UC/OS和UCLinux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m cs51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。

        UC/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 uc/os和uclinux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

        uc/os和uclinux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。uc/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。uclinux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。

        uc/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。

        uclinux是一種優(yōu)秀的嵌入式linux版本。uclinux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uc/os和uclinux進(jìn)行分析比較。

       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，uc/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)。uc/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。uc/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。

       UCLinux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。

       uclinux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。

      uclinux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，UC/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uclinux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。

      uc/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uc/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uc/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。

      uclinux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)。

      uclinux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uclinux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uclinux是一個(gè)不錯的選擇。而uc/os則主要適合一些控制系統。

      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。uc/os和uclinux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)uc/os的移植

      要移植uc/os，目標處理器必須滿(mǎn)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(yǔ)言就可以打開(kāi)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)，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寄存器讀出和存儲到堆?；騼却嬷械闹噶?。

      在理解了處理器和c編譯器的技術(shù)細節后，uc/os的移植只需要修改與處理器相關(guān)的代碼就可以了。具體有如下內容：

      ·os_cpu.h中需要設置一個(gè)常量來(lái)標識堆棧增長(cháng)方向；

      ·os_cpu.h中需要聲明幾個(gè)用于開(kāi)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(cháng)重新定義一系列數據類(lèi)型；

      ·os_cpu_a.asm需要改寫(xiě)4個(gè)匯編語(yǔ)言的函數；

      ·os_cpu_c.c需要用c語(yǔ)言編寫(xiě)6個(gè)簡(jiǎn)單函數；

      ·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)uclinux的移植

      由于uclinux其實(shí)是linux針對嵌入式系統的一種改良，其結構比較復雜，相對 uc/os，uclinux的移植也復雜得多。一般而言要移植uclinux，目標處理器除了應滿(mǎn)足上述uc/os應滿(mǎn)足的條件外，還需要具有足夠容量(幾百k字節以上)外部rom和ram。

      UCLinux的移植大致可以分為3個(gè)層次：

      ·結構層次的移植，如果待移植處理器的結構不同于任何已經(jīng)支持的處理器結構，則需要修改linux/arch目錄下相關(guān)處理器結構的文件。雖然uclinux內核代碼的大部分是獨立于處理器和其體系結構的，但是其最低級的代碼也是特定于各個(gè)系統的。這主要表現在它們的中斷處理上下文、內存映射的維護、任務(wù)上下文和初始化過(guò)程都是獨特的。這些例行程序位于linux/arch/目錄下。由于linux所支持體系結構的種類(lèi)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(xiě)。

      ·平臺層次的移植，如果待移植處理器是某種uclinux已支持體系的分支處理器，則需要在相關(guān)體系結構目錄下建立相應目錄并編寫(xiě)相應代碼。如mc68ez328就是基于無(wú)mmu的m68k內核的。此時(shí)的移植需要創(chuàng )建linux/arch/m68knommu/platform/ mc68ez328目錄并在其下編寫(xiě)跟蹤程序(實(shí)現用戶(hù)程序到內核函數的接口等功能)、中斷控制調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uclinux支持的話(huà)，就只需要板級移植了。板級移植需要在linux/a rch/?platform/中建立一個(gè)相應板的目錄，再在其中建立相應的啟動(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。板級移植還包括驅動(dòng)程序的編寫(xiě)和環(huán)境變量設置等內容。

         結語(yǔ)

       通過(guò)對UC/OS和uclinux的比較，可以看出這兩種操作系統在應用方面各有優(yōu)劣。 uc/os占用空間少，執行效率高，實(shí)時(shí)性能優(yōu)良，且針對新處理器的移植相對簡(jiǎn)單。uclinux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雜。但是，uclinux具有對多種文件系統的支持能力、內嵌了tcp/ip協(xié)議，可以借鑒linux豐富的資源，對一些復雜的應用，uclinux具有相當優(yōu)勢。例如cisco 公司的 2500/3000/4000 路由器就是基于uclinux操作系統開(kāi)發(fā)的。 總之，操作系統的選擇是由嵌入式系統的需求決定的。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是，小型控制系統可充分利用uc/os小巧且實(shí)時(shí)性強的優(yōu)勢，如果開(kāi)發(fā)pda和互聯(lián)網(wǎng)連接終端等較為復雜的系統則uclinux是不錯的選擇。