如何選擇一個(gè)ARM CPU嵌入式操作系統

目前，除了像TI OMAP, Intel的Xscale和Motorola的IMX系列這樣的移動(dòng)終端處理器采用ARM核外，也還有象Samsung, Atmel, Sharp, OKI和Philip等半導體公司設計一些通用ARM核的處理器，可以廣泛應用在各種嵌入式系統，現在在市場(chǎng)上看到比較多的有S3C44B0, 4510,2410,AT91系列和Intel PXA255等。

ARM處理器是32位設計，同時(shí)也配置了16位指令集，軟件可以以16位編碼與等價(jià)32位代碼相比，占用的存儲器空間可以節省約35%。ARM處理器目前有ARM7, ARM9, ARM9E, ARM10, ARM11系列產(chǎn)品和來(lái)自合作伙伴Intel Xscale和Strong ARM系列ARM7，適合于中低端的網(wǎng)絡(luò )設備、終端、各種通用型的嵌入式應用和工業(yè)控制等領(lǐng)域。ARM9適合于智能手機、PDA和先進(jìn)的控制管理和儀器儀表應用。Intel Xscale系列產(chǎn)品提供了高性能價(jià)格比、低功耗、適用于智能無(wú)線(xiàn)終端、PDA、家庭網(wǎng)絡(luò )和網(wǎng)絡(luò )存儲器設備等應用。

嵌入式操作系統是ARM CPU重要的軟件基礎

從8位/16位單片機發(fā)展到以ARM CPU核為代表的32位嵌入式處理器，嵌入式操作系統將替代傳統的由手工編制的監控程序或調度程序，成為重要的基礎組件。嵌入式操作系統可以提供ARM CPU核和外設的設備管理，如核的初始化、MMU（內存管理單元）、定時(shí)器、中斷、串口、SPI、GPIO、以太網(wǎng)、圖形接口等，嵌入式操作系統提供任務(wù)調度、內存管理、中斷處理、同步互斥機制、文件系統和網(wǎng)絡(luò )功能，更重要的一點(diǎn)是嵌入式操作系統對應用程序可以起到屏蔽的作用，讓?xiě)贸绦騿T面向操作系統級開(kāi)發(fā)應用軟件，并易于在不同的基于A(yíng)RM核的嵌入式處理器上移植。

嵌入式操作系統都一般具有一定的實(shí)時(shí)性，易于裁剪和伸縮，可以適合于從ARM7 到Xscale各種ARM CPU和各種檔次的應用，嵌入式操作系統可以使用廣泛流行的ARM開(kāi)發(fā)工具，如ARM公司的SDT/ADS和Real View、IAR EW等也可以使用開(kāi)源的軟件，如GCC/GDB、KDE或Eclipe開(kāi)發(fā)環(huán)境，市場(chǎng)上還有商業(yè)廠(chǎng)商的專(zhuān)用的開(kāi)發(fā)工具，如Tornado、μC /View、μC/KA、CODE/Lab、Metroworks等.

本文就目前國內在A(yíng)RM CPU上廣泛采用的三種嵌入式操作系統做個(gè)分析，μC/OS-II、μCLinux和嵌入式Linux。后兩種同屬于Linux,前者是針對沒(méi)有MMU的微處理器，如ARM7 TDMI核，后者可適用于絕大多數有MMU的微處理器中，如ARM920T，當然，文章也會(huì )涉及到其它支持ARM CPU的嵌入式操作系統。

μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)內核

由Jean Labrosse先生著(zhù)，邵貝貝老師翻譯的《嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II》先后由電力出版社（第一版）和航空航天大學(xué)出版社出版（第二版）發(fā)行了近萬(wàn)冊，相信有數以千計的學(xué)生、老師和工程師正在使用μC/OS-II，在過(guò)去的一年中（2003），在《電子產(chǎn)品世界》、《電子設計應用》和《單片機和嵌入式系統應用》等雜志和各種學(xué)術(shù)會(huì )議上的有μC/OS-II相關(guān)論文就有幾十余篇。全世界數百種設備已經(jīng)在使用μC/OS-II，包括如手機、路由器、不間斷電源、飛行器、醫療設備和工業(yè)控制設備，在中國也已經(jīng)有包括香港權智，首科希電，安控科技在內的10余家公司購買(mǎi)了產(chǎn)品授權。

μC/OS-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。 μC/OS-II的移植也相當容易，與CPU相關(guān)的代碼包裝在三個(gè)文件中，os_cpu.h，os_cpu_a.asm，os_cpu_c.c，而且 Jean Labrosse先生的應用筆記AN-1011和AN-1012對ARM7、AN-1337對ARM9的移植過(guò)程都做了詳細的說(shuō)明。

μC/OS-II有60余個(gè)系統調用，覆蓋任務(wù)、定時(shí)器、信號量、事件標志、郵箱、隊列和內存管理，已經(jīng)包含了傳統嵌入式操作系統內核（如PSOS，VRTX）的功能，還支持互斥型信號量(Mutual Exclusion Semaphone)，這是90年代的嵌入式操作系統內核，如Vxworks和VRTXsa才有的技術(shù)。

μC/OS-II因為是可搶占的實(shí)時(shí)內核，所以μC/OS-II與商業(yè)嵌入式實(shí)時(shí)內核在性能上沒(méi)有什么差異，μC/OS-II沒(méi)有用戶(hù)態(tài)和內核態(tài)，任務(wù)（線(xiàn)程）或中斷和任務(wù)切換的響應可以很快，主要是和不同的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OSINTCEXSW（）中的堆棧指針。這樣可以保證μC/OS-II在不同的CPU上運行更穩定，移植更方便。

總之，μC/OS-II是一個(gè)非常容易學(xué)習（有一本很好的講解很清楚的書(shū)），結構簡(jiǎn)單，功能完備和實(shí)時(shí)性很強的嵌入式操作系統內核，適合于各種嵌入式應用以及大專(zhuān)院校教學(xué)和科研。

μC/OS -II目前除了內核外還有商業(yè)化文件系統μC/FS，圖形系統μC/GUI以及任務(wù)調試工具μC KA和μC View，μC/OS-II自己目前也有TCP/IP。如果需要，可以購買(mǎi)商用的TCP/IP，如InterNiche (www.iniche.com)，也可以采用免費的TCP/IP項目如LWIP (http://www.sics.se/~adam/lwip/)，但無(wú)論在功能還是穩定性與商業(yè)代碼無(wú)法比擬。

最后需要說(shuō)明，μC/OS-II不是免費軟件，任何人學(xué)習使用μC/OS-II需要購買(mǎi)《嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II》一書(shū)，使用了μC/OS-II的產(chǎn)品需要購買(mǎi)產(chǎn)品生產(chǎn)授權，購買(mǎi)了此授權的還可以得到開(kāi)發(fā)期間的技術(shù)支持和升級服務(wù)。

IAR PowerPAC操作系統

IAR PowerPac for ARM是老牌歐洲瑞典工具公司IAR開(kāi)發(fā)的一個(gè)經(jīng)過(guò)整合的32bit RTOS和中間件家族，包括一個(gè)占用存儲器極少的實(shí)時(shí)操作系統和一個(gè)通用的文件系統。還有USB協(xié)議棧和TCP/IP v4網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧。IAR PowerPAC適合于不同產(chǎn)業(yè)中各種各樣的嵌入式應用，例如測試與測量、工控、電信、醫療以及消費類(lèi)電子產(chǎn)品等。

IAR PowerPac for ARM能夠與IAR Embedded Workbench無(wú)縫集成，即使面對最復雜的應用也能提供完整的開(kāi)發(fā)環(huán)境。IAR PowerPac 是一個(gè)有豐富功能的實(shí)時(shí)操作系統（ RTOS ），包含一個(gè)高性能的文件系統。以及附加的USB和TCP/IP，Web Server軟件包。IAR PowerPac 與 IAR 嵌入式工作臺無(wú)縫集成，為不同制造商的 ARM 設備提供了豐富的范例項目和板級支持包。

IAR PowerPac 及協(xié)議棧

IAR提供PowerPac實(shí)時(shí)操作系統和文件管理系統、USB協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧，其授權方式是工程師坐席收取License費用，沒(méi)有進(jìn)一步的版稅，降低了最終用戶(hù)的風(fēng)險。

μCLinux操作系統

μCLinux是Linux小型化后，適合于沒(méi)有MMU的微處理器芯片而裁剪成的小型化Linux操作系統，在A(yíng)RM CPU系列中，ARM7 TDMI，ARM940T等ARM核的CPU產(chǎn)品，如果希望使用Linux操作系統，只能用μCLinux，當然，μCLinux也支持Motorola Dragonball, Coldfire等其它中低端嵌入式處理器。

μCLinux保持了傳統Linux操作系統的主要特性，包括穩定、強大的網(wǎng)絡(luò )和文件系統的支持，μCLinux裁剪了大量的Linux內核以縮小尺寸，適合象512k RAM，1M Flash這樣小容量，低成本的嵌入式系統。

μCLinux 的項目是由Linux 2.0.38內核開(kāi)始的，第一個(gè)項目是Motorola 68EZ328，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，這些，你可以在μCLinux的官方網(wǎng)站www.uclinux.org上找到，μCLinux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（因為今年Linux 2.6將開(kāi)始成為主流的內核）。

μCLinux系統小型化的另一個(gè)重要原因是采用了μCLib庫替代 Linux的Glib庫，使用μCLib可以大大減少應用程序的代碼尺寸，對于中小型嵌入式應用，μCLib功能可以滿(mǎn)足需要，所以目前即使是某些采用 Linux 2.4內核的嵌入式LINUX系統也采用μCLib庫的做法。μCLinux中，由于沒(méi)有內存保護機制，應用代碼一般采用靜態(tài)連接的方式，而且在 μCLinux中采用Flat文件執行格式（Linux是Coff或Elf格式）, μCLinux和應用代碼都可以支持固化，存儲在Flash存儲介質(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 μCLinux更象傳統意義上的嵌入式操作系統。

μCLinux 主要是針對沒(méi)有MMU的嵌入式處理器開(kāi)發(fā)設計，那么它也失去了有MMU所帶來(lái)的Linux操作系統的特色，比如，上面已經(jīng)提到的靜態(tài)加載（Linux支持動(dòng)態(tài)應用的加載），μCLinux對內存操作是直接的物理內存，這樣，任何程序的異常都可能導致內核崩潰，μCLinux采用Vfovk（），支持多進(jìn)程，但需要父子進(jìn)程協(xié)調同步，μCLinux的文件系統相對比較陳舊，支持的CPU和參考設計還比較少，社區的發(fā)展和維護也相對緩慢。更重要的是，在國內外沒(méi)有一家軟件公司有商業(yè)化的μCLinux軟件產(chǎn)品和服務(wù)支持，目前μCLinux官方網(wǎng)站還很少看見(jiàn)象IBM、Intel這樣的巨型公司身影，只有 2~3家小型的硬件或方案提供商，這對于商業(yè)化的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中采用是有一定的風(fēng)險。

嵌入式Linux操作系統

我們這里要討論的是可以嵌入在A(yíng)RM CPU上的，有MMU功能的Linux操作系統，也可以稱(chēng)是嵌入式Linux操作系統。芬蘭學(xué)生Linux Torvalds在91年寫(xiě)完第一個(gè)Linux版本時(shí)，怎樣也無(wú)法想象到今天Linux在全世界范圍被廣泛注目和應用。嵌入式系統作為L(cháng)inux應用的一個(gè)重要領(lǐng)域，由于它的廣泛性和多樣化正在迅速發(fā)展。

和 微軟的軟件不一樣，Linux不是由一家公司所擁有、維護開(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內核、基本工具和應用，不同的發(fā)行版本主要是在附加的工具鏈、應用、配置以及各種內核補丁上有所不同。嵌入式Linux主要是在實(shí)時(shí)性增強、內核精簡(jiǎn)和裁減、支持多種 CPU結構（如ARM CPU）等方面做了改進(jìn)和提高。