幾種嵌入式實時操做系統的分析與比較

 VxWorks、μClinux、μC／OS-II和eCos是4種性能優良並被普遍應用的實時操做系統。本文經過對這4種操做系統的主要性能進行分析與比較，概括出它們的選型依據和適用領域。

1 4種操做系統的介紹
(1)VxWorks
    VxWorks是美國WindRiver公司的產品，是目前嵌入式系統領域中應用很普遍，市場佔有率比較高的嵌入式操做系統。VxWorks實時操做系統由400多個相對獨立、短小精悍的目標模塊組成，用戶可根據須要選擇適當的模塊來裁剪和配置系統；提供基於優先級的任務調度、任務間同步與通訊、中斷處理、定時器和內存管理等功能，內建符合POSIX(可移植操做系統接口)規範的內存管理，以及多處理器控制程序；而且具備簡明易懂的用戶接口，在覈心方面甚至町以微縮到8 KB。
(2) μC／OS-II
    μC／OS-II是在μC-OS的基礎上發展起來的，是美國嵌入式系統專家Jean J．Labrosse用C語言編寫的一個結構小巧、搶佔式的多任務實時內核。μC／OS-II能管理64個任務，並提供任務調度與管理、內存管理、任務間同步與通訊、時間管理和中斷服務等功能，具備執行效率高、佔用空間小、實時性能優良和可擴展性強等特色。
(3)μClinux
    μClinux是一種優秀的嵌入式Linux版本，其全稱爲micro-control Linux，從字面意思看是指微控制Linux。同標準的Linux相比，μClinux的內核很是小，可是它仍然繼承了Linux操做系統的主要特性，包括良好的穩定性和移植性、強大的網絡功能、出色的文件系統支持、標準豐富的API，以及TCP／IP網絡協議等。由於沒有MMU內存管理單元，因此其多任務的實現須要必定技巧。
(4)eCos
    eCos(embedded Configurable operating system)，即嵌入式可配置操做系統。它是一個源代碼開放的可配置、可移植、面向深度嵌入式應用的實時操做系統。最大特色是配置靈活，採用模塊化設計，核心部分由小同的組件構成，包括內核、C語言庫和底層運行包等。每一個組件可提供大量的配置選項(實時內核也可做爲可選配置)，使用eCos提供的配置工具能夠很方便地配置，並經過不一樣的配置使得eCos可以知足不一樣的嵌入式應用要求。

2 性能分析與比較
    任務管理、任務及中斷間的同步與通訊機制、內存管理、中斷管理、文件系統、對硬件的支持和系統移植這幾方面是實時操做系統的主要性能。下面就從這幾個方面着手對上述4種操做系統進行分析與比較。
2．1 任務管理
    任務管理是嵌入式實時操做系統的核心和靈魂，決定了操做系統的實時性能。它一般包含優先級設置、多任務調度機制和時間肯定性等部分。
2.1.1 優先級設置
    嵌入式操做系統支持多任務，每一個任務都具備優先級，任務越重要，賦予的優先級應越高。優先級的設置分爲靜態優先級和動態優先級兩種。靜態優先級指的是每一個任務在運行前都被賦予一個優先級，並且這個優先級在系統運行期間是不能改變的；動態優先級則是指每一個任務的優先級(特別是應用程序的優先級)在系統運行時能夠動態地改變。
2.1.2 多任務調度機制
    任務調度主要是協調任務對計算機系統資源的爭奪使用。對系統資源很是匱乏的嵌入式系統來講，任務調度尤其重要，它直接影響到系統的實時性能。一般，多任務調度機制分爲基於優先級搶佔式調度和時間片輪轉調度。
    基於優先級搶佔式調度：系統中每一個任務都有一個優先級，內核老是將CPU分配給處於就緒態的優先級最高的任務運行。若是系統發現就緒隊列中有比當前運行任務更高的優先級任務，就把當前運行任務置於就緒隊列中，調入高優先級任務運行。系統採用優先級搶佔方式進行調度，能夠保證重要的突發事件及時獲得處理。
    時間片輪轉調度：讓優先級相同的處於就緒狀態的任務按時間片使用CPU，以防止同優先級的某一任務長時間獨佔CPU。
    在通常狀況下，嵌入式實時操做系統採用基於優先級搶佔式調度與時間片輪轉調度相結合的調度機制。
2.1.3 時間的可肯定性
    嵌入式實時操做系統甬數調用與服務的執行時間應具備可肯定性。系統服務的執行時間不依賴於應用程序任務的多少。基於此特徵，系統完成某個肯定任務的時間是可預測的。表1具體列出了4種操做系統的調度機制。
    4種嵌入式實時操做系統都支持多任務，只是在支持任務數量上和任務調度機制上有所不一樣。VxWorks具備高效的任務管理功能，它支持多任務，可分配256個優先級，支持優先級搶佔式調試和時間片輪轉調度，實時性最好。μC／OS-II內核是針對實時系統的要求設計實現的，只支持基於固定優先級搶佔式調度；調度方法簡單，能夠知足較高的實時性要求。μClinux在結構上繼承了標準Linux的多任務實現方式，分爲實時進程和普通進程，分別採用先來先服務和時間片輪轉調度；僅針對中低檔嵌入式CPU特色進行改良，且不支持內核搶佔。eCos調度方法豐富，提供了兩種基於優先級的調度器(即位圖調度器和多級隊列調度器)，容許用戶在進行配置時選擇其中一個凋度器，適應性好。
2．2 任務及中斷間的同步與通訊機制
    實時操做系統的功能通常要經過若干任務和中斷服務程序共同完成。任務與任務之間、任務與中斷間任務及中斷服務程序之間必須協調動做，互相配合，這就涉及任務間的同步與通訊問題。嵌入式實時操做系統一般是經過信號量、互斥信號量、事件標誌和異步信號來實現同步，經過消息郵箱、消息隊列、管道和共享內存來提供通訊服務。因爲互斥信號量的使用，帶來了實時操做系統中常見的優先級反轉問題。優先級反轉是一種不肯定的延遲形式，當高優先級任務企圖訪問已被低優先級佔有的共享資源時，必須等待低優先級任務釋放共享資源；若是這時低優先級任務被一個或多箇中優先級任務搶佔，那麼高優先級任務被延遲的時間將更進一步延長，實時性難以保證。所以，應採起相關措施以盡鼉避免出現優先級反轉問題。實時系統一般採用優先級繼承和優先級置頂機制。
    優先級繼承足指擁有互斥量的任務被提高到與下一個在等待該互斥最的最高優先級任務相同的優先級；優先級置頂是指得到互斥量的任務將其優先級提高到一個事先規定好的值。表2爲4種操做系統的同步與通訊機制的比較。

 4種系統都具備靈話的任務間同步與通訊機制，均可以經過信號量、消息隊列來實現同步與通訊，可是VxWorks與μClinux都不支持郵箱和事件標誌，並且除了μClinux和eCos中的位圖調度器，其餘操做系統都採起了措施抑制優先級反轉。
2．3 內存管理
    內存管理主要包括：內存分配原則，存儲保護和內存分配方式。
2.3.1 內存分配原則
    內存分配原則包括快速性、可靠性和高效性。其中，快速性要求內存分配過程要儘量快，因此通常採用簡單、快速的分配算法；可靠性指的是內存分配的請求必須獲得知足；系統強調高效性的要求，不只僅是對系統成本的要求，並且因爲系統自己可配置的內存容量也是頗有限的，因此要儘量地避免浪費。
2.3.2 存儲保護
    一般在操做系統的內存中既有系統程序也有用戶程序，爲了使二者都能正常運行，避免程序間相互干擾，須要對內存中的程序和數據進行保護。存儲保護一般須要硬件支持，在不少系統中都採用MMU，並結合軟件實現；但因爲嵌入式系統的成本限制內核和用戶程序一般都在相同的內存空間中。
2.3.3 內存分配方式
    內存分配方式可分爲靜態分配和動態分配。靜態分配是在程序運行前一次性分配給相應內存，而且在程序運行期間中不容許再申請或在內存中移動；動態分配則容許在程序運行整個過程當中進行內存分配。靜態分配使系統失去了靈活性，但對於實時性要求比較高的系統是必需的；而動態分配賦予了系統設計者更多自主性，能夠靈活地調整系統的功能。
    VxWorks對內存的使用採用的是Flat Mode，可被靜態或動態連接。VxWorks爲用戶提供了兩種內存區域Region和Partition。Region是變長的內存區，用戶能夠從建立的Region中分配Segment，其特色是容易產生碎片，但靈活而且不浪費；Partition是定長的內存區，用戶能夠從刨建的Partition中分配Buffer，其特色是不會產生碎片，技率高可是易浪費。VxWorks採用最早算法分配內存。μC/OS-II把連續的大塊內存按分區來管理，每一個分區中都包含整數個大小相同的內存塊，但不一樣分區之間內存的過小能夠不一樣。用戶動態分配內存時，只須選擇一個適當的分區，按塊來分配內存，釋放時將該塊放回到之前所屬的分區，這樣就消除了因屢次動態分配和釋放內存所引發的碎片問題。μClinux是針對沒有MMU的處理器設計的，不能使用處理器的虛擬內存管理技術，只能採用實存儲器管理策略。系統使用分頁內存分配方式，在啓動時對實際存儲器進行分頁。系統對內存的訪問是直接的操做系統對內存空間沒有保護，多個進程可共享一個運行空間，因此，即便是一個無特權進程調用一個無效指針也會觸發一個地址錯誤，並有可能引發程序崩潰甚至系統崩潰。eCos對內存分配既不分段也不分頁，而是採用一種基於內存池的動態內存分配機制。經過兩種內存池類來實現兩種內存管理方法：一種是變長的內存池；另外一種是定長的內存池，相似於VxWorb的管理方案。表3爲4種操做系統內存管理的比較。
2.4 中斷管理
    中斷管理是實時系統中一個很重要的部分，系統常常經過中斷與外部事件交互。主要考慮是否支持中斷嵌套、中斷處理機制、中斷延時等。
(1)VxWorks的中斷管理
    VxWorks操做系統中斷管理採用中斷處理與普通任務分別在不一樣棧中處理的中斷處理機制，使得中斷只會引起一些關鍵寄存器的存儲，而不會致使任務的上下文切換，從而極大地縮短了中斷延時。同時，VxWorks的中斷處理程序只能在最短期內通告中斷的發生，而將其餘的非實時處理儘可能放入被引起的中斷服務程序中來完成，這也縮短了中斷延時。可是凼爲中斷服務程序不在一個固定的仟務上下文中執行，而目沒有任務控制塊，因此全部中斷服務程序使用相同的中斷堆棧。爲了能處理最壞狀況下的中斷嵌套，必須分配足夠大的中斷堆棧空間。
(2)μC／OS-II的中斷管理
    μC／OS-II中斷處理比較簡單。一箇中斷向量上只能掛一箇中斷服務子程序ISR，並且用戶代碼必須都在ISR中完成。ISR須要作的事情越多，中斷延時也就越長。內核所能支持的最大嵌套深度爲255。
(3) μClinux的中斷管理
    μClinux操做系統將中斷處理分爲兩部分：頂半處理和底半處理。在頂半處理中，必須關中斷運行，且僅進行必要的、很是少、速度快的處理，其餘處理交給底半處理；底半處理執行那些複雜、耗時的處理，並且接受中斷。由於系統中存在有許多中斷的底半處理，因此會引發系統中斷處理的延時。
(4)eCos的中斷管理
    eCos使用了分層式中斷處理機制，把中斷處理分爲傳統的ISR和滯後中斷服務程序DSR。相似於μClinux的處理機制，這種機制能夠在中斷容許時運行DSR，所以在處理較低優先級中斷時容許高優先級的中斷和處理。爲了極大地縮短中斷延時，ISR應當能夠快速運行。若是中斷引發的服務量少，則ISR能夠單獨處理中斷；若是中斷服務複雜，則ISR只屏蔽中斷源，而後交由DSR處理。
2.5 文件系統
    所謂「文件系統」是指負責存取和管理文件信息的機構，也能夠說是負貴文件的創建、撤銷、組織、讀寫、修改、複製，以及對文件管理所需的其餘資源實施管理的軟件部分。VxWorks操做系統在文件系統與設備驅動程序之間使用一種標準的I/O口操做接口，且支持MS-DOS、RT-十一、RFS、CD-ROM、RAW等文件系統。這樣，在單個VxWorks操做系統中能夠運行多個相同或不一樣種類的文件系統。μC／OS-II是面向中小型嵌入式系統的，即便包含所有功能，編譯後內核也不到10 KB，因此係統自己並無提供對文件系統的支持。可是μC／OS-II具備良好的擴展性能，若是須要也可自行加入文件系統的內容。μClinux繼承了Linux完善的文件系統性能，它支持ROMFS、NFS、ext二、MS-DOS、JFFS等文件系統。但通常採用ROMFS文件系統，這種文件系統相對於通常的文件系統(如ext2)佔用更少的空間。可是ROMFS文件系統不支持動態擦寫保存，對於系統須要動態保存的數據須採用虛擬RAM盤／JFFS的方法進行處理。eCos操做系統的可配置性很是強大，用戶能夠本身加入所需的文件系統。
2.6 對硬件的支持
    VxWorks、μC／OS-II、μClinux和eCos這4種操做系統都支持當前流行的大部分嵌入式CPU。μC／OS-II支持從8位到32位的CPU，VxWorks、μClinux和eCos能夠在16位、32位和64位等不一樣體系結構之間移植。因爲μClinux繼承了Linux的大部分性能，因此至少須要512KB的RAM空間，lMB的ROM／Flash空間；而μC／OSII和eCos因爲自己內核就很小，通過裁剪後的代碼最小能夠分別爲2 KB和10 KB，所需的最小數據RAM空間分別爲4 KB和10 KB。總的來講，4種系統對硬件的要求比較低，比較經濟。具體比較如表4所列。

 

2.7 系統移植
    嵌入式操做系統移植的目的是使嵌入式操做系統能在某個微處理器或微控制器上運行。4種系統中VxWorks是商用操做系統的有不少API函數及相關技術支持，因此移植和二次開發比較容易，可是移植成本較高。其餘3種系統的結構化設計便於把與處理器相關的部分分離出來，因此被移植到新的處理器上也是可能的。μC／OS-II的移植相對比較簡單，只須要修改與處理器相關的代碼就能夠了。μClinux是Linux針對嵌入式系統的一種改良，其結構比較複雜。移植μClinux，目標處理器除了應知足μC／OS-II移植所需的條件外，還須要足夠容量的外部ROM和RAM。eCos系統的可移植性明顯比μC／OS-II和μClinux好。在eCos系統中，每一個硬件平臺都有一個單獨的目錄，用於存放引對這一硬件平臺的硬件抽象層的代碼和配置信息；而μClinux的硬件抽象層的代碼則分佈在好幾個目錄中，經過命令來選擇不一樣硬件平臺的代碼。因此，修改eCos代碼相對簡單，移植也相對容易。

 

結論
    這4種嵌入式實時操做系統在嵌入式系統的應用很是普遍，可是又具備各自的特色。根據上述比較，概括出各自的適用領域。
    ①VxWorks是一套婁似於Unix的實時操做系統，它內建了符合POSIX規範的內存管理，以及多處理器控制程序，而且具備簡明易懂的用戶接口，在覈心方面甚至能夠微縮到8 KB。它由400多個相對獨立的、短小精悍的目標模塊組成，用戶可根據須要選擇適當模塊來裁剪和配置系統，有效地保證了系統的安全性和可靠性。它被普遍地應用在通訊、軍事、航空、航天等高尖技術及實時性要求極高的領域，尤爲是在許多關鍵應用方面，VxWorks仍是一枝獨秀。例如，美國波音公司就在其最新的787客機中採用了此操做系統；而在外層空間探索領域，VxWorks則一直是美國太空總署NASA的最愛。
    ②μC／OS-II是一個結構簡單、功能完備和實時性很強的嵌入式操做系統內核，適合於廣大的嵌入式系統開發人員和愛好者入門學習，以及高校教學和科研。μC／OSII很適合開發那些對系統要求不是很苛刻，且RAM和ROM有限的各類小型嵌入式系統設備。
    ③μClinux最大特色在於針對無MMU處理器設計，能夠利用功能強大的Linux資源，所以適合開發對事件要求不高的小容量、低成本的各種產品，特別適用於開發與網絡應用密切相關的嵌入式設備或者PDA設備。例如，CISCO公司的2500／3000／4000路由器就是基於μClinux操做系統開發的。
    ④eCos最大特色是配置靈活，而月是面向深度嵌入 式應用的，很適合用於一些商業級或工業級對成本敏感的

 

    嵌入式系統,例如消費電子類領域中的一些應用。