嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II與eCos的比較
掃描二維碼
隨時(shí)隨地手機(jī)看文章
摘要:敘述嵌入式系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)的概念,簡述嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的發(fā)展階段。重點(diǎn)介紹μC/OS-II和eCos的發(fā)展歷史,并且對μC/OS-II與eCos進(jìn)行比較,為大家在選擇嵌入式操作系統(tǒng)時(shí)提供參考。
關(guān)鍵詞:嵌入式操作系統(tǒng) RTOS μC/OS-II eCos
1 背景
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和芯片制造工藝的不斷進(jìn)步,嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛:從民用的電視、手機(jī)等電路設(shè)備到軍用的飛機(jī)、坦克等武器系統(tǒng),到處都有嵌入式系統(tǒng)的身影。在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)中,采和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(簡稱RTOS)能夠支持多任務(wù),使得程序開發(fā)更加容易,便于維護(hù),同時(shí)能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。這已逐漸成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一個(gè)發(fā)展方向。
2 嵌入式操作系統(tǒng)概述
嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件。它是嵌入式系統(tǒng)(包括硬、軟件系統(tǒng))極為重要的組成部分,通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器Browser等。嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn),如能夠有效管理越來越復(fù)雜的系統(tǒng)資源;能夠把硬件虛擬化,使得開發(fā)人員從繁忙的驅(qū)動程序移植和維護(hù)中解脫出來;能夠提供庫函數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備驅(qū)動程序以及工具集等。與通用操作系統(tǒng)相比較,嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。
嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)至今已經(jīng)有30多年的歷史??v觀嵌入式技術(shù)的發(fā)展過程,大致經(jīng)歷了四個(gè)階段。
(1)無操作系統(tǒng)的嵌入式算法階段
這一階段的嵌入式系統(tǒng)是以單芯片為核心的系統(tǒng),具有與一些監(jiān)測、伺服、指示設(shè)備相配合的功能。一般沒有明顯的操作系統(tǒng)支持,而是通過匯編語言編程對系統(tǒng)進(jìn)行直接控制。主要特點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能都相對單一,針對性強(qiáng),無操作系統(tǒng)支持,幾乎沒有用戶接口。
(2)簡單監(jiān)控式的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段
這一階段的嵌入式系統(tǒng)主要以嵌入式式器為基礎(chǔ)、以簡單監(jiān)控式操作系統(tǒng)為核心。系統(tǒng)的特點(diǎn)是:處理器種類繁多,通用性比較弱;開銷小,效率高;一般配備系統(tǒng)仿真器,具有一定的兼容性和擴(kuò)展性;用戶界面不夠友好,主要用來控制系統(tǒng)負(fù)載以及監(jiān)控應(yīng)用程序運(yùn)行。
(3)通用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段
以通用型嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng),如VxWorks、pSos、Windows CE就是這一階段的典型代表。這一階段嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)是:能運(yùn)行在各種不同的微處理器上;具有強(qiáng)大的能用型操作系統(tǒng)的功能,如具備了文件和目錄管理、多任務(wù)、設(shè)備驅(qū)動支持、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口以及用戶界面等功能;具有豐富的API和嵌入式應(yīng)用軟件。
(4)以Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)
伴隨著通用型嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的發(fā)展,面向Internet網(wǎng)絡(luò)和特定應(yīng)用的嵌入式操作系統(tǒng)正日益引起人們的重視,成為重要的發(fā)展方向。嵌入式系統(tǒng)與Internet的真正結(jié)合、嵌入式操作系統(tǒng)與應(yīng)用設(shè)備的無縫結(jié)合代表著嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展的未來。
3 兩種源碼開放的RTOS
嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有很多,如VxWorks、PalmOS、WindowsCE等。這些操作系統(tǒng)均屬于商品化產(chǎn)品,價(jià)格昂貴且由于源泉代碼不公開導(dǎo)致了諸如對設(shè)備的支持、應(yīng)用軟件的移植等一系列的問題;而開放源碼的RTOS在成本和技術(shù)上有其特有的優(yōu)勢,在RTOS領(lǐng)域占有越來越重要的地位,本文將介紹μC/OS-II和eCos兩種優(yōu)秀的源碼公開的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),通過對它們各自的特點(diǎn)和性能進(jìn)行分析和比較,給出相關(guān)的數(shù)據(jù),為選擇一種合適的RTOS提供參考。
3.1 μC/OS-II
μC/OS-II的前射是μC/OS,最早出自于1992年美國嵌入式系統(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。當(dāng)時(shí)就有500多人下載了這份源碼。世界上數(shù)以千計(jì)的工程技術(shù)人員將μC/OS應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域,如照相機(jī)業(yè)、發(fā)動機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備、高速公路電話系統(tǒng)、ATM機(jī)和工業(yè)機(jī)器人等。許多大學(xué)用μC/OS作教材,用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)教學(xué)。1998年,作者決定出版μC/OS的第二本書《μC/OS-II The Real Time Kernel》,并設(shè)立了正式的網(wǎng)站:www. ΜC/OS-II.com,給μC/OS-II增加了一些新的功能,并且增加了約200頁的解釋。
μC/OS和μC/OS-II是專門為計(jì)算機(jī)的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的,絕大部分代碼是用C語言編寫的。CPU硬件相關(guān)部分是用匯編語言編寫的、總量約200行的匯編語言部分被壓縮到最低限度,為的是便于移植到任何一種其它的CPU上。許多移植的范例可以從網(wǎng)站上得到。用戶只要有標(biāo)準(zhǔn)的ANSI的C交叉編譯器,有匯編器、連接器等軟件工具,就可以將μC/OS嵌入到開發(fā)的產(chǎn)品中。
μC/OS具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性能等特點(diǎn),最小內(nèi)核可編譯至2KB。μC/OS-II已經(jīng)移植到了幾乎所有知名的CPU上。
3.2 eCos
eCos(embedded Configurable operating system),即嵌入式可配置操作系統(tǒng),最初起源于美國的Cygnus Solutions公司。Cygnus公司于1998年11月發(fā)布了第一個(gè)eCos版本eCos1.1,當(dāng)時(shí)只支持有限的幾種處理器結(jié)構(gòu)。1999年11月,RedHat公司以6.74億美元收購了Cygnus公司。在此后的幾年里,eCos成為其嵌入式領(lǐng)域的關(guān)鍵產(chǎn)品,得到了迅速的發(fā)展。2002年,RedHat公司由于財(cái)務(wù)方面的原因,裁剪了eCos開發(fā)隊(duì)伍,但并沒有停止eCos的發(fā)展。RedHat公司隨后宣稱將繼續(xù)支持eCos的發(fā)展,而由原eCos主要開發(fā)人員組建了eCos Centric公司,并于2003年5月正式發(fā)布了eCos2.0。
雖然eCos是RedHat的產(chǎn)品,但是eCos并不是Linux或Linux的派生,eCos彌補(bǔ)了Linux在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的不足。目前,一個(gè)最小配置的Linux內(nèi)核大概有500KB,需要占用1.5MB的內(nèi)存空間,這還不包括應(yīng)用程序和其它所需的服務(wù);eCos可以提供實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用所需的基本運(yùn)行基件,而只占用幾十KB或幾百KB的內(nèi)存空間。eCOS是一個(gè)源碼開放的可配置、可移植、無版稅、面向深嵌入式應(yīng)用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。從eCOS的名稱可以看出,它最大的特點(diǎn)在于它是一個(gè)配置靈活的系統(tǒng)。ECOS的核心部分是由不同的組件組成的,包括內(nèi)核、C語言庫和底層運(yùn)行包等。每個(gè)組件以能提供大量的可配置選項(xiàng),利用eCOS提供的配置工具可以很方便地進(jìn)行配置。通過不同的配置使得eCOS能夠滿足不同的嵌入式應(yīng)用。
4 μC/OS-II與eCOS的比較
對于以上兩種源泉碼公開的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),我們主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行比較。通過比較,能夠?yàn)榇蠹疫x擇適合自己系統(tǒng)的RTOS提供參考。
4.1 內(nèi)核調(diào)度機(jī)制
RTOS內(nèi)核的核心是調(diào)度器。當(dāng)系統(tǒng)包含多個(gè)任務(wù)或多個(gè)線程時(shí),必須使用調(diào)度器來決定當(dāng)前執(zhí)行哪一個(gè)任務(wù)或線程。調(diào)度器對線程的運(yùn)行進(jìn)行控制,并為線程提供一種同步機(jī)制。表1列出了這兩種RTOS調(diào)度器(調(diào)度機(jī)制)的比較。
表1 調(diào)度器比較
調(diào)度方法 | 同優(yōu)先級調(diào)度 | 優(yōu)先級數(shù)/個(gè) | 任務(wù)數(shù)量/個(gè) | ||
uC/OS-II | 固定 優(yōu)先級 搶占式 |
無 | 64 (8個(gè)保留) |
56 | |
eCos | 位圖 | 優(yōu)先級 搶占式 |
無 | 32 | 32 |
多級隊(duì)列 | 優(yōu)先級 搶占式 |
有 | 32 | 無限 | |
獎(jiǎng)券 | 獎(jiǎng)券法目前在測試中 |
μC/OS只支持固定優(yōu)先級搶占式,不支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度,調(diào)度方法簡單、實(shí)時(shí)性好,用法也簡單;eCOS調(diào)度方法豐富,適應(yīng)性好。當(dāng)然,目前的eCOS只允許在其目標(biāo)系統(tǒng)中使用一個(gè)單獨(dú)的調(diào)度器,未來的版本將可以允許多個(gè)調(diào)度器協(xié)同工作。
4.2 任務(wù)間同步、通信機(jī)制
RTOS的功能一般要通過若干任務(wù)和中斷服務(wù)程序共同完成,任務(wù)與任務(wù)之間、任務(wù)與中斷服務(wù)程序之間必須協(xié)調(diào)動作,互相配合,這就牽涉到任務(wù)間的同步與通信問題。表2為這兩種操作系統(tǒng)同步與通信機(jī)制的比較。
表2 同步與通信機(jī)制的比較
uC/OS-II | eCos | |
同步與通信機(jī)制 | 信號量、郵箱、消息隊(duì)列 | 互斥、條件變量、計(jì)數(shù)型信號量、郵箱和事件標(biāo)志 |
4.3 任務(wù)切換時(shí)間和中斷延遲時(shí)間
任務(wù)切換時(shí)間和中斷延遲時(shí)間是評估RTOS性能的兩個(gè)重要指標(biāo)。任務(wù)切換時(shí)間可以反映出RTOS執(zhí)行任務(wù)的速度,而中斷延遲時(shí)間可以反映出RTOS對外界變化的反應(yīng)速度。表3為這兩種操作系統(tǒng)任務(wù)切換時(shí)間和中斷延遲時(shí)間的比較。
表3 任務(wù)切換時(shí)間和中斷延遲時(shí)間的比較
任務(wù)切換時(shí)間/us | 中斷延遲時(shí)間/μs | 測試環(huán)境 | |
μC/OS-II | 29.7~34.2 | 78.8 | Intel80186(33MHz) |
eCos | 15.84 | 19.2 | MPC860A3(33MHz) |
4.4 對硬件的支持
μC/OS-II和eCOS支持當(dāng)前流行的大部分嵌入式CPU,都具有很好的可移植特性。μC/OS-II支持從8位到32位的CPU;而eCOS可以在16位、32位和64位等不同體系結(jié)構(gòu)之間移植。μC/OS-II和eCOS由于本身內(nèi)核就很小,經(jīng)過裁剪后的代碼最小可以分別為小于2KB和10KB,所需的最小數(shù)據(jù)RAM空間可以為4KB和10KB,因此它們對硬件的要求很低,具有極高的經(jīng)濟(jì)性。
結(jié)語
通過比較可以看到:μC/OS-II相對eCOS來說,源代碼最小很多,特別適合學(xué)習(xí)和研究。它最大的特點(diǎn)是小巧,適合應(yīng)用在一些RAM和ROM有限的小型嵌入式系統(tǒng)中,如單片機(jī)系統(tǒng)。ECOS最大的特點(diǎn)是配置靈活,適合于用在一些商業(yè)級或工業(yè)級的嵌入式系統(tǒng),如一些消費(fèi)電子、汽車領(lǐng)域等等。總之,選用什么樣的操作系統(tǒng),要根據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)的硬件條件和用戶應(yīng)用程序的復(fù)雜度來確定。
------------
關(guān)于μC/OS-II系列軟件版權(quán)的說明
Micrium 公司產(chǎn)品包括μC/OS-II,μC/GUI,uC/FS,μC/TCP-IP,μC/USB等。Micrium 公司提供嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用方面的產(chǎn)品,并對其軟件擁有知識產(chǎn)權(quán)。Micrium花費(fèi)了大量的時(shí)間和財(cái)力為嵌入式領(lǐng)域提供高質(zhì)量的軟件產(chǎn)品。所有上述產(chǎn)品都以源代碼的形式提供給客戶,具有極大的適用性。產(chǎn)品不是免費(fèi)軟件,也不是開放源碼的軟件,因此,不能免費(fèi)使用,需要清楚的闡明μC/OS-II和系列的軟件不是開放源碼的免費(fèi)軟件,這是和Linux完全不一樣的。
開發(fā)和研究者可以通過購買Micrium公司的Jean先生的μC/OS-II的書籍,而得到μC/OS-II源代碼,但是僅可以作為個(gè)人和學(xué)校學(xué)習(xí)使用,所有和μC/OS-II直接和間接相關(guān)的商業(yè)目的行為,必須購買使用μC/OS-II及系列產(chǎn)品的商業(yè)授權(quán),包括芯片/單板/系統(tǒng)廠家的任何參考設(shè)計(jì),教學(xué)設(shè)備和最終的產(chǎn)品,如果沒有得到Micrium公司Jean先生簽字的合法授權(quán)都是不合法的使用, 這在μC/OS-II的書籍Micrium公司(www.micrium.com)和中國代理商-北京麥克泰軟件公司網(wǎng)站(www.bmrtech.com)上面中有明確規(guī)定。
Micrium公司其它軟件如μC/GUI,μC/FS,μC/TCP-IP,μC/USB 等的銷售模式與μC/OS-II不同,如果沒有購買使用授權(quán),完全不可以擁有該源代碼,也不能將源代碼用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì),培訓(xùn),教學(xué)和生產(chǎn)。
μC/OS-II, μC/GUI,μC/FS,μC/TCP-IP,μC/USB 等授權(quán)方式有:單個(gè)產(chǎn)品、產(chǎn)品線(系列)、按照CPU 劃分的產(chǎn)品三種形式,μC/OS-KA,μC/OS-VIEW 等工具是按照使用人的數(shù)目收取費(fèi)用的,相對起傳統(tǒng)的RTOS 動輒2-3萬美圓的開發(fā)費(fèi)用和每塊單板的使用費(fèi)(根據(jù)數(shù)量從數(shù)百到幾個(gè)美圓),μC/OS-II及系列產(chǎn)品是采用一次性的收費(fèi)方式,應(yīng)該只是大約相當(dāng)于傳統(tǒng)RTOS 的10-20% 的總體費(fèi)用。
如果您正在將μC/OS-II系列軟件用于您的產(chǎn)品,您需要購買并獲得正式使用授權(quán)。
北京麥克泰軟件技術(shù)有限公司