幾種嵌入式實時操作系統(tǒng)的分析與比較

VxWorks、μClinux、μC／OS-II和eCos是4種性能優(yōu)良并被廣泛應用的實時操作系統(tǒng)。本文通過對這4種操作系統(tǒng)的主要性能進行分析與比較，歸納出它們的選型依據(jù)和適用領域。

1 4種操作系統(tǒng)的介紹
(1)VxWorks
VxWorks是美國WindRiver公司的產品，是目前嵌入式系統(tǒng)領域中應用很廣泛，市場占有率比較高的嵌入式操作系統(tǒng)。VxWorks實時操作系統(tǒng)由400多個相對獨立、短小精悍的目標模塊組成，用戶可根據(jù)需要選擇適當?shù)哪K來裁剪和配置系統(tǒng)；提供基于優(yōu)先級的任務調度、任務間同步與通信、中斷處理、定時器和內存管理等功能，內建符合POSIX(可移植操作系統(tǒng)接口)規(guī)范的內存管理，以及多處理器控制程序；并且具有簡明易懂的用戶接口，在核心方面甚至町以微縮到8 KB。
(2) μC／OS-II
μC／OS-II是在μC-OS的基礎上發(fā)展起來的，是美國嵌入式系統(tǒng)專家Jean J．Labrosse用C語言編寫的一個結構小巧、搶占式的多任務實時內核。μC／OS-II能管理64個任務，并提供任務調度與管理、內存管理、任務間同步與通信、時間管理和中斷服務等功能，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點。
(3)μClinux
μClinux是一種優(yōu)秀的嵌入式Linux版本，其全稱為micro-control Linux，從字面意思看是指微控制Linux。同標準的Linux相比，μClinux的內核非常小，但是它仍然繼承了Linux操作系統(tǒng)的主要特性，包括良好的穩(wěn)定性和移植性、強大的網絡功能、出色的文件系統(tǒng)支持、標準豐富的API，以及TCP／IP網絡協(xié)議等。因為沒有MMU內存管理單元，所以其多任務的實現(xiàn)需要一定技巧。
(4)eCos
eCos(embedded Configurable operating system)，即嵌入式可配置操作系統(tǒng)。它是一個源代碼開放的可配置、可移植、面向深度嵌入式應用的實時操作系統(tǒng)。最大特點是配置靈活，采用模塊化設計，核心部分由小同的組件構成，包括內核、C語言庫和底層運行包等。每個組件可提供大量的配置選項(實時內核也可作為可選配置)，使用eCos提供的配置工具可以很方便地配置，并通過不同的配置使得eCos能夠滿足不同的嵌入式應用要求。

2 性能分析與比較
任務管理、任務及中斷間的同步與通信機制、內存管理、中斷管理、文件系統(tǒng)、對硬件的支持和系統(tǒng)移植這幾方面是實時操作系統(tǒng)的主要性能。下面就從這幾個方面著手對上述4種操作系統(tǒng)進行分析與比較。
2．1 任務管理
任務管理是嵌入式實時操作系統(tǒng)的核心和靈魂，決定了操作系統(tǒng)的實時性能。它通常包含優(yōu)先級設置、多任務調度機制和時間確定性等部分。
2.1.1 優(yōu)先級設置
嵌入式操作系統(tǒng)支持多任務，每個任務都具有優(yōu)先級，任務越重要，賦予的優(yōu)先級應越高。優(yōu)先級的設置分為靜態(tài)優(yōu)先級和動態(tài)優(yōu)先級兩種。靜態(tài)優(yōu)先級指的是每個任務在運行前都被賦予一個優(yōu)先級，而且這個優(yōu)先級在系統(tǒng)運行期間是不能改變的；動態(tài)優(yōu)先級則是指每個任務的優(yōu)先級(特別是應用程序的優(yōu)先級)在系統(tǒng)運行時可以動態(tài)地改變。
2.1.2 多任務調度機制
任務調度主要是協(xié)調任務對計算機系統(tǒng)資源的爭奪使用。對系統(tǒng)資源非常匱乏的嵌入式系統(tǒng)來說，任務調度尤為重要，它直接影響到系統(tǒng)的實時性能。通常，多任務調度機制分為基于優(yōu)先級搶占式調度和時間片輪轉調度。
基于優(yōu)先級搶占式調度：系統(tǒng)中每個任務都有一個優(yōu)先級，內核總是將CPU分配給處于就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務運行。如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)就緒隊列中有比當前運行任務更高的優(yōu)先級任務，就把當前運行任務置于就緒隊列中，調入高優(yōu)先級任務運行。系統(tǒng)采用優(yōu)先級搶占方式進行調度，可以保證重要的突發(fā)事件及時得到處理。
時間片輪轉調度：讓優(yōu)先級相同的處于就緒狀態(tài)的任務按時間片使用CPU，以防止同優(yōu)先級的某一任務長時間獨占CPU。
在一般情況下，嵌入式實時操作系統(tǒng)采用基于優(yōu)先級搶占式調度與時間片輪轉調度相結合的調度機制。
2.1.3 時間的可確定性
嵌入式實時操作系統(tǒng)甬數(shù)調用與服務的執(zhí)行時間應具有可確定性。系統(tǒng)服務的執(zhí)行時間不依賴于應用程序任務的多少?；诖颂卣鳎到y(tǒng)完成某個確定任務的時間是可預測的。表1具體列出了4種操作系統(tǒng)的調度機制。
4種嵌入式實時操作系統(tǒng)都支持多任務，只是在支持任務數(shù)量上和任務調度機制上有所不同。VxWorks具有高效的任務管理功能，它支持多任務，可分配256個優(yōu)先級，支持優(yōu)先級搶占式調試和時間片輪轉調度，實時性最好。μC／OS-II內核是針對實時系統(tǒng)的要求設計實現(xiàn)的，只支持基于固定優(yōu)先級搶占式調度；調度方法簡單，可以滿足較高的實時性要求。μClinux在結構上繼承了標準Linux的多任務實現(xiàn)方式，分為實時進程和普通進程，分別采用先來先服務和時間片輪轉調度；僅針對中低檔嵌入式CPU特點進行改良，且不支持內核搶占。eCos調度方法豐富，提供了兩種基于優(yōu)先級的調度器(即位圖調度器和多級隊列調度器)，允許用戶在進行配置時選擇其中一個凋度器，適應性好。
2．2 任務及中斷間的同步與通信機制
實時操作系統(tǒng)的功能一般要通過若干任務和中斷服務程序共同完成。任務與任務之間、任務與中斷間任務及中斷服務程序之間必須協(xié)調動作，互相配合，這就涉及任務間的同步與通信問題。嵌入式實時操作系統(tǒng)通常是通過信號量、互斥信號量、事件標志和異步信號來實現(xiàn)同步，通過消息郵箱、消息隊列、管道和共享內存來提供通信服務。由于互斥信號量的使用，帶來了實時操作系統(tǒng)中常見的優(yōu)先級反轉問題。優(yōu)先級反轉是一種不確定的延遲形式，當高優(yōu)先級任務企圖訪問已被低優(yōu)先級占有的共享資源時，必須等待低優(yōu)先級任務釋放共享資源；如果這時低優(yōu)先級任務被一個或多個中優(yōu)先級任務搶占，那么高優(yōu)先級任務被延遲的時間將更進一步延長，實時性難以保證。因此，應采取相關措施以盡鼉避免出現(xiàn)優(yōu)先級反轉問題。實時系統(tǒng)通常采用優(yōu)先級繼承和優(yōu)先級置頂機制。
優(yōu)先級繼承足指擁有互斥量的任務被提升到與下一個在等待該互斥最的最高優(yōu)先級任務相同的優(yōu)先級；優(yōu)先級置頂是指獲得互斥量的任務將其優(yōu)先級提升到一個事先規(guī)定好的值。表2為4種操作系統(tǒng)的同步與通信機制的比較。

4種系統(tǒng)都具有靈話的任務間同步與通信機制，都可以通過信號量、消息隊列來實現(xiàn)同步與通信，但是VxWorks與μClinux都不支持郵箱和事件標志，而且除了μClinux和eCos中的位圖調度器，其他操作系統(tǒng)都采取了措施抑制優(yōu)先級反轉。
2．3 內存管理
內存管理主要包括：內存分配原則，存儲保護和內存分配方式。
2.3.1 內存分配原則
內存分配原則包括快速性、可靠性和高效性。其中，快速性要求內存分配過程要盡可能快，所以一般采用簡單、快速的分配算法；可靠性指的是內存分配的請求必須得到滿足；系統(tǒng)強調高效性的要求，不僅僅是對系統(tǒng)成本的要求，而且由于系統(tǒng)本身可配置的內存容量也是很有限的，所以要盡可能地避免浪費。
2.3.2 存儲保護
通常在操作系統(tǒng)的內存中既有系統(tǒng)程序也有用戶程序，為了使兩者都能正常運行，避免程序間相互干擾，需要對內存中的程序和數(shù)據(jù)進行保護。存儲保護通常需要硬件支持，在很多系統(tǒng)中都采用MMU，并結合軟件實現(xiàn)；但由于嵌入式系統(tǒng)的成本限制內核和用戶程序通常都在相同的內存空間中。
2.3.3 內存分配方式
內存分配方式可分為靜態(tài)分配和動態(tài)分配。靜態(tài)分配是在程序運行前一次性分配給相應內存，并且在程序運行期間中不允許再申請或在內存中移動；動態(tài)分配則允許在程序運行整個過程中進行內存分配。靜態(tài)分配使系統(tǒng)失去了靈活性，但對于實時性要求比較高的系統(tǒng)是必需的；而動態(tài)分配賦予了系統(tǒng)設計者更多自主性，可以靈活地調整系統(tǒng)的功能。
VxWorks對內存的使用采用的是Flat Mode，可被靜態(tài)或動態(tài)鏈接。VxWorks為用戶提供了兩種內存區(qū)域Region和Partition。Region是變長的內存區(qū)，用戶可以從創(chuàng)建的Region中分配Segment，其特點是容易產生碎片，但靈活并且不浪費；Partition是定長的內存區(qū)，用戶可以從刨建的Partition中分配Buffer，其特點是不會產生碎片，技率高但是易浪費。VxWorks采用最先算法分配內存。μC/OS-II把連續(xù)的大塊內存按分區(qū)來管理，每個分區(qū)中都包含整數(shù)個大小相同的內存塊，但不同分區(qū)之間內存的太小可以不同。用戶動態(tài)分配內存時，只須選擇一個適當?shù)姆謪^(qū)，按塊來分配內存，釋放時將該塊放回到以前所屬的分區(qū)，這樣就消除了因多次動態(tài)分配和釋放內存所引起的碎片問題。μClinux是針對沒有MMU的處理器設計的，不能使用處理器的虛擬內存管理技術，只能采用實存儲器管理策略。系統(tǒng)使用分頁內存分配方式，在啟動時對實際存儲器進行分頁。系統(tǒng)對內存的訪問是直接的操作系統(tǒng)對內存空間沒有保護，多個進程可共享一個運行空間，所以，即使是一個無特權進程調用一個無效指針也會觸發(fā)一個地址錯誤，并有可能引起程序崩潰甚至系統(tǒng)崩潰。eCos對內存分配既不分段也不分頁，而是采用一種基于內存池的動態(tài)內存分配機制。通過兩種內存池類來實現(xiàn)兩種內存管理方法：一種是變長的內存池；另一種是定長的內存池，類似于VxWorb的管理方案。表3為4種操作系統(tǒng)內存管理的比較。
2.4 中斷管理
中斷管理是實時系統(tǒng)中一個很重要的部分，系統(tǒng)經常通過中斷與外部事件交互。主要考慮是否支持中斷嵌套、中斷處理機制、中斷延時等。
(1)VxWorks的中斷管理
VxWorks操作系統(tǒng)中斷管理采用中斷處理與普通任務分別在不同棧中處理的中斷處理機制，使得中斷只會引發(fā)一些關鍵寄存器的存儲，而不會導致任務的上下文切換，從而極大地縮短了中斷延時。同時，VxWorks的中斷處理程序只能在最短時間內通告中斷的發(fā)生，而將其他的非實時處理盡量放入被引發(fā)的中斷服務程序中來完成，這也縮短了中斷延時。但是凼為中斷服務程序不在一個固定的仟務上下文中執(zhí)行，而目沒有任務控制塊，所以所有中斷服務程序使用相同的中斷堆棧。為了能處理最壞情況下的中斷嵌套，必須分配足夠大的中斷堆棧空間。
(2)μC／OS-II的中斷管理
μC／OS-II中斷處理比較簡單。一個中斷向量上只能掛一個中斷服務子程序ISR，而且用戶代碼必須都在ISR中完成。ISR需要做的事情越多，中斷延時也就越長。內核所能支持的最大嵌套深度為255。
(3) μClinux的中斷管理
μClinux操作系統(tǒng)將中斷處理分為兩部分：頂半處理和底半處理。在頂半處理中，必須關中斷運行，且僅進行必要的、非常少、速度快的處理，其他處理交給底半處理；底半處理執(zhí)行那些復雜、耗時的處理，而且接受中斷。因為系統(tǒng)中存在有許多中斷的底半處理，所以會引起系統(tǒng)中斷處理的延時。
(4)eCos的中斷管理
eCos使用了分層式中斷處理機制，把中斷處理分為傳統(tǒng)的ISR和滯后中斷服務程序DSR。類似于μClinux的處理機制，這種機制可以在中斷允許時運行DSR，因此在處理較低優(yōu)先級中斷時允許高優(yōu)先級的中斷和處理。為了極大地縮短中斷延時，ISR應當可以快速運行。如果中斷引起的服務量少，則ISR可以單獨處理中斷；如果中斷服務復雜，則ISR只屏蔽中斷源，然后交由DSR處理。
2.5 文件系統(tǒng)
所謂“文件系統(tǒng)”是指負責存取和管理文件信息的機構，也可以說是負貴文件的建立、撤銷、組織、讀寫、修改、復制，以及對文件管理所需的其他資源實施管理的軟件部分。VxWorks操作系統(tǒng)在文件系統(tǒng)與設備驅動程序之間使用一種標準的I/O口操作接口，且支持MS-DOS、RT-11、RFS、CD-ROM、RAW等文件系統(tǒng)。這樣，在單個VxWorks操作系統(tǒng)中可以運行多個相同或不同種類的文件系統(tǒng)。μC／OS-II是面向中小型嵌入式系統(tǒng)的，即使包含全部功能，編譯后內核也不到10 KB，所以系統(tǒng)本身并沒有提供對文件系統(tǒng)的支持。但是μC／OS-II具有良好的擴展性能，如果需要也可自行加入文件系統(tǒng)的內容。μClinux繼承了Linux完善的文件系統(tǒng)性能，它支持ROMFS、NFS、ext2、MS-DOS、JFFS等文件系統(tǒng)。但一般采用ROMFS文件系統(tǒng)，這種文件系統(tǒng)相對于一般的文件系統(tǒng)(如ext2)占用更少的空間。但是ROMFS文件系統(tǒng)不支持動態(tài)擦寫保存，對于系統(tǒng)需要動態(tài)保存的數(shù)據(jù)須采用虛擬RAM盤／JFFS的方法進行處理。eCos操作系統(tǒng)的可配置性非常強大，用戶可以自己加入所需的文件系統(tǒng)。
2.6 對硬件的支持
VxWorks、μC／OS-II、μClinux和eCos這4種操作系統(tǒng)都支持當前流行的大部分嵌入式CPU。μC／OS-II支持從8位到32位的CPU，VxWorks、μClinux和eCos可以在16位、32位和64位等不同體系結構之間移植。由于μClinux繼承了Linux的大部分性能，所以至少需要512KB的RAM空間，lMB的ROM／Flash空間；而μC／OSII和eCos由于本身內核就很小，經過裁剪后的代碼最小可以分別為2 KB和10 KB，所需的最小數(shù)據(jù)RAM空間分別為4 KB和10 KB?？偟膩碚f，4種系統(tǒng)對硬件的要求比較低，比較經濟。具體比較如表4所列。

2.7 系統(tǒng)移植
嵌入式操作系統(tǒng)移植的目的是使嵌入式操作系統(tǒng)能在某個微處理器或微控制器上運行。4種系統(tǒng)中VxWorks是商用操作系統(tǒng)的有很多API函數(shù)及相關技術支持，所以移植和二次開發(fā)比較容易，但是移植成本較高。其他3種系統(tǒng)的結構化設計便于把與處理器相關的部分分離出來，所以被移植到新的處理器上也是可能的。μC／OS-II的移植相對比較簡單，只需要修改與處理器相關的代碼就可以了。μClinux是Linux針對嵌入式系統(tǒng)的一種改良，其結構比較復雜。移植μClinux，目標處理器除了應滿足μC／OS-II移植所需的條件外，還需要足夠容量的外部ROM和RAM。eCos系統(tǒng)的可移植性明顯比μC／OS-II和μClinux好。在eCos系統(tǒng)中，每個硬件平臺都有一個單獨的目錄，用于存放引對這一硬件平臺的硬件抽象層的代碼和配置信息；而μClinux的硬件抽象層的代碼則分布在好幾個目錄中，通過命令來選擇不同硬件平臺的代碼。所以，修改eCos代碼相對簡單，移植也相對容易。

結論
這4種嵌入式實時操作系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)的應用非常廣泛，但是又具有各自的特點。根據(jù)上述比較，歸納出各自的適用領域。
①VxWorks是一套婁似于Unix的實時操作系統(tǒng)，它內建了符合POSIX規(guī)范的內存管理，以及多處理器控制程序，并且具有簡明易懂的用戶接口，在核心方面甚至可以微縮到8 KB。它由400多個相對獨立的、短小精悍的目標模塊組成，用戶可根據(jù)需要選擇適當模塊來裁剪和配置系統(tǒng)，有效地保證了系統(tǒng)的安全性和可靠性。它被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高尖技術及實時性要求極高的領域，尤其是在許多關鍵應用方面，VxWorks還是一枝獨秀。例如，美國波音公司就在其最新的787客機中采用了此操作系統(tǒng)；而在外層空間探索領域，VxWorks則一直是美國太空總署NASA的最愛。
②μC／OS-II是一個結構簡單、功能完備和實時性很強的嵌入式操作系統(tǒng)內核，適合于廣大的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員和愛好者入門學習，以及高校教學和科研。μC／OSII很適合開發(fā)那些對系統(tǒng)要求不是很苛刻，且RAM和ROM有限的各種小型嵌入式系統(tǒng)設備。
③μClinux最大特點在于針對無MMU處理器設計，可以利用功能強大的Linux資源，因此適合開發(fā)對事件要求不高的小容量、低成本的各類產品，特別適用于開發(fā)與網絡應用密切相關的嵌入式設備或者PDA設備。例如，CISCO公司的2500／3000／4000路由器就是基于μClinux操作系統(tǒng)開發(fā)的。
④eCos最大特點是配置靈活，而月是面向深度嵌入 式應用的，很適合用于一些商業(yè)級或工業(yè)級對成本敏感的

嵌入式系統(tǒng),例如消費電子類領域中的一些應用。