基于ARM的十一種嵌入式操作系統(tǒng)概述

嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded Operation System，EOS)是指用于嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)分為4層，硬件層、驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層。嵌入式操作系統(tǒng)是負責嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務(wù)調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動。它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統(tǒng)所要求的功能，是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件。

嵌入式LINUX

嵌入式Linux 是將日益流行的Linux操作系統(tǒng)進行裁剪修改，使之能在嵌入式計算機系統(tǒng)上運行的一種操作系統(tǒng)。Linux做嵌入式的優(yōu)勢，首先，Linux是開放源代碼；其次，Linux的內(nèi)核小、效率高，可以定制，其系統(tǒng)內(nèi)核最小只有約134KB；第三，Linux是免費的OS，Linux還有著嵌入式操作系統(tǒng)所需要的很多特色，突出的就是Linux適應(yīng)于多種CPU和多種硬件平臺而且性能穩(wěn)定，裁剪性很好，開發(fā)和使用都很容易。同時，Linux內(nèi)核的結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)方面是非常完整的，Linux對網(wǎng)絡(luò)中最常用的TCP/IP協(xié)議有最完備的支持。提供了包括十兆、百兆、千兆的以太網(wǎng)絡(luò)，以及無線網(wǎng)絡(luò)，Token Ring(令牌環(huán)網(wǎng))、光纖甚至衛(wèi)星的支持。

移植步驟：1.Bootloader的移植；2.嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的移植；3.嵌入式Linux操作系統(tǒng)根文件系統(tǒng)的創(chuàng)建；4.電路板上外設(shè)Linux驅(qū)動程序的編寫。

WinCE

WinCE是微軟公司嵌入式、移動計算平臺的基礎(chǔ)，它是一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作系統(tǒng)，它是精簡的Windows 95，Win CE的圖形用戶界面相當出色。WinCE是從整體上為有限資源的平臺設(shè)計的多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)的操作系統(tǒng)。它的模塊化設(shè)計允許它對于從掌上電腦到專用的工業(yè)控制器的用戶電子設(shè)備進行定制。操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核需要至少200K的ROM。

一般來說，一個WinCE系統(tǒng)包括四層結(jié)構(gòu)：應(yīng)用程序、WinCE內(nèi)核映像、板級支持包(BSP)、硬件平臺。而基本軟件平臺則主要由WinCE系統(tǒng)內(nèi)核映像(OS Image)和板卡支持包(BSP)兩部分組成。因為WinCE系統(tǒng)是一個軟硬件緊密結(jié)合的系統(tǒng)，因此即使CPU處理器相同，但是如果開發(fā)板上的外圍硬件不相同，這個時候還是需要修改BSP來完成一個新的BSP。因此換句話說，就是WinCE的移植過程主要是改寫B(tài)SP的過程。

Android

Android 是一個包括操作系統(tǒng)，中間件以及一些重要應(yīng)用程序的專門針對移動設(shè)備的層次結(jié)構(gòu)的軟件集。Android 作為一個完全開源的操作系統(tǒng)，是由操作系統(tǒng)Linux、中間件以及核心應(yīng)用程序組成的軟件棧。通過 android SDK 提供的 API 以及相應(yīng)的開發(fā)工具， 程序員可以很方便的開發(fā)android平臺上的應(yīng)用程序。其整個系統(tǒng)由應(yīng)用程序，應(yīng)用程序框架，應(yīng)用程序庫，Android運行庫，Linux內(nèi)核(LinuxKernel)五個部分組成。Android操作系統(tǒng)內(nèi)置了一部分應(yīng)用程序， 包括電子郵件客戶端、SMS程序、日歷、地圖、瀏覽器、通訊錄以及其他的程序，值得一提的是這些所有的程序都是用java編寫的。

移植的主要的工作是驅(qū)動，硬件抽象層的移植。為了更好地理解和調(diào)試系統(tǒng)，也應(yīng)該適當?shù)亓私馍蠈訉τ布橄髮拥恼{(diào)用情況。

TinyOS

TinyOS是一個開源的嵌入式操作系統(tǒng)，它是由加州大學(xué)的伯利克分校開發(fā)出來的，主要應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面。程序采用的是模塊化設(shè)計，所以它的程序核心往往都很小，一般來說核心代碼和數(shù)據(jù)大概在400 Bytes左右，能夠突破傳感器存儲資源少的限制。TinyOS提供一系列可重用的組件，一個應(yīng)用程序可以通過連接配置文件(A Wiring Specification)將各種組件連接起來，以完成它所需要的功能。

嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)

在工業(yè)控制、 軍事設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)的響應(yīng)時間有苛刻的要求，這就需要使用實時系統(tǒng)。當外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，能夠接受并以足夠快的速度予以處理，其處理的結(jié)果又能在規(guī)定的時間之內(nèi)來控制生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)作出快速響應(yīng)，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致運行的嵌入式操作系統(tǒng)。故對嵌入式實時操作系統(tǒng)的理解應(yīng)該建立在對嵌入式系統(tǒng)的理解之上加入對響應(yīng)時間的要求。

FreeRTOS

FreeRTOS是一個迷你操作系統(tǒng)內(nèi)核的小型嵌入式系統(tǒng)。作為一個輕量級的操作系統(tǒng)，功能包括：任務(wù)管理、時間管理、信號量、消息隊列、內(nèi)存管理、記錄功能等，可基本滿足較小系統(tǒng)的需要。FreeRTOS任務(wù)可選擇是否共享堆棧，并且沒有任務(wù)數(shù)限制，多個任務(wù)可以分配相同的優(yōu)先權(quán)。相同優(yōu)先級任務(wù)的輪轉(zhuǎn)調(diào)度，同時可設(shè)成可剝奪內(nèi)核或不可剝奪內(nèi)核。

FreeRTOS 的移植主要需要改寫如下三個文件。1.portmacro.h 2.port.c 3. port.asm

μTenux

μTenux基于ARM微控制器平臺，對uT最適用于ARM Cortex M0-M4系列的微控制器，代碼開源、免費，是一個功能強大的搶占式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。μTenux除具有實時嵌入式操作系統(tǒng)的一般特性：可移植性，可固化，可裁剪等特性以外，它還具有如下優(yōu)點：(1)微內(nèi)核。無MMU， ROM/RAM占用量小，所占ROM最大60KB，最小10KB；RAM最大12KB，最小2KB；(2)開源免費；(3)支持所有32位ARM7/9和Cortex M系列的微控制器；(4)可配置多達到256個任務(wù)以及140個任務(wù)優(yōu)先級；(5)有良好的商業(yè)支持， T-Engine論壇進行總的維護。

移植主要包括：芯片系統(tǒng)時鐘移植，外設(shè)移植和通用輸出/輸入端口的移植以及看門狗模塊移植。由于考慮到內(nèi)核代碼的重要性以及其在整個移植中的重要意義，且為了整個系統(tǒng)有更好的實時性，可選用匯編語言編寫操作系統(tǒng)的啟動代碼。

VxWorks

VxWorks系統(tǒng)提供多處理器間和任務(wù)間高效的信號燈、消息隊列、管道、網(wǎng)絡(luò)透明的套接字。實時系統(tǒng)的另一關(guān)鍵特性是硬件中斷處理。為了獲得最快速可靠的中斷響應(yīng)，VxWorks系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序ISR有自己的上下文。VxWorks實時操作系統(tǒng)由400多個相對獨立的、短小精煉的目標模塊組成，用戶可根據(jù)需要選擇適當模塊來裁剪和配置系統(tǒng)，這有效地保證了系統(tǒng)的安全性和可靠性。系統(tǒng)的鏈接器可按應(yīng)用的需要自動鏈接一些目標模塊。這樣，通過目標模塊之間的按需組合，可得到許多滿足功能需求的應(yīng)用。

移植過程可以參考網(wǎng)絡(luò)上一些BSP代碼，BSP的英文全稱為board support package，即板級支持包，它的作用是針對特殊的硬件平臺，為VxWorks內(nèi)核提供操作的接口。

μClinux

嵌入式Linux作為一個開放源代碼的操作系統(tǒng)，以價格低廉、功能強大又易移植的特性正在被廣泛應(yīng)用，μClinux是專門針對沒有MMU的處理器而設(shè)計的嵌入式Linux，非常適合中低端嵌入式系統(tǒng)的需求。 在GNU通用公共許可證的授權(quán)下，μClinux操作系統(tǒng)的用戶可以使用幾乎所有Linux的API函數(shù)，不會因為沒有內(nèi)存管理單元MMU而受到影響；而且，μClinux在標準的Linux基礎(chǔ)上進行了適當?shù)牟眉艉蛢?yōu)化，形成了一個高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux，體積小了，但是仍然保留了Linux的大多數(shù)的優(yōu)點，比如穩(wěn)定性好、強大的網(wǎng)絡(luò)功能、良好的可移植性、完備的文件系統(tǒng)支持功能、以及標準豐富的應(yīng)用程序接口API等，可以支持類似ARM7TDMI等類型多的小巧玲瓏的中央處理器。

eCos

eCos中文翻譯為嵌入式可配置操作系統(tǒng)或嵌入式可配置實時操作系統(tǒng)。適合于深度嵌入式應(yīng)用，主要應(yīng)用對象包括消費電子、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。eCos是一種開發(fā)源代碼軟件，無任何版權(quán)費用。 eCos最大的特點是模塊化，內(nèi)核可配置。如果說嵌入式Linux太龐大了，那么eCos可能就能夠滿足要求。它是一個針對16位、32位和64位處理器的可移植開放源代碼的嵌入式RTOS。和嵌入式Linux不同，它是由專門設(shè)計嵌入式系統(tǒng)的工作組設(shè)計的。eCos具有相當豐富的特性和一個配置工具，后者能夠讓你選取你所需要的特性。

eCos的軟件分了若干的模塊，移植工作主要在他的hal層進行，所謂hal(硬件抽象層)就是把和硬件相關(guān)的軟件湊到一起。

μC/OS-II

μC/OS-II是一個完整的、可移植、可固化、可裁剪的占先式實時多任務(wù)內(nèi)核。μC/OS-II絕大部分的代碼是用ANSI的C語言編寫的，包含一小部分匯編代碼，使之可供不同架構(gòu)的微處理器使用。其結(jié)構(gòu)小巧簡潔且支持搶占式的多任務(wù)調(diào)度與管理。此實時操作系統(tǒng)管理任務(wù)數(shù)多達64個，且提供內(nèi)部程序存儲器管理、系統(tǒng)運行時間管理、多任務(wù)實時調(diào)度與管理等功能。由于它的作者占用和保留了8個任務(wù)，所以留給用戶應(yīng)用程序最多可有56個任務(wù)。賦予各個任務(wù)的優(yōu)先級必須是不相同的。這意味著μC/OS-II不支持時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法。μC/OS-II為每個任務(wù)設(shè)置獨立的堆棧空間，可以快速實現(xiàn)任務(wù)切換。

將μC/OS-II操作系統(tǒng)移植到目標處理器上，需要從硬件和軟件兩方面來考慮。硬件方面，目標處理器需滿足以下條件：

①處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼；

②用C語言可以開/關(guān)中斷；

③處理器支持中斷，并且能夠產(chǎn)生定時中斷(通常在10～1000 Hz之間)；

④處理器能夠支持容納一定量數(shù)據(jù)的硬件堆棧；

⑤處理器有將堆棧指針和其他寄存器讀出和存儲到堆?；騼?nèi)存中的指令。

軟件方面，主要是一些與處理器相關(guān)的代碼移植，其分布在OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.ASM這3個不同的文件中。