UC/OS和uClinux的比較

摘要：嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)應用的核心軟件。本文通過對兩種典型的開源嵌入式操作系統(tǒng)的對比，分析和總結嵌入式操作系統(tǒng)應用中的若干問題，歸納嵌入式操作系統(tǒng)的選型依據(jù)。 關鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 操作系統(tǒng) uC/OS uClinux 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、移動設備、網(wǎng)絡設備和工控仿真等領域。 嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式計算機為核心，面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應用，軟硬件可裁減的，適用于對功能、可靠性、體積、成本、功耗等綜合性能有嚴格要求的計算機系統(tǒng)。隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用，傳統(tǒng)的前/后臺程序開發(fā)機制已經(jīng)不能滿足日益復雜和荷記得的實現(xiàn)要求，因而現(xiàn)場常常采用嵌入式產(chǎn)時操作系統(tǒng) PROS(Real Time Operation System)開發(fā)實時多任務系統(tǒng)。嵌入式實時操作系統(tǒng)一般可以提供多任務的任務調度、時間管理、任務間通信和同步以及內(nèi)存管理MMU(Memory Manager Unit)等重要服務，使得嵌入式應用程序易于設計和擴展。采用RTOS可以使嵌入式產(chǎn)品更可靠、開發(fā)周期更短。在嵌入式應用中使用RTOS已經(jīng)成為當前嵌入式應用的一個熱點。 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。 嵌入式RTOS在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固化以及應用的專業(yè)性等方面具有較為突出的優(yōu)勢。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20世紀80年代起，國際上就有一些IT組織、公司，開始進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)是用兩種性能優(yōu)良、源碼公開且被廣泛應用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uC/OS和uClinux的對比，分析和總結嵌入式操作系統(tǒng)應用中的若干重要問題，歸納嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中操作系統(tǒng)的選型依據(jù)。 1 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)。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2KB。UClinux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KB量級。 UC/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。 UClinux是一種優(yōu)秀的嵌入式Linux版本。uClinux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。 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uC/OS和uClinux進行分析比較。 2.1 進程調度 任務調度主要是協(xié)調任務對計算機系統(tǒng)資源(如內(nèi)存、I/O設備、CPU)的爭奪使用。進程調度又稱為CPU調度，其根本任務是按照某種原理為處于就緒狀態(tài)的進程分析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，所以任務調度和進程調度概念相近，很多場合不加區(qū)分。 進程調度可分為“剝奪型調度”和“非剝奪型調度”兩種基本方式。所謂“非剝奪型調度”是指：一旦某個進程被調度執(zhí)行，則該進程一直執(zhí)行下去直至該進程結束，或由于某種原理自行放棄CPU進入等待狀態(tài)，才將CPU重新分配給其它進程。所謂“剝奪型調度”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分配給其它進程。 作為實時操作系統(tǒng)，uC/OS采用的是可剝奪型實時多任務內(nèi)核。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。uC/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)先級任務表來實現(xiàn)的。UC/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)的數(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，然后調用OS_TASK_SW()函數(shù)來進行任務切換。 UClinux的進程調度沿用了Linux的傳統(tǒng)。系統(tǒng)每隔一定時間掛起進程，同時產(chǎn)生快速和周期性的時鐘性時中斷，并通過調度函數(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。這是通過父進程調用fork函數(shù)生成子進程來實現(xiàn)的。 UClinux系統(tǒng)fork調用完成后，要么子進程代替父進程執(zhí)行(此時父進程已經(jīng)休眠)，直到子進程調用exit退出;要么調用exec執(zhí)行一個新的進程，這時產(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。 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)對內(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，uC/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uClinux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)這一功能的一種實時內(nèi)核。 2.2 文件系統(tǒng) 所謂文件系統(tǒng)是反映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)絡操作系統(tǒng)的優(yōu)勢，可以很方便地支持網(wǎng)絡文件系統(tǒng)且內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議。這為uClinux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，uClinux是一個不錯的選擇;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)uC/OS的移植 要移植uC/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KB)，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它CPU寄存器讀出和存儲到堆棧或內(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，uC/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它的頭文件加入。 (2)uClinux的移植 其實，uClinux是Linux針對嵌入式系統(tǒng)的一種改良，其結構比較復雜;相對uC/OS,uClinux的移植也復雜得多。一般而言，要移植 uClinux，目標處理器除了應滿足上述uC/OS應滿足的條件外，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 uClinux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)核映射的維護、任務上下文和初始化過程都是獨特的。這些例行程序位于lunux/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uClinux已支持體系的處理器，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)建的linux/arch/m68knommu/platform /MC68EZ328目錄下，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)、中斷控制調度程序和向量初始化程序等。 *極級移植。如果所用處理器已被uClinux支持，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和鍵接描述文檔rom.ld或ram.ld就可以了。板級移植還包括驅動程序的編寫和環(huán)境變量設置等內(nèi)容。 結語 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，對一些復雜的應用，uClinux具有相當優(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。簡單地說就是，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)連接終端等較和為復雜的系統(tǒng)，則uClinux是不錯的選擇。