stm32跑的五種嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)及不足
STM32系列32位微控制器,基于ARM Cortex-M3處理器。它能支持32位廣泛的應(yīng)用,支持包括高性能、實(shí)時(shí)功能、數(shù)字信號(hào)處理,和低功耗、低電壓操作,同時(shí)擁有一個(gè)完全集成和易用的開發(fā)。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201811/394644.htm基于STM平臺(tái)且滿足實(shí)時(shí)控制要求的操作系統(tǒng),有以下4種可供選擇。分別為μC/OS-II、μClinux、eCos、FreeRTOS和都江堰操作系統(tǒng)(djyos)。下面分別介紹這五種嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)及不足。
1、μC/OS-II
μC/OS-II 是一種基于優(yōu)先級(jí)的搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),包含了實(shí)時(shí)內(nèi)核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步(信號(hào)量,郵箱,消息 隊(duì)列)和內(nèi)存管理等功能。它可以使各個(gè)任務(wù)獨(dú)立工作,互不干涉,很容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)而且無誤執(zhí)行,使實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易,使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程大為減化。
μC/OS-II是在μC/OS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,是用C語言編寫的一個(gè)結(jié)構(gòu)小巧、搶占式的多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核。μC/OS-II能管理64個(gè)任務(wù),并提供任務(wù)調(diào)度與管理、內(nèi)存管理、任務(wù)間同步與通信、時(shí)間管理和中斷服務(wù)等功能,具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。
對(duì)于實(shí)時(shí)性的滿足上,由于μC/OS-II內(nèi)核是針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的,所以只支持基于固定優(yōu)先級(jí)搶占式調(diào)度;調(diào)度方法簡(jiǎn)單,可以滿足較高的實(shí)時(shí)性要求。μC/OS-II 的鮮明特點(diǎn)就是源碼公開,便于移植和維護(hù)。
在內(nèi)存管理上,μC/OS-II把連續(xù)的大塊內(nèi)存按分區(qū)來管理,每個(gè)分區(qū)中都包含整數(shù)個(gè)大小相同的內(nèi)存塊,但不同分區(qū)之間內(nèi)存的大小可以不同。用戶動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存時(shí),只須選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)姆謪^(qū),按塊來分配內(nèi)存,釋放時(shí)將該塊放回到以前所屬的分區(qū),這樣就消除了因多次動(dòng)態(tài)分配和釋放內(nèi)存所引起的碎片問題。
μC/OS-II中斷處理比較簡(jiǎn)單。一個(gè)中斷向量上只能掛一個(gè)中斷服務(wù)子程序ISR,而且用戶代碼必須都在ISR(中斷服務(wù)程序)中完成。
ISR需要做的事情越多,中斷延時(shí)也就越長(zhǎng)。
內(nèi)核所能支持的最大嵌套深度為255。
在文件系統(tǒng)的支持方面,由于μC/OS-II是面向中小型嵌入式系統(tǒng)的,即使包含全部功能,編譯后內(nèi)核也不到10 KB,所以系統(tǒng)本身并沒有提供對(duì)文件系統(tǒng)的支持。但是μC/OS-II具有良好的擴(kuò)展性能,如果需要也可自行加入文件系統(tǒng)的內(nèi)容。
在對(duì)硬件的支持上,μC/OS-II能夠支持當(dāng)前流行的大部分CPU,μC/OS-II由于本身內(nèi)核就很小,經(jīng)過裁剪后的代碼最小可以為2KB,所需的最小數(shù)據(jù)RAM空間為4 KB,μC/OS-II的移植相對(duì)比較簡(jiǎn)單,只需要修改與處理器相關(guān)的代碼就可以。
綜上可知,μC/OS-II是一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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,針對(duì)于沒有MMU功能的CPU,它是非常合適的。它需要很少的內(nèi)核代碼空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間,擁有良好的實(shí)時(shí)性,良好的可擴(kuò)展性能,并且是開源的,網(wǎng)上擁有很多的資料和實(shí)例,所以很適合向STM32上移植。
2、μClinux
μClinux是一個(gè)完全符合GNU/GPL公約的操作系統(tǒng),完全開放源代碼,現(xiàn)在由Line公司支持維護(hù)。
μClinux是一種優(yōu)秀的嵌入式Linux版本,其全稱為micro-control Linux,從字面意思看是指微控制Linux。同標(biāo)準(zhǔn)的Linux相比,μClinux的內(nèi)核非常小,但是它仍然繼承了Linux操作系統(tǒng)的主要特性,包括良好的穩(wěn)定性和移植性、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能、出色的文件系統(tǒng)支持、標(biāo)準(zhǔn)豐富的API,以及TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。因?yàn)闆]有MMU內(nèi)存管理單元,所以其多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)需要一定技巧。
μClinux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,分為實(shí)時(shí)進(jìn)程和普通進(jìn)程,分別采用先來先服務(wù)和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度,僅針對(duì)中低檔嵌入式CPU特點(diǎn)進(jìn)行改良,且不支持內(nèi)核搶占,實(shí)時(shí)性一般。
在內(nèi)存管理上由于μClinux是針對(duì)沒有MMU的處理器設(shè)計(jì)的,不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù),只能采用實(shí)存儲(chǔ)器管理策略。系統(tǒng)使用分頁內(nèi)存分配方式,在啟動(dòng)時(shí)對(duì)實(shí)際存儲(chǔ)器進(jìn)行分頁。系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存的訪問是直接的,操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存空間沒有保護(hù),多個(gè)進(jìn)程可共享一個(gè)運(yùn)行空間,所以,即使是一個(gè)無特權(quán)進(jìn)程調(diào)用一個(gè)無效指針也會(huì)觸發(fā)一個(gè)地址錯(cuò)誤,并有可能引起程序崩潰甚至系統(tǒng)崩潰。
μClinux操作系統(tǒng)的中斷管理是將中斷處理分為兩部分:頂半處理和底半處理。在頂半處理中,必須關(guān)中斷運(yùn)行,且僅進(jìn)行必要的、非常少、速度快的處理,其他處理交給底半處理;底半處理執(zhí)行那些復(fù)雜、耗時(shí)的處理,而且接受中斷。因?yàn)橄到y(tǒng)中存在有許多中斷的底半處理,所以會(huì)引起系統(tǒng)中斷處理的延時(shí)。
μClinux對(duì)文件系統(tǒng)支持良好,由于μClinux繼承了Linux完善的文件系統(tǒng)性能,它支持ROMFS、NFS、ext2、MS-DOS、JFFS等文件系統(tǒng)。但一般采用ROMFS文件系統(tǒng),這種文件系統(tǒng)相對(duì)于一般的文件系統(tǒng)(如ext2)占用更少的空間。但是ROMFS文件系統(tǒng)不支持動(dòng)態(tài)擦寫保存,對(duì)于系統(tǒng)需要?jiǎng)討B(tài)保存的數(shù)據(jù)須采用虛擬RAM盤/JFFS的方法進(jìn)行處理。
在對(duì)硬件的支持上,由于μClinux繼承了Linux的大部分性能,所以至少需要512KB的RAM空間,lMB的ROM/Flash空間。
在μClinux的移植方面,μClinux是Linux針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的一種改良,其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。移植μClinux,目標(biāo)處理器除了需要修改與處理器相關(guān)的代碼外,還需要足夠容量的外部ROM和RAM。
綜上可知,μClinux最大特點(diǎn)在于針對(duì)無MMU處理器設(shè)計(jì),這對(duì)于沒有MMU功能的stm32f103來說是合適的,但移植此系統(tǒng)需要至少512KB的RAM空間,1MB的ROM/FLASH空間,而stmf103擁有256K的FLASH,需要外接存儲(chǔ)器,這就增加了硬件設(shè)計(jì)的成本。μClinux結(jié)構(gòu)復(fù)雜,移植相對(duì)困難,內(nèi)核也較大,其實(shí)時(shí)性也差一些,若開發(fā)的嵌入式產(chǎn)品注重文件系統(tǒng)和與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用則μClinux是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
3、eCos
eCos(embedded Configurable operaTIng system),中文翻譯為嵌入式可配置操作系統(tǒng)或嵌入式可配置實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。適合于深度嵌入式應(yīng)用,主要應(yīng)用對(duì)象包括消費(fèi)電子、電信、車載設(shè)備、手持設(shè)備以及其他一些低成本和便攜式應(yīng)用。它是一個(gè)源代碼開放的可配置、可移植、面向深度嵌入式應(yīng)用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。最大特點(diǎn)是配置靈活,采用模塊化設(shè)計(jì),核心部分由小同的組件構(gòu)成,包括內(nèi)核、C語言庫(kù)和底層運(yùn)行包等。每個(gè)組件可提供大量的配置選項(xiàng)(實(shí)時(shí)內(nèi)核也可作為可選配置),使用eCos提供的配置工具可以很方便地配置,并通過不同的配置使得eCos能夠滿足不同的嵌入式應(yīng)用要求。
在實(shí)時(shí)性反面,由于eCos調(diào)度方法豐富,提供了兩種基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度器(即位圖調(diào)度器和多級(jí)隊(duì)列調(diào)度器),允許用戶在進(jìn)行配置時(shí)選擇其中一個(gè)調(diào)度器,適應(yīng)性好。因此在實(shí)時(shí)性方面表現(xiàn)良好。
在內(nèi)存管理上eCos對(duì)內(nèi)存分配既不分段也不分頁,而是采用一種基于內(nèi)存池的動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配機(jī)制。通過兩種內(nèi)存池來實(shí)現(xiàn)兩種內(nèi)存管理方法:一種是變長(zhǎng)的內(nèi)存池;另一種是定長(zhǎng)的內(nèi)存池,類似于VxWorks的管理方案。
在中斷管理上eCos使用了分層式中斷處理機(jī)制,把中斷處理分為傳統(tǒng)的ISR(中斷服務(wù)程序)和滯后中斷服務(wù)程序DSR(遞延服務(wù)程序)。類似于μClinux的處理機(jī)制,這種機(jī)制可以在中斷允許時(shí)運(yùn)行DSR,因此在處理較低優(yōu)先級(jí)中斷時(shí)允許高優(yōu)先級(jí)的中斷和處理。為了極大地縮短中斷延時(shí),ISR應(yīng)當(dāng)可以快速運(yùn)行。如果中斷引起的服務(wù)量少,則ISR可以單獨(dú)處理中斷;如果中斷服務(wù)復(fù)雜,則ISR只屏蔽中斷源,然后交由DSR(遞延服務(wù)程序)處理。
eCos操作系統(tǒng)的可配置性非常強(qiáng)大,用戶可以自己加入所需的文件系統(tǒng)。eCos操作系統(tǒng)同樣支持當(dāng)前流行的大部分嵌入式CPU,eCos操作系統(tǒng)可以在16位、32位和64位等不同體系結(jié)構(gòu)之間移植。eCos由于本身內(nèi)核就很小,經(jīng)過裁剪后的代碼最小可以為10 KB,所需的最小數(shù)據(jù)RAM空間為10 KB。
在系統(tǒng)移植方面 eCos操作系統(tǒng)的可移植性很好,要比μC/OS-II和μClinux容易。
綜上所述,eCos最大特點(diǎn)是配置靈活,并且支持無MMU的CPU的移植,開源且具有很好的移植性,也比較合適于移植到STM32平臺(tái)的CPU上。但eCOS的應(yīng)用還不是太廣泛,還沒有像μC/OS-II那樣普遍,并且資料也沒有μC/OS-II多。eCos適合用于一些商業(yè)級(jí)或工業(yè)級(jí)對(duì)成本敏感的嵌入式系統(tǒng),例如消費(fèi)電子領(lǐng)域中的一些應(yīng)用。
4、都江堰操作系統(tǒng)(djyos)
都江堰操作系統(tǒng),簡(jiǎn)稱djyos,得名于一個(gè)偉大的水利工程:都江堰。
與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)不同,djyos不是以線程而是以事件為調(diào)度核心,這種調(diào)度算法使程序員擺脫模擬計(jì)算機(jī)執(zhí)行過程編寫程序的思維方式,而是按人類認(rèn)知世界的方式編寫應(yīng)用程序,就如同在嵌入式編程中引入了VC似的。djyos的調(diào)度算法使程序員可以擺脫線程和進(jìn)程的束縛,djyos沒有有關(guān)線程的api,一個(gè)完全不懂線程知識(shí)的程序員也可以順利地在djyos下編寫應(yīng)用程序。
djyos是一個(gè)全新的操作系統(tǒng),它與現(xiàn)有的任何操作系統(tǒng)都沒有親緣關(guān)系,在構(gòu)成操作系統(tǒng)的幾個(gè)重要方面:調(diào)度器、中斷管理、設(shè)備管理、資源管理等方面,都又非常突出的創(chuàng)新,甚至是理論創(chuàng)新。通過這些創(chuàng)新,djyos能為應(yīng)用程序設(shè)計(jì)者提供非常突出的特點(diǎn):
(1)在調(diào)度器方面,可以說是徹底革新,它幾乎顛覆了傳統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)模式。對(duì)嵌入式編程來說,幾乎是革命性的進(jìn)步,它以事件為核心的調(diào)度方式,改變了過去操作系統(tǒng)要求程序員模擬計(jì)算機(jī)的思維方式的編程模式,使之可以按人類的思維方式編寫應(yīng)用程序;它使程序員可以擺脫線程和進(jìn)程的束縛,djyos沒有跟線程相關(guān)的API。特別是在嵌入式領(lǐng)域的程序員,有許多是行業(yè)背景很深的專家,但往往缺乏計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)方面的知識(shí),他們?cè)赿jyos下編程,則可以無需學(xué)習(xí)晦澀難懂的線程知識(shí)。
(2)天然匹配多核和分布式計(jì)算,djyos的調(diào)度算法是以事件為核心的,應(yīng)用程序只管為事件編制處理程序,而線程和CPU核則被當(dāng)做處理事件必須的資源,由操作系統(tǒng)分配給事件,這種算法天生使多核編程更加簡(jiǎn)單,多核利用率更高。眾多周知,目前CPU正往多核化發(fā)展,嵌入式CPU甚至DSP也是如此,比如ADI公司的blackfin561就是一顆只有幾十KB內(nèi)存的雙核DSP,djyos有計(jì)劃移植到blackfin561上,有望成為第一個(gè)在只有幾十KB內(nèi)存的CPU上實(shí)現(xiàn)對(duì)雙核的完美支持的RTOS。
(3)創(chuàng)新的加載方式和中斷管理模塊,可以實(shí)現(xiàn)比所有操作系統(tǒng)都快的中斷響應(yīng)速度,并且在CPU啟動(dòng)后數(shù)十uS以內(nèi),應(yīng)用程序的關(guān)鍵部分就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的控制,在操作系統(tǒng)加載過程中,就可以響應(yīng)應(yīng)用程序的中斷ISR。
(4)實(shí)時(shí)的內(nèi)存管理,在操作系統(tǒng)組件中,通常認(rèn)為malloc函數(shù)是非實(shí)時(shí)組件,因?yàn)榧词褂谐渥愕膬?nèi)存,malloc函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間也不可預(yù)計(jì),不符合實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求執(zhí)行時(shí)間和結(jié)果均可預(yù)計(jì)的原則。但是djyos的內(nèi)存管理,只要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)配備充足的內(nèi)存,malloc的執(zhí)行時(shí)間是快速而且可以預(yù)計(jì)的,而在只運(yùn)行一個(gè)應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中,內(nèi)存不枯竭是容易做到的。
(5)為項(xiàng)目經(jīng)理和系統(tǒng)工程師量身定制的系統(tǒng)架構(gòu),為工程師量身定制的API設(shè)置,特別利于系統(tǒng)工程師劃分項(xiàng)目模塊,利于項(xiàng)目經(jīng)理組建和管理團(tuán)隊(duì),利于工程師編寫利于維護(hù)的代碼。
djysiV0.4.2發(fā)布,增加STM32版本的支持,能夠移植到cortex-m3 上(芯片為 stm32f103 )。該系統(tǒng)適合于工業(yè)控制。系統(tǒng)源代碼開放,但并不是永久免費(fèi)。
評(píng)論