UC/OS和uClinux的比較

引言

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，從PC時(shí)代過(guò)渡到了以個(gè)人數(shù)字助理、手持個(gè)人電腦和信息家電為代表的3C（計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)電子）一體的后PC時(shí)代。后PC時(shí)代里，嵌入式系統(tǒng)扮演了越來(lái)越重要的角色，被廣泛應(yīng)用于信息電器、移動(dòng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和工控仿真等領(lǐng)域。

嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式計(jì)算機(jī)為核心，面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用，軟硬件可裁減的，適用于對(duì)功能、可靠性、體積、成本、功耗等綜合性能有嚴(yán)格要求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的前/后臺(tái)程序開(kāi)發(fā)機(jī)制已經(jīng)不能滿足日益復(fù)雜和荷記得的實(shí)現(xiàn)要求，因而現(xiàn)場(chǎng)常常采用嵌入式產(chǎn)時(shí)操作系統(tǒng)PROS（Real Time Operation System）開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)一般可以提供多任務(wù)的任務(wù)調(diào)度、時(shí)間管理、任務(wù)間通信和同步以及內(nèi)存管理MMU（Memory Manager Unit）等重要服務(wù)，使得嵌入式應(yīng)用程序易于設(shè)計(jì)和擴(kuò)展。采用RTOS可以使嵌入式產(chǎn)品更可靠、開(kāi)發(fā)周期更短。在嵌入式應(yīng)用中使用RTOS已經(jīng)成為當(dāng)前嵌入式應(yīng)用的一個(gè)熱點(diǎn)。

完成簡(jiǎn)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(jī)組成的小系統(tǒng)就只是利用軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制環(huán)路；但是隨著所謂后PC時(shí)代的來(lái)臨，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜，嵌入式操作系統(tǒng)就必不可少了。

嵌入式RTOS在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固化以及應(yīng)用的專業(yè)性等方面具有較為突出的優(yōu)勢(shì)。一般而言，嵌入式操作系統(tǒng)不同于一般意義的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，它有占用空間小、執(zhí)行效率高、方便進(jìn)行個(gè)性化定制和軟件要求固化存儲(chǔ)等特點(diǎn)。

從20世紀(jì)80年代起，國(guó)際上就有一些IT組織、公司，開(kāi)始進(jìn)行商用嵌入式操作系統(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操作系統(tǒng)，如Microsoft公司的WinCE和WindRiver System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(tǒng)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(jìng)爭(zhēng)力。

UC/OS和uClinux操作系統(tǒng)是用兩種性能優(yōu)良、源碼公開(kāi)且被廣泛應(yīng)用的免費(fèi)嵌入式操作系統(tǒng)，可以作為研究實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的典范。本文通過(guò)uC/OS和uClinux的對(duì)比，分析和總結(jié)嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用中的若干重要問(wèn)題，歸納嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中操作系統(tǒng)的選型依據(jù)。

1 兩種開(kāi)源嵌入式操作系統(tǒng)介紹

uC/OS和uClinux操作系統(tǒng)，是當(dāng)前得到廣泛應(yīng)用的兩種免費(fèi)且公開(kāi)源碼的嵌入式操作系統(tǒng)。UC/OS適合小型控制系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，最小內(nèi)核可編譯至2KB。UClinux則是繼承標(biāo)準(zhǔn)Linux的優(yōu)良特性，針對(duì)嵌入式處理器的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的一種操作系統(tǒng)，具有內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、支持多種文件系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)者可利用標(biāo)準(zhǔn)Linux先驗(yàn)知識(shí)等優(yōu)勢(shì)。其編譯后目標(biāo)文件可控制在幾百KB量級(jí)。

UC/OS是一種免費(fèi)公開(kāi)源代碼、結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時(shí)間管理、任務(wù)間同步與通信、內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)Linux相比，它集成了標(biāo)準(zhǔn)Linux操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性、強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)功能和出色的文件系統(tǒng)等主要優(yōu)點(diǎn)。但是由于沒(méi)有MMU（內(nèi)存管理單元），其多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)需要一定技巧。

2 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(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)。復(fù)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(duì)其規(guī)范化操作。

嵌入式操作系統(tǒng)還有一個(gè)特點(diǎn)是，針對(duì)不同的平臺(tái)，系統(tǒng)不是直接可用的，一般需要經(jīng)過(guò)針對(duì)專門平臺(tái)的移植操作系統(tǒng)才能正常工作。

進(jìn)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(shí)際應(yīng)用中最常見(jiàn)的問(wèn)題。下文就從這幾個(gè)角度入手對(duì)uC/OS和uClinux進(jìn)行分析比較。

2.1 進(jìn)程調(diào)度

任務(wù)調(diào)度主要是協(xié)調(diào)任務(wù)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源（如內(nèi)存、I/O設(shè)備、CPU）的爭(zhēng)奪使用。進(jìn)程調(diào)度又稱為CPU調(diào)度，其根本任務(wù)是按照某種原理為處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程分析CPU。由于嵌入式系統(tǒng)中內(nèi)存和I/O設(shè)備一般都和CPU同時(shí)歸屬于某進(jìn)程，所以任務(wù)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度概念相近，很多場(chǎng)合不加區(qū)分。

進(jìn)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(gè)進(jìn)程被調(diào)度執(zhí)行，則該進(jìn)程一直執(zhí)行下去直至該進(jìn)程結(jié)束，或由于某種原理自行放棄CPU進(jìn)入等待狀態(tài)，才將CPU重新分配給其它進(jìn)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(quán)更高的進(jìn)程，或者運(yùn)行的進(jìn)程已用滿了規(guī)定的時(shí)間片時(shí)，便立即剝奪當(dāng)前進(jìn)程的運(yùn)行（將其放回就緒狀態(tài)），把CPU分配給其它進(jìn)程。

作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，uC/OS采用的是可剝奪型實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。可剝奪型的實(shí)時(shí)內(nèi)核在任何時(shí)候都運(yùn)行就緒了的最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。uC/OS中最多可以支持64個(gè)任務(wù)，分別對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)0～63，其中0為最高優(yōu)先級(jí)。調(diào)度工作的內(nèi)容可以分為兩部分：最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的尋找和任務(wù)切換。

其最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)表來(lái)實(shí)現(xiàn)的。UC/OS中的每一個(gè)任務(wù)都有獨(dú)立的堆?？臻g，并有一個(gè)稱為任務(wù)控制塊TCB（Task Control Block）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，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(diào)度模塊首先用變量OSTCBHighRdy記錄當(dāng)前最高級(jí)就緒任務(wù)的TCB地址，然后調(diào)用OS_TASK_SW（）函數(shù)來(lái)進(jìn)行任務(wù)切換。

UClinux的進(jìn)程調(diào)度沿用了Linux的傳統(tǒng)。系統(tǒng)每隔一定時(shí)間掛起進(jìn)程，同時(shí)產(chǎn)生快速和周期性的時(shí)鐘性時(shí)中斷，并通過(guò)調(diào)度函數(shù)（定時(shí)器處理函數(shù)）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(diào)用fork函數(shù)生成子進(jìn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

UClinux系統(tǒng)fork調(diào)用完成后，要么子進(jìn)程代替父進(jìn)程執(zhí)行（此時(shí)父進(jìn)程已經(jīng)休眠），直到子進(jìn)程調(diào)用exit退出；要么調(diào)用exec執(zhí)行一個(gè)新的進(jìn)程，這時(shí)產(chǎn)生可執(zhí)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(dāng)子進(jìn)程執(zhí)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(xù)往下執(zhí)行。

uClinux由于沒(méi)有MMU管理存儲(chǔ)器，其對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)是直接的，所有程序中訪問(wèn)的地址都是實(shí)際的物理地址。操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存空間沒(méi)有保護(hù)，各個(gè)進(jìn)程實(shí)際上共享一個(gè)運(yùn)行空間。這就需要實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)，也導(dǎo)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(wèn)題在編程時(shí)都需要多加注意，否則容易導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

由上述分析可以得知，uC/OS內(nèi)核是針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，相對(duì)簡(jiǎn)單，可以滿足較高的實(shí)時(shí)性要求；而uClinux則在結(jié)構(gòu)上繼承了標(biāo)準(zhǔn)Linux的多任務(wù)實(shí)現(xiàn)方式，僅針對(duì)嵌入式處理器特點(diǎn)進(jìn)行改良。其要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性效果則需要使系統(tǒng)在實(shí)時(shí)內(nèi)核的控制下運(yùn)行。RT-Linux就是可以實(shí)現(xiàn)這一功能的一種實(shí)時(shí)內(nèi)核。

2.2 文件系統(tǒng)

所謂文件系統(tǒng)是反映負(fù)責(zé)存取和管理文件信息的機(jī)構(gòu)，也可以說(shuō)是負(fù)責(zé)文件的建立、撤銷、組織、讀寫(xiě)、修改、復(fù)制及對(duì)文件管理所需要的資源（如目錄表、存儲(chǔ)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(tǒng)的。如果包含全部功能（信號(hào)量、消息郵箱、消息隊(duì)列及相關(guān)函數(shù)），編譯后的uC/OS內(nèi)核僅有6～10KB，所以系統(tǒng)本身并沒(méi)有對(duì)文件系統(tǒng)的支持。但是uC/OS具有良好的擴(kuò)展性能，如果需要的話也可自行加入文件系統(tǒng)的內(nèi)容。

uClinux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(duì)于一般的ext2文件系統(tǒng)要求更少的空間?？臻g的節(jié)約來(lái)自于兩個(gè)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(duì)簡(jiǎn)單，在建立文件系統(tǒng)超級(jí)塊（superblock）需要更少的存儲(chǔ)空間。Romfs文件系統(tǒng)不支持動(dòng)態(tài)擦寫(xiě)保存，對(duì)于系統(tǒng)需要?jiǎng)討B(tài)保存的數(shù)據(jù)采用虛擬ram盤的方法進(jìn)行處理（ram盤將采用ext2文件系統(tǒng)）。

uClinux還繼承了Linux網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，可以很方便地支持網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)且內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議。這為uClinux開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備提供了便利。

由兩種操作系統(tǒng)對(duì)文件系統(tǒng)的支持可知：在復(fù)雜的需要較多文件處理的嵌入式系統(tǒng)中，uClinux是一個(gè)不錯(cuò)的選擇；而uC/OS則主要適合一些控制系統(tǒng)。

2.3 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(gè)微處理器或微控制器上運(yùn)行。UC/OS和uClinux都是源碼公開(kāi)的操作系統(tǒng)，且其結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)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(duì)兩種系統(tǒng)的移植分別予以說(shuō)明。

（1）uC/OS的移植

要移植uC/OS，目標(biāo)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(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KB），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它CPU寄存器讀出和存儲(chǔ)到堆?；騼?nèi)存中的指令。

在理解了處理器和C編譯器的技術(shù)細(xì)節(jié)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(nèi)容：

*OS_CPU.H中需要設(shè)置一個(gè)常量來(lái)標(biāo)識(shí)堆棧增長(zhǎng)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(duì)具體處理器的字長(zhǎng)重新定義一系列數(shù)據(jù)類型；

*OS_CPU_A.ASM需要改寫(xiě)4個(gè)匯編語(yǔ)言的函數(shù)；

*OS_CPU_C.C需要用C語(yǔ)言編寫(xiě)6個(gè)簡(jiǎn)單函數(shù)；

*修改主頭文件INCLUDE.H，將上面的三個(gè)文件和其它的頭文件加入。

（2）uClinux的移植

其實(shí)，uClinux是Linux針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的一種改良，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；相對(duì)uC/OS,uClinux的移植也復(fù)雜得多。一般而言，要移植uClinux，目標(biāo)處理器除了應(yīng)滿足上述uC/OS應(yīng)滿足的條件外，還需要具有足夠容量（幾百KB以上）外部ROM和RAM。

uClinux的移植大致可以分為3個(gè)層次。

*結(jié)構(gòu)層次的移植。如果待移植處理器的結(jié)構(gòu)不同于任何已經(jīng)支持的處理器結(jié)構(gòu)，則需要修改linux/arch目錄下相關(guān)處理器結(jié)構(gòu)的文件。雖然uClinux內(nèi)核代碼的大部分是獨(dú)立于處理器和其體系結(jié)構(gòu)的，但是其最低級(jí)的代碼也是特定于各個(gè)系統(tǒng)的。這主要表現(xiàn)在它們的中斷處理上下文、內(nèi)核映射的維護(hù)、任務(wù)上下文和初始化過(guò)程都是獨(dú)特的。這些例行程序位于lunux/arch/目錄下。由于Linux所支持體系結(jié)構(gòu)的種類繁多，所以對(duì)一個(gè)新型的體系，其低級(jí)例程可以模仿與其相似的體系例程編寫(xiě)。

*平臺(tái)層次的移植。如果待移植處理器是某種uClinux已支持體系的處理器，則需要在相關(guān)體系結(jié)構(gòu)目錄下建立相應(yīng)目錄并編寫(xiě)相應(yīng)代碼。如MC68EZ328就是基于無(wú)MMU的m68k內(nèi)核的。此時(shí)的移植需要?jiǎng)?chuàng)建的linux/arch/m68knommu/platform/MC68EZ328目錄下，并在其下編寫(xiě)跟蹤程序（實(shí)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。

*極級(jí)移植。如果所用處理器已被uClinux支持，就只需要板級(jí)移植了。板級(jí)移植需要在linux/arch/?platform/中建立一個(gè)相應(yīng)板的目錄，再在其中建立相應(yīng)的啟動(dòng)代碼crt0_rom.s或crt0_ram.s和鍵接描述文檔rom.ld或ram.ld就可以了。板級(jí)移植還包括驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)和環(huán)境變量設(shè)置等內(nèi)容。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)uC/OS和uClinux的比較可以看出，這兩種操作系統(tǒng)在應(yīng)用方面各有優(yōu)劣。uC/OS占用空間少、執(zhí)行效率高、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良，且針對(duì)新處理器的移植相對(duì)簡(jiǎn)單。UClinux則占用空間相對(duì)較大，實(shí)時(shí)性能一般，針對(duì)新處理器的移植相對(duì)復(fù)雜。但是，uClinux具有對(duì)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(duì)一些復(fù)雜的應(yīng)用，uClinux具有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)。例如，CISCO公司的2500/3000/4000路由器就是基于uClinux操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的?？傊僮飨到y(tǒng)的選擇是由嵌入式系統(tǒng)的需求決定的。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是，小型控制系統(tǒng)可充分利用uC/OS小巧且實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)；如果開(kāi)發(fā)PDA和互聯(lián)網(wǎng)連接終端等較和為復(fù)雜的系統(tǒng)，則uClinux是不錯(cuò)的選擇。