ARM的希望:兩種嵌入式操作系統(tǒng)的比較

　　關(guān)鍵詞: 嵌入式;操作系統(tǒng);mC/OS;mClinux

引言

　　隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,從PC時(shí)代過渡到了以個(gè)人數(shù)字助理、手持個(gè)人電腦和信息家電為代表的3C(計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)電子)一體的后PC時(shí)代。后PC時(shí)代里,嵌入式系統(tǒng)扮演了越來越重要的角色,被廣泛應(yīng)用于信息電器、移動(dòng)計(jì)算機(jī)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和工控仿真等領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)也成為近年IT行業(yè)的技術(shù)熱點(diǎn)。

　　完成簡單功能的嵌入式系統(tǒng)一般不需要操作系統(tǒng),如以前許多MCS51系列單片機(jī)組成的小系統(tǒng)就只是利用軟件實(shí)現(xiàn)簡單的控制環(huán)路。但是隨著所謂后PC時(shí)代的來臨,嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜,嵌入式操作系統(tǒng)就必不可少了。

　　一般而言,嵌入式操作系統(tǒng)不同于一般意義的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng),它有占用空間小、執(zhí)行效率高、方便進(jìn)行個(gè)性化定制和軟件要求固化存儲(chǔ)等特點(diǎn)。

　　從八十年代起,國際上就有一些IT組織、公司,開始進(jìn)行商用嵌入式系統(tǒng)和專用操作系統(tǒng)的研發(fā)。這其中涌現(xiàn)了一些著名的嵌入式系統(tǒng),如Microsoft公司的WinCE和WindRiverSystem公司的VxWorks就分別是非實(shí)時(shí)和實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)的代表。但是商用產(chǎn)品的造價(jià)都十分昂貴,用于一般用途會(huì)提高產(chǎn)品成本從而失去競爭力。

　　mC/OS和uClinux操作系統(tǒng)是兩種性能優(yōu)良源碼公開且被廣泛應(yīng)用的的免費(fèi)嵌入式操作系統(tǒng),可以作為研究實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的典范。本文通過對mC/OS和mClinux的對比,分析和總結(jié)了嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用中的若干重要問題,歸納了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中操作系統(tǒng)的選型依據(jù)。

　　兩種開源嵌入式操作系統(tǒng)介紹

　　mC/OS和mClinux操作系統(tǒng),是當(dāng)前得到廣泛應(yīng)用的兩種免費(fèi)且公開源碼的嵌入式操作系統(tǒng)。mC/OS適合小型控制系統(tǒng),具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn),最小內(nèi)核可編譯至2k。mClinux則是繼承標(biāo)準(zhǔn)Linux的優(yōu)良特性,針對嵌入式處理器的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的一種操作系統(tǒng),具有內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、支持多種文件系統(tǒng),開發(fā)者可利用標(biāo)準(zhǔn)Linux先驗(yàn)知識(shí)等優(yōu)勢。其編譯后目標(biāo)文件可控制在幾百K量級。

　　mC/OS是一種免費(fèi)公開源代碼、結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時(shí)間管理、任務(wù)間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能。

　　mClinux是一種優(yōu)秀的嵌入式Linux版本。mClinux是Micro-Conrol-Linux的縮寫。同標(biāo)準(zhǔn)Linux相比,它集成了標(biāo)準(zhǔn)Linux操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性、強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)功能和出色的文件系統(tǒng)等主要優(yōu)點(diǎn)。但是由于沒有MMU(內(nèi)存管理單元),其多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)需要一定技巧。

　　兩種嵌入式操作系統(tǒng)主要性能比較

　　嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)軟硬件資源的控制中心,它以盡量合理的有效方法組織多個(gè)用戶共享嵌入式系統(tǒng)的各種資源。其中用戶指的是系統(tǒng)程序之上的所有軟件。所謂合理有效的方法,指的就是操作系統(tǒng)如何協(xié)調(diào)并充分利用硬件資源來實(shí)現(xiàn)多任務(wù)。復(fù)雜的操作系統(tǒng)都支持文件系統(tǒng),方便組織文件并易于對其規(guī)范化操作。

　　嵌入式操作系統(tǒng)還有一個(gè)特點(diǎn)就是針對不同的平臺(tái),系統(tǒng)不是直接可用的,一般需要經(jīng)過針對專門平臺(tái)的移植操作系統(tǒng)才能正常工作。

　　進(jìn)程調(diào)度、文件系統(tǒng)支持和系統(tǒng)移植是在嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中最常見的問題,下文就從這幾個(gè)角度入手對mC/OS和mClinux進(jìn)行分析比較。

　　進(jìn)程調(diào)度

　　任務(wù)調(diào)度主要是協(xié)調(diào)任務(wù)對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)資源(如內(nèi)存、I/O設(shè)備、CPU)的爭奪使用。進(jìn)程調(diào)度又稱為CPU調(diào)度,其根本任務(wù)是按照某種原則為處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程分配CPU。由于嵌入式系統(tǒng)中內(nèi)存和I/O設(shè)備一般都和CPU同時(shí)歸屬于某進(jìn)程,所以任務(wù)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度概念相近,很多場合不加區(qū)分,下文中提到的任務(wù)其實(shí)就是進(jìn)程的概念。

　　進(jìn)程調(diào)度可分為“剝奪型調(diào)度”和“非剝奪型調(diào)度”兩種基本方式。所謂“非剝奪型調(diào)度”是指：一旦某個(gè)進(jìn)程被調(diào)度執(zhí)行,則該進(jìn)程一直執(zhí)行下去直至該進(jìn)程結(jié)束,或由于某種原因自行放棄CPU進(jìn)入等待狀態(tài),才將CPU重新分配給其他進(jìn)程。所謂“剝奪型調(diào)度”是指：一旦就緒狀態(tài)中出現(xiàn)優(yōu)先權(quán)更高的進(jìn)程,或者運(yùn)行的進(jìn)程已用滿了規(guī)定的時(shí)間片時(shí),便立即剝奪當(dāng)前進(jìn)程的運(yùn)行(將其放回就緒狀態(tài)),把CPU分配給其他進(jìn)程。

　　作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),mC/OS是采用的可剝奪型實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核?？蓜儕Z型的實(shí)時(shí)內(nèi)核在任何時(shí)候都運(yùn)行就緒了的最高優(yōu)先級的任務(wù)。mC/OS中最多可以支持64個(gè)任務(wù),分別對應(yīng)優(yōu)先級0~63,其中0為最高優(yōu)先級。調(diào)度工作的內(nèi)容可以分為兩部分：最高優(yōu)先級任務(wù)的尋找和任務(wù)切換。

　　其最高優(yōu)先級任務(wù)的尋找是通過建立就緒任務(wù)表來實(shí)現(xiàn)的。mC/OS中的每一個(gè)任務(wù)都有獨(dú)立的堆?？臻g,并有一個(gè)稱為任務(wù)控制塊TCB(Task Control Block)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),其中第一個(gè)成員變量就是保存的任務(wù)堆棧指針。任務(wù)調(diào)度模塊首先用變量OSTCBHighRdy記錄當(dāng)前最高級就緒任務(wù)的TCB地址,然后調(diào)用OS_TASK_SW()函數(shù)來進(jìn)行任務(wù)切換。

　　mClinux的進(jìn)程調(diào)度沿用了Linux的傳統(tǒng),系統(tǒng)每隔一定時(shí)間掛起進(jìn)程,同時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生快速和周期性的時(shí)鐘計(jì)時(shí)中斷,并通過調(diào)度函數(shù)(定時(shí)器處理函數(shù))決定進(jìn)程什么時(shí)候擁有它的時(shí)間片。然后進(jìn)行相關(guān)進(jìn)程切換,這是通過父進(jìn)程調(diào)用fork函數(shù)生成子進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)的。

　　mClinux系統(tǒng)fork調(diào)用完成后,要么子進(jìn)程代替父進(jìn)程執(zhí)行(此時(shí)父進(jìn)程已經(jīng)sleep),直到子進(jìn)程調(diào)用exit退出;要么調(diào)用exec執(zhí)行一個(gè)新的進(jìn)程,這個(gè)時(shí)候產(chǎn)生可執(zhí)行文件的加載,即使這個(gè)進(jìn)程只是父進(jìn)程的拷貝,這個(gè)過程也不可避免。當(dāng)子進(jìn)程執(zhí)行exit或exec后,子進(jìn)程使用wakeup把父進(jìn)程喚醒,使父進(jìn)程繼續(xù)往下執(zhí)行。

　　mClinux由于沒有MMU管理存儲(chǔ)器,其對內(nèi)存的訪問是直接的,所有程序中訪問的地址都是實(shí)際的物理地址。操作系統(tǒng)隊(duì)內(nèi)存空間沒有保護(hù),各個(gè)進(jìn)程實(shí)際上共享一個(gè)運(yùn)行空間。這就需要實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù),也導(dǎo)致了用戶程序使用的空間可能占用到系統(tǒng)內(nèi)核空間,這些問題在編程時(shí)都需要多加注意,否則容易導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

　　由上述分析可以得知,mC/OS內(nèi)核是針對實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的,相對簡單,可以滿足較高的實(shí)時(shí)性要求。而mClinux則在結(jié)構(gòu)上繼承了標(biāo)準(zhǔn)Linux的多任務(wù)實(shí)現(xiàn)方式,僅針對嵌入式處理器特點(diǎn)進(jìn)行改良。其要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性效果則需要使系統(tǒng)在實(shí)時(shí)內(nèi)核的控制下運(yùn)行,RT-Linux就是可以實(shí)現(xiàn)這一個(gè)功能的一種實(shí)時(shí)內(nèi)核。

　　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)責(zé)文件的建立、撤銷、組織、讀寫、修改、復(fù)制及對文件管理所需要的資源(如目錄表、存儲(chǔ)介質(zhì)等)實(shí)施管理的軟件部分。

　　mC/OS是面向中小型嵌入式系統(tǒng)的,如果包含全部功能(信號量、消息郵箱、消息隊(duì)列及相關(guān)函數(shù)),編譯后的mC/OS內(nèi)核僅有6~10KB,所以系統(tǒng)本身并沒有對文件系統(tǒng)的支持。但是mC/OS具有良好的擴(kuò)展性能,如果需要的話也可自行加入文件系統(tǒng)的內(nèi)容。

　　mClinux則是繼承了Linux完善的文件系統(tǒng)性能。其采用的是romfs文件系統(tǒng),這種文件系統(tǒng)相對于一般的ext2文件系統(tǒng)要求更少的空間?？臻g的節(jié)約來自于兩個(gè)方面,首先內(nèi)核支持romfs文件系統(tǒng)比支持ext2文件系統(tǒng)需要更少的代碼,其次romfs文件系統(tǒng)相對簡單,在建立文件系統(tǒng)超級塊(superblock)需要更少的存儲(chǔ)空間。Romfs文件系統(tǒng)不支持動(dòng)態(tài)擦寫保存,對于系統(tǒng)需要?jiǎng)討B(tài)保存的數(shù)據(jù)采用虛擬ram盤的方法進(jìn)行處理(ram盤將采用ext2文件系統(tǒng))。

　　mClinux還繼承了Linux網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的優(yōu)勢,可以很方便的支持網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)且內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議,這為mClinux開發(fā)網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備提供了便利。

　　由兩種操作系統(tǒng)對文件系統(tǒng)的支持可知,在復(fù)雜的需要較多文件處理的嵌入式系統(tǒng)中mClinux是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。而mC/OS則主要適合一些控制系統(tǒng)。

　　操作系統(tǒng)的移植

　　嵌入式操作系統(tǒng)移植的目的是指使操作系統(tǒng)能在某個(gè)微處理器或微控制器上運(yùn)行。mC/OS和mClinux都是源碼公開的操作系統(tǒng),且其結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)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是可能的。

　　以下對兩種系統(tǒng)的移植分別予以說明。

　　(1)mC/OS的移植

　　要移植mC/OS,目標(biāo)處理器必須滿足以下要求;

·處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼,且用C語言就可以打開和關(guān)閉中斷;

·處理器支持中斷,并能產(chǎn)生定時(shí)中斷;

·處理器支持足夠的RAM(幾K字節(jié)),作為多任務(wù)環(huán)境下的任務(wù)堆棧;

·處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器讀出和存儲(chǔ)到堆?；騼?nèi)存中的指令。

　　在理解了處理器和C編譯器的技術(shù)細(xì)節(jié)后,mC/OS的移植只需要修改與處理器相關(guān)的代碼就可以了。具體有如下內(nèi)容：

·OS_CPU.H中需要設(shè)置一個(gè)常量來標(biāo)識(shí)堆棧增長方向;

·OS_CPU.H中需要聲明幾個(gè)用于開關(guān)中斷和任務(wù)切換的宏;

·OS_CPU.H中需要針對具體處理器的字長重新定義一系列數(shù)據(jù)類型;

·OS_CPU_A.ASM需要改寫4個(gè)匯編語言的函數(shù);

·OS_CPU_C.C需要用C語言編寫6個(gè)簡單函數(shù);

·修改主頭文件INCLUDE.H,將上面的三個(gè)文件和其他自己的頭文件加入。

　　(2)mClinux的移植

　　由于mClinux其實(shí)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,相對mC/OS,mClinux的移植也復(fù)雜得多。一般而言要移植mClinux,目標(biāo)處理器除了應(yīng)滿足上述mC/OS應(yīng)滿足的條件外,還需要具有足夠容量(幾百K字節(jié)以上)外部ROM和RAM。

　　mClinux的移植大致可以分為3個(gè)層次：

　　·結(jié)構(gòu)層次的移植,如果待移植處理器的結(jié)構(gòu)不同于任何已經(jīng)支持的處理器結(jié)構(gòu),則需要修改linux/arch目錄下相關(guān)處理器結(jié)構(gòu)的文件。雖然mClinux內(nèi)核代碼的大部分是獨(dú)立于處理器和其體系結(jié)構(gòu)的,但是其最低級的代碼也是特定于各個(gè)系統(tǒng)的。這主要表現(xiàn)在它們的中斷處理上下文、內(nèi)存映射的維護(hù)、任務(wù)上下文和初始化過程都是獨(dú)特的。這些例行程序位于linux/arch/目錄下。由于Linux所支持體系結(jié)構(gòu)的種類繁多,所以對一個(gè)新型的體系,其低級例程可以模仿與其相似的體系例程編寫。

　　·平臺(tái)層次的移植,如果待移植處理器是某種mClinux已支持體系的分支處理器,則需要在相關(guān)體系結(jié)構(gòu)目錄下建立相應(yīng)目錄并編寫相應(yīng)代碼。如MC68EZ328就是基于無MMU的m68k內(nèi)核的。此時(shí)的移植需要?jiǎng)?chuàng)建linux/arch/m68knommu/platform/ MC68EZ328目錄并在其下編寫跟蹤程序(實(shí)現(xiàn)用戶程序到內(nèi)核函數(shù)的接口等功能)、中斷控制調(diào)度程序和向量初始化程序等。

　　·板級移植,如果你所用處理器已被mClinux支持的話,就只需要板級移植了。板級移植需要在linux/arch/?platform/中建立一個(gè)相應(yīng)板的目錄,再在其中建立相應(yīng)的啟動(dòng)代碼crt0_rom.s或crt0_ram.s和鏈接描述文檔rom.ld或ram.ld就可以了。板級移植還包括驅(qū)動(dòng)程序的編寫和環(huán)境變量設(shè)置等內(nèi)容。

　　結(jié)語

　　通過對mC/OS和mClinux的比較,可以看出這兩種操作系統(tǒng)在應(yīng)用方面各有優(yōu)劣。mC/OS占用空間少,執(zhí)行效率高,實(shí)時(shí)性能優(yōu)良,且針對新處理器的移植相對簡單。mClinux則占用空間相對較大,實(shí)時(shí)性能一般,針對新處理器的移植相對復(fù)雜。但是,mCLinux具有對多種文件系統(tǒng)的支持能力、內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議,可以借鑒Linux豐富的資源,對一些復(fù)雜的應(yīng)用,mClinux具有相當(dāng)優(yōu)勢。例如CISCO公司的 2500/3000/4000 路由器就是基于mClinux操作系統(tǒng)開發(fā)的。

　　總之,操作系統(tǒng)的選擇是由嵌入式系統(tǒng)的需求決定的。簡單的說就是,小型控制系統(tǒng)可充分利用mC/OS小巧且實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)勢,如果開發(fā)PDA和互聯(lián)網(wǎng)連接終端等較為復(fù)雜的系統(tǒng)則mClinux是不錯(cuò)的選擇。