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嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II與eCos的比較
來(lái)源：?jiǎn)纹瑱C(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 作者：空軍工程大學(xué) 吳 非 樊曉光摘要：敘述嵌入式系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)的概念，簡(jiǎn)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(duì)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(kāi)發(fā)中，采和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)RTOS）能夠支持多任務(wù)，使得程序開(kāi)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(kāi)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(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(lái)越復(fù)雜的系統(tǒng)資源；能夠把硬件虛擬化，使得開(kāi)發(fā)人員從繁忙的驅(qū)動(dòng)程序移植和維護(hù)中解脫出來(lái)；能夠提供庫(kù)函數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(lài)性、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專(zhuān)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(guò)程，大致經(jīng)歷了四個(gè)階段。
（1）無(wú)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(cè)、伺服、指示設(shè)備相配合的功能。一般沒(méi)有明顯的操作系統(tǒng)支持，而是通過(guò)匯編語(yǔ)言編程對(duì)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(duì)單一，針對(duì)性強(qiáng)，無(wú)操作系統(tǒng)支持，幾乎沒(méi)有用戶(hù)接口。
（2）簡(jiǎn)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(jiǎn)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(lèi)繁多，通用性比較弱；開(kāi)銷(xiāo)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(hù)界面不夠友好，主要用來(lái)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(dòng)支持、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口以及用戶(hù)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(wú)縫結(jié)合代表著嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展的未來(lái)。
3 兩種源碼開(kāi)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(kāi)導(dǎo)致了諸如對(duì)設(shè)備的支持、應(yīng)用軟件的移植等一系列的問(wèn)題；而開(kāi)放源碼的RTOS在成本和技術(shù)上有其特有的優(yōu)勢(shì)，在RTOS領(lǐng)域占有越來(lái)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(kāi)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)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(guó)嵌入式系統(tǒng)專(zhuān)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(dòng)機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備、高速公路電話(huà)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(shū)《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(yè)的解釋。
μC/OS和μC/OS-II是專(zhuān)門(mén)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(yǔ)言編寫(xiě)的。CPU硬件相關(guān)部分是用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的、總量約200行的匯編語(yǔ)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(hù)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(kāi)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(guó)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(gòu)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(kāi)發(fā)隊(duì)伍，但并沒(méi)有停止eCos的發(fā)展。RedHat公司隨后宣稱(chēng)將繼續(xù)支持eCos的發(fā)展，而由原eCos主要開(kāi)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(kāi)放的可配置、可移植、無(wú)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(chēng)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(yǔ)言庫(kù)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(guò)不同的配置使得eCOS能夠滿(mǎn)足不同的嵌入式應(yīng)用。
4 μC/OS-II與eCOS的比較
對(duì)于以上兩種源泉碼公開(kāi)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(guò)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(xiàn)程時(shí)，必須使用調(diào)度器來(lái)決定當(dāng)前執(zhí)行哪一個(gè)任務(wù)或線(xiàn)程。調(diào)度器對(duì)線(xiàn)程的運(yùn)行進(jìn)行控制，并為線(xiàn)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
優(yōu)先級(jí)
搶占式 無(wú) 64
（8個(gè)保留） 56 eCos 位圖 優(yōu)先級(jí)
搶占式 無(wú) 32 32 多級(jí)隊(duì)列 優(yōu)先級(jí)
搶占式 有 32 無(wú)限 獎(jiǎng)券 獎(jiǎng)券法目前在測(cè)試中
μC/OS只支持固定優(yōu)先級(jí)搶占式，不支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，調(diào)度方法簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好，用法也簡(jiǎn)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(lái)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(guò)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(dòng)作，互相配合，這就牽涉到任務(wù)間的同步與通信問(wèn)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
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(píng)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(duì)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
4．4 對(duì)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(guò)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(duì)硬件的要求很低，具有極高的經(jīng)濟(jì)性。
結(jié)語(yǔ)
通過(guò)比較可以看到：μC/OS-II相對(duì)eCOS來(lái)說(shuō)，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(jí)或工業(yè)級(jí)的嵌入式系統(tǒng)，如一些消費(fèi)電子、汽車(chē)領(lǐng)域等等�？傊�，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(hù)應(yīng)用程序的復(fù)雜度來(lái)確定。
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