嵌入式實時操作系統(tǒng)應(yīng)用分析

 隨著 EOS(Embedded Operation System, 嵌入式操作系統(tǒng) ) 在工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用，操作系統(tǒng)的實時性成為一個日益被關(guān)注和重視的問題。

當(dāng)前主流的 EOS 一般可分為兩類， 一類是商業(yè)級的嵌入式操作系統(tǒng)，這類操作系統(tǒng)都由知名公司開發(fā)與維護(hù)，在技術(shù)支持與服務(wù)上都有較好的保證，如 VxWorks 、 QNX 、 WinCE 等，但這類產(chǎn)品一般使用許可證比較昂貴，且不公開核心代碼，這就與嵌入式設(shè)備的用戶定制性較強(qiáng)、升級換代快等特點相違背。另一類則是逐漸興起的源碼開放的嵌入式操作系統(tǒng)，如嵌入式 Linux 、 eCos 等，由于這類系統(tǒng)具有用戶可定制性好、費用低廉等優(yōu)勢，從目前看來，它們已成了嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用的主要推動力。

嵌入式Linux 操作系統(tǒng)

嵌入式 Linux 系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn) Linux 在嵌入式領(lǐng)域的延伸，其特點和功能與標(biāo)準(zhǔn) Linux 幾乎完全相同。 Linux 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和健壯性已經(jīng)在真實世界中得到了證明，在工業(yè)控制領(lǐng)域也有許多非常成功的應(yīng)用。但是，在針對一些有較強(qiáng)實時性要求的特定工業(yè)應(yīng)用中， Linux 系統(tǒng)仍然暴露 出 了許多技術(shù)缺陷。其主要原因是因為 Linux 系統(tǒng)起初是為 PC 開發(fā)的，在功能和性能選擇上更多的兼顧了 PC 應(yīng)用的特點，追求系統(tǒng)的功能完備性和整體性能最優(yōu)。這一點在 Linux 系統(tǒng)的調(diào)度策略上表現(xiàn)的尤為明顯，如任務(wù)之間采用的是基于 分時技術(shù) ( time-sharing ) 的調(diào)度策略，而且不支持內(nèi)核態(tài)搶占式調(diào)度，這樣系統(tǒng)就無法保證緊急任務(wù)總是會被優(yōu)先執(zhí)行，且調(diào)度延遲不確定，是隨機(jī)可變的。

因此，有相當(dāng)多機(jī)構(gòu)和公司都在研究如何提高 Linux 實時性能，并取得了一些富有成效的成果。同時，開源社區(qū)也做著同樣的事情，那就是 Linux 2.6 版本的開發(fā)。開源社區(qū)采用的實時化思想是直接對 Linux 內(nèi)核的調(diào)度機(jī)制和算法進(jìn)行修改和優(yōu)化。 Linux 2.6 內(nèi)核開發(fā)大約是從 2001 年開始，經(jīng)過三年左右的開發(fā)，在 2004 年發(fā)布了穩(wěn)定版本，經(jīng)過了這幾年的測試與改進(jìn)，已經(jīng)在桌面 PC 和服務(wù)器領(lǐng)域內(nèi)得到了大量使用，在嵌入式系統(tǒng)上的應(yīng)用也在不斷發(fā)展中。 Linux 2.6 版本中與實時性相關(guān)的改進(jìn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

⑴ 調(diào)度計算的分散性。 2.6 版本中采用了由 Ingo Molnar 實現(xiàn)的調(diào)度算法，該算法將進(jìn)程優(yōu)先級的計算分散在多處進(jìn)行，而不是集中在一個統(tǒng)一的調(diào)度函數(shù)中，這樣不僅提高了計算效率，還減小了 CPU 因集中調(diào)度計算所消耗的時間，并且使調(diào)度器的時間開銷是與系統(tǒng)負(fù)載無關(guān)，是 O(1) 恒定的。

⑵ 搶占式內(nèi)核的支持。 2.6 版本中提供了對搶占式內(nèi)核的支持，而 2.4 內(nèi)核是不支持內(nèi)核搶占的。支持搶占式調(diào)度是實時操作系統(tǒng)的標(biāo)志之一，這也是早期 Linux 系統(tǒng)應(yīng)用于實時應(yīng)用時最為詬病的地方。

⑶ 系統(tǒng)同步機(jī)制的改進(jìn)。 2.6 內(nèi)核中則對系統(tǒng)中同步機(jī)制的使用進(jìn)行了優(yōu)化，大大減小了因同步機(jī)制引起的時間消耗。

⑷ 更細(xì)的時間粒度。在 2.6 內(nèi)核中，定時器的頻率被定義為 1000Hz ，而 2.4 內(nèi)核中為 100Hz 。

雖然， Linux 2.6 系統(tǒng)仍然不是嚴(yán)格實時系統(tǒng)，但它的實時性能得到了很大提高卻是個不爭的事實，有關(guān)文獻(xiàn)采用統(tǒng)計的方法對 Linux 2.6 和 2.4 內(nèi)核中任務(wù)響應(yīng)和中斷響應(yīng)的進(jìn)行了 310 萬次測試，然后對平均響應(yīng)時間和最壞響應(yīng)時間進(jìn)行了對比，下圖 (a) 和 (b) 給出了時間比較結(jié)果。從結(jié)果可以看出 2.6 內(nèi)核的實時響應(yīng)能力要遠(yuǎn)高于 2.4 內(nèi)核，差距至少在十多倍以上。這一結(jié)果更增強(qiáng)了用戶將 2.6 內(nèi)核應(yīng)用到各種非嚴(yán)格實時應(yīng)用中的信心。

a 平均響應(yīng)時間

b 最壞響應(yīng)時間

中嵌科技多年來一直關(guān)注 Linux 系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用，所提供的全系列嵌入式產(chǎn)品已全部支持基于 2.6 內(nèi)核的嵌入式 Linux 系統(tǒng)，并針對不同工業(yè)應(yīng)用的實時性要求進(jìn)行深入的應(yīng)用研究。

eCos ( Embedded Configurable Operating System ，嵌入式可配置實時操作系統(tǒng))

eCos ( Embedded Configurable Operating System )，嵌入式可配置操作系統(tǒng)，是 Cygnus 公司 1998 年推出的嵌入式實時操作系統(tǒng)解決方案。 eCos 的一個主要設(shè)計目標(biāo)是實現(xiàn)系統(tǒng)的高度可配置能力，為實現(xiàn)這一目標(biāo)，它將系統(tǒng)分為不同的軟件組件。這些軟件組件具有可重用性，根據(jù)實際應(yīng)用的需要，通過其獨特的配置工具可以選擇使用相應(yīng)的組件，同時對每一個選擇使用的組件，用戶還可以對每個選項進(jìn)行更細(xì)致的配置，可以增加或刪減組件的某些功能，從而實現(xiàn)完整的嵌入式操作系統(tǒng)。使用這種方式最后產(chǎn)生可執(zhí)行的 eCos 映像文件非常緊湊，只包含應(yīng)用所需的特定功能，這樣使得 eCos 系統(tǒng)與許多傳統(tǒng)的 RTOS 相比、系統(tǒng)的運行速度更快，穩(wěn)定性更高。

除了高度可配置能力之外， eCos 所追求的目標(biāo)還包括移植性和兼容性，因此 eCos 采用了與 Linux 類似的模塊化設(shè)計，將不同功能的軟件分成不同的組件，這些組件具有可重用性，分別位于系統(tǒng)的不同層次。下圖是 eCos 系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖。

eCos 的層次結(jié)構(gòu)圖

eCos 操作系統(tǒng)遵循的許可證與 GPL 兼容，而且比 GPL 更自由，用戶可以在產(chǎn)品開發(fā)中免費的，自由的使用 eCos 操作系統(tǒng)，包括其開發(fā)工具;除涉及到對 eCos 系統(tǒng)本身的修改以外，用戶的應(yīng)用程序可以不公開，這一點既顯著減少了開發(fā)者的開發(fā)成本，又最大限度的保護(hù)了開發(fā)者的利益。

eCos 是一個適合于深度嵌入式應(yīng)用的實時操作系統(tǒng)，提供了普通嵌入式應(yīng)用中所需要的全部功能，對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中涉及到的許多特定技術(shù)需求也有很好的支持。

⑴ eCos 的調(diào)度內(nèi)核是一個嵌入式硬實時內(nèi)核，并且內(nèi)核設(shè)計時在調(diào)度策略選擇、防止優(yōu)先級反轉(zhuǎn)、中斷與異常的處理模式、中斷處理的最短延遲以及內(nèi)存分配方式等方面都做了許多精巧的設(shè)計，使其在系統(tǒng)的實時性能上有了良好的表現(xiàn)。[!--empirenews.page--]

⑵ eCos 的硬件抽象層 HAL ( Hardware Abstraction Layer )通過向其他組件提供標(biāo)準(zhǔn)的 API 函數(shù)的機(jī)制，屏蔽了底層的 CPU 架構(gòu)與平臺的特定信息。這樣用戶只需編寫少量代碼就能方便地將 eCos 移植到自己的特定平臺上，因此提高了 eCos 的移植能力，迄今為止 eCos 已經(jīng)成功地移植到了 ARM 、 Fujitsu FR - V 、 Hitachi H8/300 、 Intel x86 、 Matsushita AM3x 、 MIPS 、 NEC V8xx 、 PowerPC 、 Samsung CalmRISC16/32 、 SPARC 、 SPARClite 、 SuperH 等平臺上。

⑶ ISO 標(biāo)準(zhǔn) C 庫和 math 庫支持，兼容各種常見 C 函數(shù)和數(shù)學(xué)函數(shù)調(diào)用。

⑷ 支持 POSIX 和μ ITRON3.0 兩種類型的兼容層，使許多在不同平臺和系統(tǒng)上開發(fā)的應(yīng)用程序可以比較容易的移植到 eCos 系統(tǒng)上。

⑸ 支持完整的 TCP/IP 協(xié)議棧，以及上層的各種常用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，便于嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接。

⑹ 支持多種外部設(shè)備，包括標(biāo)準(zhǔn)串行設(shè)備、以太網(wǎng)控制器、 Flash 存儲器、 USB 設(shè)備、 LCD 顯示設(shè)備以及 PCI 設(shè)備等。

⑺ 支持 GDB 調(diào)試。 eCos 系統(tǒng)中內(nèi)嵌了 GDB stub ，通過使用 GDB stub 與 GDB 主機(jī)進(jìn)行通信，用戶可以在不使用仿真器的情況下，通過串口或網(wǎng)絡(luò)對嵌入式目標(biāo)系統(tǒng)上應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)試。

⑻ 支持多種文件系統(tǒng)，尤其對 JFFS2 文件系統(tǒng)支持良好。

因此，與絕大多數(shù)嵌入式實時操作系統(tǒng)相比較， eCos 在系統(tǒng)可配置性、源碼開放性以及功能方面的某些特性上具有較為明顯的優(yōu)勢，這也是 eCos 取得成功的主要原因。

可以認(rèn)為， eCos 和 Linux 是一脈相承的嵌入式操作系統(tǒng)，首先，它們的功能都非常強(qiáng)大，均包含了嵌入式應(yīng)用的幾乎全部功能，并在不同應(yīng)用領(lǐng)域相互補(bǔ)充，其次，它們都是遵循 GPL 協(xié)議源代碼開放的系統(tǒng)，保證了應(yīng)用系統(tǒng)的可持續(xù)開發(fā)，最后，它們都遵循 POSIX 標(biāo)準(zhǔn)，保持了良好的兼容性，基于 Linux 的應(yīng)用程序幾乎可以加不改動，直接在 eCos 平臺上運行。

中嵌科技多年來一直跟蹤高性價比 RTOS 的發(fā)展，并在不同應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行深入的應(yīng)用研究， eCos 具有比其它 RTOS 更適用于嵌入式工業(yè)控制的特點。目前，中嵌科技已成功將 eCos 成功移植到諸如 AT91SAM7 系列、 AT91SAM9 系列、 AT91RM9200 、 EP93XX 系列等多款工業(yè)級嵌入式 微處理器上，實現(xiàn)了完整的 TCP/IP 協(xié)議棧、 RAM/ROM/JFFS2 文件系統(tǒng)，以及諸如 RS232/RS485 串行接口、 RTC 、 SPI 、 IIC 、 CAN 、 WatchDog 、 ADC 、 DAC 等常用外設(shè)的支持，并成功應(yīng)用到多個工業(yè)控制系統(tǒng)。