摘 要: 嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的核心。本文通過對兩種典型的開源嵌入式操作系統(tǒng)的對比烦优，分析和總結(jié)了嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用中的若干問題菱砚，歸納了嵌入式操作系統(tǒng)的選型依據(jù)。

關(guān)鍵詞: 嵌入式萤掷；操作系統(tǒng)理促；mC/OS；mClinux

引言 

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)用焊轴，從PC時代過渡到了以個人數(shù)字助理控栓、手持個人電腦和信息家電為代表的3C(計算機、通信相梭、消費電子)一體的后PC時代辽乎。后PC時代里，嵌入式系統(tǒng)扮演了越來越重要的角色涂滴，被廣泛應(yīng)用于信息電器友酱、移動計算機設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和工控仿真等領(lǐng)域柔纵。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)也成為近年IT行業(yè)的技術(shù)熱點缔杉。 

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)路搁料。但是隨著所謂后PC時代的來臨或详，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計日趨復(fù)雜，嵌入式操作系統(tǒng)就必不可少了郭计。 

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

從八十年代起，國際上就有一些IT組織选调、公司嗡善，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)岖酸，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磷砌，用于一般用途會提高產(chǎn)品成本從而失去競爭力币遮。 

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(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)的典范粒删。本文通過對mC/OS和mClinux的對比躏印，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)屁诬。 

兩種開源嵌入式操作系統(tǒng)介紹 

mC/OS和mClinux操作系統(tǒng)笋俭，是當前得到廣泛應(yīng)用的兩種免費且公開源碼的嵌入式操作系統(tǒng)。mC/OS適合小型控制系統(tǒng)给惠，具有執(zhí)行效率高沦恩、占用空間小、實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點拌喳，最小內(nèi)核可編譯至2k拒惯。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(shè)計的一種操作系統(tǒng)渤早，具有內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)協(xié)議职车、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)勢鹊杖。其編譯后目標文件可控制在幾百K量級悴灵。 

mC/OS是一種免費公開源代碼、結(jié)構(gòu)小巧骂蓖、具有可剝奪實時內(nèi)核的實時操作系統(tǒng)积瞒。其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時間管理涯竟、任務(wù)間同步與通信赡鲜、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能。 

mClinux是一種優(yōu)秀的嵌入式Linux版本庐船。mClinux是Micro-Conrol-Linux的縮寫银酬。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(luò)功能和出色的文件系統(tǒng)等主要優(yōu)點揩瞪。但是由于沒有MMU(內(nèi)存管理單元)赋朦，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慕怀，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)的各種資源线盔。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阐祭，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)柄童。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)范化操作搬挡。 

嵌入式操作系統(tǒng)還有一個特點就是針對不同的平臺免趋，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)才能正常工作术拇。 

進程調(diào)度蔬透、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mC/OS和mClinux進行分析比較祠烁。  

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)存发荧、I/O設(shè)備、CPU)的爭奪使用饰吕。進程調(diào)度又稱為CPU調(diào)度刃唤，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同時歸屬于某進程负溪，所以任務(wù)調(diào)度和進程調(diào)度概念相近透揣，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川抡。 

進程調(diào)度可分為“剝奪型調(diào)度”和“非剝奪型調(diào)度”兩種基本方式辐真。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)束崖堤，或由于某種原因自行放棄CPU進入等待狀態(tài)侍咱，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)更高的進程密幔，或者運行的進程已用滿了規(guī)定的時間片時楔脯，便立即剝奪當前進程的運行(將其放回就緒狀態(tài))，把CPU分配給其他進程胯甩。

作為實時操作系統(tǒng)昧廷，mC/OS是采用的可剝奪型實時多任務(wù)內(nèi)核≠梭铮可剝奪型的實時內(nèi)核在任何時候都運行就緒了的最高優(yōu)先級的任務(wù)姚熊。mC/OS中最多可以支持64個任務(wù)猖沈，分別對應(yīng)優(yōu)先級0~63，其中0為最高優(yōu)先級红最。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)切換诲狐。 

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。mC/OS中的每一個任務(wù)都有獨立的堆椖庋蓿空間喧畏，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)堆棧指針悦浙。任務(wù)調(diào)度模塊首先用變量OSTCBHighRdy記錄當前最高級就緒任務(wù)的TCB地址愤栽，然后調(diào)用OS_TASK_SW()函數(shù)來進行任務(wù)切換。 

mClinux的進程調(diào)度沿用了Linux的傳統(tǒng)挟七，系統(tǒng)每隔一定時間掛起進程善歌，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侮杆。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)的漱凝。 

mClinux系統(tǒng)fork調(diào)用完成后疮蹦，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退出茸炒；要么調(diào)用exec執(zhí)行一個新的進程愕乎，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壁公，這個過程也不可避免感论。當子進程執(zhí)行exit或exec后，子進程使用wakeup把父進程喚醒紊册，使父進程繼續(xù)往下執(zhí)行比肄。 

mClinux由于沒有MMU管理存儲器，其對內(nèi)存的訪問是直接的囊陡，所有程序中訪問的地址都是實際的物理地址芳绩。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撞反。這就需要實現(xiàn)多進程時進行數(shù)據(jù)保護妥色，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遏片，否則容易導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰锉窑。 

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(shè)計實現(xiàn)的辫慎，相對簡單袁朗，可以滿足較高的實時性要求涮愧。而mClinux則在結(jié)構(gòu)上繼承了標準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巢的。其要實現(xiàn)實時性效果則需要使系統(tǒng)在實時內(nèi)核的控制下運行确铛，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(gòu)嘴符，也可以說是負責文件的建立巨揪、撤銷、組織蒿荤、讀寫涂嫡、修改、復(fù)制及對文件管理所需要的資源(如目錄表禾绊、存儲介質(zhì)等)實施管理的軟件部分抬泛。 

mC/OS是面向中小型嵌入式系統(tǒng)的，如果包含全部功能(信號量焕数、消息郵箱纱昧、消息隊列及相關(guān)函數(shù))，編譯后的mC/OS內(nèi)核僅有6~10KB堡赔，所以系統(tǒng)本身并沒有對文件系統(tǒng)的支持识脆。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)容善已。 

mClinux則是繼承了Linux完善的文件系統(tǒng)性能灼捂。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)要求更少的空間换团∠こ恚空間的節(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)需要更少的代碼艘包，其次romfs文件系統(tǒng)相對簡單的猛，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)擦寫保存想虎，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))衰絮。

mClinux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)議蝎业，這為mClinux開發(fā)網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備提供了便利增珠。 

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mClinux是一個不錯的選擇捣卵。而mC/OS則主要適合一些控制系統(tǒng)弓并。 

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)借陕，且其結(jié)構(gòu)化設(shè)計便于把與處理器相關(guān)的部分分離出來远丸，所以被移植到新的處理器上是可能的沛愕。 

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喜毅，目標處理器必須滿足以下要求姑享； 

·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)閉中斷苇皂； 
　　·處理器支持中斷罪褒，并能產(chǎn)生定時中斷； 
　　·處理器支持足夠的RAM(幾K字節(jié))仰铃，作為多任務(wù)環(huán)境下的任務(wù)堆棧婿着； 
　　·處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器讀出和存儲到堆棧或內(nèi)存中的指令醋界。 
　　在理解了處理器和C編譯器的技術(shù)細節(jié)后竟宋，mC/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)置一個常量來標識堆棧增長方向形纺； 
　　·OS_CPU.H中需要聲明幾個用于開關(guān)中斷和任務(wù)切換的宏丘侠； 
　　·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)逐样； 
　　·OS_CPU_C.C需要用C語言編寫6個簡單函數(shù)婉陷； 
　　·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官研。

(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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜闯睹，相對mC/OS戏羽，mClinux的移植也復(fù)雜得多。一般而言要移植mClinux楼吃，目標處理器除了應(yīng)滿足上述mC/OS應(yīng)滿足的條件外始花，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(jié)構(gòu)層次的移植路统，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)茴辈，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mClinux內(nèi)核代碼的大部分是獨立于處理器和其體系結(jié)構(gòu)的乞审，但是其最低級的代碼也是特定于各個系統(tǒng)的绎噩。這主要表現(xiàn)在它們的中斷處理上下文、內(nèi)存映射的維護鸠丸、任務(wù)上下文和初始化過程都是獨特的缨诱。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)的種類繁多赡脚，所以對一個新型的體系纳倒，其低級例程可以模仿與其相似的體系例程編寫躁盗。 

·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苟暗，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)代碼拗酌。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)韭寸、中斷控制調(diào)度程序和向量初始化程序等春哨。 

·板級移植，如果你所用處理器已被mClinux支持的話棒仍，就只需要板級移植了悲靴。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就可以了莫其。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)容癞尚。 

結(jié)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(yīng)用方面各有優(yōu)劣乱陡。mC/OS占用空間少浇揩，執(zhí)行效率高，實時性能優(yōu)良憨颠，且針對新處理器的移植相對簡單胳徽。mClinux則占用空間相對較大，實時性能一般爽彤，針對新處理器的移植相對復(fù)雜养盗。但是，mCLinux具有對多種文件系統(tǒng)的支持能力适篙、內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議必痢，可以借鑒Linux豐富的資源，對一些復(fù)雜的應(yīng)用漂手，mClinux具有相當優(yōu)勢涤朴。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。 

總之曼散，操作系統(tǒng)的選擇是由嵌入式系統(tǒng)的需求決定的茁升。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)勢污兄，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mClinux是不錯的選擇鹰泡。

參考文獻 
　　1. 鄒鵬, ‘操作系統(tǒng)’, 國防科大出版社，1998. 
　　2. Jean J. Labrosse,‘MicroC/OS-II The Real-Time Kernel’, Van Nostrand Reinhold Company, 1998.

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