麻雀雖小 五臟俱全：MCU專用RTOS簡述

微控制器(MCU)廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)，如各式家電、工業(yè)自動化，實時控制、資料采集等領(lǐng)域，為因應(yīng)工控所需的實時(Realtime)控制、快速回應(yīng)等需求，因此MCU大多搭載RTOS(實時操作系統(tǒng))運行。隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，軟件業(yè)也為RTOS加入物聯(lián)網(wǎng)的成分，以提早卡位物聯(lián)網(wǎng)的核心軟件市場…

各種處理器專用之OS

在一般功能(General-purpose)的處理器市場分類中，若以功能與執(zhí)行速度來說，大致分為CPU > MPU > MCU。CPU的功能最強(qiáng)，主要應(yīng)用在計算機(jī)產(chǎn)品;MPU功能次之，其應(yīng)用多元，主要應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)與精簡型計算機(jī)等多種;而MCU則是以單一應(yīng)用為主，應(yīng)用在各式家電、電子產(chǎn)品、嵌入式產(chǎn)品、穿戴式裝置、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用產(chǎn)品等控制應(yīng)用。

MCU內(nèi)部集成了KHz～MHz級的CPU、KB～MB級的存儲器單元(RAM與ROM/EEPROM/Flash)、時脈產(chǎn)生器(Oscillator;Clock Generator)、與I/O擴(kuò)充單元等，可視為一種速度較慢的系統(tǒng)單芯片(SoC)。

由于內(nèi)部存儲器容量小，因此大型操作系統(tǒng)如Windows、Linux等是不可能塞入MCU去執(zhí)行的，且MCU大多被應(yīng)用在實時控制的環(huán)境，因此許多容量小的RTOS(Real-Time Operating System;實時操作系統(tǒng))，便成為開發(fā)MCU軟件的主要平臺。

主打嵌入式應(yīng)用的中高階RTOS

RTOS 的種類繁多，主要設(shè)計給基于MPU或MCU的嵌入式系統(tǒng)所使用。例如MPU等級專用的有Integrity、QNX、VxWorks等功能強(qiáng)大之 RTOS;至于體積較小巧，主要支持MCU等級為主的RTOS，則有Nucleus、ThreadX、Unison OS、ucOS II/III等等。

以Green Hills Software推出的Integrity OS為例，就是一種支持MPU (甚至CPU等級)為主的RTOS。其強(qiáng)項在于Integrity-178版本已通過EAL 6+?(信息安全)認(rèn)證與DO-178B(飛安環(huán)境) A級認(rèn)證，被應(yīng)用在極度重視安全和可靠性的市場，例如戰(zhàn)斗機(jī)(如B-2、F-16、F-22、F-35)與民航機(jī)(如Airbus A380)等領(lǐng)域。該RTOS支持ARM、XScale、Blackfin、Freescale (已并入NXP) ColdFire、MIPS、PowerPC、AMD x86(嵌入式APU)等CPU/MPU平臺。

另一個知名的QNX RTOS，采用微核心架構(gòu)，是唯一成功打入商用市場的OS，其強(qiáng)項是多媒體的實時處理能力，適用于車(機(jī))上娛樂裝置與手機(jī)等嵌入式市場。QNX于 2010年被BlackBerry購并，并開發(fā)出BB 10操作系統(tǒng)。QNX支持IA32、MIPS、PowerPC、SH-4、ARM、StrongARM、XScale等CPU/MPU平臺。

至于象是IntervalZero的RTX、RTX64，則是設(shè)計來與微軟Windows共存共容的RTOS，搭配EtherCAT協(xié)定來做為工廠自動化的應(yīng)用。其中，Windows主要負(fù)責(zé)GUI、儲存、運算，RTX則負(fù)責(zé)實時工控與資料采集，讓工控軟件開發(fā)更容易。以上的RTOS都是MB至GB等級的 MPU等級OS，不適用于MCU的環(huán)境。

主打MCU應(yīng)用的商用RTOS

中低階 RTOS部分，主要是把軟件功能極盡精簡到MB甚至KB等級，使整個OS與主要應(yīng)用程序，均可以塞入MCU里的ROM/EEPROM/Flash。由于 MCU應(yīng)用的領(lǐng)域更加廣泛，其軟件必須力求更加精簡，因此MCU專用的RTOS大多具備非常高度模塊化的架構(gòu)，從核心、驅(qū)動程序、檔案系統(tǒng)、外圍I/O、網(wǎng)絡(luò)支持等，都可以量身訂作，以利產(chǎn)品快速上市。

商用的RTOS有些會提供原始碼給授權(quán)客戶，而開源的RTOS則更能自由使用，讓開發(fā)人員可以編譯出程序碼最小、最佳化的執(zhí)行環(huán)境。

由于各芯片廠所推出的MCU產(chǎn)品/開發(fā)板，都會有其對應(yīng)的OS與IDE(集成軟件開發(fā)環(huán)境)，但這些OS與軟件開發(fā)環(huán)境可能只適用于該廠的MCU產(chǎn)品，因此第三方軟件廠商，就開發(fā)出跨芯片/跨硬件平臺的OS與IDE，讓開發(fā)人員不須因為換了硬件平臺，軟件就必須全部改寫。

目前MCU OS/IDE市場占有率最高的，大多是軟件公司所推出商用RTOS(搭配各廠商的MCU產(chǎn)品)，然隨著ARM推出Cortex-M、Cortex-R等指令集架構(gòu)，進(jìn)軍穿戴式與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場，使得ARM架構(gòu)(采開源碼)的RTOS開始有提升的趨勢。

Mentor Graphics旗下Accelerated Technology公司所推出的Nucleus，采Microkernel設(shè)計，號稱有30億個裝置導(dǎo)入，優(yōu)勢是核心長度可以小至2KB，且開發(fā)人員不需要撰寫嵌入式裝置專用BSP(開發(fā)板支持軟件包)，因此被廣泛應(yīng)用到消費性電子、行動裝置、車用電子、智能能源、醫(yī)療儀器、工業(yè)/工控等領(lǐng)域。

早期采用聯(lián)發(fā)科MT6217芯片的大陸山寨、白牌、雙卡2G手機(jī)，就是執(zhí)行Nucleus RTOS。該RTOS支持ARM、MicroBlaze、MIPS、Nios II、Power、SuperH、XScale等嵌入式MCU架構(gòu)。

Express Logic推出的ThreadX，則是一套免收權(quán)利金的RTOS，其優(yōu)點是具備超快速的開機(jī)時間、反應(yīng)時間，其Picokernel核心長度低于2KB，并通過安全規(guī)范，號稱有21億個裝置導(dǎo)入使用。例如HP的旗下打印機(jī)和事務(wù)機(jī)便采用該RTOS?？蓮V泛支持各式32位元MCU，包含ARM、Atmel、 BlackFin、CoreFire/68K、EFM32、Freescale (NXP)、FM3、H8、XMC、M-Core、MicroBlaze、MIPS、Nios II、Power、STM32、StrongARM、Synopsys ARC、TI、Win32、x86/x386、XScale等等。

Wind River公司所推出的VxWorks，主要針對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，采Monolithic (單體式)核心，優(yōu)勢是具備先占式多工處理核心、循環(huán)執(zhí)行、岔斷快速反應(yīng)等特性，原生支持64位元處理器架構(gòu)(x64)、可進(jìn)行平行(SMP)/非平行 (AMP)處理，累積至今有超過15億個裝置導(dǎo)入。

新版VxWorks 7則瞄準(zhǔn)IoT所需要的可擴(kuò)充性、安全性、連結(jié)性、繪圖能力、虛擬化等做強(qiáng)化，而全功能的VxWorks微核心長度只要20KB。VxWorks廣受科技業(yè)界的采用，登陸火星的Curiosity(好奇號)便采用VxWorks。該RTOS支持Intel x86(包含Quark SoC與x86-64)、MIPS、PowerPC、SH-4、ARM等CPU/MPU架構(gòu)。

RoweBots公司的Unison OS，則是一款完全兼容于POSIX(可移植操作系統(tǒng)接口)的RTOS，適用于MCU、DSC、DSP、SoC、FPGA等32位元的硬件開發(fā)環(huán)境，其好處是特別針對物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，提升其系統(tǒng)安全性，且核心程序碼在某些應(yīng)用架構(gòu)可以低到僅1KB。支持Microchip PIC32、Renesas R32C/SH2A、ST STM32、TI ARM Cortex-M3等32位元MCU。

Micrium的μc/OS-II (microcontroller OS version 2)，主打可攜、能在ROM執(zhí)行、彈性、先占式多工的RTOS核心，可管理高達(dá)250個應(yīng)用任務(wù)。μc/OS-III則主打無限應(yīng)用任務(wù)、幾近于零的岔斷，并可提供原始碼給客戶。

其優(yōu)勢在于該系統(tǒng)原始碼開放、整潔一致、注釋詳盡，亦通過FAA認(rèn)證與DO-178B認(rèn)證，適合各種嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)開發(fā)，核心大小從5或 6KB～24KB。至于μc/OS-III HW-RTOS，則是針對ARM Cortex-M為主的MCU做硬件加速。該RTOS可支持超過100種DSP、MPU、MCU。

ARM MCU促使開源RTOS興起

近年來由于ARM架構(gòu)的處理器橫掃全球智能行動裝置(手機(jī)/平板)市場，除了搭配各MCU/MPU硬件平臺所推出的商用RTOS/IDE之外，為進(jìn)軍物聯(lián)網(wǎng)與穿戴式的MCU級應(yīng)用，ARM推出Cortex-M與Cortex-R的指令集架構(gòu)，搭配開源的OS/IDE來搶占MCU的應(yīng)用市場。

例如ARM推出的mbed OS與相關(guān)開發(fā)環(huán)境，便著重于嵌入式裝置與IoT的應(yīng)用，具備連接性、高效率、安全性、生產(chǎn)力的OS，搭配其mbed-rtos函式庫，亦可做為RTOS的應(yīng)用。該mbed開發(fā)環(huán)境，可開發(fā)出智能家庭、智慧城市、穿戴式等應(yīng)用產(chǎn)品。

此外，坊間針對ARM平臺所推出的開源RTOS/IDE很多，例如FreeRTOS、uKOS-II、Atomthreads、BeRTOS社群版、 ChibiOS/RT、CoActionOS、eCos、Embox、Erika Enterprise/RT-Druid、Keil (ARM) RTX、Lepton、nOS、Nut/OS、NuttX、RIOT、RT-Thread、TI-RTOS-KERNEL(SYS/BIOS)、TNeo 等等，讓開發(fā)人員有更多的選擇。

其它專用MCU的非實時OS概述

此外，也有許多針對MCU設(shè)計的開源OS (非RTOS)，但同樣具有體積小的特性，有些是針對IoT的WSN(無線感測網(wǎng)絡(luò))應(yīng)用，例如Contiki OS、TinyOS。而有些則具備一般桌上型圖形化使用接口(GUI)，例如SymbOS、Wheels OS等。

Contiki OS是一套開源的微型OS，可應(yīng)用在Atmel ARM/AVR、LPC、PIC32、TI MSP430/CC2430/2538/2630/2650、STM32W等MCU做IoT應(yīng)用，也可在博物館級的8位元計算機(jī)(Apple II、Atari、Commodore等)做上網(wǎng)聯(lián)機(jī)、甚至在骨灰級游樂器(Atari Jaguar、Game Boy/Advance、GP32、任天堂紅白機(jī)、PC Engine等)上執(zhí)行。

至于SymbOS，則是一套能在8位元Z80 CPU (如MSX、Amstrad)的古董計算機(jī)上執(zhí)行之免費多媒體圖形操作系統(tǒng)，賦予如Windows 95般的操作畫面，讓舊計算機(jī)回春。