ARM的希望:兩種嵌入式操作系統(tǒng)的比較

　　關鍵詞: 嵌入式;操作系統(tǒng);mC/OS;mClinux

引言

　　隨著現(xiàn)代計算機技術的飛速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)技術的廣泛應用,從PC時代過渡到了以個人數(shù)字助理、手持個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時代。后PC時代里,嵌入式系統(tǒng)扮演了越來越重要的角色,被廣泛應用于信息電器、移動計算機設備、網(wǎng)絡設備和工控仿真等領域。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)也成為近年IT行業(yè)的技術熱點。

　　完成簡單功能的嵌入式系統(tǒng)一般不需要操作系統(tǒng),如以前許多MCS51系列單片機組成的小系統(tǒng)就只是利用軟件實現(xiàn)簡單的控制環(huán)路。但是隨著所謂后PC時代的來臨,嵌入式系統(tǒng)設計日趨復雜,嵌入式操作系統(tǒng)就必不可少了。

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

　　從八十年代起,國際上就有一些IT組織、公司,開始進行商用嵌入式系統(tǒng)和專用操作系統(tǒng)的研發(fā)。這其中涌現(xiàn)了一些著名的嵌入式系統(tǒng),如Microsoft公司的WinCE和WindRiverSystem公司的VxWorks就分別是非實時和實時嵌入式操作系統(tǒng)的代表。但是商用產(chǎn)品的造價都十分昂貴,用于一般用途會提高產(chǎn)品成本從而失去競爭力。

　　mC/OS和uClinux操作系統(tǒng)是兩種性能優(yōu)良源碼公開且被廣泛應用的的免費嵌入式操作系統(tǒng),可以作為研究實時操作系統(tǒng)和非實時操作系統(tǒng)的典范。本文通過對mC/OS和mClinux的對比,分析和總結了嵌入式操作系統(tǒng)應用中的若干重要問題,歸納了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中操作系統(tǒng)的選型依據(jù)。

　　兩種開源嵌入式操作系統(tǒng)介紹

　　mC/OS和mClinux操作系統(tǒng),是當前得到廣泛應用的兩種免費且公開源碼的嵌入式操作系統(tǒng)。mC/OS適合小型控制系統(tǒng),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,最小內(nèi)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設計的一種操作系統(tǒng),具有內(nèi)嵌網(wǎng)絡協(xié)議、支持多種文件系統(tǒng),開發(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是一種免費公開源代碼、結構小巧、具有可剝奪實時內(nèi)核的實時操作系統(tǒng)。其內(nèi)核提供任務調(diào)度與管理、時間管理、任務間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務等功能。

　　mClinux是一種優(yōu)秀的嵌入式Linux版本。mClinux是Micro-Conrol-Linux的縮寫。同標準Linux相比,它集成了標準Linux操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性、強大網(wǎng)絡功能和出色的文件系統(tǒng)等主要優(yōu)點。但是由于沒有MMU(內(nèi)存管理單元),其多任務的實現(xiàn)需要一定技巧。

　　兩種嵌入式操作系統(tǒng)主要性能比較

　　嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)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用戶共享嵌入式系統(tǒng)的各種資源。其中用戶指的是系統(tǒng)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(tǒng)如何協(xié)調(diào)并充分利用硬件資源來實現(xiàn)多任務。復雜的操作系統(tǒng)都支持文件系統(tǒng),方便組織文件并易于對其規(guī)范化操作。

　　嵌入式操作系統(tǒng)還有一個特點就是針對不同的平臺,系統(tǒng)不是直接可用的,一般需要經(jīng)過針對專門平臺的移植操作系統(tǒng)才能正常工作。

　　進程調(diào)度、文件系統(tǒng)支持和系統(tǒng)移植是在嵌入式操作系統(tǒng)實際應用中最常見的問題,下文就從這幾個角度入手對mC/OS和mClinux進行分析比較。

　　進程調(diào)度

　　任務調(diào)度主要是協(xié)調(diào)任務對計算機系統(tǒng)內(nèi)資源(如內(nèi)存、I/O設備、CPU)的爭奪使用。進程調(diào)度又稱為CPU調(diào)度,其根本任務是按照某種原則為處于就緒狀態(tài)的進程分配CPU。由于嵌入式系統(tǒng)中內(nèi)存和I/O設備一般都和CPU同時歸屬于某進程,所以任務調(diào)度和進程調(diào)度概念相近,很多場合不加區(qū)分,下文中提到的任務其實就是進程的概念。

　　進程調(diào)度可分為“剝奪型調(diào)度”和“非剝奪型調(diào)度”兩種基本方式。所謂“非剝奪型調(diào)度”是指：一旦某個進程被調(diào)度執(zhí)行,則該進程一直執(zhí)行下去直至該進程結束,或由于某種原因自行放棄CPU進入等待狀態(tài),才將CPU重新分配給其他進程。所謂“剝奪型調(diào)度”是指：一旦就緒狀態(tài)中出現(xiàn)優(yōu)先權更高的進程,或者運行的進程已用滿了規(guī)定的時間片時,便立即剝奪當前進程的運行(將其放回就緒狀態(tài)),把CPU分配給其他進程。

　　作為實時操作系統(tǒng),mC/OS是采用的可剝奪型實時多任務內(nèi)核?？蓜儕Z型的實時內(nèi)核在任何時候都運行就緒了的最高優(yōu)先級的任務。mC/OS中最多可以支持64個任務,分別對應優(yōu)先級0~63,其中0為最高優(yōu)先級。調(diào)度工作的內(nèi)容可以分為兩部分：最高優(yōu)先級任務的尋找和任務切換。

　　其最高優(yōu)先級任務的尋找是通過建立就緒任務表來實現(xiàn)的。mC/OS中的每一個任務都有獨立的堆?？臻g,并有一個稱為任務控制塊TCB(Task Control Block)數(shù)據(jù)結構,其中第一個成員變量就是保存的任務堆棧指針。任務調(diào)度模塊首先用變量OSTCBHighRdy記錄當前最高級就緒任務的TCB地址,然后調(diào)用OS_TASK_SW()函數(shù)來進行任務切換。

　　mClinux的進程調(diào)度沿用了Linux的傳統(tǒng),系統(tǒng)每隔一定時間掛起進程,同時系統(tǒng)產(chǎn)生快速和周期性的時鐘計時中斷,并通過調(diào)度函數(shù)(定時器處理函數(shù))決定進程什么時候擁有它的時間片。然后進行相關進程切換,這是通過父進程調(diào)用fork函數(shù)生成子進程來實現(xiàn)的。

　　mClinux系統(tǒng)fork調(diào)用完成后,要么子進程代替父進程執(zhí)行(此時父進程已經(jīng)sleep),直到子進程調(diào)用exit退出;要么調(diào)用exec執(zhí)行一個新的進程,這個時候產(chǎn)生可執(zhí)行文件的加載,即使這個進程只是父進程的拷貝,這個過程也不可避免。當子進程執(zhí)行exit或exec后,子進程使用wakeup把父進程喚醒,使父進程繼續(xù)往下執(zhí)行。

　　mClinux由于沒有MMU管理存儲器,其對內(nèi)存的訪問是直接的,所有程序中訪問的地址都是實際的物理地址。操作系統(tǒng)隊內(nèi)存空間沒有保護,各個進程實際上共享一個運行空間。這就需要實現(xiàn)多進程時進行數(shù)據(jù)保護,也導致了用戶程序使用的空間可能占用到系統(tǒng)內(nèi)核空間,這些問題在編程時都需要多加注意,否則容易導致系統(tǒng)崩潰。

　　由上述分析可以得知,mC/OS內(nèi)核是針對實時系統(tǒng)的要求設計實現(xiàn)的,相對簡單,可以滿足較高的實時性要求。而mClinux則在結構上繼承了標準Linux的多任務實現(xiàn)方式,僅針對嵌入式處理器特點進行改良。其要實現(xiàn)實時性效果則需要使系統(tǒng)在實時內(nèi)核的控制下運行,RT-Linux就是可以實現(xiàn)這一個功能的一種實時內(nèi)核。

　　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,也可以說是負責文件的建立、撤銷、組織、讀寫、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)實施管理的軟件部分。

　　mC/OS是面向中小型嵌入式系統(tǒng)的,如果包含全部功能(信號量、消息郵箱、消息隊列及相關函數(shù)),編譯后的mC/OS內(nèi)核僅有6~10KB,所以系統(tǒng)本身并沒有對文件系統(tǒng)的支持。但是mC/OS具有良好的擴展性能,如果需要的話也可自行加入文件系統(tǒng)的內(nèi)容。

　　mClinux則是繼承了Linux完善的文件系統(tǒng)性能。其采用的是romfs文件系統(tǒng),這種文件系統(tǒng)相對于一般的ext2文件系統(tǒng)要求更少的空間。空間的節(jié)約來自于兩個方面,首先內(nèi)核支持romfs文件系統(tǒng)比支持ext2文件系統(tǒng)需要更少的代碼,其次romfs文件系統(tǒng)相對簡單,在建立文件系統(tǒng)超級塊(superblock)需要更少的存儲空間。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)采用虛擬ram盤的方法進行處理(ram盤將采用ext2文件系統(tǒng))。

　　mClinux還繼承了Linux網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的優(yōu)勢,可以很方便的支持網(wǎng)絡文件系統(tǒng)且內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議,這為mClinux開發(fā)網(wǎng)絡接入設備提供了便利。

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

　　操作系統(tǒng)的移植

　　嵌入式操作系統(tǒng)移植的目的是指使操作系統(tǒng)能在某個微處理器或微控制器上運行。mC/OS和mClinux都是源碼公開的操作系統(tǒng),且其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是可能的。

　　以下對兩種系統(tǒng)的移植分別予以說明。

　　(1)mC/OS的移植

　　要移植mC/OS,目標處理器必須滿足以下要求;

·處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼,且用C語言就可以打開和關閉中斷;

·處理器支持中斷,并能產(chǎn)生定時中斷;

·處理器支持足夠的RAM(幾K字節(jié)),作為多任務環(huán)境下的任務堆棧;

·處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器讀出和存儲到堆?；騼?nèi)存中的指令。

　　在理解了處理器和C編譯器的技術細節(jié)后,mC/OS的移植只需要修改與處理器相關的代碼就可以了。具體有如下內(nèi)容：

·OS_CPU.H中需要設置一個常量來標識堆棧增長方向;

·OS_CPU.H中需要聲明幾個用于開關中斷和任務切換的宏;

·OS_CPU.H中需要針對具體處理器的字長重新定義一系列數(shù)據(jù)類型;

·OS_CPU_A.ASM需要改寫4個匯編語言的函數(shù);

·OS_CPU_C.C需要用C語言編寫6個簡單函數(shù);

·修改主頭文件INCLUDE.H,將上面的三個文件和其他自己的頭文件加入。

　　(2)mClinux的移植

　　由于mClinux其實是Linux針對嵌入式系統(tǒng)的一種改良,其結構比較復雜,相對mC/OS,mClinux的移植也復雜得多。一般而言要移植mClinux,目標處理器除了應滿足上述mC/OS應滿足的條件外,還需要具有足夠容量(幾百K字節(jié)以上)外部ROM和RAM。

　　mClinux的移植大致可以分為3個層次：

　　·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目錄下相關處理器結構的文件。雖然mClinux內(nèi)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系統(tǒng)的。這主要表現(xiàn)在它們的中斷處理上下文、內(nèi)存映射的維護、任務上下文和初始化過程都是獨特的。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繁多,所以對一個新型的體系,其低級例程可以模仿與其相似的體系例程編寫。

　　·平臺層次的移植,如果待移植處理器是某種mClinux已支持體系的分支處理器,則需要在相關體系結構目錄下建立相應目錄并編寫相應代碼。如MC68EZ328就是基于無MMU的m68k內(nèi)核的。此時的移植需要創(chuàng)建linux/arch/m68knommu/platform/ MC68EZ328目錄并在其下編寫跟蹤程序(實現(xiàn)用戶程序到內(nèi)核函數(shù)的接口等功能)、中斷控制調(diào)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mClinux支持的話,就只需要板級移植了。板級移植需要在linux/arch/?platform/中建立一個相應板的目錄,再在其中建立相應的啟動代碼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(qū)動程序的編寫和環(huán)境變量設置等內(nèi)容。

　　結語

　　通過對mC/OS和mClinux的比較,可以看出這兩種操作系統(tǒng)在應用方面各有優(yōu)劣。mC/OS占用空間少,執(zhí)行效率高,實時性能優(yōu)良,且針對新處理器的移植相對簡單。mClinux則占用空間相對較大,實時性能一般,針對新處理器的移植相對復雜。但是,mCLinux具有對多種文件系統(tǒng)的支持能力、內(nèi)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,mClinux具有相當優(yōu)勢。例如CISCO公司的 2500/3000/4000 路由器就是基于mClinux操作系統(tǒng)開發(fā)的。

　　總之,操作系統(tǒng)的選擇是由嵌入式系統(tǒng)的需求決定的。簡單的說就是,小型控制系統(tǒng)可充分利用mC/OS小巧且實時性強的優(yōu)勢,如果開發(fā)PDA和互聯(lián)網(wǎng)連接終端等較為復雜的系統(tǒng)則mClinux是不錯的選擇。