主流嵌入式操作系統(tǒng)(RTOS)有哪些?看這14種系統(tǒng)
付斌整理
滿足實時控制要求的嵌入式操作系統(tǒng)(RTOS)操作系統(tǒng),以下介紹14種主流的RTOS,分別為μClinux、μC/OS-II、eCos、FreeRTOS、mbed OS、RTX、Vxworks、QNX、NuttX,而國產(chǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)包括都江堰操作系統(tǒng)(djyos)、Alios Things、Huawei LiteOS、RT-Thread、SylixOS。
下面分別介紹這十四種種嵌入式操作系統(tǒng)的特點。
1、μClinux
μClinux是一種優(yōu)秀的嵌入式Linux版本,其全稱為micro-control Linux,從字面意思看是指微控制Linux。同標準的Linux相比,μClinux的內(nèi)核非常小,但是它仍然繼承了Linux操作系統(tǒng)的主要特性,包括良好的穩(wěn)定性和移植性、強大的網(wǎng)絡(luò)功能、出色的文件系統(tǒng)支持、標準豐富的API,以及TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。因為沒有MMU內(nèi)存管理單元,所以其多任務(wù)的實現(xiàn)需要一定技巧。
μClinux在結(jié)構(gòu)上繼承了標準Linux的多任務(wù)實現(xiàn)方式,分為實時進程和普通進程,分別采用先來先服務(wù)和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度,僅針對中低檔嵌入式CPU特點進行改良,且不支持內(nèi)核搶占,實時性一般。
綜上可知,μClinux最大特點在于針對無MMU處理器設(shè)計,這對于沒有MMU功能的stm32f103來說是合適的,但移植此系統(tǒng)需要至少512KB的RAM空間,1MB的ROM/FLASH空間,而stmf103擁有256K的FLASH,需要外接存儲器,這就增加了硬件設(shè)計的成本。
μClinux結(jié)構(gòu)復(fù)雜,移植相對困難,內(nèi)核也較大,其實時性也差一些,若開發(fā)的嵌入式產(chǎn)品注重文件系統(tǒng)和與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用則μClinux是一個不錯的選擇。
2、μC/OS-II
μC/OS-II是在μC/OS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,是用C語言編寫的一個結(jié)構(gòu)小巧、搶占式的多任務(wù)實時內(nèi)核。μC/OS-II能管理64個任務(wù),并提供任務(wù)調(diào)度與管理、內(nèi)存管理、任務(wù)間同步與通信、時間管理和中斷服務(wù)等功能,具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和擴展性強等特點。
在文件系統(tǒng)的支持方面,由于μC/OS-II是面向中小型嵌入式系統(tǒng)的,即使包含全部功能,編譯后內(nèi)核也不到10 KB,所以系統(tǒng)本身并沒有提供對文件系統(tǒng)的支持。但是μC/OS-II具有良好的擴展性能,如果需要也可自行加入文件系統(tǒng)的內(nèi)容。
在對硬件的支持上,μC/OS-II能夠支持當前流行的大部分CPU,μC/OS-II由于本身內(nèi)核就很小,經(jīng)過裁剪后的代碼最小可以為2KB,所需的最小數(shù)據(jù)RAM空間為4 KB,μC/OS-II的移植相對比較簡單,只需要修改與處理器相關(guān)的代碼就可以。
綜上可知,μC/OS-II是一個結(jié)構(gòu)簡單、功能完備和實時性很強的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核,針對于沒有MMU功能的CPU,它是非常合適的。它需要很少的內(nèi)核代碼空間和數(shù)據(jù)存儲空間,擁有良好的實時性,良好的可擴展性能,并且是開源的,網(wǎng)上擁有很多的資料和實例,所以很適合向stm32f103這款CPU上移植。
3、eCos
eCos(embedded Configurable operating system),即嵌入式可配置操作系統(tǒng)。
它是一個源代碼開放的可配置、可移植、面向深度嵌入式應(yīng)用的實時操作系統(tǒng)。
最大特點是配置靈活,采用模塊化設(shè)計,核心部分由小同的組件構(gòu)成,包括內(nèi)核、C語言庫和底層運行包等。
每個組件可提供大量的配置選項(實時內(nèi)核也可作為可選配置),使用eCos提供的配置工具可以很方便地配置,并通過不同的配置使得eCos能夠滿足不同的嵌入式應(yīng)用要求。
eCos操作系統(tǒng)的可配置性非常強大,用戶可以自己加入所需的文件系統(tǒng)。eCos操作系統(tǒng)同樣支持當前流行的大部分嵌入式CPU,eCos操作系統(tǒng)可以在16位、32位和64位等不同體系結(jié)構(gòu)之間移植。
eCos由于本身內(nèi)核就很小,經(jīng)過裁剪后的代碼最小可以為10 KB,所需的最小數(shù)據(jù)RAM空間為10 KB。
在系統(tǒng)移植方面 eCos操作系統(tǒng)的可移植性很好,要比μC/OS-II和μClinux容易。
綜上所述,eCos最大特點是配置靈活,并且支持無MMU的CPU的移植,開源且具有很好的移植性,也比較合適于移植到stm32平臺的CPU上。但eCOS的應(yīng)用還不是太廣泛,還沒有像μC/OS-II那樣普遍,并且資料也沒有μC/OS-II多。eCos適合用于一些商業(yè)級或工業(yè)級對成本敏感的嵌入式系統(tǒng),例如消費電子領(lǐng)域中的一些應(yīng)用。
4、FreeRTOS
由于RTOS需占用一定的系統(tǒng)資源(尤其是RAM資源),只有μC/OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS等少數(shù)實時操作系統(tǒng)能在小RAM單片機上運行。
相對于C/OS-II、 embOS等商業(yè)操作系統(tǒng),F(xiàn)reeRTOS操作系統(tǒng)是完全免費的操作系統(tǒng),具有源碼公開、可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活的特點,可以方便地移植到各種單片機上運行,其最新版本為6.0版。
作為一個輕量級的操作系統(tǒng),F(xiàn)reeRTOS提供的功能包括:任務(wù)管理、時間管理、信號量、消息隊列、內(nèi)存管理、記錄功能等,可基本滿足較小系統(tǒng)的需要。
FreeRTOS內(nèi)核支持優(yōu)先級調(diào)度算法,每個任務(wù)可根據(jù)重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級,CPU總是讓處于就緒態(tài)的、優(yōu)先級最高的任務(wù)先運行。
FreeRT0S內(nèi)核同時支持輪換調(diào)度算法,系統(tǒng)允許不同的任務(wù)使用相同的優(yōu)先級,在沒有更高優(yōu)先級任務(wù)就緒的情況下,同一優(yōu)先級的任務(wù)共享CPU的使用時間。
FreeRTOS的不足:
相對于常見的μC/OS—II操作系統(tǒng),F(xiàn)reeRTOS操作系統(tǒng)既有優(yōu)點也存在不足。
其不足之處, 一方面體現(xiàn)在系統(tǒng)的服務(wù)功能上,如FreeRTOS只提供了消息隊列和信號量的實現(xiàn),無法以后進先出的順序向消息隊列發(fā)送消息;另一方 面,F(xiàn)reeRTOS只是一個操作系統(tǒng)內(nèi)核,需外擴第三方的GUI(圖形用戶界面)、TCP/IP協(xié)議棧、FS(文件系統(tǒng))等才能實現(xiàn)一個較復(fù)雜的系統(tǒng), 不像μC/OS-II可以和μC/GUI、μC/FS、μC/TCP-IP等無縫結(jié)合。
5、mbed OS
開源嵌入式操作系統(tǒng),ARM公司將mbed OS免費提供給所有廠商使用,mbed提供了一個相對更加系統(tǒng)和更加全面的智能硬件開發(fā)環(huán)境。
主要功能:
提供用于開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通用操作系統(tǒng)基礎(chǔ),以解決嵌入式設(shè)計的碎片化問題。支持所有重要的連接性與設(shè)備管理開放標準,以實現(xiàn)面向未來的設(shè)計。使安全可升級的邊緣設(shè)備支持新增處理能力與功能。通過自動電源管理解決復(fù)雜的能耗問題。
主要特點:
開發(fā)速度快,功能強大,安全性高,為了量產(chǎn)化而設(shè)計,可離線開發(fā),也可以在網(wǎng)頁上編輯。
6、RTX
是ARM公司的一款嵌入式實時操作系統(tǒng),使用標準的C結(jié)構(gòu)編寫,運用RealView編譯器進行編譯。不僅僅是一個實時內(nèi)核,還具備豐富的中間層組件,不但免費,而且代碼也是開放的。
主要功能:
開始和停止任務(wù)(進程),除此之外還支持進程通信,例如任務(wù)的同步、共享資源(外設(shè)或內(nèi)存)的管理、任務(wù)之間消息的傳遞。開發(fā)者可以使用基本函數(shù)去開啟實時運行器,去開始和終結(jié)任務(wù),以及去傳遞任務(wù)間的控制(輪轉(zhuǎn)調(diào)度)。開發(fā)者可以賦予任務(wù)優(yōu)先級。
主要特點:
支持時間片,搶占式和合作式調(diào)度。不限制數(shù)量的任務(wù),每個任務(wù)都具有254的優(yōu)先級。不限制數(shù)量的信號量,互斥信號量,消息郵箱和軟定時器。支持多線程和線程安全操作。使用MDK基于對話框的配置向?qū)В梢院芊奖愕耐瓿蒑DK的配置。
7、VxWorks
美國WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系(RTOS),具有硬實時、確定性與穩(wěn)定性,也具備航空與國防、工業(yè)、醫(yī)療、汽車、消費電子產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)及其他行業(yè)要求的可伸縮性與安全性。
主要功能:
支持可預(yù)測的任務(wù)同步機制、支持多任務(wù)間的通信、存儲器優(yōu)化管理、操作系統(tǒng)的(中斷延遲、任務(wù)切換、驅(qū)動程序延遲等)行為是可知的和可預(yù)測的。實時時鐘服務(wù)+中斷管理服務(wù)。
主要特點:
具有一個高性能的操作系統(tǒng)內(nèi)核Wind(實時性好、可裁減)友好的開發(fā)調(diào)試環(huán)境、較好的兼容性、支持多種開發(fā)和運行環(huán)境
8、QNX
誕生于1980年,是一種商用的遵從POSIX規(guī)范的類Unix嵌入式實時操作系統(tǒng)。
主要功能:
支持在同一臺計算機上同時調(diào)度執(zhí)行多個任務(wù);也可以讓多個用戶共享一臺計算機,這些用戶可以通過多個終端向系統(tǒng)提交任務(wù),與QNX進行交互操作。
主要特點:
核心僅提供4種服務(wù):進程調(diào)度、進程間通信、底層網(wǎng)絡(luò)通信和中斷處理,其進程在獨立的地址空間運行。所有其它OS服務(wù),都實現(xiàn)為協(xié)作的用戶進程,因此QNX核心非常小巧(QNX4.x大約為12Kb)而且運行速度極快。
9、NuttX
NuttX是一個實時嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded RTOS),第一個版本由 Gregory Nutt 于 2007 年在寬松的 BSD 許可證下發(fā)布。
主要功能:
可以構(gòu)建為開放的、平面的嵌入式 RTOS,或單獨構(gòu)建為具有系統(tǒng)調(diào)用接口的微內(nèi)核。容易擴展到新的處理器架構(gòu)、 SoC 架構(gòu)或板級架構(gòu)。實時的、確定性的、支持優(yōu)先級繼承。BSD 套接字接口。優(yōu)先級管理的擴展。可選的具有地址環(huán)境的任務(wù)(進程)。
主要特點:
配置靈活,采用模塊化設(shè)計,核心部分由小同的組件構(gòu)成,包括內(nèi)核、C語言庫和底層運行包等。每個組件可提供大量的配置選項(實時內(nèi)核也可作為可選配置),使用eCos提供的配置工具可以很方便地配置,并通過不同的配置使得eCos能夠滿足不同的嵌入式應(yīng)用要求。
10、都江堰操作系統(tǒng)(djyos)
(注意:網(wǎng)友提示都江堰操作系統(tǒng)官網(wǎng)提示,stm32的f4和f7沒調(diào)通)
都江堰操作系統(tǒng),簡稱djyos,得名于一個偉大的水利工程:都江堰。
與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)不同,djyos不是以線程而是以事件為調(diào)度核心,這種調(diào)度算法使程序員擺脫模擬計算機執(zhí)行過程編寫程序的思維方式,而是按人類認知世界的方式編寫應(yīng)用程序,就如同在嵌入式編程中引入了VC似的。
djyos的調(diào)度算法使程序員可以擺脫線程和進程的束縛,djyos沒有有關(guān)線程的api,一個完全不懂線程知識的程序員也可以順利地在djyos下編寫應(yīng)用程序。
djyos 操作系統(tǒng)是以事件為核心進行調(diào)度的,這種調(diào)度策略使程序員可以按人類認知事物的習(xí)慣而不是計算機的習(xí)慣來編程。
11、Alios Things
據(jù)著名媒體嵌入式操作系統(tǒng)RTOS介紹,AliOS Things 是 AliOS 家族旗下、面向 IoT 領(lǐng)域的、高可伸縮的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。AliOS Things將致力于搭建云端一體化IoT基礎(chǔ)設(shè)施,具備極致性能、極簡開發(fā)、云端一體、豐富組件、安全防護等關(guān)鍵能力,并支持終端設(shè)備連接到阿里云Link,可廣泛應(yīng)用在智能家居、智慧城市、新出行等領(lǐng)域。
點評:阿里系,背靠阿里資源來勢洶洶殺入物聯(lián)網(wǎng)市場,芯片+模組廠商合作,是非常有力的一個玩家,但這也是其最大的劣勢!
12、Huawei LiteOS
嵌入式操作系統(tǒng)RTOS介紹,Huawei LiteOS 是華為面向IoT領(lǐng)域,構(gòu)建的輕量級物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng),以輕量級低功耗、快速啟動、互聯(lián)互通、安全等關(guān)鍵能力,為開發(fā)者提供 “一站式” 完整軟件平臺,有效降低開發(fā)門檻、縮短開發(fā)周期。
點評:華為系,不過其開源程度比較低,其主要用于華為自己的產(chǎn)品,有大樹罩著。
13、RT-Thread
嵌入式操作系統(tǒng)RTOS介紹,RT-Thread是一個集實時操作系統(tǒng)(RTOS)內(nèi)核、中間件組件和開發(fā)者社區(qū)于一體的技術(shù)平臺,由熊譜翔先生帶領(lǐng)并集合開源社區(qū)力量開發(fā)而成,RT-Thread也是一個組件完整豐富、高度可伸縮、簡易開發(fā)、超低功耗、高安全性的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。RT-Thread具備一個IoT OS平臺所需的所有關(guān)鍵組件,例如GUI、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、安全傳輸、低功耗組件等等。經(jīng)過11年的累積發(fā)展,RT-Thread已經(jīng)擁有一個國內(nèi)最大的嵌入式開源社區(qū),同時被廣泛應(yīng)用于能源、車載、醫(yī)療、消費電子等多個行業(yè),累積裝機量超過兩千萬臺,成為國人自主開發(fā)、國內(nèi)最成熟穩(wěn)定和裝機量最大的開源RTOS。
點評:國內(nèi)最有可能成為Top 1,優(yōu)勢在于豐富的組件,中立立場!趕上了時機,得到諸多芯片廠商的支持,也挺受開發(fā)者喜歡的。缺點在于本身的教程文檔和freertos等之類的比還是很弱。
嵌入式操作系統(tǒng)RTOS推薦的學(xué)習(xí)資源:
1.文檔:https://www.rt-thread.org/document/site/
2.書籍:《 嵌入式實時操作系統(tǒng):RT-Thread設(shè)計與實現(xiàn) 》《 RT-Thread內(nèi)核實現(xiàn)與應(yīng)用開發(fā)實戰(zhàn)指南 基于STM32 》
14、SylixOS
嵌入式操作系統(tǒng)RTOS介紹,SylixOS 是一個開源的跨平臺的大型實時操作系統(tǒng)(RTOS),SylixOS誕生于2006年,經(jīng)過十多年的持續(xù)開發(fā),SylixOS 已成為功能最為全面的國產(chǎn)操作系統(tǒng)之一。目前已有眾多產(chǎn)品和項目應(yīng)用案例,行業(yè)涉及航空航天、軍事防務(wù)、軌道交通、智能電網(wǎng)、工業(yè)自動化等諸多領(lǐng)域。SylixOS 完全符合 POSIX 規(guī)范,開源社區(qū)豐富的自由軟件移植非常方便。
點評:這家也是挺有意思的,2006年就開始了,吃軍工飯,最近一兩年才露頭角。其實力不容小覷!
參考網(wǎng)站:http://www.sylixos.com/
當然,RTOS并不如此,如有相關(guān)信息,嵌入式ARM也將繼續(xù)介紹相關(guān)信息和干貨。
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參考資料:
【1】嵌入式操作系統(tǒng)RTOS . 《國產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)行不行就看這5家了!》
【2】國訊芯微 ?. 《盤點那些實時高效的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)》
【3】百度百科次條