uC/OS和uClinux操作系統(tǒng)的比較

 引 言

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用與開發(fā)是當(dāng)今計(jì)算機(jī)行業(yè)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)。現(xiàn)今嵌入式軟件的應(yīng)用與開發(fā)的領(lǐng)域主要有：國(guó)防、通信、電子、辦公自動(dòng)化、機(jī)/車頂盒、掌上電腦(或PDA)、手機(jī)軟件、工業(yè)控制、信息家電等領(lǐng)域。

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，由于嵌入式應(yīng)用不斷增長(zhǎng)、嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜性不斷提高，導(dǎo)致嵌入式軟件的規(guī)模和復(fù)雜性也在相應(yīng)的不斷提高。目前嵌入式軟件、硬件的應(yīng)用與開發(fā)體現(xiàn)如下趨勢(shì)：隨著計(jì)算技術(shù)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)電子的一體化趨勢(shì)日益明顯，嵌入式技術(shù)已成為一個(gè)研究熱點(diǎn);特別是互聯(lián)網(wǎng)的迅速普及，使得網(wǎng)絡(luò)化、微型化和專業(yè)化成為嵌入式發(fā)展的新趨勢(shì);嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用成為信息產(chǎn)業(yè)的主流之一，中間件技術(shù)開始和嵌入式軟件的應(yīng)用與開發(fā)相結(jié)合起來。

嵌入式應(yīng)用是繼 PC 后的重要應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景，涉及嵌入式軟件應(yīng)用的領(lǐng)域也日見增加，應(yīng)用所產(chǎn)生的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值也越來越大。同時(shí)，隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品將和人民的日常生活聯(lián)系變得更加緊密。從技術(shù)應(yīng)用的層面來看，嵌入式技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展空間巨大，在工業(yè)控制、汽車電子、數(shù)字電視技術(shù)等領(lǐng)域中將會(huì)得到大量的應(yīng)用。

uC/OS和uClinux操作系統(tǒng)是兩種性能優(yōu)良、源碼公開且被廣泛應(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。本文通過對(duì)uC/OS和uClinux的對(duì)比，分析和總結(jié)嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用中的若干重要問題，歸納嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中操作系統(tǒng)的選型依據(jù)。

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)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)過針對(duì)專門平臺(tái)的移植操作系統(tǒng)才能正常工作。

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

μC/OS-II的組成部分：

μC/OS-II可以大致分成核心、任務(wù)處理、時(shí)間處理、任務(wù)同步與通信，CPU的移植等5個(gè)部分。

1) 核心部分(OSCore.c)

是操作系統(tǒng)的處理核心，包括操作系統(tǒng)初始化、操作系統(tǒng)運(yùn)行、中斷進(jìn)出的前導(dǎo)、時(shí)鐘節(jié)拍、任務(wù)調(diào)度、事件處理等多部分。能夠維持系統(tǒng)基本工作的部分都在這里。

2) 任務(wù)處理部分(OSTask.c)

任務(wù)處理部分中的內(nèi)容都是與任務(wù)的操作密切相關(guān)的。包括任務(wù)的建立、刪除、掛起、恢復(fù)等等。因?yàn)?mu;C/OS-II是以任務(wù)為基本單位調(diào)度的，所以這部分內(nèi)容也相當(dāng)重要。

3) 時(shí)鐘部分(OSTime.c)

μC/OS-II中的最小時(shí)鐘單位是timetick(時(shí)鐘節(jié)拍)。任務(wù)延時(shí)等操作是在這里完成的。

4) 任務(wù)同步和通信部分

為事件處理部分，包括信號(hào)量、郵箱、郵箱隊(duì)列、事件標(biāo)志等部分;主要用于任務(wù)間的互相聯(lián)系和對(duì)臨界資源的訪問。

5) 與CPU的接口部分

是指μC/OS-II針對(duì)所使用的CPU的移植部分。由于μC/OS-II是一個(gè)通用性的操作系統(tǒng)，所以對(duì)于關(guān)鍵問題上的實(shí)現(xiàn)，還是需要根據(jù)具體CPU的具體內(nèi)容和要求作相應(yīng)的移植。這部分內(nèi)容由于牽涉到SP等系統(tǒng)指針，所以通常用匯編語言編寫。主要包括中斷級(jí)任務(wù)切換的底層實(shí)現(xiàn)、任務(wù)級(jí)任務(wù)切換的底層實(shí)現(xiàn)、時(shí)鐘節(jié)拍的產(chǎn)生和處理、中斷的相關(guān)處理部分等內(nèi)容。

uClinux內(nèi)核結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1

圖1代表了內(nèi)核的功能結(jié)構(gòu)，與Linux基本相同，不同的只是對(duì)內(nèi)存管理和進(jìn)程管理進(jìn)行改寫，以滿足無MMU處理器的要求。uClinux是Linux 操作系統(tǒng)的一種，是由Linux2.0內(nèi)核發(fā)展來的，是專為沒有MMU的微處理器(如ARM7TDMI、Coldfire 等)設(shè)計(jì)的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。另外,由于大多數(shù)內(nèi)核源代碼都被重寫，uClinux的內(nèi)核要比原Linux 2.0內(nèi)核小的多, 但保留了Linux 操作系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性，優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)能力以及優(yōu)秀的文件系統(tǒng)支持

2.任務(wù)調(diào)度

1.uC/OS-II 采用的是可剝奪型實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。可剝奪型的實(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-II的任務(wù)調(diào)度是完全基于任務(wù)優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度，也就是最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一旦處于就緒狀態(tài)，則立即搶占正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的處理器資源。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，uC/OS-II規(guī)定所有任務(wù)的優(yōu)先級(jí)不同，因?yàn)槿蝿?wù)的優(yōu)先級(jí)也同時(shí)唯一標(biāo)志了該任務(wù)本身。

任務(wù)調(diào)度將在以下情況下發(fā)生：

1) 高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)因?yàn)樾枰撤N臨界資源，主動(dòng)請(qǐng)求掛起，讓出處理器，此時(shí)將調(diào)度就緒狀態(tài)的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)獲得執(zhí)行，這種調(diào)度也稱為任務(wù)級(jí)的上下文切換。

2) 高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)因?yàn)闀r(shí)鐘節(jié)拍到來，在時(shí)鐘中斷的處理程序中，內(nèi)核發(fā)現(xiàn)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)獲得了執(zhí)行條件(如休眠的時(shí)鐘到時(shí))，則在中斷態(tài)直接切換到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)執(zhí)行。這種調(diào)度也稱為中斷級(jí)的上下文切換。

這兩種調(diào)度方式在uC/OS-II的執(zhí)行過程中非常普遍，一般來說前者發(fā)生在系統(tǒng)服務(wù)中，后者發(fā)生在時(shí)鐘中斷的服務(wù)程序中。

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)的尋找是通過建立就緒任務(wù)表來實(shí)現(xiàn)的。u C / O S 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)的數(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)來進(jìn)行任務(wù)切換。

2.uClinux沒有MMU管理存儲(chǔ)器，在實(shí)現(xiàn)多個(gè)進(jìn)程時(shí)(fork調(diào)用生成子進(jìn)程)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保護(hù)。由于uClinux的多進(jìn)程管理是通過vfork來實(shí)現(xiàn)，因此fork等于vfork。這意味著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?qū)a(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)過程也不能避免。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。[!--empirenews.page--]

uClinux的這種多進(jìn)程實(shí)現(xiàn)機(jī)制同它的內(nèi)存管理緊密相關(guān)。uClinux針對(duì)沒有mmu處理器開發(fā)，所以被迫使用一種flat方式的內(nèi)存管理模式，啟動(dòng)新的應(yīng)用程序時(shí)系統(tǒng)必須為應(yīng)用程序分配存儲(chǔ)空間，并立即把應(yīng)用程序加載到內(nèi)存。缺少了MMU的內(nèi)存重映射機(jī)制，uClinux必須在可執(zhí)行文件加載階段對(duì)可執(zhí)行文件reloc處理，使得程序執(zhí)行時(shí)能夠直接使用物理內(nèi)存。

3.內(nèi)存管理

在ANSI C中是使用malloc和free兩個(gè)函數(shù)來動(dòng)態(tài)分配和釋放內(nèi)存。但在嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，多次這樣的錯(cuò)作會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存碎片，且由于內(nèi)存管理算法的原因，malloc和free的執(zhí)行時(shí)間也是不確定。

uC/OS-II中把連續(xù)的大塊內(nèi)存按分區(qū)管理。每個(gè)分區(qū)中包含整數(shù)個(gè)大小相同的內(nèi)存塊，但不同分區(qū)之間的內(nèi)存快大小可以不同。用戶需要?jiǎng)討B(tài)分配內(nèi)存時(shí)，系統(tǒng)選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)姆謪^(qū)，按塊來分配內(nèi)存。釋放內(nèi)存時(shí)將該塊放回它以前所屬的分區(qū)，這樣能有效解決碎片問題，同時(shí)執(zhí)行時(shí)間也是固定的。

uClinux不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)(應(yīng)該說這種不帶有MMU的處理器在嵌入式設(shè)備中相當(dāng)普遍)。uClinux仍采用存儲(chǔ)器的分頁(yè)管理，系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)把實(shí)際存儲(chǔ)器進(jìn)行分頁(yè)。在加載應(yīng)用程序時(shí)程序分頁(yè)加載。但是由于沒有MMU管理，所以實(shí)際上uClinux采用實(shí)存儲(chǔ)器管理策略(real memeory management)。這一點(diǎn)影響了系統(tǒng)工作的很多方面。uClinux系統(tǒng)對(duì)于內(nèi)存的訪問是直接的，(它對(duì)地址的訪問不需要經(jīng)過MMU，而是直接送到地址線上輸出)，所有程序中訪問的地址都是實(shí)際的物理地址。操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存空間沒有保護(hù)(這實(shí)際上是很多嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn))，各個(gè)進(jìn)程實(shí)際上共享一個(gè)運(yùn)行空間(沒有獨(dú)立的地址轉(zhuǎn)換表)。 一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行前，系統(tǒng)必須為進(jìn)程分配足夠的連續(xù)地址空間，然后全部載入主存儲(chǔ)器的連續(xù)空間中。與之相對(duì)應(yīng)的是標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)在分配內(nèi)存時(shí)沒有必要保證實(shí)際物理存儲(chǔ)空間是連續(xù)的，而只要保證虛存地址空間連續(xù)就可以了。此外磁盤交換空間也是無法使用的，系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)如果缺少內(nèi)存將無法通過磁盤交換來得到改善。

4.移植

要使?C/OS-Ⅱ正常運(yùn)行，處理器必須滿足以下要求：

1. 處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼。

2. 用C語言就可以打開和關(guān)閉中斷。

3. 處理器支持中斷，并且能產(chǎn)生定時(shí)中斷(通常在10至100Hz之間)。

4. 處理器支持能夠容納一定量數(shù)據(jù)(可能是幾千字節(jié))的硬件堆棧。

5. 處理器有將堆棧指針和其它CPU寄存器讀出和存儲(chǔ)到堆?；騼?nèi)存中的指令。

像Motorola 6805系列的處理器不能滿足上面的第4條和第5條要求，所以?C/OS-Ⅱ不能在這類處理器上運(yùn)行。

uClinux的移植大致可以分為3個(gè)層次：

1.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)存映射的維護(hù)、任務(wù)上下文和初始化過程都是獨(dú)特的。這些例行程序位于linux/arch/目錄下。由于Linux所支持體系結(jié)構(gòu)的種類繁多，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。

2.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)目錄并編寫相應(yīng)代碼。如MC68EZ328就是基于無MMU內(nèi)核的m68k內(nèi)核的。移植需創(chuàng)建linux/arch/m68knommu/platform/ MC68EZ328目錄，并在其下編寫跟蹤程序(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。

3.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和鏈接描述文檔rom.ld或ram.ld就可以了。板級(jí)移植還包括驅(qū)動(dòng)程序的編寫和環(huán)境變量設(shè)置等內(nèi)容。

5.結(jié)束語

通過對(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)。總之，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。