三種通用嵌入式操作系統(tǒng)的分析與比較

摘要：本文介紹了三種通用的嵌入式操作系統(tǒng) VxWorks、Windows CE、Linux以及它們的各自的特點(diǎn)，并通過比較他們的優(yōu)缺點(diǎn)分析他們各自適應(yīng)的領(lǐng)域。

1嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。作為嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，嵌入式操作系統(tǒng) EOS(Embedded Operating System)是隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展而出現(xiàn)的，是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物。嵌入式操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，大大提高了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)效率，同時(shí)也促進(jìn)了嵌入式的發(fā)展。

嵌入式操作系統(tǒng)并不是簡(jiǎn)單嵌入的操作系統(tǒng)，它除了具有通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)外，在小巧、實(shí)時(shí)性、可裝卸、可固化代碼、強(qiáng)穩(wěn)定性、弱交互性、具備統(tǒng)一接口等方面有突出的特點(diǎn)。 2三種典型 EOS分析

作為在嵌入式操作系統(tǒng)市場(chǎng)通用的三種系統(tǒng)，Linux 、VxWorks 、Windows CE在實(shí)時(shí)性、內(nèi)核大小、調(diào)度算法、通信能力和開發(fā)環(huán)境等方面都有自己的特點(diǎn)，下面就對(duì)這幾種系統(tǒng)的特點(diǎn)做一分析。

2.1 VxWorks

VxWorks操作系統(tǒng)是美國(guó) WindRiver公司于 1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，依據(jù)其良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通訊、軍事演習(xí)、彈道制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等。應(yīng)用實(shí)例包括美國(guó)的 F-16、FA-18戰(zhàn)斗機(jī)、B-2 隱形轟炸機(jī)、火星探測(cè)器、愛國(guó)者導(dǎo)彈等。

VxWorks的特點(diǎn)有：

1)高實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)性是指能夠在限定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行完規(guī)定的功能并對(duì)外部的異步事件作出響應(yīng)的能力。實(shí)時(shí)性的強(qiáng)弱是以完成規(guī)定功能和作出響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短來衡量的。

VxWorks 的實(shí)時(shí)性做得非常好，其系統(tǒng)本身的開銷很小，進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信、中斷處理等系統(tǒng)公用程序精練而有效，它們?cè)斐傻难舆t很短。 VxWorks 的任務(wù)調(diào)度策略以可搶占式調(diào)度( Preemptive Priority Scheduling)為基礎(chǔ)，輔以時(shí)間輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法( Round-Robin Scheduling)機(jī)制。這一調(diào)度算法使得 VxWorks 能夠及時(shí)響應(yīng)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。而同級(jí)任務(wù)間則可選擇時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法使多個(gè)同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)并發(fā)執(zhí)行。

2)可裁剪性 VxWorks的可裁剪性，可以使開發(fā)者根據(jù)自己應(yīng)用程序的需要來選擇操作系統(tǒng)中部件，用戶沒用到的功能模塊都可以去掉。

VxWorks 由一個(gè)體積很小的內(nèi)核及一些可以根據(jù)需要進(jìn)行定制的系統(tǒng)模塊組成。 VxWorks 內(nèi)核最小為 8kB，即便加上其它必要模塊，所占用的空間也很小，且不失其實(shí)時(shí)、多任務(wù)的系統(tǒng)特征。由于它的高度靈活性，用戶可以很容易地對(duì)這一操作系統(tǒng)進(jìn)行定制或作適當(dāng)開發(fā)，來滿足自己的實(shí)際應(yīng)用需要。

3)友好的開發(fā)調(diào)試環(huán)境

VxWorks的開發(fā)環(huán)境 Tornado是一個(gè)友好的開發(fā)環(huán)境，它可以運(yùn)行在多種主機(jī)上，包括 Sun、HP、Dec、MIPS等，主機(jī)的操作系統(tǒng)則支持 Unix、Windows NT等。系統(tǒng)使用的流行圖形界面方便使用者較快地理解和掌握。 VxWorks支持應(yīng)用程序的動(dòng)態(tài)鏈接和動(dòng)態(tài)下載，使開發(fā)者省去了每次調(diào)試都將應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行鏈接和下載的步驟，縮短了編輯調(diào)試的周期。而 VxWorks具有的可視化圖形界面的調(diào)試工具，也很大程度地方便了開發(fā)者的調(diào)試工作。

2.2 Windows CE

Windows CE(下稱 Wince)是微軟開發(fā)的一個(gè)源碼開放的、緊湊的、高效和可擴(kuò)展的操作系統(tǒng)，適用于各種嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品。它擁有多線程、多任務(wù)、確定性的實(shí)時(shí)、完全搶先式優(yōu)先級(jí)的操作系統(tǒng)環(huán)境，專門面向只有有限資源的硬件環(huán)境。同時(shí)，它的模塊化設(shè)計(jì)方式使得系統(tǒng)開發(fā)人員和應(yīng)用開發(fā)人員能夠?yàn)槎喾N多樣的產(chǎn)品來定制它，例如手持電腦、專用的工業(yè)控制器以及消費(fèi)用電子產(chǎn)品等。

Wince除了具有 Windows系統(tǒng)的許多共性外，又具有嵌入式系統(tǒng)所要求的實(shí)時(shí)性、內(nèi)存小等特性。同時(shí) Embedded Visual C++給嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序的開發(fā)提供了極大的方便。因此，利用 Wince開發(fā)嵌入式系統(tǒng)或裝置不僅可以獲得最好的性能，而且可以縮短開發(fā)周期和降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

Wince的特點(diǎn)有：

1)實(shí)時(shí)性支持

Wince的實(shí)時(shí)性支持包括以下內(nèi)容：支持嵌套的中斷，這可以讓高優(yōu)先級(jí)的中斷立即被響應(yīng);更好的線程響應(yīng)，高優(yōu)先級(jí)的中斷服務(wù)線程調(diào)度延遲的上限更加緊了，這可以讓開發(fā)人員知道線程調(diào)度轉(zhuǎn)換發(fā)生的時(shí)間，通過提高監(jiān)視和控制硬件的能力開發(fā)新的嵌入式應(yīng)用程序;更多的優(yōu)先級(jí)別， 256個(gè)優(yōu)先級(jí)別給予開發(fā)人員更大的靈活性來控制嵌入式系統(tǒng)的調(diào)度;以及更好的控制，對(duì)線程時(shí)間片級(jí)的控制可以支持對(duì)調(diào)度機(jī)制更大的控制。

2)內(nèi)核大小

WinCE的內(nèi)核可以很小，最小內(nèi)核可以不足 350kB，因?yàn)橄到y(tǒng)的大部分功能都在各自的功能模塊中實(shí)現(xiàn)。不過，它是 WinCE操作系統(tǒng)真正的核心，主要完成 6類功能，即處理器調(diào)度、內(nèi)存管理、異常處理、系統(tǒng)內(nèi)的通信機(jī)制、為其他部分提供核心調(diào)用例程、為系統(tǒng)范圍內(nèi)的調(diào)試提供支持。

3)擁有良好的通信能力

Wince對(duì)通信的支持是十分靈活的，可完成的通信任務(wù)包括：從網(wǎng)絡(luò)或臺(tái)式機(jī)下載文件;基于Wince的設(shè)備之間的信息交換;發(fā)送和接收電子郵件;向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù);瀏覽Internet;閱讀條形碼等。為了實(shí)現(xiàn)這些不同的通信要求，Wince能支持多種通信硬件，如串行電纜、紅外線收發(fā)器，無線收發(fā)器、調(diào)制解調(diào)器和條形碼閱讀器等。 Wince支持兩種基本的通信技術(shù)：串行通信和網(wǎng)絡(luò)通信。

4)支持超過 1400個(gè) Win32 API

有了這些 API，開發(fā)者就能利用大量其他的編程資源、工具、軟件例子以及文檔來進(jìn)行開發(fā)工作，降低了培訓(xùn)成本，縮短了進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間。

5)模塊化設(shè)計(jì)方法

Wince的模塊化設(shè)計(jì)使得它能夠在大量的平臺(tái)上定制使用，開發(fā)者可以使用滿足平臺(tái)系統(tǒng)需求的最小軟件模塊和組件集合來設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)，從而使內(nèi)存用量最小并最大可能地提供操作系統(tǒng)的性能。

2.3 Linux

Linux是 Unix操作系統(tǒng)的克隆，可以免費(fèi)使用，遵循 GPL聲明，可以自由修改和傳播，是一個(gè)自由的操作系統(tǒng)。Linux起源于芬蘭一個(gè)名為 Linus Torvalds的業(yè)余愛好，但是現(xiàn)在已經(jīng)是最為流行的一款開放源代碼的操作系統(tǒng)。從 1991年問世到現(xiàn)在， Linux已發(fā)展成為一個(gè)功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)完善的操作系統(tǒng)，不僅能夠運(yùn)行于 PC平臺(tái)，還在嵌入式系統(tǒng)方面大放光芒，這與 Linux具有的良好特性是分不開的。簡(jiǎn)單的說，嵌入式 Linux操作系統(tǒng)具有以下主要特性：

1 )內(nèi)核可裁剪，多任務(wù)支持、多用戶支持，性能高、穩(wěn)定性好。

2 )開放的源代碼，豐富的軟件資源，廣泛軟件開發(fā)者的支持，價(jià)格低廉。

3)良好的可移植性。可移植性是指將操作系統(tǒng)從一個(gè)平臺(tái)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)平臺(tái)使它仍然能按其自身的方式運(yùn)行的能力。Linux是一種可移植的操作系統(tǒng)，為運(yùn)行 Linux的不同計(jì)算機(jī)平臺(tái)與其他任何機(jī)器進(jìn)行準(zhǔn)確有效的通信提供了手段，不需要另外增加特殊的通信接口。

4)可以運(yùn)行在許多硬件平臺(tái)上。目前 Linux已經(jīng)可以在數(shù)十種 32位和 64位芯片中運(yùn)行，他們包括 Intel X86、Intel XScale、ARM、PowerPC、MIPS、ALPHA、SPARC等。而且能支持對(duì)稱多處理器(SMP)的機(jī)器。

5)不僅可以運(yùn)行許多自由發(fā)布的應(yīng)用軟件，還可以運(yùn)行許多商品化的應(yīng)用軟件。目前有越來越多的應(yīng)用程序廠商支持 Linux，而且通過各種仿真軟件， Linux系統(tǒng)還可以運(yùn)行許多其他操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，如 Windows等。

6)可靠的系統(tǒng)安全。 Linux采取了許多安全技術(shù)措施，包括對(duì)讀、寫進(jìn)行權(quán)限控制、帶保護(hù)的子系統(tǒng)、審計(jì)跟蹤、核心授權(quán)等，這為網(wǎng)絡(luò)多用戶環(huán)境中的用戶提供了必要的安全保障。

7)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能。 Linux誕生、成長(zhǎng)于網(wǎng)絡(luò)，自身的網(wǎng)絡(luò)功能相當(dāng)強(qiáng)大，具有內(nèi)置的 TCP/IP協(xié)議棧，可以提供 FTP、PPP、Telnet、WWW等服務(wù);同時(shí)還可以通過應(yīng)用程序向其他系統(tǒng)提供服務(wù)，例如向其他 Windows用戶提供類似于網(wǎng)絡(luò)鄰居的 Samba文件服務(wù)。

8)常用嵌入式芯片的驅(qū)動(dòng)集，支持大量的周邊硬件設(shè)備，驅(qū)動(dòng)豐富。

9)針對(duì)嵌入式的存儲(chǔ)方案，提供實(shí)時(shí)版本如 RT Linux和完善的嵌入式解決方案。完善的中文支持，強(qiáng)大的技術(shù)支持，完整的文檔。 3三種嵌入式操作系統(tǒng)的比較

Linux與嵌入式 VxWorks的比較

VxWorks作為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其在通信、國(guó)防和工業(yè)上的應(yīng)用有著很大的優(yōu)勢(shì)，但是其昂貴的費(fèi)用也一定程度上使用戶望而卻步。我們從下面六個(gè)方面對(duì) Linux和 VxWorks進(jìn)行比較。

1)實(shí)時(shí)性

VxWorks實(shí)時(shí)性在三種操作系統(tǒng)中是最強(qiáng)的，Linux的實(shí)時(shí)性需要改進(jìn)，可用 RT-Linux及 RTAI等模塊彌補(bǔ)。

2)內(nèi)核大小VxWorks內(nèi)核最小為 8kB，即便加上其它必要模塊，所占用的空間也很小，Linux核心從幾十 KB到500KB。整個(gè)嵌入式環(huán)境最小才 100KB左右，并且以后還將越來越小。

1 )購(gòu)買費(fèi)用 Linux是免費(fèi)的，可以從網(wǎng)上下載內(nèi)核，而VxWorks必須購(gòu)買，且價(jià)格不菲。

2 )技術(shù)支持

Linux有全世界的自由軟件開發(fā)者提供支持，而 VxWorks由開發(fā)商一家提供有限的技術(shù)支持。

5)應(yīng)用軟件移植

Linux比較容易，代碼開放，有許多應(yīng)用軟件支持，而 VxWorks因?yàn)樵S多是封閉系統(tǒng)，所以應(yīng)用軟件移植方面較差。

6)應(yīng)用領(lǐng)域

由于 Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)及功能等原因，嵌入式Linux 應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，特別適于進(jìn)行信息家電的開發(fā)，VxWorks作為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其在通信、國(guó)防和工業(yè)上的應(yīng)用有著很大的優(yōu)勢(shì)。

Linux與嵌入式 Wince的比較 Linux與 Wince在實(shí)際的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用上有各自的優(yōu)勢(shì)，下面從九個(gè)方面對(duì)它們進(jìn)行比較：

1)開源方面

Linux是開放源代碼的，不在存黑箱技術(shù)，遍布全球的眾多 Linux愛好者都是 Linux開發(fā)者的強(qiáng)大技術(shù)支持者，Linux的源代碼隨處可得，注釋豐富，文檔齊全，易于解決各種問題;而 Windows CE是非開放性O(shè)S，使第三方很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品定制。

2)內(nèi)核大小

Linux的內(nèi)核小、效率高;而 Windows CE在這方面是笨拙的，占用過多的RAM，應(yīng)用程序龐大。

3)費(fèi)用方面

Linux是開放源代碼的OS，在價(jià)格上極具競(jìng)爭(zhēng)力，適合中國(guó)國(guó)情。Windows CE的版權(quán)費(fèi)用是廠家不得不考慮的因素。

4)支持平臺(tái)

Linux不僅支持 x86芯片，還是一個(gè)跨平臺(tái)的系統(tǒng)。到目前為止，它可以支持20～30種CPU。

5)網(wǎng)絡(luò)功能

Linux內(nèi)核的結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)方面是非常完整的，它提供了對(duì)包括十兆位、百兆位及千兆位的以太網(wǎng)絡(luò)，還有無線網(wǎng)絡(luò)、Token ring(令牌環(huán))和光纖甚至衛(wèi)星的支持。

6)可裁剪性

Linux在內(nèi)核結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中考慮適應(yīng)系統(tǒng)的可裁減性的要求，Windows CE在內(nèi)核結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中并未考慮適應(yīng)系統(tǒng)的高度可裁減性的要求。

1 )開發(fā)難度 Linux開發(fā)難度較高，需要很高的技術(shù)實(shí)力。

2 )調(diào)試工具 Linux調(diào)試工具不全，調(diào)試不太方便，尚沒有很好的用戶圖形界面。

3 )占用內(nèi)存

嵌入式 Linux占用較大的內(nèi)存，當(dāng)然，人們可以去掉部分無用的功能來減小使用的內(nèi)存，但是如果不仔細(xì)，將引起新的問題。

4 結(jié)論

隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的持續(xù)升溫，嵌入式操作系統(tǒng)得到了蓬勃發(fā)展，Linux、Wince、VxWorks這三種嵌入式操作系統(tǒng)也憑借著自身的特點(diǎn)，不同的用途在嵌入式市場(chǎng)上各顯神通。在中國(guó)，嵌入式操作系統(tǒng)可分為兩大類型：一類是自主版權(quán)的操作系統(tǒng)，如“女媧Hopen”、桑夏2000、DeltaOS操作系統(tǒng)等，另一類是基于 Linux的操作系統(tǒng)。近年來，嵌入式 Linux在中國(guó)發(fā)展很快，其中，中軟Linux、紅旗Linux、東方 Linux是業(yè)界的代表。如今嵌入式操作系統(tǒng)尚未形成統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，而 Linux憑借著源代碼的開放性，眾多的技術(shù)支持，低廉的價(jià)格等一系列特征為我們開發(fā)國(guó)產(chǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)提供了方便，因此，我國(guó)本土的操作系統(tǒng)也有機(jī)會(huì)在這個(gè)未成熟的市場(chǎng)上與國(guó)外抗衡，占領(lǐng)越來越多的市場(chǎng)份額。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：本文研究的是基于世界目前上三種通用的嵌入式操作系統(tǒng)，關(guān)于它們各自的特點(diǎn)以及應(yīng)用的場(chǎng)合在國(guó)內(nèi)國(guó)外的研究已經(jīng)非常成熟，但是將三種系統(tǒng)進(jìn)行比較從而使人更好地對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)的選擇有個(gè)清晰的了解則很少人對(duì)此進(jìn)行研究，本文正是基于這點(diǎn)不足而進(jìn)行的。