的。總之，操作系統的選擇是由嵌入式系統的需求決定的。小型控制系統可充分利用μC/OS小巧且實時性強的優勢。如果開發PDA和互聯網連接終端等較為復雜的系統，則μClinux是不錯的選擇。
參考文獻
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