如何選擇ARM CPU的操作系統(tǒng)

       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(kāi)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(kāi)發(fā)工具，如ARM公司的SDT/ADS和RealView等,也可以使用開(kāi)發(fā)軟件，如GCC/GDB、KDE或Eclipe開(kāi)發(fā)環(huán)境，市場(chǎng)上還有專(zhuān)用的開(kāi)發(fā)工具，如Tornado、mC/View、mC/KA、CODE/Lab、Metroworks等。 

       本文就目前國(guó)內(nèi)在ARM CPU上廣泛采用的三種嵌入式操作系統(tǒng)(uCOS-II、uCLinux和嵌入式Linux)作分析。

       uCOS-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uCOS-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。uCOS-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。uCOS-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。

       uCOS-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)。

       uCOS-II因?yàn)槭强蓳屨嫉膶?shí)時(shí)內(nèi)核，所以u(píng)COS-II與商業(yè)嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核在性能上沒(méi)有什么差異，uCOS-II沒(méi)有用戶(hù)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uCOS-II在不同的CPU上運(yùn)行更穩(wěn)定，移植更方便。uCOS-II目前除了內(nèi)核外還有商業(yè)化文件系統(tǒng)mC/FS，圖形系統(tǒng)uC/GUI以及任務(wù)調(diào)試工具uC/KA和uC/View，但是uC/OS-II自己目前還沒(méi)有TCP/IP協(xié)議系統(tǒng)。

       總的來(lái)說(shuō)，uCOS-II是一個(gè)非常容易學(xué)習(xí)，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，適合于各種嵌入式應(yīng)用以及大專(zhuān)院校教學(xué)和科研。最后需要說(shuō)明，uCOS-II不是免費(fèi)軟件，任何人學(xué)習(xí)使用uCOS-II需要購(gòu)買(mǎi)《嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uCOS-II》一書(shū)，使用uCOS-II的產(chǎn)品需要購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品生產(chǎn)授權(quán)，購(gòu)買(mǎi)了此授權(quán)的還可以得到開(kāi)發(fā)期間的技術(shù)支持和升級(jí)服務(wù)。

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       uCLinux操作系統(tǒng)

       uCLinux是Linux小型化后，適合于沒(méi)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uCLinux，當(dāng)然，uCLinux也支持Motorola Dragonball、Coldfire等其它中低端嵌入式處理器。

       uCLinux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，uCLinux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)。uCLinux系統(tǒng)小型化的另一簡(jiǎn)化是采用了uCLib庫(kù)替代Linux的Glib庫(kù)，使用uCLib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，uCLib功能可以滿(mǎn)足需要，所以目前即使是某些采用Linux 2.4內(nèi)核的嵌入式Linux系統(tǒng)也采用uCLib庫(kù)的做法。uCLinux中，由于沒(méi)有內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，應(yīng)用代碼一般采用靜態(tài)連接的方式，而且在uCLinux中采用Flat文件執(zhí)行格式(Linux是Coff或Elf格式), uCLinux和應(yīng)用代碼都可以支持固化，存儲(chǔ)在Flash存儲(chǔ)介質(zhì)中，不需象Linux需要經(jīng)過(guò)一次Flash到RAM的拷貝。所有這些，使得uCLinux更象傳統(tǒng)意義上的嵌入式操作系統(tǒng)。

       uCLinux是由Linux 2.0.38內(nèi)核開(kāi)始移植的，目前已經(jīng)有2.4 Linux支持的一些移植的版本，如S3C2500、44B0等ARM芯片，可以在uCLinux的官方網(wǎng)站www.uclinux.org上找到這些版本，uCLinux近期主要是在發(fā)展各種2.4.x版本的移植，以期跟上Linux社會(huì)主流的發(fā)展趨勢(shì)(因?yàn)榻窈驦inux 2.6將開(kāi)始成為主流的內(nèi)核)。 

       uCLinux主要是針對(duì)沒(méi)有MMU的嵌入式處理器開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，那么它也失去了有MMU所帶來(lái)的Linux操作系統(tǒng)的特色，比如，上面已經(jīng)提到的靜態(tài)加載(Linux支持動(dòng)態(tài)應(yīng)用的加載)，uCLinux對(duì)內(nèi)存操作是直接的物理內(nèi)存，這樣，任何程序的異常都可能導(dǎo)致內(nèi)核崩潰，uCLinux支持多線程，但需要父子線程協(xié)調(diào)同步，uCLinux的文件系統(tǒng)相對(duì)比較陳舊，支持的CPU和參考設(shè)計(jì)還比較少，社區(qū)的發(fā)展和維護(hù)也相對(duì)緩慢。目前uCLinux官方網(wǎng)站還很少看見(jiàn)象IBM、Intel這樣的大型公司身影，只有2~3家小型的硬件或方案提供商，這對(duì)于商業(yè)化的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中采用是有一定的風(fēng)險(xiǎn)。

       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(chēng)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(kāi)發(fā)的，Linux在市場(chǎng)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(jiǎn)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。

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       使用嵌入式Linux系統(tǒng)有兩種途徑：

       第一是用戶(hù)自己裝配(稱(chēng)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(shù)下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(méi)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(kù)，這個(gè)過(guò)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(guó)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(guó)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)==叉開(kāi)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(hù)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(zhǎng)inux是每天都在變化的)。 

        商業(yè)化嵌入式Linux目前除國(guó)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(wàn)美元，多數(shù)國(guó)內(nèi)用戶(hù)從資金和心理上還很難承受，商業(yè)化嵌入式Linux開(kāi)發(fā)工具相對(duì)于Microsoft和象Tornado/VxWork的開(kāi)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L(zhǎng)inux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(wú)論是開(kāi)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。

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       結(jié)語(yǔ)

       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(guó)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)贏RM CPU的應(yīng)用不多見(jiàn)，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(kāi)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uCLinux，而不是uC/OS-II。

       第二是處理器。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?xún)?nèi)的中斷延時(shí)，可能采用uC/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(mǎn)足這樣的強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求。

       第三是開(kāi)發(fā)工具。顯然，目前uC/OS-II、uCLinux和嵌入式Linux的開(kāi)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(wú)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(méi)有看到，uC/OS-II可以使用ARM SDT/ADS，但沒(méi)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uCLinux，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(gòu)買(mǎi)商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)時(shí)，會(huì)遇到是買(mǎi)還是自己做的問(wèn)題，這是很正常的，尤其是在采用開(kāi)放源代碼技術(shù)時(shí)，這個(gè)問(wèn)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(hù)數(shù)收取開(kāi)發(fā)費(fèi)，也按用戶(hù)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。uC/OS-II只是收取每種產(chǎn)品一次性版稅(不限數(shù)量)。Linux無(wú)論是uCLinux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(kāi)發(fā)時(shí)的費(fèi)用。很明顯，國(guó)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。