857
UC/OS和uClinux的比較
隨著現代計算機技術的飛速發展和互聯網技術的廣泛應用，從PC時代過渡到了以個人數字助理、手持個人電腦和信息家電為代表的3C（計算機、通信、消費電子）一體的後PC時代。後PC時代裏，嵌入式係統扮演了越來越重要的角色，被廣泛應用於信息電器、移動設備、網絡設備和工控仿真等領域。
嵌入式係統是以嵌入式計算機為核心，麵向用戶、麵向產品、麵向應用，軟硬件可裁減的，適用於對功能、可靠性、體積、成本、功耗等綜合性能有嚴格要求的計算機係統。隨著嵌入式係統的廣泛應用，傳統的前/後台程序開發機製已經不能滿足日益複雜和荷記得的實現要求，因而現場常常采用嵌入式產時操作係統PROS（Real Time Operation System）開發實時多任務係統。嵌入式實時操作係統一般可以提供多任務的任務調度、時間管理、任務間通信和同步以及內存管理MMU（Memory Manager Unit）等重要服務，使得嵌入式應用程序易於設計和擴展。采用RTOS可以使嵌入式產品更可靠、開發周期更短。在嵌入式應用中使用RTOS已經成為當前嵌入式應用的一個熱點。
完成簡單功能的嵌入式係統一般不需要操作係統。如，以前許多MCS51係列單片機組成的小係統就隻是利用軟件實現簡單的控製環路；但是隨著所謂後PC時代的來臨，嵌入式係統設計日趨複雜，嵌入式操作係統就必不可少了。
嵌入式RTOS在係統實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固化以及應用的專業性等方麵具有較為突出的優勢。一般而言，嵌入式操作係統不同於一般意義的計算機操作係統，它有占用空間小、執行效率高、方便進行個性化定製和軟件要求固化存儲等特點。
從20世紀80年代起，國際上就有一些IT組織、公司，開始進行商用嵌入式操作係統和專用操作係統的研發。這其中湧現了一些著名的嵌入式操作係統，如Microsoft公司的WinCE和WindRiver System公司的VxWorks就分別是非實時和實時嵌入式操作係統的代表。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操作係統是用兩種性能優良、源碼公開且被廣泛應用的免費嵌入式操作係統，可以作為研究實時操作係統和非實時操作係統的典範。本文通過uC/OS和uClinux的對比，分析和總結嵌入式操作係統應用中的若幹重要問題，歸納嵌入式係統開發中操作係統的選型依據。
1 兩種開源嵌入式操作係統介紹
uC/OS和uClinux操作係統，是當前得到廣泛應用的兩種免費且公開源碼的嵌入式操作係統。UC/OS適合小型控製係統，具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良和可擴展性強等特點，最小內核可編譯至2KB。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操作係統，具有內嵌網絡協議、支持多種文件係統，開發者可利用標準Linux先驗知識等優勢。其編譯後目標文件可控製在幾百KB量級。
UC/OS是一種免費公開源代碼、結構小巧、具有可剝奪實時內核的實時操作係統。其內核提供任務調度與管理、時間管理、任務間同步與通信、內存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，它集成了標準Linux操作係統的穩定性、強大網絡功能和出色的文件係統等主要優點。但是由於沒有MMU（內存管理單元），其多任務的實現需要一定技巧。
2 兩種嵌入式操作係統主要性能比較
嵌入式操作係統是嵌入式係統軟硬件資源的控製中心，它以盡量合理的有效方法組織多個用戶共享嵌入式係統的各種資源。其中用戶指的是係統程序之上的所有軟件。所謂合理有效的方法，指的就是操作係統如何協調並充分利用硬件資源來實現多任務。複雜的操作係統都支持文件係統，方便組織文件並易於對其規範化操作。
嵌入式操作係統還有一個特點是，針對不同的平台，係統不是直接可用的，一般需要經過針對專門平台的移植操作係統才能正常工作。
進程調度、文件係統支持和係統移植是在嵌入式操作係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。
2.1 進程調度
任務調度主要是協調任務對計算機係統資源（如內存、I/O設備、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理為處於就緒狀態的進程分析CPU。由於嵌入式係統中內存和I/O設備一般都和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。
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，或由於某種原理自行放棄CPU進入等待狀態，才將CPU重新分配給其它進程。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，或者運行的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分配給其它進程。
作為實時操作係統，uC/OS采用的是可剝奪型實時多任務內核。可剝奪型的實時內核在任何時候都運行就緒了的最高優先級的任務。uC/OS中最多可以支持64個任務，分別對應優先級0～63，其中0為最高優先級。調度工作的內容可以分為兩部分：最高優先級任務的尋找和任務切換。
其最高優先級任務表來實現的。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製塊TCB（Task Control Block）的數據結構，其中第一個成員變量就是保存的任務堆棧指針。任務調度模塊首先用變量OSTCBHighRdy記錄當前最高級就緒任務的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。係統每隔一定時間掛起進程，同時產生快速和周期性的時鍾性時中斷，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函數生成子進程來實現的。
UClinux係統fork調用完成後，要麼子進程代替父進程執行（此時父進程已經休眠），直到子進程調用exit退出；要麼調用exec執行一個新的進程，這時產生可執行文件的加載，即使這個進程隻是父進程的拷貝，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管理存儲器，其對內存的訪問是直接的，所有程序中訪問的地址都是實際的物理地址。操作係統對內存空間沒有保護，各個進程實際上共享一個運行空間。這就需要實現多進程時進行數據保護，也導致了用戶程序使用的空間可能占用到係統內核空間。這些問題在編程時都需要多加注意，否則容易導致係統崩潰。
由上述分析可以得知，uC/OS內核是針對實時係統的要求設計實現的，相對簡單，可以滿足較高的實時性要求；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。其要實現實時性效果則需要使係統在實時內核的控製下運行。RT-Linux就是可以實現這一功能的一種實時內核。
2.2 文件係統
所謂文件係統是反映負責存取和管理文件信息的機構，也可以說是負責文件的建立、撤銷、組織、讀寫、修改、複製及對文件管理所需要的資源（如目錄表、存儲介質等）實施管理的軟件部分。
uC/OS是麵向中小型嵌入式係統的。如果包含全部功能（信號量、消息郵箱、消息隊列及相關函數），編譯後的uC/OS內核僅有6～10KB，所以係統本身並沒有對文件係統的支持。但是uC/OS具有良好的擴展性能，如果需要的話也可自行加入文件係統的內容。
uClinux則是繼承了Linux完善的文件係統性能。其采用的是romfs文件係統。這種文件係統相對於一般的ext2文件係統要求更少的空間。空間的節約來自於兩個方麵：首先，內核支持romfs文件係統比支持ext2文件係統需要更少的代碼；其次，romfs文件係統相對簡單，在建立文件係統超級塊（superblock）需要更少的存儲空間。Romfs文件係統不支持動態擦寫保存，對於係統需要動態保存的數據采用虛擬ram盤的方法進行處理（ram盤將采用ext2文件係統）。
uClinux還繼承了Linux網絡操作係統的優勢，可以很方便地支持網絡文件係統且內嵌TCP/IP協議。這為uClinux開發網絡接入設備提供了便利。
由兩種操作係統對文件係統的支持可知：在複雜的需要較多文件處理的嵌入式係統中，uClinux是一個不錯的選擇；而uC/OS則主要適合一些控製係統。
2.3 操作係統的移植
嵌入式操作係統移植的目的是指使操作係統能在某個微處理器或微控製器上運行。UC/OS和uClinux都是源碼公開的操作係統，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。以下對兩種係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編譯器能產生可重入代碼，且用C語言就可以打開和關閉中斷；
*處理器支持中斷，並能產生定時中斷；
*處理器支持足夠的RAM（幾KB），作為多任務環境下的任務堆棧；
*處理器有將堆棧指針和其它CPU寄存器讀出和存儲到堆棧或內存中的指令。
在理解了處理器和C編譯器的技術細節後，uC/OS的移植隻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中需要設置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係列數據類型；
*OS_CPU_A.ASM需要改寫4個匯編語言的函數；
*OS_CPU_C.C需要用C語言編寫6個簡單函數；
*修改主頭文件INCLUDE.H，將上麵的三個文件和其它的頭文件加入。
（2）uClinux的移植
其實，uClinux是Linux針對嵌入式係統的一種改良，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KB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持的處理器結構，則需要修改linux/arch目錄下相關處理器結構的文件。雖然uClinux內核代碼的大部分是獨立於處理器和其體係結構的，但是其最低級的代碼也是特定於各個係統的。這主要表現在它們的中斷處理上下文、內核映射的維護、任務上下文和初始化過程都是獨特的。這些例行程序位於lunux/arch/目錄下。由於Linux所支持體係結構的種類繁多，所以對一個新型的體係，其低級例程可以模仿與其相似的體係例程編寫。
*平台層次的移植。如果待移植處理器是某種uClinux已支持體係的處理器，則需要在相關體係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內核的。此時的移植需要創建的linux/arch/m68knommu/platform/MC68EZ328目錄下，並在其下編寫跟蹤程序（實現用戶程序到內核函數的接口等功能）、中斷控製調度程序和向量初始化程序等。
*極級移植。如果所用處理器已被uClinux支持，就隻需要板級移植了。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和鍵接描述文檔rom.ld或ram.ld就可以了。板級移植還包括驅動程序的編寫和環境變量設置等內容。
結語
通過對uC/OS和uClinux的比較可以看出，這兩種操作係統在應用方麵各有優劣。uC/OS占用空間少、執行效率高、實時性能優良，且針對新處理器的移植相對簡單。UClinux則占用空間相對較大，實時性能一般，針對新處理器的移植相對複雜。但是，uClinux具有對多種文件係統的支持能力、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操作係統開發的。總之，操作係統的選擇是由嵌入式係統的需求決定的。簡單地說就是，小型控製係統可充分利用uC/OS小巧且實時性強的優勢；如果開發PDA和互聯網連接終端等較和為複雜的係統，則uClinux是不錯的選擇。
最後更新：2017-04-03 18:51:52