uC/OS和uClinux的比較

摘    要: 嵌入式作業系統是嵌入式系統應用的核心。本文通過對兩種典型的開源嵌入式作業系統的對比，分析和總結了嵌入式作業系統應用中的若干問題，歸納了嵌入式作業系統的選型依據。

引言  
 
隨著現代電腦技術的飛速發展和互連網技術的廣泛應用，從PC時代過渡到了以個人數位助理、手持個人電腦和資訊家電為代表的3C(電腦、通訊、消費電子)一體的後PC時代。後PC時代裡，嵌入式系統扮演了越來越重要的角色，被廣泛應用於資訊電器、移動電腦裝置、網路裝置和工控模擬等領域。嵌入式系統的開發也成為近年IT行業的技術熱點。  
 
完成簡易功能的嵌入式系統一般不需要作業系統，如以前許多M CS51系列單片機組成的小系統就只是利用軟體實現簡單的控制環路。但是隨著所謂後PC時代的來臨，嵌入式系統設計日趨複雜，嵌入式作業系統就必不可少了。  
 
一般而言，嵌入式作業系統不同於一般意義的電腦作業系統，它有佔用空間小、執行效率高、方便進行個人化定製和軟體要求固化儲存等特點。  
 
從八十年代起，國際上就有一些IT組織、公司，開始進行商用嵌入式系統和專用作業系統的研發。這其中湧現了一些著名的嵌入式系統，如Microsoft公司的WinCE和WindRiverSystem公司的VxWorks就分別是非即時和即時嵌入式作業系統的代表。但是商用產品的造價都十分昂貴，用於一般用途會提高產品成本從而失去競爭力。  
 
uC/OS和uClinux作業系統是兩種效能優良源碼公開且被廣泛應用的的免費嵌入式作業系統，可以作為研究即時作業系統和非即時作業系統的典範。本文通過對uC/OS和uClinux的對比，分析和總結了嵌入式作業系統應用中的若干重要問題，歸納了嵌入式系統開發中作業系統的選型依據。  
 
兩種開源嵌入式作業系統介紹  
 
uC/OS和uClinux作業系統，是當前得到廣泛應用的兩種免費且公開源碼的嵌入式作業系統。uC/OS適合小型控制系統，具有執行效率高、佔用空間小、即時效能優良和可擴充性強等特點，最小核心可編譯至2k。uClinux則是繼承標準Linux的優良特性，針對嵌入式處理器的特點設計的一種作業系統，具有內嵌網路通訊協定、支援多種檔案系統，開發人員可利用標準Linux先驗知識等優勢。其編譯後目標檔案可控制在幾百K量級。  
 
uC/OS是一種免費公開原始碼、結構小巧、具有可剝奪即時核心的即時作業系統。其核心提供任務調度與管理、時間管理、任務間同步與通訊、記憶體管理和中斷服務等功能。  
 
uClinux是一種優秀的嵌入式Linux版本。uClinux是Micro-Conrol-Linux的縮寫。同標準Linux相比，它整合了標準Linux作業系統的穩定性、強大網路功能和出色的檔案系統等主要優點。但是由於沒有MMU(記憶體管理單元)，其多任務的實現需要一定技巧。  
 
兩種嵌入式作業系統主要效能比較  
 
嵌入式作業系統是嵌入式系統軟硬體資源的控制中心，它以盡量合理的有效方法組織多個使用者共用嵌入式系統的各種資源。其中使用者指的是系統程式之上的所有軟體。所謂合理有效方法，指的就是作業系統如何協調並充分利用硬體資源來實現多任務。複雜的作業系統都支援檔案系統，方便組織檔案並易於對其正常化操作。  
 
嵌入式作業系統還有一個特點就是針對不同的平台，系統不是直接可用的，一般需要經過針對專門平台的移植作業系統才能正常工作。   
 
進程調度、檔案系統支援和系統移植是在嵌入式作業系統實際應用中最常見的問題，下文就從這幾個角度入手對uC/OS和uClinux進行分析比較。  
 
進程調度  
 
任務調度主要是協調任務對電腦系統內資源(如記憶體、I/O裝置、CPU)的爭奪使用。進程調度又稱為CPU調度，其根本任務是按照某種原則為處於就緒狀態的進程分配CPU。由於嵌入式系統中記憶體和I/O裝置一般都和CPU同時歸屬於某進程，所以任務調度和進程調度概念相近，很多場合不加區分，下文中提到的任務其實就是進程的概念。  
 
進程調度可分為"剝奪型調度"和"非剝奪型調度"兩種基本方式。所謂"非剝奪型調度"是指：一旦某個進程被調度執行，則該進程一直執行下去直至該進程結束，或由於某種原因自行放棄CPU進入等待狀態，才將CPU重新分配給其他進程。所謂"剝奪型調度"是指：一旦就緒狀態中出現優先權更高的進程，或者啟動並執行進程已用滿了規定的時間片時，便立即剝奪當前進程的運行(將其放回就緒狀態)，
把CPU分配給其他進程。  
 
作為即時作業系統，uC/OS是採用的可剝奪型即時多任務核心。可剝奪型的即時核心在任何時候都運行就緒了的最高優先順序的任務。uC/OS中最多可以支援64個任務，分別對應優先順序0~63，其中0為最高優先順序。調度工作的內容可以分為兩部分：最高優先順序任務的尋找和任務切換。  
 
其最高優先順序任務的尋找是通過建立就緒任務表來實現的。uC/OS中的每一個任務都有獨立的堆棧空間，並有一個稱為任務控制塊TCB(Task Control Block)資料結構，其中第一個成員變數就是儲存的任務堆棧指標。任務調度模組首先用變數OSTCBHighRdy記錄當前最進階就緒任務的TCB地址，然後調用OS_TASK_SW()函數來進行任務切換。  
 
uClinux的進程調度沿用了Linux的傳統，系統每隔一定時間掛起進程，同時系統產生快速和周期性的時鐘計時中斷，並通過調度函數(定時器處理函數)決定進程什麼時候擁有它的時間片。然後進行相關進程切換，這是通過父進程調用fork函數產生子進程來實現的。  uClinux系統fork調用完成後，要麼子進程代替父進程執行(此時父進程已經sleep)，直到子進程調用exit退出；要麼調用exec執行一個新的進程，這個時候產生可執行檔的載入，即使這個進程只是父進程的拷貝，這個過程也不可避免。當子進程執行exit或exec後，子進程使用wakeup把父進程喚醒，使父進程繼續往下執行。  
 
uClinux由於沒有MMU管理儲存空間，其對記憶體的訪問是直接的，所有程式中訪問的地址都是實際的物理地址。作業系統隊記憶體空間沒有保護，各個進程實際上共用一個Runspace。這就需要實現多進程時進行資料保護，也導致了使用者程式使用的空間可能佔用到系統核心空間，這些問題在編程時都需要多加註意，否則容易導致系統崩潰。  
 
由上述分析可以得知，uC/OS核心是針對即時系統的要求設計實現的，相對簡單，可以滿足較高的即時性要求。而uClinux則在結構上繼承了標準Linux的多任務實現方式，僅針對嵌入式處理器特點進行改良。其要實現即時性效果則需要使系統在即時核心的控制下運行，RT-Linux就是可以實現這一個功能的一種即時核心。  
 
檔案系統  
 
所謂檔案系統是指負責存取和管理檔案資訊的機構，也可以說是負責檔案的建立、撤銷、組織、讀寫、修改、複製及對檔案管理所需要的資源(如目錄表、儲存介質等)實施管理的軟體部分。  
 
uC/OS是面向中小型嵌入式系統的，如果包含全部功能(訊號量、訊息郵箱、訊息佇列及相關函數)，編譯後的uC/OS核心僅有6~10KB，所以系統本身並沒有對檔案系統的支援。但是uC/OS具有良好的擴充性能，如果需要的話也可自行加入檔案系統的內容。  
 
uClinux則是繼承了Linux完善的檔案系統效能。其採用的是romfs檔案系統，這種檔案系統相對於一般的ext2檔案系統要求更少的空間。空間的節約來自於兩個方面，首先核心支援romfs檔案系統比支援ext2檔案系統需要更少的代碼，其次romfs檔案系統相對簡單，在建立檔案系統超級塊(superblock)需要更少的儲存空間。Romfs檔案系統不支援動態擦寫儲存，對於系統需要動態儲存的資料採用虛擬ram盤的方法進行處理(ram盤將採用ext2檔案系統)。  
 
uClinux還繼承了Linux網路作業系統的優勢，可以很方便的支援網路檔案系統且內嵌TCP/IP協議，這為uClinux開發網路接入裝置提供了便利。  
 
由兩種作業系統對檔案系統的支援可知，在複雜的需要較多檔案處理的嵌入式系統中uClinux是一個不錯的選擇。而uC/OS則主要適合一些控制系統。  
 
作業系統的移植  
 
嵌入式作業系統移植的目的是指使作業系統能在某個微處理器或微控制器上運行。uC/OS和uClinux都是源碼公開的作業系統，且其結構化設計便於把與處理器相關的部分分離出來，所以被移植到新的處理器上是可能的。  
 
以下對兩種系統的移植分別予以說明。  
 
(1)uC/OS的移植  
 
要移植uC/OS，目標處理器必須滿足以下要求；  
 
·處理器的C編譯器能產生可重新進入代碼，且用C語言就可以開啟和關閉中斷；  
 
·處理器支援中斷，並能產生定時中斷；  
 
·處理器支援足夠的RAM(幾K位元組)，作為多任務環境下的任務堆棧；  
 
·處理器有將堆棧指標和其他CPU寄存器讀出和儲存到堆棧或記憶體中的指令。  
 
在理解了處理器和C編譯器的技術細節後，uC/OS的移植只需要修改與處理器相關的代碼就可以了。具體有如下內容：  
 
·OS_CPU.H中需要設定一個常量來標識堆棧增長方向；  
 
·OS_CPU.H中需要聲明幾個用於開關中斷和任務切換的宏；  
 
·OS_CPU.H中需要針對具體處理器的字長重新定義一系列資料類型；  
 
·OS_CPU_A.ASM需要改寫4個組合語言的函數；  
 
·OS_CPU_C.C需要用C語言編寫6個簡單函數；  
 
·修改主標頭檔INCLUDE.H，將上面的三個檔案和其他自己的標頭檔加入。  
 
(2)uClinux的移植  
 
由於uClinux其實是Linux針對嵌入式系統的一種改良，其結構比較複雜，相對uC/OS，uClinux的移植也複雜得多。一般而言要移植uClinux，目標處理器除了應滿足上述uC/OS應滿足的條件外，還需要具有足夠容量(幾百K位元組以上)外部ROM和RAM。  
 
uClinux的移植大致可以分為3個層次：  
 
·結構層次的移植，如果待移植處理器的結構不同於任何已經支援的處理器結構，則需要修改linux/arch目錄下相關處理器結構的檔案。雖然uClinux核心代碼的大部分是獨立於處理器和其體繫結構的，但是其最低級的代碼也是特定於各個系統的。這主要表現在它們的中斷處理上下文、記憶體映射的維護、任務上下文和初始化過程都是獨特的。這些例行程式位於linux/arch/目錄下。由於Linux所支援體繫結構的種類繁多，所以對一個新型的體系，其低級常式可以模仿與其相似的體系常式編寫。  
 
·平台層次的移植，如果待移植處理器是某種uClinux已支援體系的分支處理器，則需要在相關體繫結構目錄下建立相應目錄並編寫相應代碼。如MC68EZ328就是基於無MMU的m68k核心的。此時的移植需要建立linux/arch/m68knommu/platform/ MC68EZ328目錄並在其下編寫跟蹤程式(實現使用者程式到核心功能的介面等功能)、中斷控制發送器和向量初始化程式等。  
 
·板級移植，如果你所用處理器已被uClinux支援的話，就只需要板級移植了。板級移植需要在linux/arch/?platform/中建立一個相應板的目錄，再在其中建立相應的啟動代碼crt0_rom.s或crt0_ram.s和連結描述文檔rom.ld或ram.ld就可以了。板級移植還包括驅動程式的編寫和環境變數設定等內容。  
 
結語  
 
通過對uC/OS和uClinux的比較，可以看出這兩種作業系統在應用方面各有優劣。uC/OS佔用空間少，執行效率高，即時效能優良，且針對新處理器的移植相對簡單。uClinux則佔用空間相對較大，即時效能一般，針對新處理器的移植相對複雜。但是，uCLinux具有對多種檔案系統的支援能力、內嵌了TCP/IP協議，可以借鑒Linux豐富的資源，對一些複雜的應用，uClinux具有相當優勢。例如CISCO公司的 2500/3000/4000 路由器就是基於uClinux作業系統開發的。  總之，作業系統的選擇是由嵌入式系統的需求決定的。簡單的說就是，小型控制系統可充分利用uC/OS小巧且即時性強的優勢，如果開發PDA和互連網串連終端等較為複雜的系統則uClinux是不錯的選擇。