ARM的希望:两种嵌入式操作系统的比较

2015-04-24来源: laogu关键字:ARM  嵌入式  操作系统
    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务切换。 

  其最高优先级任务的寻找是通过建立就绪任务表来实现的。mC/OS中的每一个任务都有独立的堆栈空间,并有一个称为任务控制块TCB(Task Control Block)数据结构,其中第一个成员变量就是保存的任务堆栈指针。任务调度模块首先用变量OSTCBHighRdy记录当前最高级就绪任务的TCB地址,然后调用OS_TASK_SW()函数来进行任务切换。 

  mClinux的进程调度沿用了Linux的传统,系统每隔一定时间挂起进程,同时系统产生快速和周期性的时钟计时中断,并通过调度函数(定时器处理函数)决定进程什么时候拥有它的时间片。然后进行相关进程切换,这是通过父进程调用fork函数生成子进程来实现的。 

  mClinux系统fork调用完成后,要么子进程代替父进程执行(此时父进程已经sleep),直到子进程调用exit退出;要么调用exec执行一个新的进程,这个时候产生可执行文件的加载,即使这个进程只是父进程的拷贝,这个过程也不可避免。当子进程执行exit或exec后,子进程使用wakeup把父进程唤醒,使父进程继续往下执行。 

  mClinux由于没有MMU管理存储器,其对内存的访问是直接的,所有程序中访问的地址都是实际的物理地址。操作系统队内存空间没有保护,各个进程实际上共享一个运行空间。这就需要实现多进程时进行数据保护,也导致了用户程序使用的空间可能占用到系统内核空间,这些问题在编程时都需要多加注意,否则容易导致系统崩溃。 

  由上述分析可以得知,mC/OS内核是针对实时系统的要求设计实现的,相对简单,可以满足较高的实时性要求。而mClinux则在结构上继承了标准Linux的多任务实现方式,仅针对嵌入式处理器特点进行改良。其要实现实时性效果则需要使系统在实时内核的控制下运行,RT-Linux就是可以实现这一个功能的一种实时内核。 

  文件系统 

  所谓文件系统是指负责存取和管理文件信息的机构,也可以说是负责文件的建立、撤销、组织、读写、修改、复制及对文件管理所需要的资源(如目录表、存储介质等)实施管理的软件部分。 [page]

  mC/OS是面向中小型嵌入式系统的,如果包含全部功能(信号量、消息邮箱、消息队列及相关函数),编译后的mC/OS内核仅有6~10KB,所以系统本身并没有对文件系统的支持。但是mC/OS具有良好的扩展性能,如果需要的话也可自行加入文件系统的内容。 

  mClinux则是继承了Linux完善的文件系统性能。其采用的是romfs文件系统,这种文件系统相对于一般的ext2文件系统要求更少的空间。空间的节约来自于两个方面,首先内核支持romfs文件系统比支持ext2文件系统需要更少的代码,其次romfs文件系统相对简单,在建立文件系统超级块(superblock)需要更少的存储空间。Romfs文件系统不支持动态擦写保存,对于系统需要动态保存的数据采用虚拟ram盘的方法进行处理(ram盘将采用ext2文件系统)。 

  mClinux还继承了Linux网络操作系统的优势,可以很方便的支持网络文件系统且内嵌TCP/IP协议,这为mClinux开发网络接入设备提供了便利。 

  由两种操作系统对文件系统的支持可知,在复杂的需要较多文件处理的嵌入式系统中mClinux是一个不错的选择。而mC/OS则主要适合一些控制系统。 

  操作系统的移植 

  嵌入式操作系统移植的目的是指使操作系统能在某个微处理器或微控制器上运行。mC/OS和mClinux都是源码公开的操作系统,且其结构化设计便于把与处理器相关的部分分离出来,所以被移植到新的处理器上是可能的。 

  以下对两种系统的移植分别予以说明。 

  (1)mC/OS的移植 

  要移植mC/OS,目标处理器必须满足以下要求; 

    ·处理器的C编译器能产生可重入代码,且用C语言就可以打开和关闭中断; 

    ·处理器支持中断,并能产生定时中断; 

    ·处理器支持足够的RAM(几K字节),作为多任务环境下的任务堆栈; 

    ·处理器有将堆栈指针和其他CPU寄存器读出和存储到堆栈或内存中的指令。

  在理解了处理器和C编译器的技术细节后,mC/OS的移植只需要修改与处理器相关的代码就可以了。具体有如下内容: 

    ·OS_CPU.H中需要设置一个常量来标识堆栈增长方向; 

    ·OS_CPU.H中需要声明几个用于开关中断和任务切换的宏; 

    ·OS_CPU.H中需要针对具体处理器的字长重新定义一系列数据类型;

    ·OS_CPU_A.ASM需要改写4个汇编语言的函数; 

    ·OS_CPU_C.C需要用C语言编写6个简单函数;  
 
    ·修改主头文件INCLUDE.H,将上面的三个文件和其他自己的头文件加入。 

  (2)mClinux的移植 

  由于mClinux其实是Linux针对嵌入式系统的一种改良,其结构比较复杂,相对mC/OS,mClinux的移植也复杂得多。一般而言要移植mClinux,目标处理器除了应满足上述mC/OS应满足的条件外,还需要具有足够容量(几百K字节以上)外部ROM和RAM。 

  mClinux的移植大致可以分为3个层次: 

  ·结构层次的移植,如果待移植处理器的结构不同于任何已经支持的处理器结构,则需要修改linux/arch目录下相关处理器结构的文件。虽然mClinux内核代码的大部分是独立于处理器和其体系结构的,但是其最低级的代码也是特定于各个系统的。这主要表现在它们的中断处理上下文、内存映射的维护、任务上下文和初始化过程都是独特的。这些例行程序位于linux/arch/目录下。由于Linux所支持体系结构的种类繁多,所以对一个新型的体系,其低级例程可以模仿与其相似的体系例程编写。 

  ·平台层次的移植,如果待移植处理器是某种mClinux已支持体系的分支处理器,则需要在相关体系结构目录下建立相应目录并编写相应代码。如MC68EZ328就是基于无MMU的m68k内核的。此时的移植需要创建linux/arch/m68knommu/platform/ MC68EZ328目录并在其下编写跟踪程序(实现用户程序到内核函数的接口等功能)、中断控制调度程序和向量初始化程序等。 

  ·板级移植,如果你所用处理器已被mClinux支持的话,就只需要板级移植了。板级移植需要在linux/arch/?platform/中建立一个相应板的目录,再在其中建立相应的启动代码crt0_rom.s或crt0_ram.s和链接描述文档rom.ld或ram.ld就可以了。板级移植还包括驱动程序的编写和环境变量设置等内容。 

  结语 

  通过对mC/OS和mClinux的比较,可以看出这两种操作系统在应用方面各有优劣。mC/OS占用空间少,执行效率高,实时性能优良,且针对新处理器的移植相对简单。mClinux则占用空间相对较大,实时性能一般,针对新处理器的移植相对复杂。但是,mCLinux具有对多种文件系统的支持能力、内嵌了TCP/IP协议,可以借鉴Linux丰富的资源,对一些复杂的应用,mClinux具有相当优势。例如CISCO公司的 2500/3000/4000 路由器就是基于mClinux操作系统开发的。 

  总之,操作系统的选择是由嵌入式系统的需求决定的。简单的说就是,小型控制系统可充分利用mC/OS小巧且实时性强的优势,如果开发PDA和互联网连接终端等较为复杂的系统则mClinux是不错的选择。

关键字:ARM  嵌入式  操作系统

编辑:什么鱼 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/mcu/2015/0424/article_19614.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:ARM 概述
下一篇:STM32 USART 串口简单使用

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

2019 Arm人工智能开发者全球峰会圆满举办

2019 第二届Arm人工智能开发者全球峰会今天在上海圆满举办。今年的峰会以“共塑AI精彩未来” (Together, making AI different) 为主题,由上海市徐汇区政府指导,Arm中国及Arm人工智能生态联盟 (AIEC) 联合主办,并得到了多家全球及中国人工智能产业领导企业的大力支持。今年的峰会共吸引了超过一千名国内人工智能软硬件开发者的踊跃报名,再次刷新了第一届峰会创下的Arm中国历年活动报名人数之最的记录。 在今天上午举行的峰会主论坛上,来自Arm中国、Google、百度、微软-仪电人工智能创新院的技术专家和与会开发者分享了各自团队在AI开发领域的最新成就,为开发者展示了Arm人工智能生态
发表于 2019-07-19

从Mac换芯看国内ARM架构芯片应用前景

近期一条关于苹果公司挖走ARM首席架构师的新闻,又将Mac换芯战略带入大家视野。Mac系列笔记本和台式电脑现在使用的是X86架构,具体来讲使用的是Intel的Core系列和Xeon系列,和大多数Windows系统的PC使用的是同一类型的CPU。其实Mac在苹果公司成立的四十多年里已经经历了两次重要的换芯。第一次是1994年至1996年从Macintosh 128K芯片转向摩托罗拉的PowerPC架构芯片;第二次是2005年由乔布斯主导的将Mac所用摩托罗拉芯片转向Intel芯片。给一个出货量如此巨大的电脑产品更换底层的芯片架构,从来都不是一件容易的事,这需要对整个软件生态进行重构,最困难的是,重构的结果不能对开发者和用户造成影响
发表于 2019-07-19
从Mac换芯看国内ARM架构芯片应用前景

Arm联手中国联通完善中国物联网生态发展

Arm宣布与中国联通旗下联通物联网有限责任公司(以下简称“物联网公司”)的合作取得了最新进展,Arm已成功部署基于Arm Pelion设备管理平台与Mbed OS操作系统所打造的全新物联网平台,加速推进和完善中国物联网生态发展。Arm预测,到2035年,从受限设备到全功能终端节点或网关等物联网设备数量将达到1万亿台,所有设备都将需要安全的远程管理。为此,Arm推出Pelion物联网平台,整合设备管理、连接管理、数据管理功能,加上专为物联网设计的Mbed OS操作系统,支持任意设备进行灵活的云端部署,进一步消除物联网复杂性与碎片化的阻碍。 Arm于今年二月巴塞罗那MWC上首次公开与中国联通物联网的深度
发表于 2019-07-18
Arm联手中国联通完善中国物联网生态发展

力推万亿智能互联技术浪潮,Arm中国“极术社区”正式发布

在上海举行的2019第二届Arm人工智能开发者全球峰会上,Arm中国正式发布了由其发起的“极术AIoT开发者社区”(www.aijishu.com)。该社区由Arm中国携手中国领先的中文技术交流平台思否(SegmentFault)以及Arm中国生态重要合作伙伴开放智能机器(OPEN AI LAb)和移知科技,专门为中国AIoT开发者搭建,旨在为广大的软硬件开发者提供一个自由交流的平台和答疑解惑的渠道,借助强大的Arm全球及中国生态系统资源,助力中国开发者轻松的进入AIoT领域,将更多创意和创新付诸实践,积极应对下一波万亿智能互联技术浪潮所代表的巨大的市场机遇。         
发表于 2019-07-18
力推万亿智能互联技术浪潮,Arm中国“极术社区”正式发布

上海高校研究生脑洞打开,“Arm杯”刮起创新风暴

7月12日,“兆易创新杯”第十四届中国研究生电子设计竞赛“Arm杯”上海赛区在上海理工大学军工路校区体育馆正式拉开帷幕,来自上海16所高校的一千多名同学带着300多项最新电子设计作品和商业计划书参与本次角逐。当天下午2点,虽然比赛还未正式开幕,但所有团队都已准备就绪,等待着众人的审视与评委的指导。 中国研究生电子设计竞赛是由教育部学位与研究生教育发展中心、全国工程专业学位研究生教育指导委员会、中国电子学会联合主办的研究生学科竞赛、是学位中心主办的“中国研究生创新实践系列大赛”主题赛事之一。本届大赛上海赛区由教育部学位与研究生教育发展中心,中国电子学会和全国工程专业学位研究生教育指导委员会主办,上海理工大学党委研究生工作部
发表于 2019-07-17
上海高校研究生脑洞打开,“Arm杯”刮起创新风暴

Arm推出Flexible Access模式,降低芯片授权门槛

  7月17日消息,据国外媒体报道,当地时间周二,软银旗下的英国芯片设计公司Arm宣布,它将调整芯片设计授权费模式。  Arm Flexible Access是Arm的一种新的业务模式,它允许芯片设计师在为最终的选择支付授权费之前,尝试不同的芯片设计。这是一种访问业界领先芯片技术的全新方式,这种方式速度更快,更容易,也更灵活。  有了Arm Flexible Access模式,企业的设计团队能够更自由地进行实验、评估和创新。  Arm公司IP产品部门总裁雷内·哈斯(Rene Haas)表示:“Arm Flexible Access的创建,是为了应对拥有1万亿安全连接设备的世界所带来的机遇。通过融合无限制的设计访问,而无需预先授权
发表于 2019-07-17
Arm推出Flexible Access模式,降低芯片授权门槛

小广播

何立民专栏

单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2019 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved