ARM的希望:两种嵌入式操作系统的比较

摘 要: 嵌入式操作系统是嵌入式系统应用的核心。本文通过对两种典型的开源嵌入式操作系统的对比,分析和总结了嵌入式操作系统应用中的若干问题,归纳了嵌入式操作系统的选型依据。

　　关键词: 嵌入式;操作系统;mC/OS;mClinux

引言

　　随着现代计算机技术的飞速发展和互联网技术的广泛应用,从PC时代过渡到了以个人数字助理、手持个人电脑和信息家电为代表的3C(计算机、通信、消费电子)一体的后PC时代。后PC时代里,嵌入式系统扮演了越来越重要的角色,被广泛应用于信息电器、移动计算机设备、网络设备和工控仿真等领域。嵌入式系统的开发也成为近年IT行业的技术热点。

　　完成简单功能的嵌入式系统一般不需要操作系统,如以前许多MCS51系列单片机组成的小系统就只是利用软件实现简单的控制环路。但是随着所谓后PC时代的来临,嵌入式系统设计日趋复杂,嵌入式操作系统就必不可少了。

　　一般而言,嵌入式操作系统不同于一般意义的计算机操作系统,它有占用空间小、执行效率高、方便进行个性化定制和软件要求固化存储等特点。

　　从八十年代起,国际上就有一些IT组织、公司,开始进行商用嵌入式系统和专用操作系统的研发。这其中涌现了一些著名的嵌入式系统,如Microsoft公司的WinCE和WindRiverSystem公司的VxWorks就分别是非实时和实时嵌入式操作系统的代表。但是商用产品的造价都十分昂贵,用于一般用途会提高产品成本从而失去竞争力。

　　mC/OS和uClinux操作系统是两种性能优良源码公开且被广泛应用的的免费嵌入式操作系统,可以作为研究实时操作系统和非实时操作系统的典范。本文通过对mC/OS和mClinux的对比,分析和总结了嵌入式操作系统应用中的若干重要问题,归纳了嵌入式系统开发中操作系统的选型依据。

　　两种开源嵌入式操作系统介绍

　　mC/OS和mClinux操作系统,是当前得到广泛应用的两种免费且公开源码的嵌入式操作系统。mC/OS适合小型控制系统,具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点,最小内核可编译至2k。mClinux则是继承标准Linux的优良特性,针对嵌入式处理器的特点设计的一种操作系统,具有内嵌网络协议、支持多种文件系统,开发者可利用标准Linux先验知识等优势。其编译后目标文件可控制在几百K量级。

　　mC/OS是一种免费公开源代码、结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操作系统。其内核提供任务调度与管理、时间管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能。

　　mClinux是一种优秀的嵌入式Linux版本。mClinux是Micro-Conrol-Linux的缩写。同标准Linux相比,它集成了标准Linux操作系统的稳定性、强大网络功能和出色的文件系统等主要优点。但是由于没有MMU(内存管理单元),其多任务的实现需要一定技巧。

　　两种嵌入式操作系统主要性能比较

　　嵌入式操作系统是嵌入式系统软硬件资源的控制中心,它以尽量合理的有效方法组织多个用户共享嵌入式系统的各种资源。其中用户指的是系统程序之上的所有软件。所谓合理有效的方法,指的就是操作系统如何协调并充分利用硬件资源来实现多任务。复杂的操作系统都支持文件系统,方便组织文件并易于对其规范化操作。

　　嵌入式操作系统还有一个特点就是针对不同的平台,系统不是直接可用的,一般需要经过针对专门平台的移植操作系统才能正常工作。

　　进程调度、文件系统支持和系统移植是在嵌入式操作系统实际应用中最常见的问题,下文就从这几个角度入手对mC/OS和mClinux进行分析比较。

　　进程调度

　　任务调度主要是协调任务对计算机系统内资源(如内存、I/O设备、CPU)的争夺使用。进程调度又称为CPU调度,其根本任务是按照某种原则为处于就绪状态的进程分配CPU。由于嵌入式系统中内存和I/O设备一般都和CPU同时归属于某进程,所以任务调度和进程调度概念相近,很多场合不加区分,下文中提到的任务其实就是进程的概念。

　　进程调度可分为“剥夺型调度”和“非剥夺型调度”两种基本方式。所谓“非剥夺型调度”是指：一旦某个进程被调度执行,则该进程一直执行下去直至该进程结束,或由于某种原因自行放弃CPU进入等待状态,才将CPU重新分配给其他进程。所谓“剥夺型调度”是指：一旦就绪状态中出现优先权更高的进程,或者运行的进程已用满了规定的时间片时,便立即剥夺当前进程的运行(将其放回就绪状态),把CPU分配给其他进程。

作为实时操作系统,mC/OS是采用的可剥夺型实时多任务内核。可剥夺型的实时内核在任何时候都运行就绪了的最高优先级的任务。mC/OS中最多可以支持64个任务,分别对应优先级0~63,其中0为最高优先级。调度工作的内容可以分为两部分：最高优先级任务的寻找和任