uclinux與ucos區(qū)別

嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式計(jì)算機(jī)為核心，面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用，軟硬件可裁減的，適用于對(duì)功能、可靠性、體積、成本、功耗等綜合性能有嚴(yán)格要求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的前/后臺(tái)程序開(kāi)發(fā)機(jī)制已經(jīng)不能滿足日益復(fù)雜和荷記得的實(shí)現(xiàn)要求，因而現(xiàn)場(chǎng)常常采用嵌入式產(chǎn)時(shí)操作系統(tǒng)PROS(Real TIme OperaTIon System)開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)一般可以提供多任務(wù)的任務(wù)調(diào)度、時(shí)間管理、任務(wù)間通信和同步以及內(nèi)存管理MMU(Memory Manager Unit)等重要服務(wù)，使得嵌入式應(yīng)用程序易于設(shè)計(jì)和擴(kuò)展。采用RTOS可以使嵌入式產(chǎn)品更可靠、開(kāi)發(fā)周期更短。在嵌入式應(yīng)用中使用RTOS已經(jīng)成為當(dāng)前嵌入式應(yīng)用的一個(gè)熱點(diǎn)。

完成簡(jiǎn)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(jī)組成的小系統(tǒng)就只是利用軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制環(huán)路;但是隨著所謂后PC時(shí)代的來(lái)臨，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜，嵌入式操作系統(tǒng)就必不可少了。

嵌入式RTOS在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固化以及應(yīng)用的專業(yè)性等方面具有較為突出的優(yōu)勢(shì)。一般而言，嵌入式操作系統(tǒng)不同于一般意義的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，它有占用空間小、執(zhí)行效率高、方便進(jìn)行個(gè)性化定制和軟件要求固化存儲(chǔ)等特點(diǎn)。

UC/OS和uClinux操作系統(tǒng)是用兩種性能優(yōu)良、源碼公開(kāi)且被廣泛應(yīng)用的免費(fèi)嵌入式操作系統(tǒng)，可以作為研究實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的典范。

uC/OS

uC/OS II(Micro Control OperaTIon System Two)是一個(gè)可以基于ROM運(yùn)行的、可裁減的、搶占式、實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，具有高度可移植性，特別適合于微處理器和控制器，是和很多商業(yè)操作系統(tǒng)性能相當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。為了提供最好的移植性能，uC/OS II最大程度上使用ANSI C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并且已經(jīng)移植到近40多種處理器體系上，涵蓋了從8位到64位各種CPU(包括DSP)。

uC/OS II可以簡(jiǎn)單的視為一個(gè)多任務(wù)調(diào)度器，在這個(gè)任務(wù)調(diào)度器之上完善并添加了和多任務(wù)操作系統(tǒng)相關(guān)的系統(tǒng)服務(wù)，如信號(hào)量、郵箱等。其主要特點(diǎn)有公開(kāi)源代碼，代碼結(jié)構(gòu)清晰、明了，注釋詳盡，組織有條理，可移植性好，可裁剪，可固化。內(nèi)核屬于搶占式，最多可以管理60個(gè)任務(wù)。從1992年開(kāi)始，由于高度可靠性、移植性和安全性，uC/OS II已經(jīng)廣泛使用在從照相機(jī)到航空電子產(chǎn)品的各種應(yīng)用中。

μC/OS-II實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核被廣泛應(yīng)用于微處理器、微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器。 μC/OS-II 的前身是μC/OS，最早出自于1992 年美國(guó)嵌入式系統(tǒng)專家Jean J.Labrosse 在《嵌入式系統(tǒng)編程》雜志的5 月和6 月刊上刊登的文章連載，并把μC/OS 的源碼發(fā)布在該雜志的BBS 上。

uCLinux

uCLinux表示Micro-Control Linux，即“微控制器領(lǐng)域中的Linux系統(tǒng)”，是Lineo公司的主打產(chǎn)品，同時(shí)也是開(kāi)放源碼的嵌入式Linux的典范之作。uCLinux主要是針對(duì)目標(biāo)處理器沒(méi)有存儲(chǔ)管理單元MMU(Memory Management Unit)的嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。它已經(jīng)被成功地移植到了很多平臺(tái)上。由于沒(méi)有MMU，其多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)需要一定技巧。

uClinux從Linux 2.0/2.4內(nèi)核派生而來(lái)，沿襲了Linux的絕大部分特性。它通常用于具有很少內(nèi)存或Flash的嵌入式操作系統(tǒng)。在GNU通用許可證的保證下，運(yùn)行uClinux操作系統(tǒng)的用戶可以使用幾乎所有的Linux API函數(shù)。由于經(jīng)過(guò)了裁剪和優(yōu)化，它形成了一個(gè)高度優(yōu)化，代碼緊湊的嵌入式Linux。

它具有體積小、穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對(duì)各種文件系統(tǒng)的支持，以及豐富的API函數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。uClinux與Linux在兼容性方面表現(xiàn)出色，uClinux除了不能實(shí)現(xiàn)fork()外，其余uClinux的API函數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)Linux完全相同。

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(gè)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(diào)并充分利用硬件資源來(lái)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)。復(fù)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(duì)其規(guī)范化操作。

嵌入式操作系統(tǒng)還有一個(gè)特點(diǎn)就是針對(duì)不同的平臺(tái)，系統(tǒng)不是直接可用的，一般需要經(jīng)過(guò)針對(duì)專門(mén)平臺(tái)的移植操作系統(tǒng)才能正常工作。進(jìn)程調(diào)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(shí)際應(yīng)用中最常見(jiàn)的問(wèn)題，下文就從這幾個(gè)角度入手對(duì)uc/os和uclinux進(jìn)行分析比較。

進(jìn)程調(diào)度

任務(wù)調(diào)度主要是協(xié)調(diào)任務(wù)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)資源(如內(nèi)存、i/o設(shè)備、cpu)的爭(zhēng)奪使用。進(jìn)程調(diào)度又稱為cpu調(diào)度，其根本任務(wù)是按照某種原則為處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程分配cpu。由于嵌入式系統(tǒng)中內(nèi)存和i/o設(shè)備一般都和cpu同時(shí)歸屬于某進(jìn)程，所以任務(wù)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度概念相近，很多場(chǎng)合不加區(qū)分，下文中提到的任務(wù)其實(shí)就是進(jìn)程的概念。

進(jìn)程調(diào)度可分為“剝奪型調(diào)度”和“非剝奪型調(diào)度”兩種基本方式。所謂“非剝奪型調(diào)度”是指：一旦某個(gè)進(jìn)程被調(diào)度執(zhí)行，則該進(jìn)程一直執(zhí)行下去直至該進(jìn)程結(jié)束，或由于某種原因自行放棄cpu進(jìn)入等待狀態(tài)，才將cpu重新分配給其他進(jìn)程。所謂“剝奪型調(diào)度”是指：一旦就緒狀態(tài)中出現(xiàn)優(yōu)先權(quán)更高的進(jìn)程，或者運(yùn)行的進(jìn)程已用滿了規(guī)定的時(shí)間片時(shí)，便立即剝奪當(dāng)前進(jìn)程的運(yùn)行(將其放回就緒狀態(tài))，把cpu分配給其他進(jìn)程。

作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，uc/os是采用的可剝奪型實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核?？蓜儕Z型的實(shí)時(shí)內(nèi)核在任何時(shí)候都運(yùn)行就緒了的最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。uc/os中最多可以支持64個(gè)任務(wù)，分別對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)0~63，其中0為最高優(yōu)先級(jí)。調(diào)度工作的內(nèi)容可以分為兩部分：最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的尋找和任務(wù)切換。

其最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的尋找是通過(guò)建立就緒任務(wù)表來(lái)實(shí)現(xiàn)的。uc/os中的每一個(gè)任務(wù)都有獨(dú)立的堆?？臻g，并有一個(gè)稱為任務(wù)控制塊tcb(task control block)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中第一個(gè)成員變量就是保存的任務(wù)堆棧指針。任務(wù)調(diào)度模塊首先用變量ostcbhighrdy記錄當(dāng)前最高級(jí)就緒任務(wù)的tcb地址，然后調(diào)用os_task_sw()函數(shù)來(lái)進(jìn)行任務(wù)切換。[!--empirenews.page--]

uclinux的進(jìn)程調(diào)度沿用了linux的傳統(tǒng)，系統(tǒng)每隔一定時(shí)間掛起進(jìn)程，同時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生快速和周期性的時(shí)鐘計(jì)時(shí)中斷，并通過(guò)調(diào)度函數(shù)(定時(shí)器處理函數(shù))決定進(jìn)程什么時(shí)候擁有它的時(shí)間片。然后進(jìn)行相關(guān)進(jìn)程切換，這是通過(guò)父進(jìn)程調(diào)用fork函數(shù)生成子進(jìn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

uclinux系統(tǒng)fork調(diào)用完成后，要么子進(jìn)程代替父進(jìn)程執(zhí)行(此時(shí)父進(jìn)程已經(jīng)sleep)，直到子進(jìn)程調(diào)用exit退出;要么調(diào)用exec執(zhí)行一個(gè)新的進(jìn)程，這個(gè)時(shí)候產(chǎn)生可執(zhí)行文件的加載，即使這個(gè)進(jìn)程只是父進(jìn)程的拷貝，這個(gè)過(guò)程也不可避免。當(dāng)子進(jìn)程執(zhí)行exit或exec后，子進(jìn)程使用wakeup把父進(jìn)程喚醒，使父進(jìn)程繼續(xù)往下執(zhí)行。

uclinux由于沒(méi)有mmu管理存儲(chǔ)器，其對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)是直接的，所有程序中訪問(wèn)的地址都是實(shí)際的物理地址。操作系統(tǒng)隊(duì)內(nèi)存空間沒(méi)有保護(hù)，各個(gè)進(jìn)程實(shí)際上共享一個(gè)運(yùn)行空間。這就需要實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)，也導(dǎo)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(wèn)題在編程時(shí)都需要多加注意，否則容易導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

由上述分析可以得知，uc/os內(nèi)核是針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，相對(duì)簡(jiǎn)單，可以滿足較高的實(shí)時(shí)性要求。而uclinux則在結(jié)構(gòu)上繼承了標(biāo)準(zhǔn)linux的多任務(wù)實(shí)現(xiàn)方式，僅針對(duì)嵌入式處理器特點(diǎn)進(jìn)行改良。其要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性效果則需要使系統(tǒng)在實(shí)時(shí)內(nèi)核的控制下運(yùn)行，rt-linux就是可以實(shí)現(xiàn)這一個(gè)功能的一種實(shí)時(shí)內(nèi)核。

文件系統(tǒng)

所謂文件系統(tǒng)是指負(fù)責(zé)存取和管理文件信息的機(jī)構(gòu)，也可以說(shuō)是負(fù)責(zé)文件的建立、撤銷(xiāo)、組織、讀寫(xiě)、修改、復(fù)制及對(duì)文件管理所需要的資源(如目錄表、存儲(chǔ)介質(zhì)等)實(shí)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(hào)量、消息郵箱、消息隊(duì)列及相關(guān)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(méi)有對(duì)文件系統(tǒng)的支持。但是uc/os具有良好的擴(kuò)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(duì)于一般的ext2文件系統(tǒng)要求更少的空間?？臻g的節(jié)約來(lái)自于兩個(gè)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(duì)簡(jiǎn)單，在建立文件系統(tǒng)超級(jí)塊(superblock)需要更少的存儲(chǔ)空間。romfs文件系統(tǒng)不支持動(dòng)態(tài)擦寫(xiě)保存，對(duì)于系統(tǒng)需要?jiǎng)討B(tài)保存的數(shù)據(jù)采用虛擬ram盤(pán)的方法進(jìn)行處理(ram盤(pán)將采用ext2文件系統(tǒng))。

uclinux還繼承了linux網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，可以很方便的支持網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)且內(nèi)嵌tcp/ip協(xié)議，這為uclinux開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備提供了便利。

由兩種操作系統(tǒng)對(duì)文件系統(tǒng)的支持可知，在復(fù)雜的需要較多文件處理的嵌入式系統(tǒng)中uclinux是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。而uc/os則主要適合一些控制系統(tǒng)。

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(gè)微處理器或微控制器上運(yùn)行。UC/OS和uClinux都是源碼公開(kāi)的操作系統(tǒng)，且其結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)便于把與處理器相關(guān)的部分分離出來(lái)，所以被移植到新的處理器上是可能的。以下對(duì)兩種系統(tǒng)的移植分別予以說(shuō)明。

(1)uC/OS的移植

要移植uC/OS，目標(biāo)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(yǔ)言就可以打開(kāi)和關(guān)閉中斷;

*處理器支持中斷，并能產(chǎn)生定時(shí)中斷;

*處理器支持足夠的RAM(幾KB)，作為多任務(wù)環(huán)境下的任務(wù)堆棧;

*處理器有將堆棧指針和其它CPU寄存器讀出和存儲(chǔ)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(shù)細(xì)節(jié)后，uC/OS的移植只需要修改與處理器相關(guān)的代碼就可以了。具體有如下內(nèi)容：

*OS_CPU.H中需要設(shè)置一個(gè)常量來(lái)標(biāo)識(shí)堆棧增長(zhǎng)方向;

*OS_CPU.H中需要聲明幾個(gè)用于開(kāi)關(guān)中斷和任務(wù)切換的宏;

*OS_CPU.H中需要針對(duì)具體處理器的字長(zhǎng)重新定義一系列數(shù)據(jù)類(lèi)型;

*OS_CPU_A.ASM需要改寫(xiě)4個(gè)匯編語(yǔ)言的函數(shù);

*OS_CPU_C.C需要用C語(yǔ)言編寫(xiě)6個(gè)簡(jiǎn)單函數(shù);

*修改主頭文件INCLUDE.H，將上面的三個(gè)文件和其它的頭文件加入。

(2)uClinux的移植其實(shí)，

uClinux是Linux針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的一種改良，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜;相對(duì)uC/OS，uClinux的移植也復(fù)雜得多。一般而言，要移植uClinux，目標(biāo)處理器除了應(yīng)滿足上述uC/OS應(yīng)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(gè)層次。

*結(jié)構(gòu)層次的移植。如果待移植處理器的結(jié)構(gòu)不同于任何已經(jīng)支持的處理器結(jié)構(gòu)，則需要修改linux/arch目錄下相關(guān)處理器結(jié)構(gòu)的文件。雖然uClinux內(nèi)核代碼的大部分是獨(dú)立于處理器和其體系結(jié)構(gòu)的，但是其最低級(jí)的代碼也是特定于各個(gè)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(hù)、任務(wù)上下文和初始化過(guò)程都是獨(dú)特的。這些例行程序位于lunux/arch/目錄下。由于Linux所支持體系結(jié)構(gòu)的種類(lèi)繁多，所以對(duì)一個(gè)新型的體系，其低級(jí)例程可以模仿與其相似的體系例程編寫(xiě)。

*平臺(tái)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(guān)體系結(jié)構(gòu)目錄下建立相應(yīng)目錄并編寫(xiě)相應(yīng)代碼。如MC68EZ328就是基于無(wú)MMU的m68k內(nèi)核的。此時(shí)的移植需要?jiǎng)?chuàng)建的linux/arch/m68knommu/platform/MC68EZ328目錄下，并在其下編寫(xiě)跟蹤程序(實(shí)現(xiàn)用戶程序到內(nèi)核函數(shù)的接口等功能)、中斷控制調(diào)度程序和向量初始化程序等。

*板級(jí)移植。如果所用處理器已被uClinux支持，就只需要板級(jí)移植了。板級(jí)移植需要在linux/arch/?platform/中建立一個(gè)相應(yīng)板的目錄，再在其中建立相應(yīng)的啟動(dòng)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(jí)移植還包括驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)和環(huán)境變量設(shè)置等內(nèi)容。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)uC/OS和uClinux的比較可以看出，這兩種操作系統(tǒng)在應(yīng)用方面各有優(yōu)劣。uC/OS占用空間少、執(zhí)行效率高、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良，且針對(duì)新處理器的移植相對(duì)簡(jiǎn)單。UClinux則占用空間相對(duì)較大，實(shí)時(shí)性能一般，針對(duì)新處理器的移植相對(duì)復(fù)雜。但是，uClinux具有對(duì)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(duì)一些復(fù)雜的應(yīng)用，uClinux具有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)。例如，CISCO公司的2500/3000/4000路由器就是基于uClinux操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的?？傊?，操作系統(tǒng)的選擇是由嵌入式系統(tǒng)的需求決定的。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是，小型控制系統(tǒng)可充分利用uC/OS小巧且實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì);如果開(kāi)發(fā)PDA和互聯(lián)網(wǎng)連接終端等較和為復(fù)雜的系統(tǒng)，則uClinux是不錯(cuò)的選擇。[!--empirenews.page--]