嵌入式操作系統(tǒng)淺析

嵌入式操作系統(tǒng)是ARMCPU的軟件基礎，從8位/16位單片機發(fā)展到以ARMCPU核為代表的32位嵌入式處理器，嵌入式操作系統(tǒng)將替代傳統(tǒng)的由手工編制的監(jiān)控程序或調(diào)度程序，成為重要的基礎組件。更重要的是嵌入式操作系統(tǒng)對應用程序可以起到屏蔽的作用，使應用程序員面向操作系統(tǒng)級開發(fā)應用軟件，并易于在不同的ARM核的嵌入式處理器上移植。

嵌入式操作系統(tǒng)都具有一定的實時性，易于裁剪和伸縮，可以適合于從ARM7到Xscale各種ARMCPU和各種檔次的應用，嵌入式操作系統(tǒng)可以使用廣泛流行的ARM開發(fā)工具，如ARM公司的SDT/ADS和RealView等，也可以使用開發(fā)軟件，如GCC/GDB、KDE或Eclipe開發(fā)環(huán)境，市場上還有專用的開發(fā)工具，如Tornado、μC/View、μC/KA、CODE/Lab、Metroworks等。

本文就目前國內(nèi)在ARM CPU上廣泛采用的三種嵌入式操作系統(tǒng)(μC/OS-II、μCLinux和嵌入式Linux)作分析。

μC/OS-II嵌入式實時內(nèi)核全世界數(shù)百種設備已經(jīng)在使用μC/OS-II，包括手機、路由器、不間斷電源、飛行器、醫(yī)療設備和工業(yè)控制設備。μC/OS-II已經(jīng)有ARM7TDMI、ARM9和StrongARM等各種ARMCPU的移植，支持包含Atmel、Hynix、Intel、 Motorola、Philips、Samsung、Sharp等公司的ARM核的CPU.μC/OS-II的移植也相當容易，與CPU相關的代碼包裝在三個文件中，它們是os_cpu.h、os_cpu_a.asm和os_cpu_c.c.μC/OS-II有60多個系統(tǒng)調(diào)用，覆蓋任務、定時器、信號量、事件標志、郵箱、隊列和內(nèi)存管理，已經(jīng)包含了傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核(如PSOS，VRTX)的功能，還支持互斥型信號量，這是90年代的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，如VxWorks和VRTXsa才有的技術。

μC/OS-II因為是可搶占的實時內(nèi)核，所以μC/OS-II與商業(yè)嵌入式實時內(nèi)核在性能上沒有什么差異，μC/OS-II沒有用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)，任務(線程)或中斷和任務切換的響應可以很快，主要是和ARMCPU相關的。最新的 2.7x版本還增加了算法以避免在移植中修改堆棧指針，這樣可以保證μC/OS-II在不同的CPU上運行更穩(wěn)定，移植更方便。μC/OS-II目前除了內(nèi)核外還有商業(yè)化文件系統(tǒng)μC/FS，圖形系統(tǒng)μC/GUI以及任務調(diào)試工具μC/KA和μC/View，但是μC/OS-II自己目前還沒有TCP /IP協(xié)議系統(tǒng)。

總的來說，μC/OS-II是一個非常容易學習，結構簡單，功能完備和實時性很強的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，適合于各種嵌入式應用以及大專院校教學和科研。最后需要說明，μC/OS-II不是免費軟件，任何人學習使用μC/OS-II需要購買《嵌入式實時操作系統(tǒng)μC /OS-II》一書，使用μC/OS-II的產(chǎn)品需要購買產(chǎn)品生產(chǎn)授權，購買了此授權的還可以得到開發(fā)期間的技術支持和升級服務。

μCLinux操作系統(tǒng)μCLinux是Linux小型化后，適合于沒有MMU(內(nèi)存管理單元)的微處理器芯片而裁剪成的操作系統(tǒng)，如果ARMCPU系列中的ARM7TDMI、ARM940T等產(chǎn)品希望使用Linux操作系統(tǒng)，只能用μCLinux，當然，μCLinux也支持 MotorolaDragonball、Coldfire等其它中低端嵌入式處理器。

μCLinux保持了傳統(tǒng)Linux操作系統(tǒng)的主要特性，包括穩(wěn)定、強大的網(wǎng)絡和文件系統(tǒng)的支持，μCLinux裁剪了大量的Linux內(nèi)核以縮小尺寸，適合象512k/bRAM、1M/bFlash這樣小容量、低成本的嵌入式系統(tǒng)。μCLinux系統(tǒng)小型化的另一簡化是采用了μCLib庫替代Linux的Glib庫，使用μCLib可以大大減少應用程序的代碼尺寸，對于中小型嵌入式應用，μCLib功能可以滿足需要，所以目前即使是某些采用Linux2.4.嵌入式Linux操作系統(tǒng)這里要討論的是可以嵌入在ARMCPU上的，具有MMU功能的Linux操作系統(tǒng)，也可以稱是嵌入式Linux操作系統(tǒng)。與微軟公司的軟件不一樣，Linux不是由一家公司所擁有、維護開發(fā)的，Linux在市場有多種發(fā)行版本，所有發(fā)行版本都包含一樣的Linux內(nèi)核、基本工具和應用，不同的發(fā)行版本主要是在附加的工具鏈、應用、配置以及各種內(nèi)核補丁上有所不同。嵌入式Linux主要是在實時性增強、內(nèi)核精簡和裁減、支持多種CPU結構(如ARMCPU)等方面做了改進和提高。

使用嵌入式Linux系統(tǒng)有兩種途徑：第一是用戶自己裝配(稱為DIY內(nèi)核)，你可以找到全部Linux代碼，或直接到ARMCPU的源代碼樹下 linux.org.uk“>www.ARMlinux.org.uk找到所需要的Linux版本的移植，或者某些半導體公司，如三星、 Motorola在自己的網(wǎng)站或在自己的ARM評估板含有一個最小Linux內(nèi)核系統(tǒng)。如果這個最小內(nèi)核沒有包含GCC/GDB工具鏈，可能還要到GNU 的網(wǎng)站下載全部的源代碼，然后再編譯生成所需要版本的ARM工具鏈和應用程序庫，這個過程是相當耗時和困難的。還需要指出，這種DIY內(nèi)核的配置，添加應用和驅動程序也是不標準的和復雜的，這是嵌入式系統(tǒng)的特殊性所在。

第二是選擇一個商業(yè)化的嵌入式Linux操作系統(tǒng)平臺。商業(yè)化的嵌入式Linux版本是針對嵌入式處理器，如ARM所優(yōu)化設計的，支持各種半導體廠家的評估板和主要的設備驅動，商業(yè)化的嵌入式Linux包含了文件系統(tǒng)、應用、實時性擴展和技術支持培訓服務，現(xiàn)今國外著名的商業(yè)化嵌入式Linux產(chǎn)品有：Monta Vista Linux、Bluecat Linux、Timesys Linux、Metrowork Linux、Vlinux和Redhat Linux等，

國內(nèi)也有紅旗、中軟、新華嵌入式Linux Monta Vista Linux是Monta Vista軟件公司于1999年推出的，它是目前全球優(yōu)秀的嵌入式Linux操作系統(tǒng)和工具供應商，Monta Vista在嵌入式Linux的實時性、交叉開發(fā)工具、高可用性、動態(tài)電源管理等Linux技術要點方面具有領先地位。MontaVistaLinux最版本是3.1，采用Linux2.4.20，針對8種CPU系列(包含ARM和Xscale)優(yōu)化定制的商業(yè)化版本。

選擇象Monta Vista Linux這樣商業(yè)化嵌入式Linux，可以讓用戶把時間和資金放在應用軟件和特定的硬件接口和設備驅動程序，使用商業(yè)化嵌入式Linux可以得到一定時間(一般是1年)的技術支持，升級和培訓(這很重要，因為Linux是每天都在變化的)。

商業(yè)化嵌入式Linux目前除國內(nèi)的產(chǎn)品外，價格還是很昂貴的，根據(jù)配置和服務時間，大約從幾千到幾萬美元，多數(shù)國內(nèi)用戶從資金和心理上還很難承受，商業(yè)化嵌入式Linux開發(fā)工具相對于 Microsoft和象Tornado/VxWork的開發(fā)工具，在易于使用和豐富性方面還待于提高和改進。