麻雀虽小 五脏俱全：MCU专用RTOS简述

　　微控制器（MCU）广泛应用在各行各业，如各式家电、工业自动化，实时控制、资料采集等领域，为因应工控所需的实时（RealTIme）控制、快速回应等需求，因此MCU大多搭载RTOS（实时操作系统）运行。随著物联网的兴起，软件业也为RTOS加入物联网的成分，以提早卡位物联网的核心软件市场…

　　各种处理器专用之OS

　　在一般功能（General-purpose）的处理器市场分类中，若以功能与执行速度来说，大致分为CPU > MPU > MCU。CPU的功能最强，主要应用在计算机产品；MPU功能次之，其应用多元，主要应用在嵌入式系统与精简型计算机等多种；而MCU则是以单一应用为主，应用在各式家电、电子产品、嵌入式产品、穿戴式装置、物联网（IoT）应用产品等控制应用。

　　MCU内部集成了KHz～MHz级的CPU、KB～MB级的存储器单元（RAM与ROM/EEPROM/Flash）、时脉产生器（Oscillator；Clock Generator）、与I/O扩充单元等，可视为一种速度较慢的系统单芯片（SoC）。

　　由于内部存储器容量小，因此大型操作系统如Windows、Linux等是不可能塞入MCU去执行的，且MCU大多被应用在实时控制的环境，因此许多容量小的RTOS（Real-TIme OperaTIng System；实时操作系统），便成为开发MCU软件的主要平台。

　　主打嵌入式应用的中高阶RTOS

　　RTOS 的种类繁多，主要设计给基于MPU或MCU的嵌入式系统所使用。例如MPU等级专用的有Integrity、QNX、VxWorks等功能强大之 RTOS；至于体积较小巧，主要支持MCU等级为主的RTOS，则有Nucleus、ThreadX、Unison OS、ucOS II/III等等。

　　以Green Hills Software推出的Integrity OS为例，就是一种支持MPU （甚至CPU等级）为主的RTOS。其强项在于Integrity-178版本已通过EAL 6+？（信息安全）认证与DO-178B（飞安环境） A级认证，被应用在极度重视安全和可靠性的市场，例如战斗机（如B-2、F-16、F-22、F-35）与民航机（如Airbus A380）等领域。该RTOS支持ARM、XScale、Blackfin、Freescale （已并入NXP） ColdFire、MIPS、PowerPC、AMD x86（嵌入式APU）等CPU/MPU平台。

　　另一个知名的QNX RTOS，采用微核心架构，是唯一成功打入商用市场的OS，其强项是多媒体的实时处理能力，适用于车（机）上娱乐装置与手机等嵌入式市场。QNX于 2010年被BlackBerry购并，并开发出BB 10操作系统。QNX支持IA32、MIPS、PowerPC、SH-4、ARM、StrongARM、XScale等CPU/MPU平台。

　　至于象是IntervalZero的RTX、RTX64，则是设计来与微软Windows共存共容的RTOS，搭配EtherCAT协定来做为工厂自动化的应用。其中，Windows主要负责GUI、储存、运算，RTX则负责实时工控与资料采集，让工控软件开发更容易。以上的RTOS都是MB至GB等级的 MPU等级OS，不适用于MCU的环境。

　　主打MCU应用的商用RTOS

　　中低阶 RTOS部分，主要是把软件功能极尽精简到MB甚至KB等级，使整个OS与主要应用程序，均可以塞入MCU里的ROM/EEPROM/Flash。由于 MCU应用的领域更加广泛，其软件必须力求更加精简，因此MCU专用的RTOS大多具备非常高度模块化的架构，从核心、驱动程序、档案系统、外围I/O、网络支持等，都可以量身订作，以利产品快速上市。

　　商用的RTOS有些会提供原始码给授权客户，而开源的RTOS则更能自由使用，让开发人员可以编译出程序码最小、最佳化的执行环境。

　　由于各芯片厂所推出的MCU产品／开发板，都会有其对应的OS与IDE（集成软件开发环境），但这些OS与软件开发环境可能只适用于该厂的MCU产品，因此第三方软件厂商，就开发出跨芯片／跨硬件平台的OS与IDE，让开发人员不须因为换了硬件平台，软件就必须全部改写。

　　目前MCU OS/IDE市场占有率最高的，大多是软件公司所推出商用RTOS（搭配各厂商的MCU产品），然随著ARM推出Cortex-M、Cortex-R等指令集架构，进军穿戴式与物联网应用市场，使得ARM架构（采开源码）的RTOS开始有提升的趋势。

　　Mentor Graphics旗下Accelerated Technology公司所推出的Nucleus，采Microkernel设计，号称有30亿个装置导入，优势是核心长度可以小至2KB，且开发人员不需要撰写嵌入式装置专用BSP（开发板支持软件包），因此被广泛应用到消费性电子、行动装置、车用电子、智能能源、医疗仪器、工业／工控等领域。

　　早期采用联发科MT6217芯片的大陆山寨、白牌、双卡2G手机，就是执行Nucleus RTOS。该RTOS支持ARM、MicroBlaze、MIPS、Nios II、Power、SuperH、XScale等嵌入式MCU架构。

　　Express Logic推出的ThreadX，则是一套免收权利金的RTOS，其优点是具备超快速的开机时间、反应时间，其Picokernel核心长度低于2KB，并通过安全规范，号称有21亿个装置导入使用。例如HP的旗下打印机和事务机便采用该RTOS。可广泛支持各式32位元MCU，包含ARM、Atmel、 BlackFin、CoreFire/68K、EFM32、Freescale （NXP）、FM3、H8、XMC、M-Core、MicroBlaze、MIPS、Nios II、Power、STM32、StrongARM、Synopsys ARC、TI、Win32、x86/x386、XScale等等。

　　Wind River公司所推出的VxWorks，主要针对嵌入式系统设计，采Monolithic （单体式）核心，优势是具备先占式多工处理核心、循环执行、岔断快速反应等特性，原生支持64位元处理器架构（x64）、可进行平行（SMP）／非平行 （AMP）处理，累积至今有超过15亿个装置导入。

　　新版VxWorks 7则瞄准IoT所需要的可扩充性、安全性、连结性、绘图能力、虚拟化等做强化，而全功能的VxWorks微核心长度只要20KB。VxWorks广受科技业界的采用，登陆火星的Curiosity（好奇号）便采用VxWorks。该RTOS支持Intel x86（包含Quark SoC与x86-64）、MIPS、PowerPC、SH-4、ARM等CPU/MPU架构。

　　RoweBots公司的Unison OS，则是一款完全兼容于POSIX（可移植操作系统接口）的RTOS，适用于MCU、DSC、DSP、SoC、FPGA等32位元的硬件开发环境，其好处是特别针对物联网的应用，提升其系统安全性，且核心程序码在某些应用架构可以低到仅1KB。支持Microchip PIC32、Renesas R32C/SH2A、ST STM32、TI ARM Cortex-M3等32位元MCU。

　　Micrium的μc/OS-II （microcontroller OS version 2），主打可携、能在ROM执行、弹性、先占式多工的RTOS核心，可管理高达250个应用任务。μc/OS-III则主打无限应用任务、几近于零的岔断，并可提供原始码给客户。

　　其优势在于该系统原始码开放、整洁一致、注释详尽，亦通过FAA认证与DO-178B认证，适合各种嵌入式与物联网的系统开发，核心大小从5或6KB～24KB。至于μc/OS-III HW-RTOS，则是针对ARM Cortex-M为主的MCU做硬件加速。该RTOS可支持超过100种DSP、MPU、MCU。

　　ARM MCU促使开源RTOS兴起

　　近年来由于ARM架构的处理器横扫全球智能行动装置（手机／平板）市场，除了搭配各MCU/MPU硬件平台所推出的商用RTOS/IDE之外，为进军物联网与穿戴式的MCU级应用，ARM推出Cortex-M与Cortex-R的指令集架构，搭配开源的OS/IDE来抢占MCU的应用市场。

　　例如ARM推出的mbed OS与相关开发环境，便着重于嵌入式装置与IoT的应用，具备连接性、高效率、安全性、生产力的OS，搭配其mbed-rtos函式库，亦可做为RTOS的应用。该mbed开发环境，可开发出智能家庭、智慧城市、穿戴式等应用产品。

　　此外，坊间针对ARM平台所推出的开源RTOS/IDE很多，例如FreeRTOS、uKOS-II、Atomthreads、BeRTOS社群版、 ChibiOS/RT、CoActionOS、eCos、Embox、Erika Enterprise/RT-Druid、Keil （ARM） RTX、Lepton、nOS、Nut/OS、NuttX、RIOT、RT-Thread、TI-RTOS-KERNEL（SYS/BIOS）、TNeo 等等，让开发人员有更多的选择。

　　其它专用MCU的非实时OS概述

　　此外，也有许多针对MCU设计的开源OS （非RTOS），但同样具有体积小的特性，有些是针对IoT的WSN（无线感测网络）应用，例如Contiki OS、TinyOS。而有些则具备一般桌上型图形化使用接口（GUI），例如SymbOS、Wheels OS等。

　　Contiki OS是一套开源的微型OS，可应用在Atmel ARM/AVR、LPC、PIC32、TI MSP430/CC2430/2538/2630/2650、STM32W等MCU做IoT应用，也可在博物馆级的8位元计算机（Apple II、Atari、Commodore等）做上网联机、甚至在骨灰级游乐器（Atari Jaguar、Game Boy/Advance、GP32、任天堂红白机、PC Engine等）上执行。

　　至于SymbOS，则是一套能在8位元Z80 CPU （如MSX、Amstrad）的古董计算机上执行之免费多媒体图形操作系统，赋予如Windows 95般的操作画面，让旧计算机回春。