stm32跑的五種嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)及不足

　　STM32系列32位微控制器，基于ARM Cortex-M3處理器。它能支持32位廣泛的應(yīng)用，支持包括高性能、實(shí)時功能、數(shù)字信號處理，和低功耗、低電壓操作，同時擁有一個完全集成和易用的開發(fā)。

　　基于STM平臺且滿足實(shí)時控制要求的操作系統(tǒng)，有以下4種可供選擇。分別為μC/OS-II、μClinux、eCos、FreeRTOS和都江堰操作系統(tǒng)(djyos)。下面分別介紹這五種嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)及不足。

　　1、μC/OS-II

　　μC/OS-II 是一種基于優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)，包含了實(shí)時內(nèi)核、任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)間通信同步(信號量，郵箱，消息 隊(duì)列)和內(nèi)存管理等功能。它可以使各個任務(wù)獨(dú)立工作，互不干涉，很容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時而且無誤執(zhí)行，使實(shí)時應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程大為減化。

　　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(shí)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(shí)時性能優(yōu)良和擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。

　　對于實(shí)時性的滿足上，由于μC/OS-II內(nèi)核是針對實(shí)時系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，所以只支持基于固定優(yōu)先級搶占式調(diào)度;調(diào)度方法簡單，可以滿足較高的實(shí)時性要求。μC/OS-II 的鮮明特點(diǎn)就是源碼公開，便于移植和維護(hù)。

　　在內(nèi)存管理上，μC/OS-II把連續(xù)的大塊內(nèi)存按分區(qū)來管理，每個分區(qū)中都包含整數(shù)個大小相同的內(nèi)存塊，但不同分區(qū)之間內(nèi)存的大小可以不同。用戶動態(tài)分配內(nèi)存時，只須選擇一個適當(dāng)?shù)姆謪^(qū)，按塊來分配內(nèi)存，釋放時將該塊放回到以前所屬的分區(qū)，這樣就消除了因多次動態(tài)分配和釋放內(nèi)存所引起的碎片問題。

　　μC/OS-II中斷處理比較簡單。一個中斷向量上只能掛一個中斷服務(wù)子程序ISR，而且用戶代碼必須都在ISR(中斷服務(wù)程序)中完成。

　　ISR需要做的事情越多，中斷延時也就越長。

　　內(nèi)核所能支持的最大嵌套深度為255。

　　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(kuò)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(dāng)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(shí)時性很強(qiáng)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(shí)時性，良好的可擴(kuò)展性能，并且是開源的，網(wǎng)上擁有很多的資料和實(shí)例，所以很適合向STM32上移植。

　　2、μClinux

　　μClinux是一個完全符合GNU/GPL公約的操作系統(tǒng)，完全開放源代碼，現(xiàn)在由Line公司支持維護(hù)。

　　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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能、出色的文件系統(tǒng)支持、標(biāo)準(zhǔn)豐富的API，以及TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。因?yàn)闆]有MMU內(nèi)存管理單元，所以其多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)需要一定技巧。

　　μClinux在結(jié)構(gòu)上繼承了標(biāo)準(zhǔn)Linux的多任務(wù)實(shí)現(xiàn)方式，分為實(shí)時進(jìn)程和普通進(jìn)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(diǎn)進(jìn)行改良，且不支持內(nèi)核搶占，實(shí)時性一般。

　　在內(nèi)存管理上由于μClinux是針對沒有MMU的處理器設(shè)計(jì)的，不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，只能采用實(shí)存儲器管理策略。系統(tǒng)使用分頁內(nèi)存分配方式，在啟動時對實(shí)際存儲器進(jìn)行分頁。系統(tǒng)對內(nèi)存的訪問是直接的，操作系統(tǒng)對內(nèi)存空間沒有保護(hù)，多個進(jìn)程可共享一個運(yùn)行空間，所以，即使是一個無特權(quán)進(jìn)程調(diào)用一個無效指針也會觸發(fā)一個地址錯誤，并有可能引起程序崩潰甚至系統(tǒng)崩潰。

　　μClinux操作系統(tǒng)的中斷管理是將中斷處理分為兩部分：頂半處理和底半處理。在頂半處理中，必須關(guān)中斷運(yùn)行，且僅進(jìn)行必要的、非常少、速度快的處理，其他處理交給底半處理;底半處理執(zhí)行那些復(fù)雜、耗時的處理，而且接受中斷。因?yàn)橄到y(tǒng)中存在有許多中斷的底半處理，所以會引起系統(tǒng)中斷處理的延時。

　　μClinux對文件系統(tǒng)支持良好，由于μClinux繼承了Linux完善的文件系統(tǒng)性能，它支持ROMFS、NFS、ext2、MS-DOS、JFFS等文件系統(tǒng)。但一般采用ROMFS文件系統(tǒng)，這種文件系統(tǒng)相對于一般的文件系統(tǒng)(如ext2)占用更少的空間。但是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)須采用虛擬RAM盤/JFFS的方法進(jìn)行處理。

　　在對硬件的支持上，由于μClinux繼承了Linux的大部分性能，所以至少需要512KB的RAM空間，lMB的ROM/Flash空間。

　　在μClinux的移植方面，μClinux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。移植μClinux，目標(biāo)處理器除了需要修改與處理器相關(guān)的代碼外，還需要足夠容量的外部ROM和RAM。

　　綜上可知，μClinux最大特點(diǎn)在于針對無MMU處理器設(shè)計(jì)，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(jì)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(shí)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。

　　3、eCos

　　eCos(embedded Configurable operaTIng system)，中文翻譯為嵌入式可配置操作系統(tǒng)或嵌入式可配置實(shí)時操作系統(tǒng)。適合于深度嵌入式應(yīng)用，主要應(yīng)用對象包括消費(fèi)電子、電信、車載設(shè)備、手持設(shè)備以及其他一些低成本和便攜式應(yīng)用。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(shí)時操作系統(tǒng)。最大特點(diǎn)是配置靈活，采用模塊化設(shè)計(jì)，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(yùn)行包等。每個組件可提供大量的配置選項(xiàng)(實(shí)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。

　　在實(shí)時性反面，由于eCos調(diào)度方法豐富，提供了兩種基于優(yōu)先級的調(diào)度器(即位圖調(diào)度器和多級隊(duì)列調(diào)度器)，允許用戶在進(jìn)行配置時選擇其中一個調(diào)度器，適應(yīng)性好。因此在實(shí)時性方面表現(xiàn)良好。

　　在內(nèi)存管理上eCos對內(nèi)存分配既不分段也不分頁，而是采用一種基于內(nèi)存池的動態(tài)內(nèi)存分配機(jī)制。通過兩種內(nèi)存池來實(shí)現(xiàn)兩種內(nèi)存管理方法：一種是變長的內(nèi)存池;另一種是定長的內(nèi)存池，類似于VxWorks的管理方案。

　　在中斷管理上eCos使用了分層式中斷處理機(jī)制，把中斷處理分為傳統(tǒng)的ISR(中斷服務(wù)程序)和滯后中斷服務(wù)程序DSR(遞延服務(wù)程序)。類似于μClinux的處理機(jī)制，這種機(jī)制可以在中斷允許時運(yùn)行DSR，因此在處理較低優(yōu)先級中斷時允許高優(yōu)先級的中斷和處理。為了極大地縮短中斷延時，ISR應(yīng)當(dāng)可以快速運(yùn)行。如果中斷引起的服務(wù)量少，則ISR可以單獨(dú)處理中斷;如果中斷服務(wù)復(fù)雜，則ISR只屏蔽中斷源，然后交由DSR(遞延服務(wù)程序)處理。

　　eCos操作系統(tǒng)的可配置性非常強(qiáng)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(dāng)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(diǎn)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(fèi)電子領(lǐng)域中的一些應(yīng)用。

　　4、都江堰操作系統(tǒng)(djyos)

　　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(jì)算機(jī)執(zhí)行過程編寫程序的思維方式，而是按人類認(rèn)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(jìn)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是一個全新的操作系統(tǒng)，它與現(xiàn)有的任何操作系統(tǒng)都沒有親緣關(guān)系，在構(gòu)成操作系統(tǒng)的幾個重要方面：調(diào)度器、中斷管理、設(shè)備管理、資源管理等方面，都又非常突出的創(chuàng)新，甚至是理論創(chuàng)新。通過這些創(chuàng)新，djyos能為應(yīng)用程序設(shè)計(jì)者提供非常突出的特點(diǎn)：

　　(1)在調(diào)度器方面，可以說是徹底革新，它幾乎顛覆了傳統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)模式。對嵌入式編程來說，幾乎是革命性的進(jìn)步，它以事件為核心的調(diào)度方式，改變了過去操作系統(tǒng)要求程序員模擬計(jì)算機(jī)的思維方式的編程模式，使之可以按人類的思維方式編寫應(yīng)用程序;它使程序員可以擺脫線程和進(jìn)程的束縛，djyos沒有跟線程相關(guān)的API。特別是在嵌入式領(lǐng)域的程序員，有許多是行業(yè)背景很深的專家，但往往缺乏計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)方面的知識，他們在djyos下編程，則可以無需學(xué)習(xí)晦澀難懂的線程知識。

　　(2)天然匹配多核和分布式計(jì)算，djyos的調(diào)度算法是以事件為核心的，應(yīng)用程序只管為事件編制處理程序，而線程和CPU核則被當(dāng)做處理事件必須的資源，由操作系統(tǒng)分配給事件，這種算法天生使多核編程更加簡單，多核利用率更高。眾多周知，目前CPU正往多核化發(fā)展，嵌入式CPU甚至DSP也是如此，比如ADI公司的blackfin561就是一顆只有幾十KB內(nèi)存的雙核DSP，djyos有計(jì)劃移植到blackfin561上，有望成為第一個在只有幾十KB內(nèi)存的CPU上實(shí)現(xiàn)對雙核的完美支持的RTOS。

　　(3)創(chuàng)新的加載方式和中斷管理模塊，可以實(shí)現(xiàn)比所有操作系統(tǒng)都快的中斷響應(yīng)速度，并且在CPU啟動后數(shù)十uS以內(nèi)，應(yīng)用程序的關(guān)鍵部分就可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)系統(tǒng)的控制，在操作系統(tǒng)加載過程中，就可以響應(yīng)應(yīng)用程序的中斷ISR。

　　(4)實(shí)時的內(nèi)存管理，在操作系統(tǒng)組件中，通常認(rèn)為malloc函數(shù)是非實(shí)時組件，因?yàn)榧词褂谐渥愕膬?nèi)存，malloc函數(shù)的執(zhí)行時間也不可預(yù)計(jì)，不符合實(shí)時系統(tǒng)要求執(zhí)行時間和結(jié)果均可預(yù)計(jì)的原則。但是djyos的內(nèi)存管理，只要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時配備充足的內(nèi)存，malloc的執(zhí)行時間是快速而且可以預(yù)計(jì)的，而在只運(yùn)行一個應(yīng)用程序的實(shí)時系統(tǒng)中，內(nèi)存不枯竭是容易做到的。

　　(5)為項(xiàng)目經(jīng)理和系統(tǒng)工程師量身定制的系統(tǒng)架構(gòu)，為工程師量身定制的API設(shè)置，特別利于系統(tǒng)工程師劃分項(xiàng)目模塊，利于項(xiàng)目經(jīng)理組建和管理團(tuán)隊(duì)，利于工程師編寫利于維護(hù)的代碼。

　　djysiV0.4.2發(fā)布，增加STM32版本的支持，能夠移植到cortex-m3 上(芯片為 stm32f103 )。該系統(tǒng)適合于工業(yè)控制。系統(tǒng)源代碼開放，但并不是永久免費(fèi)。