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如何選擇一個(gè)ARM CPU嵌入式操作系統(tǒng)

作者： 時(shí)間：2016-12-02 來源：網(wǎng)絡(luò) 收藏
使用Linux在嵌入式系統(tǒng)中有兩種途徑。
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www.ARMLinux.org.uk找到你需要的Linux版本在ARM下的移植，或者某些半導(dǎo)體公司，如三星、Motorola 也在自己的網(wǎng)站或銷售自己的ARM評估板的時(shí)候送給一張CD，里面含有一個(gè)可以支持他們評估板的最小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，你可能還要到GNU的網(wǎng)站下載全部的源代碼，然后再編譯生成你需要版本的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，比如說，有的基于ARM的應(yīng)用是網(wǎng)絡(luò)上的小型互連設(shè)備，他需要多個(gè)以太網(wǎng)、USB主機(jī)、小型的NOR Flash文件系統(tǒng)，而一個(gè)ARM手持終端，它關(guān)心的是LCD的觸屏、紅外或藍(lán)牙的接口、USB用戶端、快速的啟動(dòng)，動(dòng)態(tài)的電源管理和NADA FLASH，這樣，你就需要在數(shù)十家Linux相關(guān)網(wǎng)站下載各種補(bǔ)丁，應(yīng)用和工具，把它們和你拿到的這個(gè)內(nèi)核進(jìn)行反復(fù)的編譯和調(diào)試，確信它們之間以及它們在你所用的ARM CPU硬件評估板上是穩(wěn)定可靠工作的，這個(gè)過程是在沒有任何技術(shù)支持下完成的。當(dāng)然，如果可以從某家半導(dǎo)體公司或開源的網(wǎng)站能夠得到“最小內(nèi)核”，它所包含的組件（如驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用和文件系統(tǒng)）和你的應(yīng)用近似，而且代碼是可靠的，或者你及時(shí)正確得到Linux網(wǎng)友的指導(dǎo)，那么你是幸運(yùn)的。據(jù)說，有一個(gè)著名的電信設(shè)備制造商花了2年的時(shí)間和150萬美圓在一個(gè)項(xiàng)目中開發(fā)自己的Linux，而且最后還不得不停止了。
第二是選擇一個(gè)商業(yè)的嵌入式Linux操作系統(tǒng)平臺(tái)。商業(yè)化的嵌入式 Linux版本是針對嵌入式處理器，如ARM所優(yōu)化設(shè)計(jì)的，已經(jīng)支持了各種半導(dǎo)體廠家的評估板和主要的設(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(原Lineo), Vlinux(韓國)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99年推出的，它是目前全球最優(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)方面具有世界領(lǐng)先地位。
MontaVista Linux最新版本是5。0，采用Linux 2.6.18，針對8種CPU系列（包含ARM和Xscale）優(yōu)化定制的商業(yè)化版本，包含了最新O(1)實(shí)時(shí)調(diào)度器，可搶占的內(nèi)核，微秒級(jí)的高分辨定時(shí)器，基于Eclipse的DevRocket 5開發(fā)環(huán)境，支持應(yīng)用、內(nèi)核和文件系統(tǒng)（固化）的配置和調(diào)試，以及測試和分析工具，純Windows, Linux和Solaris開發(fā)主機(jī)，200余種評估板和應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)支持。
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)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)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圓，多數(shù)國內(nèi)用戶從資金和心理上還很難承受，商業(yè)嵌入式Linux開發(fā)工具相對于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)。
同作為Linux操作系統(tǒng)，我是推薦使用帶有MMU 的 Linux ，而不是μCLinux，因?yàn)榻^大多數(shù)新的ARM CPU 都是AMR9核，他們都帶有MMU 了，無論是開放源碼的LINUX 社區(qū)還是商業(yè)的嵌入式LINUX 公司的支持和維護(hù)都比μCLinux，要好，快和豐富的多。
結(jié)束語
前面我們對三種在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，我還想提到幾個(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、日本人的iTron和WinCE。
Windriver 的Vxworks在兩三年前曾經(jīng)是最具影響力的嵌入式操作系統(tǒng)，幾乎主要的通信設(shè)備制造商都是采用PowerPC+Vxworks這種組合，但是在ARM CPU上，Vxworks的應(yīng)用并不多見；ATI的Nucleus（現(xiàn)在已經(jīng)是Mentor的嵌入式部門）曾經(jīng)作為最有名氣的源代碼、沒有版稅的嵌入式操作系統(tǒng)而在北美和亞洲臺(tái)灣流行，最成功的設(shè)計(jì)范例是各種GSM移動(dòng)電話，Nucleus只是一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，用戶需要再購買它的TCP/IP，GUI，文件系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)才能形成一個(gè)功能完整的嵌入式系統(tǒng)，這使它在近些年失去了優(yōu)勢；日本人的iTron是在日本幾乎家喻戶曉的嵌入式內(nèi)核，標(biāo)準(zhǔn)的編程接口、低廉的價(jià)格（1~3千美圓）、沒有版稅、支持幾乎所有的CPU（尤其是支持很多日本的CPU），但在除日本之外，iTron好象毫無建樹；微軟的 WinCE，幾乎所有高端PDA都是采用它，它們使用的是 Xscale或ARM9這樣的CPU，但微軟只是關(guān)心有產(chǎn)量象PC一樣巨大的嵌入式設(shè)備制造商，所以他并沒有把自己的WinCE象Linux一樣易于移植到不同的CPU和增加設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，微軟更愿意象Windows一樣自己把所有事情做好，你只是拿去用好了，如果你沒有相當(dāng)?shù)募?jí)別，很難獲得它的個(gè)性化定制服務(wù)。
最后我們歸納一下選擇一個(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μCLinux，而不是μC/OS-II，因?yàn)長inux不僅為你集成了TCP/IP協(xié)議，還有很豐富的其它網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如DHCP Server，PPPoe，webserver等等。
第 二是實(shí)時(shí)性。沒有一個(gè)絕對的數(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，象Intel Xscale這樣的處理器，即使配合普通Linux的內(nèi)核，內(nèi)核的搶占延時(shí)最壞情況也只有1.743毫秒，而99.9%的情況是1.42毫秒，而如果你使用加入實(shí)時(shí)補(bǔ)丁等技術(shù)的嵌入式Linux如MontaVista Linux(2.4.17版本內(nèi)核)，最壞的情況只有436微秒，而99.9%的情況是195微秒，上面的數(shù)字以及考慮到最新的Linux在實(shí)時(shí)性方面的改進(jìn)（如低延時(shí)O(1)調(diào)試器，微秒級(jí)的高分辨率POSIX定時(shí)器），嵌入式Linux可以適合于90~95%的各種嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。當(dāng)然，你如果希望更高數(shù)量級(jí)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)，要求一個(gè)毫秒級(jí)沒有DMA方式的異步串行實(shí)時(shí)處理器等類似的應(yīng)用，可能是采用 μC/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。坦言說，目前μC/OS-II、μCLinux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嵌入式操作系統(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，μC/OS-II可以使用ARM SDT/ADS，但沒有OS調(diào)試功能。如果希望支持OS調(diào)試，可以使用IAR或Nohan調(diào)試器，μCLinux的調(diào)試除GDB外還有第三方調(diào)試器，并配合Cygwin形成Windows環(huán)境下μCLinux開發(fā)環(huán)境，象Aiji的 Spider和Micetek 的Hitool。
第四是你所選擇 的ARM CPU和參考板，象ARM7TDMI和ARM940T(如S3C2500/2510)核是不能使用嵌入式Linux（MMU），如果你想用Linux，只能用μCLinux，如果你想用Vxworks，你需要了解一下提供評估板的公司是否有BSP(板支持包)，Vxworks自己只有少數(shù)ARM公司評估板的支持。
最后是價(jià)格和技術(shù)服務(wù)。中國工程師的薪水大約是歐美日等國的十分之一， 所以在考慮購買商業(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)（有License保護(hù)鎖）收取開發(fā)費(fèi)，也按你產(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。 μC/OS-II只是收取每種產(chǎn)品一次性版稅（不限數(shù)量）。Nucleus和Threadx是一次性收取開發(fā)加上生產(chǎn)的費(fèi)用。Linux無論是 μCLinux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（主要是他們?nèi)肆Τ杀靖撸荒懿怀姓J(rèn)他們在嵌入式操作系統(tǒng)的技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在了前方。值得提醒大家的是在ARM開發(fā)工具和評估板的眾多國內(nèi)供應(yīng)商中，有不少已經(jīng)做了開放源碼操作系統(tǒng)的移植和示范性的Demo，但應(yīng)該注意他們多數(shù)不具有維護(hù)和支持操作系統(tǒng)平臺(tái)的能力和經(jīng)驗(yàn)，過多地依賴他們是有風(fēng)險(xiǎn)的。
品種眾多，價(jià)格適宜的ARM CPU加上開放源碼嵌入式操作系統(tǒng)為中國嵌入式系統(tǒng)和設(shè)備制造商的發(fā)展創(chuàng)造了一個(gè)有利的時(shí)機(jī)，正確迅速地使用這些技術(shù)，可以加快我們具有競爭力的新一代電子產(chǎn)品上市的時(shí)間和提高產(chǎn)品的檔次。
參考資料：
李善平，《Linux與嵌入式系統(tǒng)》
王學(xué)龍，《嵌入式Linux系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用》
馬忠梅，《ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ)》
邵貝貝，《嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II》第二版
何小慶，《嵌入式Linux:通信設(shè)備中的主流操作系統(tǒng)》，電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2003年第4期。
清華大學(xué)，《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開發(fā)》
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