兩種嵌入式操作系統的比較

      隨著(zhù)現代計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應用，從PC時(shí)代過(guò)渡到了以個(gè)人數字助理、手持個(gè)人電腦和信息家電為代表的3C(計算機、通信、消費電子)一體的后PC時(shí)代。后PC時(shí)代里，嵌入式系統扮演了越來(lái)越重要的角色，被廣泛應用于信息電器、移動(dòng)計算機設備、網(wǎng)絡(luò )設備和工控仿真等領(lǐng)域。嵌入式系統的開(kāi)發(fā)也成為近年IT行業(yè)的技術(shù)熱點(diǎn)。 

     完成簡(jiǎn)單功能的嵌入式系統一般不需要操作系統，如以前許多MCS51系列單片機組成的小系統就只是利用軟件實(shí)現簡(jiǎn)單的控制環(huán)路。但是隨著(zhù)所謂后PC時(shí)代的來(lái)臨，嵌入式系統設計日趨復雜，嵌入式操作系統就必不可少了。

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

    從八十年代起，國際上就有一些IT組織、公司，開(kāi)始進(jìn)行商用嵌入式系統和專(zhuān)用操作系統的研發(fā)。這其中涌現了一些著(zhù)名的嵌入式系統，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操作系統是兩種性能優(yōu)良源碼公開(kāi)且被廣泛應用的的免費嵌入式操作系統，可以作為研究實(shí)時(shí)操作系統和非實(shí)時(shí)操作系統的典范。本文通過(guò)對mC/OS和mClinux的對比，分析和總結了嵌入式操作系統應用中的若干重要問(wèn)題，歸納了嵌入式系統開(kāi)發(fā)中操作系統的選型依據。

    兩種開(kāi)源嵌入式操作系統介紹

    mC/OS和mClinux操作系統，是當前得到廣泛應用的兩種免費且公開(kāi)源碼的嵌入式操作系統。mC/OS適合小型控制系統，具有執行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴展性強等特點(diǎn)，最小內核可編譯至2k。mClinux則是繼承標準Linux的優(yōu)良特性，針對嵌入式處理器的特點(diǎn)設計的一種操作系統，具有內嵌網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、支持多種文件系統，開(kāi)發(fā)者可利用標準Linux先驗知識等優(yōu)勢。其編譯后目標文件可控制在幾百K量級。

    mC/OS是一種免費公開(kāi)源代碼、結構小巧、具有可剝奪實(shí)時(shí)內核的實(shí)時(shí)操作系統。其內核提供任務(wù)調度與管理、時(shí)間管理、任務(wù)間同步與通信、內存管理和中斷服務(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(xiě)。同標準Linux相比，它集成了標準Linux操作系統的穩定性、強大網(wǎng)絡(luò )功能和出色的文件系統等主要優(yōu)點(diǎn)。但是由于沒(méi)有MMU(內存管理單元)，其多任務(wù)的實(shí)現需要一定技巧。

    兩種嵌入式操作系統主要性能比較

    嵌入式操作系統是嵌入式系統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(hù)共享嵌入式系統的各種資源。其中用戶(hù)指的是系統程序之上的所有軟件。所謂合理有效的方法，指的就是操作系統如何協(xié)調并充分利用硬件資源來(lái)實(shí)現多任務(wù)。復雜的操作系統都支持文件系統，方便組織文件并易于對其規范化操作。 

    嵌入式操作系統還有一個(gè)特點(diǎn)就是針對不同的平臺，系統不是直接可用的，一般需要經(jīng)過(guò)針對專(zhuān)門(mén)平臺的移植操作系統才能正常工作。

    進(jìn)程調度、文件系統支持和系統移植是在嵌入式操作系統實(shí)際應用中最常見(jiàn)的問(wèn)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。

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    進(jìn)程調度

    任務(wù)調度主要是協(xié)調任務(wù)對計算機系統內資源(如內存、I/O設備、CPU)的爭奪使用。進(jìn)程調度又稱(chēng)為CPU調度，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。由于嵌入式系統中內存和I/O設備一般都和CPU同時(shí)歸屬于某進(jìn)程，所以任務(wù)調度和進(jìn)程調度概念相近，很多場(chǎng)合不加區分，下文中提到的任務(wù)其實(shí)就是進(jìn)程的概念。

    進(jìn)程調度可分為“剝奪型調度”和“非剝奪型調度”兩種基本方式。所謂“非剝奪型調度”是指：一旦某個(gè)進(jìn)程被調度執行，則該進(jìn)程一直執行下去直至該進(jìn)程結束，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“剝奪型調度”是指：一旦就緒狀態(tài)中出現優(yōu)先權更高的進(jìn)程，或者運行的進(jìn)程已用滿(mǎn)了規定的時(shí)間片時(shí)，便立即剝奪當前進(jìn)程的運行(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，mC/OS是采用的可剝奪型實(shí)時(shí)多任務(wù)內核?？蓜儕Z型的實(shí)時(shí)內核在任何時(shí)候都運行就緒了的最高優(yōu)先級的任務(wù)。mC/OS中最多可以支持64個(gè)任務(wù)，分別對應優(yōu)先級0~63，其中0為最高優(yōu)先級。調度工作的內容可以分為兩部分：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(guò)建立就緒任務(wù)表來(lái)實(shí)現的。mC/OS中的每一個(gè)任務(wù)都有獨立的堆?？臻g，并有一個(gè)稱(chēng)為任務(wù)控制塊TCB(Task Control Block)數據結構，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)調度模塊首先用變量OSTCBHighRdy記錄當前最高級就緒任務(wù)的TCB地址，然后調用OS_TASK_SW()函數來(lái)進(jìn)行任務(wù)切換。

    mClinux的進(jìn)程調度沿用了Linux的傳統，系統每隔一定時(shí)間掛起進(jìn)程，同時(shí)系統產(chǎn)生快速和周期性的時(shí)鐘計時(shí)中斷，并通過(guò)調度函數(定時(shí)器處理函數)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(guò)父進(jìn)程調用fork函數生成子進(jìn)程來(lái)實(shí)現的。

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

   mClinux由于沒(méi)有MMU管理存儲器，其對內存的訪(fǎng)問(wèn)是直接的，所有程序中訪(fǎng)問(wèn)的地址都是實(shí)際的物理地址。操作系統隊內存空間沒(méi)有保護，各個(gè)進(jìn)程實(shí)際上共享一個(gè)運行空間。這就需要實(shí)現多進(jìn)程時(shí)進(jìn)行數據保護，也導致了用戶(hù)程序使用的空間可能占用到系統內核空間，這些問(wèn)題在編程時(shí)都需要多加注意，否則容易導致系統崩潰。

    由上述分析可以得知，mC/OS內核是針對實(shí)時(shí)系統的要求設計實(shí)現的，相對簡(jiǎn)單，可以滿(mǎn)足較高的實(shí)時(shí)性要求。而mClinux則在結構上繼承了標準Linux的多任務(wù)實(shí)現方式，僅針對嵌入式處理器特點(diǎn)進(jìn)行改良。其要實(shí)現實(shí)時(shí)性效果則需要使系統在實(shí)時(shí)內核的控制下運行，RT-Linux就是可以實(shí)現這一個(gè)功能的一種實(shí)時(shí)內核。

    文件系統

    所謂文件系統是指負責存取和管理文件信息的機構，也可以說(shuō)是負責文件的建立、撤銷(xiāo)、組織、讀寫(xiě)、修改、復制及對文件管理所需要的資源(如目錄表、存儲介質(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的，如果包含全部功能(信號量、消息郵箱、消息隊列及相關(guān)函數)，編譯后的mC/OS內核僅有6~10KB，所以系統本身并沒(méi)有對文件系統的支持。但是mC/OS具有良好的擴展性能，如果需要的話(huà)也可自行加入文件系統的內容。

    mClinux則是繼承了Linux完善的文件系統性能。其采用的是romfs文件系統，這種文件系統相對于一般的ext2文件系統要求更少的空間?？臻g的節約來(lái)自于兩個(gè)方面，首先內核支持romfs文件系統比支持ext2文件系統需要更少的代碼，其次romfs文件系統相對簡(jiǎn)單，在建立文件系統超級塊(superblock)需要更少的存儲空間。Romfs文件系統不支持動(dòng)態(tài)擦寫(xiě)保存，對于系統需要動(dòng)態(tài)保存的數據采用虛擬ram盤(pán)的方法進(jìn)行處理(ram盤(pán)將采用ext2文件系統)。

    mClinux還繼承了Linux網(wǎng)絡(luò )操作系統的優(yōu)勢，可以很方便的支持網(wǎng)絡(luò )文件系統且內嵌TCP/IP協(xié)議，這為mClinux開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò )接入設備提供了便利。

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

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    操作系統的移植

    嵌入式操作系統移植的目的是指使操作系統能在某個(gè)微處理器或微控制器上運行。mC/OS和mClinux都是源碼公開(kāi)的操作系統，且其結構化設計便于把與處理器相關(guān)的部分分離出來(lái)，所以被移植到新的處理器上是可能的。

    以下對兩種系統的移植分別予以說(shuō)明。

(1)mC/OS的移植

要移植mC/OS，目標處理器必須滿(mǎn)足以下要求；