達(dá)人教你如何選擇嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)是ARM CPU的軟件基礎(chǔ)，從8位/16位單片機(jī)發(fā)展到以arm CPU核為代表的32位嵌入式處理器，嵌入式操作系統(tǒng)將替代傳統(tǒng)的由手工編制的監(jiān)控程序或調(diào)度程序，成為重要的基礎(chǔ)組件。更重要的是嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用程序可以起到屏蔽的作用，使應(yīng)用程序員面向操作系統(tǒng)級(jí)開發(fā)應(yīng)用軟件，并易于在不同的arm核的嵌入式處理器上移植。
　
　　嵌入式操作系統(tǒng)都具有一定的實(shí)時(shí)性，易于裁剪和伸縮，可以適合于從ARM7到Xscale各種ARM CPU和各種檔次的應(yīng)用，嵌入式操作系統(tǒng)可以使用廣泛流行的ARM開發(fā)工具，如arm公司的SDT/ADS和RealView等，也可以使用開發(fā)軟件，如GCC/GDB、KDE或Eclipe開發(fā)環(huán)境，市場上還有專用的開發(fā)工具，如Tornado、μC/View、μC/KA、CODE/Lab、Metroworks等。
　
　　本文就目前國內(nèi)在arm CPU上廣泛采用的三種嵌入式操作系統(tǒng)（μC/OS-II、μCLinux和嵌入式Linux）作分析。
　
　　μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核全世界數(shù)百種設(shè)備已經(jīng)在使用μC/OS-II，包括手機(jī)、路由器、不間斷電源、飛行器、醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)控制設(shè)備。μC/OS-II已經(jīng)有ARM7TDMI、ARM9和Strong ARM等各種ARM CPU的移植，支持包含Atmel、Hynix、Intel、Motorola、Philips、Samsung、Sharp等公司的arm核的CPU.μC/OS-II的移植也相當(dāng)容易，與CPU相關(guān)的代碼包裝在三個(gè)文件中，它們是os_cpu.h、os_cpu_a.asm和os_cpu_c.c.μC/OS-II有60多個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，覆蓋任務(wù)、定時(shí)器、信號(hào)量、事件標(biāo)志、郵箱、隊(duì)列和內(nèi)存管理，已經(jīng)包含了傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核（如PSOS，VRTX）的功能，還支持互斥型信號(hào)量，這是90年代的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，如VxWorks和VRTXsa才有的技術(shù)。
　
　　μC/OS-II因?yàn)槭强蓳屨嫉膶?shí)時(shí)內(nèi)核，所以μC/OS-II與商業(yè)嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核在性能上沒有什么差異，μC/OS-II沒有用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)，任務(wù)（線程）或中斷和任務(wù)切換的響應(yīng)可以很快，主要是和arm CPU相關(guān)的。最新的2.7x版本還增加了算法以避免在移植中修改堆棧指針，這樣可以保證μC/OS-II在不同的CPU上運(yùn)行更穩(wěn)定，移植更方便。μC/OS-II目前除了內(nèi)核外還有商業(yè)化文件系統(tǒng)μC/FS，圖形系統(tǒng)μC/GUI以及任務(wù)調(diào)試工具μC/KA和μC/View，但是μC/OS-II自己目前還沒有TCP/IP協(xié)議系統(tǒng)。
　
　　總的來說，μC/OS-II是一個(gè)非常容易學(xué)習(xí)，結(jié)構(gòu)簡單，功能完備和實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，適合于各種嵌入式應(yīng)用以及大專院校教學(xué)和科研。最后需要說明，μC/OS-II不是免費(fèi)軟件，任何人學(xué)習(xí)使用μC/OS-II需要購買《嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II》一書，使用μC/OS-II的產(chǎn)品需要購買產(chǎn)品生產(chǎn)授權(quán)，購買了此授權(quán)的還可以得到開發(fā)期間的技術(shù)支持和升級(jí)服務(wù)。
　
　　μCLinux操作系統(tǒng)μCLinux是Linux小型化后，適合于沒有MMU（內(nèi)存管理單元）的微處理器芯片而裁剪成的操作系統(tǒng)，如果ARM CPU系列中的ARM7 TDMI、arm940T等產(chǎn)品希望使用Linux操作系統(tǒng)，只能用μCLinux，當(dāng)然，μCLinux也支持Motorola Dragonball、Coldfire等其它中低端嵌入式處理器。
　
　　μCLinux保持了傳統(tǒng)Linux操作系統(tǒng)的主要特性，包括穩(wěn)定、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)和文件系統(tǒng)的支持，μCLinux裁剪了大量的Linux內(nèi)核以縮小尺寸，適合象512k/b RAM、1M/b Flash這樣小容量、低成本的嵌入式系統(tǒng)。μCLinux系統(tǒng)小型化的另一簡化是采用了μCLib庫替代Linux的Glib庫，使用μCLib可以大大減少應(yīng)用程序的代碼尺寸，對(duì)于中小型嵌入式應(yīng)用，μCLib功能可以滿足需要，所以目前即使是某些采用Linux 2.4.嵌入式Linux操作系統(tǒng)這里要討論的是可以嵌入在ARM CPU上的，具有MMU功能的Linux操作系統(tǒng)，也可以稱是嵌入式Linux操作系統(tǒng)。與微軟公司的軟件不一樣，Linux不是由一家公司所擁有、維護(hù)開發(fā)的，Linux在市場有多種發(fā)行版本，所有發(fā)行版本都包含一樣的Linux內(nèi)核、基本工具和應(yīng)用，不同的發(fā)行版本主要是在附加的工具鏈、應(yīng)用、配置以及各種內(nèi)核補(bǔ)丁上有所不同。嵌入式Linux主要是在實(shí)時(shí)性增強(qiáng)、內(nèi)核精簡和裁減、支持多種CPU結(jié)構(gòu)（如arm CPU）等方面做了改進(jìn)和提高。
　
　　使用嵌入式Linux系統(tǒng)有兩種途徑：第一是用戶自己裝配（稱為DIY內(nèi)核），你可以在www.kernel.org找到全部Linux代碼，或直接到arm CPU的源代碼樹下linux.org.uk>www.armlinux.org.uk找到所需要的Linux版本的移植，或者某些半導(dǎo)體公司，如三星、Motorola在自己的網(wǎng)站或在自己的arm評(píng)估板含有一個(gè)最小Linux內(nèi)核系統(tǒng)。如果這個(gè)最小內(nèi)核沒有包含GCC/GDB工具鏈，可能還要到GNU的網(wǎng)站下載全部的源代碼，然后再編譯生成所需要版本的arm工具鏈和應(yīng)用程序庫，這個(gè)過程是相當(dāng)耗時(shí)和困難的。還需要指出，這種DIY內(nèi)核的配置，添加應(yīng)用和驅(qū)動(dòng)程序也是不標(biāo)準(zhǔn)的和復(fù)雜的，這是嵌入式系統(tǒng)的特殊性所在。
　
　　第二是選擇一個(gè)商業(yè)化的嵌入式Linux操作系統(tǒng)平臺(tái)。商業(yè)化的嵌入式Linux版本是針對(duì)嵌入式處理器，如arm所優(yōu)化設(shè)計(jì)的，支持各種半導(dǎo)體廠家的評(píng)估板和主要的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，商業(yè)化的嵌入式Linux包含了文件系統(tǒng)、應(yīng)用、實(shí)時(shí)性擴(kuò)展和技術(shù)支持培訓(xùn)服務(wù)，現(xiàn)今國外著名的商業(yè)化嵌入式Linux產(chǎn)品有：MontaVista Linux、Bluecat Linux、Timesys Linux、Metrowork Linux、Vlinux和Redhat Linux等，

國內(nèi)也有紅旗、中軟、新華嵌入式Linux. MontaVista Linux是MontaVista軟件公司于1999年推出的，它是目前全球優(yōu)秀的嵌入式Linux操作系統(tǒng)和工具供應(yīng)商，MontaVista在嵌入式Linux的實(shí)時(shí)性、交叉開發(fā)工具、高可用性、動(dòng)態(tài)電源管理等Linux技術(shù)要點(diǎn)方面具有領(lǐng)先地位。MontaVista Linux最版本是3.1，采用Linux 2.4.20，針對(duì)8種CPU系列（包含arm和Xscale）優(yōu)化定制的商業(yè)化版本。
　
　　選擇象MontaVista Linux這樣商業(yè)化嵌入式Linux，可以讓用戶把時(shí)間和資金放在應(yīng)用軟件和特定的硬件接口和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，使用商業(yè)化嵌入式Linux可以得到一定時(shí)間（一般是1年）的技術(shù)支持，升級(jí)和培訓(xùn)（這很重要，因?yàn)長inux是每天都在變化的）。
　
　　商業(yè)化嵌入式Linux目前除國內(nèi)的產(chǎn)品外，價(jià)格還是很昂貴的，根據(jù)配置和服務(wù)時(shí)間，大約從幾千到幾萬美元，多數(shù)國內(nèi)用戶從資金和心理上還很難承受，商業(yè)化嵌入式Linux開發(fā)工具相對(duì)于Microsoft和象Tornado/VxWork的開發(fā)工具，在易于使用和豐富性方面還待于提高和改進(jìn)。
　
　　同樣作為Linux操作系統(tǒng)，筆者推薦使用帶有MMU的嵌入式Linux，而不是mCLinux，因?yàn)榻^大多數(shù)新的arm CPU都是AMR9核，它們都帶有MMU了，無論是開放源碼的Linux社區(qū)還是商業(yè)化的嵌入式Linux公司的支持和維護(hù)都比mCLinux要好要快和豐富得多。
　
　　結(jié)語前面我們對(duì)三種在ARM CPU上較為流行的嵌入式操作系統(tǒng)作了詳細(xì)的分析，在進(jìn)入一個(gè)總結(jié)之前，筆者還想提到幾個(gè)在國際上很有名氣的嵌入式操作系統(tǒng)，它們是WindRiver公司的VxWorks、ATI的Nucleus、iTron和WinCE，但它們?cè)赼rm CPU的應(yīng)用不多見，介紹從略。
　
　　最后歸納一下選擇一個(gè)合適的arm CPU的嵌入式操作系統(tǒng)的幾個(gè)重要因素：第一是應(yīng)用。如果你想開發(fā)的嵌入式設(shè)備是一個(gè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用密切相關(guān)或者就是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，那么你應(yīng)該選擇用嵌入式Linux或者mCLinux，而不是mC/OS-II.第二是實(shí)時(shí)性。沒有一個(gè)絕對(duì)的數(shù)字可以告訴你什么是硬實(shí)時(shí)，什么是軟實(shí)時(shí)，它們之間的界限也是十分模糊的，這與你選擇什么樣的arm CPU，它的主頻、內(nèi)存等參數(shù)有一定的關(guān)系。如果你使用加入實(shí)時(shí)補(bǔ)丁等技術(shù)的嵌入式Linux，如MontaVista Linux（2.4.17版本），最壞的情況只有436微秒，而99.9%的情況是195微秒?？紤]到最新的Linux在實(shí)時(shí)性方面的改進(jìn)。它可以適合于90~95%的各種嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。當(dāng)然，你如果希望更快的實(shí)時(shí)響應(yīng)，如高速的A/D轉(zhuǎn)換需要幾個(gè)微秒以內(nèi)的中斷延時(shí)，可能采用mC/OS-II是合適的。當(dāng)然，你采用象Vxworks這樣傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)也可以滿足這樣的強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求。
　
　　第三是開發(fā)工具。顯然，目前mC/OS-II、mCLinux和嵌入式Linux的開發(fā)工具與商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)工具還有一些差距，目前在ARM CPU上廣泛流行和使用的是ARM公司SDT/ADS工具鏈，產(chǎn)品無論在功能、穩(wěn)定性和眾多的第三方廠商支持方面都很好，唯一不足的是缺少對(duì)嵌入式Linux操作系統(tǒng)的支持，SDT/ADS的升級(jí)產(chǎn)品RealView計(jì)劃支持GCC和嵌入式Linux，但目前還沒有看到，mC/OS-II可以使用arm SDT/ADS，但沒有操作系統(tǒng)調(diào)試功能。
　
　　第四是所選擇的ARM CPU和參考板，象ARM7TDMI和arm940T（如S3C2500/2510）核是不能使用嵌入式Linux的，如果想用Linux，只能用mCLinux，如果想用VxWorks，

需要了解一下提供評(píng)估板的公司是否有BSP（板支持包），VxWorks自己只有少數(shù)arm公司評(píng)估板的支持。
　
　　最后是價(jià)格和技術(shù)服務(wù)。在考慮購買商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)時(shí)，會(huì)遇到是買還是自己做的問題，這是很正常的，尤其是在采用開放源代碼技術(shù)時(shí)，這個(gè)問題就更加突出。有一點(diǎn)需要注意的是，有些產(chǎn)品如VxWorks是既按用戶數(shù)收取開發(fā)費(fèi)，也按用戶產(chǎn)品售出的實(shí)際數(shù)量收取每個(gè)VxWorks軟件運(yùn)行的版稅。mC/OS-II只是收取每種產(chǎn)品一次性版稅（不限數(shù)量）。Linux無論是mCLinux還是嵌入式Linux（即使是商業(yè)版本象MontaVista Linux）是不收版稅的，商用嵌入式Linux是以服務(wù)費(fèi)或訂閱方式收取開發(fā)時(shí)的費(fèi)用。很明顯，國外產(chǎn)品價(jià)格是貴一些，但不能不承認(rèn)他們?cè)谇度胧讲僮飨到y(tǒng)的技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在前方。