隨著現(xiàn)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(yīng)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(yīng)用于信息電器、移動計算機設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和工控仿真等領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)也成為近年it行業(yè)的技術(shù)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m cs51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(shè)計日趨復(fù)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。
uc/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(yīng)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 uc/os和uclinux的對比，分析和總結(jié)了嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)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
uc/os和uclinux操作系統(tǒng)，是當(dāng)前得到廣泛應(yīng)用的兩種免費且公開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。uclinux則是繼承標(biāo)準(zhǔn)linux 的優(yōu)良特性，針對嵌入式處理器的特點設(shè)計的一種操作系統(tǒng)，具有內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、支持多種文件系統(tǒng)，開發(fā)者可利用標(biāo)準(zhǔn)linux先驗知識等優(yōu)勢。其編譯后目標(biāo)文件可控制在幾百k量級。
uc/os是一種免費公開源代碼、結(jié)構(gòu)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(wù)調(diào)度與管理、時間管理、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。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、強大網(wǎng)絡(luò)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(wù)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(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(yīng)用中最常見的問題，下文就從這幾個角度入手對uc/os和uclinux進行分析比較。
進程調(diào)度
任務(wù)調(diào)度主要是協(xié)調(diào)任務(wù)對計算機系統(tǒng)內(nèi)資源(如內(nèi)存、i/o設(shè)備、cpu)的爭奪使用。進程調(diào)度又稱為cpu調(diào)度，其根本任務(wù)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(shè)備一般都和cpu同時歸屬于某進程，所以任務(wù)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(wù)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(jié)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(quán)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(dāng)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)，uc/os是采用的可剝奪型實時多任務(wù)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(wù)。uc/os中最多可以支持64 個任務(wù)，分別對應(yīng)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(wù)的尋找和任務(wù)切換。
其最高優(yōu)先級任務(wù)的尋找是通過建立就緒任務(wù)表來實現(xiàn)的。uc/os中的每一個任務(wù)都有獨立的堆?？臻g，并有一個稱為任務(wù)控制塊tcb(task control block)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中第一個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)前最高級就緒任務(wù)的tcb地址，然后調(diào)用os_task_sw() 函數(shù)來進行任務(wù)切換。
uclinux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(guān)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。
uclinux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(dāng)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。
uclinux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(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，這些問題在編程時都需要多加注意，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)核是針對實時系統(tǒng)的要求設(shè)計實現(xiàn)的，相對簡單，可以滿足較高的實時性要求。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(fù)責(zé)存取和管理文件信息的機構(gòu)，也可以說是負(fù)責(zé)文件的建立、撤銷、組織、讀寫、修改、復(fù)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。
uc/os是面向中小型嵌入式系統(tǒng)的，如果包含全部功能(信號量、消息郵箱、消息隊列及相關(guān)函數(shù))，編譯后的uc/os內(nèi)核僅有6~10kb，所以系統(tǒng)本身并沒有對文件系統(tǒng)的支持。但是uc/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。
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)相對于一般的ext2文件系統(tǒng)要求更少的空間?？臻g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))。
uclinux還繼承了linux網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的優(yōu)勢，可以很方便的支持網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)且內(nèi)嵌tcp/ip協(xié)議，這為uclinux開發(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是一個不錯的選擇。而uc/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。uc/os和uclinux都是源碼公開的操作系統(tǒng)，且其結(jié)構(gòu)化設(shè)計便于把與處理器相關(guān)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)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語言就可以打開和關(guān)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(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?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)置一個常量來標(biāo)識堆棧增長方向；
·os_cpu.h中需要聲明幾個用于開關(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)uclinux的移植
由于uclinux其實是linux針對嵌入式系統(tǒng)的一種改良，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，相對 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k字節(jié)以上)外部rom和ram。
uclinux的移植大致可以分為3個層次：
·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立于處理器和其體系結(jié)構(gòu)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(wù)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(jié)構(gòu)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uclinux已支持體系的分支處理器，則需要在相關(guān)體系結(jié)構(gòu)目錄下建立相應(yīng)目錄并編寫相應(yīng)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uclinux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(yīng)板的目錄，再在其中建立相應(yīng)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(shè)置等內(nèi)容。
結(jié)語
通過對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，實時性能優(yōu)良，且針對新處理器的移植相對簡單。uclinux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(fù)雜。但是，uclinux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(fù)雜的應(yīng)用，uclinux具有相當(dāng)優(yōu)勢。例如cisco 公司的 2500/3000/4000 路由器就是基于uclinux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uc/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(fù)雜的系統(tǒng)則uclinux是不錯的選擇。
