幾種嵌入式實時操作系統(tǒng)的分析與比較

VxWorks、μClinux、μC／OS-II和eCos是4種性能優(yōu)良并被廣泛應(yīng)用的實時操作系統(tǒng)。本文通過對這4種操作系統(tǒng)的主要性能進(jìn)行分析與比較，歸納出它們的選型依據(jù)和適用領(lǐng)域。

1 4種操作系統(tǒng)的介紹
(1)VxWorks
VxWorks是美國WindRiver公司的產(chǎn)品，是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中應(yīng)用很廣泛，市場占有率比較高的嵌入式操作系統(tǒng)。VxWorks實時操作系統(tǒng)由400多個相對獨(dú)立、短小精悍的目標(biāo)模塊組成，用戶可根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)哪K來裁剪和配置系統(tǒng)；提供基于優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間同步與通信、中斷處理、定時器和內(nèi)存管理等功能，內(nèi)建符合POSIX(可移植操作系統(tǒng)接口)規(guī)范的內(nèi)存管理，以及多處理器控制程序；并且具有簡明易懂的用戶接口，在核心方面甚至町以微縮到8 KB。
(2) μC／OS-II
μC／OS-II是在μC-OS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是美國嵌入式系統(tǒng)專家Jean J．Labrosse用C語言編寫的一個結(jié)構(gòu)小巧、搶占式的多任務(wù)實時內(nèi)核。μC／OS-II能管理64個任務(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、實時性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。
(3)μClinux
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。因為沒有MMU內(nèi)存管理單元，所以其多任務(wù)的實現(xiàn)需要一定技巧。
(4)eCos
eCos(embedded Configurable operating system)，即嵌入式可配置操作系統(tǒng)。它是一個源代碼開放的可配置、可移植、面向深度嵌入式應(yīng)用的實時操作系統(tǒng)。最大特點(diǎn)是配置靈活，采用模塊化設(shè)計，核心部分由小同的組件構(gòu)成，包括內(nèi)核、C語言庫和底層運(yùn)行包等。每個組件可提供大量的配置選項(實時內(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。

2 性能分析與比較
任務(wù)管理、任務(wù)及中斷間的同步與通信機(jī)制、內(nèi)存管理、中斷管理、文件系統(tǒng)、對硬件的支持和系統(tǒng)移植這幾方面是實時操作系統(tǒng)的主要性能。下面就從這幾個方面著手對上述4種操作系統(tǒng)進(jìn)行分析與比較。
2．1 任務(wù)管理
任務(wù)管理是嵌入式實時操作系統(tǒng)的核心和靈魂，決定了操作系統(tǒng)的實時性能。它通常包含優(yōu)先級設(shè)置、多任務(wù)調(diào)度機(jī)制和時間確定性等部分。
2.1.1 優(yōu)先級設(shè)置
嵌入式操作系統(tǒng)支持多任務(wù)，每個任務(wù)都具有優(yōu)先級，任務(wù)越重要，賦予的優(yōu)先級應(yīng)越高。優(yōu)先級的設(shè)置分為靜態(tài)優(yōu)先級和動態(tài)優(yōu)先級兩種。靜態(tài)優(yōu)先級指的是每個任務(wù)在運(yùn)行前都被賦予一個優(yōu)先級，而且這個優(yōu)先級在系統(tǒng)運(yùn)行期間是不能改變的；動態(tài)優(yōu)先級則是指每個任務(wù)的優(yōu)先級(特別是應(yīng)用程序的優(yōu)先級)在系統(tǒng)運(yùn)行時可以動態(tài)地改變。
2.1.2 多任務(wù)調(diào)度機(jī)制
任務(wù)調(diào)度主要是協(xié)調(diào)任務(wù)對計算機(jī)系統(tǒng)資源的爭奪使用。對系統(tǒng)資源非常匱乏的嵌入式系統(tǒng)來說，任務(wù)調(diào)度尤為重要，它直接影響到系統(tǒng)的實時性能。通常，多任務(wù)調(diào)度機(jī)制分為基于優(yōu)先級搶占式調(diào)度和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。
基于優(yōu)先級搶占式調(diào)度：系統(tǒng)中每個任務(wù)都有一個優(yōu)先級，內(nèi)核總是將CPU分配給處于就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)運(yùn)行。如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)就緒隊列中有比當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)更高的優(yōu)先級任務(wù)，就把當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)置于就緒隊列中，調(diào)入高優(yōu)先級任務(wù)運(yùn)行。系統(tǒng)采用優(yōu)先級搶占方式進(jìn)行調(diào)度，可以保證重要的突發(fā)事件及時得到處理。
時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度：讓優(yōu)先級相同的處于就緒狀態(tài)的任務(wù)按時間片使用CPU，以防止同優(yōu)先級的某一任務(wù)長時間獨(dú)占CPU。
在一般情況下，嵌入式實時操作系統(tǒng)采用基于優(yōu)先級搶占式調(diào)度與時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度相結(jié)合的調(diào)度機(jī)制。
2.1.3 時間的可確定性
嵌入式實時操作系統(tǒng)甬?dāng)?shù)調(diào)用與服務(wù)的執(zhí)行時間應(yīng)具有可確定性。系統(tǒng)服務(wù)的執(zhí)行時間不依賴于應(yīng)用程序任務(wù)的多少?；诖颂卣?，系統(tǒng)完成某個確定任務(wù)的時間是可預(yù)測的。表1具體列出了4種操作系統(tǒng)的調(diào)度機(jī)制。
4種嵌入式實時操作系統(tǒng)都支持多任務(wù)，只是在支持任務(wù)數(shù)量上和任務(wù)調(diào)度機(jī)制上有所不同。VxWorks具有高效的任務(wù)管理功能，它支持多任務(wù)，可分配256個優(yōu)先級，支持優(yōu)先級搶占式調(diào)試和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，實時性最好。μC／OS-II內(nèi)核是針對實時系統(tǒng)的要求設(shè)計實現(xiàn)的，只支持基于固定優(yōu)先級搶占式調(diào)度；調(diào)度方法簡單，可以滿足較高的實時性要求。μClinux在結(jié)構(gòu)上繼承了標(biāo)準(zhǔn)Linux的多任務(wù)實現(xiàn)方式，分為實時進(jìn)程和普通進(jìn)程，分別采用先來先服務(wù)和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度；僅針對中低檔嵌入式CPU特點(diǎn)進(jìn)行改良，且不支持內(nèi)核搶占。eCos調(diào)度方法豐富，提供了兩種基于優(yōu)先級的調(diào)度器(即位圖調(diào)度器和多級隊列調(diào)度器)，允許用戶在進(jìn)行配置時選擇其中一個凋度器，適應(yīng)性好。
2．2 任務(wù)及中斷間的同步與通信機(jī)制
實時操作系統(tǒng)的功能一般要通過若干任務(wù)和中斷服務(wù)程序共同完成。任務(wù)與任務(wù)之間、任務(wù)與中斷間任務(wù)及中斷服務(wù)程序之間必須協(xié)調(diào)動作，互相配合，這就涉及任務(wù)間的同步與通信問題。嵌入式實時操作系統(tǒng)通常是通過信號量、互斥信號量、事件標(biāo)志和異步信號來實現(xiàn)同步，通過消息郵箱、消息隊列、管道和共享內(nèi)存來提供通信服務(wù)。由于互斥信號量的使用，帶來了實時操作系統(tǒng)中常見的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。優(yōu)先級反轉(zhuǎn)是一種不確定的延遲形式，當(dāng)高優(yōu)先級任務(wù)企圖訪問已被低優(yōu)先級占有的共享資源時，必須等待低優(yōu)先級任務(wù)釋放共享資源；如果這時低優(yōu)先級任務(wù)被一個或多個中優(yōu)先級任務(wù)搶占，那么高優(yōu)先級任務(wù)被延遲的時間將更進(jìn)一步延長，實時性難以保證。因此，應(yīng)采取相關(guān)措施以盡鼉避免出現(xiàn)優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。實時系統(tǒng)通常采用優(yōu)先級繼承和優(yōu)先級置頂機(jī)制。
優(yōu)先級繼承足指擁有互斥量的任務(wù)被提升到與下一個在等待該互斥最的最高優(yōu)先級任務(wù)相同的優(yōu)先級；優(yōu)先級置頂是指獲得互斥量的任務(wù)將其優(yōu)先級提升到一個事先規(guī)定好的值。表2為4種操作系統(tǒng)的同步與通信機(jī)制的比較。

4種系統(tǒng)都具有靈話的任務(wù)間同步與通信機(jī)制，都可以通過信號量、消息隊列來實現(xiàn)同步與通信，但是VxWorks與μClinux都不支持郵箱和事件標(biāo)志，而且除了μClinux和eCos中的位圖調(diào)度器，其他操作系統(tǒng)都采取了措施抑制優(yōu)先級反轉(zhuǎn)。
2．3 內(nèi)存管理
內(nèi)存管理主要包括：內(nèi)存分配原則，存儲保護(hù)和內(nèi)存分配方式。
2.3.1 內(nèi)存分配原則
內(nèi)存分配原則包括快速性、可靠性和高效性。其中，快速性要求內(nèi)存分配過程要盡可能快，所以一般采用簡單、快速的分配算法；可靠性指的是內(nèi)存分配的請求必須得到滿足；系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)高效性的要求，不僅僅是對系統(tǒng)成本的要求，而且由于系統(tǒng)本身可配置的內(nèi)存容量也是很有限的，所以要盡可能地避免浪費(fèi)。
2.3.2 存儲保護(hù)
通常在操作系統(tǒng)的內(nèi)存中既有系統(tǒng)程序也有用戶程序，為了使兩者都能正常運(yùn)行，避免程序間相互干擾，需要對內(nèi)存中的程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)。存儲保護(hù)通常需要硬件支持，在很多系統(tǒng)中都采用MMU，并結(jié)合軟件實現(xiàn)；但由于嵌入式系統(tǒng)的成本限制內(nèi)核和用戶程序通常都在相同的內(nèi)存空間中。
2.3.3 內(nèi)存分配方式
內(nèi)存分配方式可分為靜態(tài)分配和動態(tài)分配。靜態(tài)分配是在程序運(yùn)行前一次性分配給相應(yīng)內(nèi)存，并且在程序運(yùn)行期間中不允許再申請或在內(nèi)存中移動；動態(tài)分配則允許在程序運(yùn)行整個過程中進(jìn)行內(nèi)存分配。靜態(tài)分配使系統(tǒng)失去了靈活性，但對于實時性要求比較高的系統(tǒng)是必需的；而動態(tài)分配賦予了系統(tǒng)設(shè)計者更多自主性，可以靈活地調(diào)整系統(tǒng)的功能。
VxWorks對內(nèi)存的使用采用的是Flat Mode，可被靜態(tài)或動態(tài)鏈接。VxWorks為用戶提供了兩種內(nèi)存區(qū)域Region和Partition。Region是變長的內(nèi)存區(qū)，用戶可以從創(chuàng)建的Region中分配Segment，其特點(diǎn)是容易產(chǎn)生碎片，但靈活并且不浪費(fèi)；Partition是定長的內(nèi)存區(qū)，用戶可以從刨建的Partition中分配Buffer，其特點(diǎn)是不會產(chǎn)生碎片，技率高但是易浪費(fèi)。VxWorks采用最先算法分配內(nèi)存。μC/OS-II把連續(xù)的大塊內(nèi)存按分區(qū)來管理，每個分區(qū)中都包含整數(shù)個大小相同的內(nèi)存塊，但不同分區(qū)之間內(nèi)存的太小可以不同。用戶動態(tài)分配內(nèi)存時，只須選擇一個適當(dāng)?shù)姆謪^(qū)，按塊來分配內(nèi)存，釋放時將該塊放回到以前所屬的分區(qū)，這樣就消除了因多次動態(tài)分配和釋放內(nèi)存所引起的碎片問題。μClinux是針對沒有MMU的處理器設(shè)計的，不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，只能采用實存儲器管理策略。系統(tǒng)使用分頁內(nèi)存分配方式，在啟動時對實際存儲器進(jìn)行分頁。系統(tǒng)對內(nèi)存的訪問是直接的操作系統(tǒng)對內(nèi)存空間沒有保護(hù)，多個進(jìn)程可共享一個運(yùn)行空間，所以，即使是一個無特權(quán)進(jìn)程調(diào)用一個無效指針也會觸發(fā)一個地址錯誤，并有可能引起程序崩潰甚至系統(tǒng)崩潰。eCos對內(nèi)存分配既不分段也不分頁，而是采用一種基于內(nèi)存池的動態(tài)內(nèi)存分配機(jī)制。通過兩種內(nèi)存池類來實現(xiàn)兩種內(nèi)存管理方法：一種是變長的內(nèi)存池；另一種是定長的內(nèi)存池，類似于VxWorb的管理方案。表3為4種操作系統(tǒng)內(nèi)存管理的比較。
2.4 中斷管理
中斷管理是實時系統(tǒng)中一個很重要的部分，系統(tǒng)經(jīng)常通過中斷與外部事件交互。主要考慮是否支持中斷嵌套、中斷處理機(jī)制、中斷延時等。
(1)VxWorks的中斷管理
VxWorks操作系統(tǒng)中斷管理采用中斷處理與普通任務(wù)分別在不同棧中處理的中斷處理機(jī)制，使得中斷只會引發(fā)一些關(guān)鍵寄存器的存儲，而不會導(dǎo)致任務(wù)的上下文切換，從而極大地縮短了中斷延時。同時，VxWorks的中斷處理程序只能在最短時間內(nèi)通告中斷的發(fā)生，而將其他的非實時處理盡量放入被引發(fā)的中斷服務(wù)程序中來完成，這也縮短了中斷延時。但是凼為中斷服務(wù)程序不在一個固定的仟務(wù)上下文中執(zhí)行，而目沒有任務(wù)控制塊，所以所有中斷服務(wù)程序使用相同的中斷堆棧。為了能處理最壞情況下的中斷嵌套，必須分配足夠大的中斷堆棧空間。
(2)μC／OS-II的中斷管理
μC／OS-II中斷處理比較簡單。一個中斷向量上只能掛一個中斷服務(wù)子程序ISR，而且用戶代碼必須都在ISR中完成。ISR需要做的事情越多，中斷延時也就越長。內(nèi)核所能支持的最大嵌套深度為255。
(3) μClinux的中斷管理
μClinux操作系統(tǒng)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、耗時的處理，而且接受中斷。因為系統(tǒng)中存在有許多中斷的底半處理，所以會引起系統(tǒng)中斷處理的延時。
(4)eCos的中斷管理
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和滯后中斷服務(wù)程序DSR。類似于μClinux的處理機(jī)制，這種機(jī)制可以在中斷允許時運(yùn)行DSR，因此在處理較低優(yōu)先級中斷時允許高優(yōu)先級的中斷和處理。為了極大地縮短中斷延時，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處理。
2.5 文件系統(tǒng)
所謂“文件系統(tǒng)”是指負(fù)責(zé)存取和管理文件信息的機(jī)構(gòu)，也可以說是負(fù)貴文件的建立、撤銷、組織、讀寫、修改、復(fù)制，以及對文件管理所需的其他資源實施管理的軟件部分。VxWorks操作系統(tǒng)在文件系統(tǒng)與設(shè)備驅(qū)動程序之間使用一種標(biāo)準(zhǔn)的I/O口操作接口，且支持MS-DOS、RT-11、RFS、CD-ROM、RAW等文件系統(tǒng)。這樣，在單個VxWorks操作系統(tǒng)中可以運(yùn)行多個相同或不同種類的文件系統(tǒng)。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。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)不支持動態(tài)擦寫保存，對于系統(tǒng)需要動態(tài)保存的數(shù)據(jù)須采用虛擬RAM盤／JFFS的方法進(jìn)行處理。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)。
2.6 對硬件的支持
VxWorks、μC／OS-II、μClinux和eCos這4種操作系統(tǒng)都支持當(dāng)前流行的大部分嵌入式CPU。μC／OS-II支持從8位到32位的CPU，VxWorks、μClinux和eCos可以在16位、32位和64位等不同體系結(jié)構(gòu)之間移植。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；而μC／OSII和eCos由于本身內(nèi)核就很小，經(jīng)過裁剪后的代碼最小可以分別為2 KB和10 KB，所需的最小數(shù)據(jù)RAM空間分別為4 KB和10 KB?？偟膩碚f，4種系統(tǒng)對硬件的要求比較低，比較經(jīng)濟(jì)。具體比較如表4所列。

2.7 系統(tǒng)移植
嵌入式操作系統(tǒng)移植的目的是使嵌入式操作系統(tǒng)能在某個微處理器或微控制器上運(yùn)行。4種系統(tǒng)中VxWorks是商用操作系統(tǒng)的有很多API函數(shù)及相關(guān)技術(shù)支持，所以移植和二次開發(fā)比較容易，但是移植成本較高。其他3種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計便于把與處理器相關(guān)的部分分離出來，所以被移植到新的處理器上也是可能的。μC／OS-II的移植相對比較簡單，只需要修改與處理器相關(guān)的代碼就可以了。μClinux是Linux針對嵌入式系統(tǒng)的一種改良，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。移植μClinux，目標(biāo)處理器除了應(yīng)滿足μC／OS-II移植所需的條件外，還需要足夠容量的外部ROM和RAM。eCos系統(tǒng)的可移植性明顯比μC／OS-II和μClinux好。在eCos系統(tǒng)中，每個硬件平臺都有一個單獨(dú)的目錄，用于存放引對這一硬件平臺的硬件抽象層的代碼和配置信息；而μClinux的硬件抽象層的代碼則分布在好幾個目錄中，通過命令來選擇不同硬件平臺的代碼。所以，修改eCos代碼相對簡單，移植也相對容易。

結(jié)論
這4種嵌入式實時操作系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，但是又具有各自的特點(diǎn)。根據(jù)上述比較，歸納出各自的適用領(lǐng)域。
①VxWorks是一套婁似于Unix的實時操作系統(tǒng)，它內(nèi)建了符合POSIX規(guī)范的內(nèi)存管理，以及多處理器控制程序，并且具有簡明易懂的用戶接口，在核心方面甚至可以微縮到8 KB。它由400多個相對獨(dú)立的、短小精悍的目標(biāo)模塊組成，用戶可根據(jù)需要選擇適當(dāng)模塊來裁剪和配置系統(tǒng)，有效地保證了系統(tǒng)的安全性和可靠性。它被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域，尤其是在許多關(guān)鍵應(yīng)用方面，VxWorks還是一枝獨(dú)秀。例如，美國波音公司就在其最新的787客機(jī)中采用了此操作系統(tǒng)；而在外層空間探索領(lǐng)域，VxWorks則一直是美國太空總署NASA的最愛。
②μC／OS-II是一個結(jié)構(gòu)簡單、功能完備和實時性很強(qiáng)的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，適合于廣大的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員和愛好者入門學(xué)習(xí)，以及高校教學(xué)和科研。μC／OSII很適合開發(fā)那些對系統(tǒng)要求不是很苛刻，且RAM和ROM有限的各種小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)備。
③μClinux最大特點(diǎn)在于針對無MMU處理器設(shè)計，可以利用功能強(qiáng)大的Linux資源，因此適合開發(fā)對事件要求不高的小容量、低成本的各類產(chǎn)品，特別適用于開發(fā)與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用密切相關(guān)的嵌入式設(shè)備或者PDA設(shè)備。例如，CISCO公司的2500／3000／4000路由器就是基于μClinux操作系統(tǒng)開發(fā)的。
④eCos最大特點(diǎn)是配置靈活，而月是面向深度嵌入 式應(yīng)用的，很適合用于一些商業(yè)級或工業(yè)級對成本敏感的

嵌入式系統(tǒng),例如消費(fèi)電子類領(lǐng)域中的一些應(yīng)用。