基于STM平臺中五大嵌入式操作系統(tǒng)

基于STM平臺且滿足實(shí)時(shí)控制要求操作系統(tǒng)，有以下5種可供移植選擇。分別為μClinux、μC/OS-II、eCos、FreeRTOS和rt-thread。下面分別介紹這五種嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)及不足，通過對比，讀者可以根據(jù)自己的應(yīng)用需求選擇合適的平臺。

TOP1：μClinux

μClinux是一種優(yōu)秀的嵌入式Linux版本，其全稱為micro-control Linux，從字面意思看是指微控制Linux。同標(biāo)準(zhǔn)的Linux相比，μClinux的內(nèi)核非常小，但是它仍然繼承了Linux操作系統(tǒng)的主要特性，包括良好的穩(wěn)定性和移植性、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能、出色的文件系統(tǒng)支持、標(biāo)準(zhǔn)豐富的API，以及TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。因?yàn)闆]有MMU內(nèi)存管理單元，所以其多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)需要一定技巧。

μClinux在結(jié)構(gòu)上繼承了標(biāo)準(zhǔn)Linux的多任務(wù)實(shí)現(xiàn)方式，分為實(shí)時(shí)進(jìn)程和普通進(jìn)程，分別采用先來先服務(wù)和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，僅針對中低檔嵌入式CPU特點(diǎn)進(jìn)行改良，且不支持內(nèi)核搶占，實(shí)時(shí)性一般。

在內(nèi)存管理上由于μClinux是針對沒有MMU的處理器設(shè)計(jì)的，不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，只能采用實(shí)存儲器管理策略。系統(tǒng)使用分頁內(nèi)存分配方式，在啟動(dòng)時(shí)對實(shí)際存儲器進(jìn)行分頁。系統(tǒng)對內(nèi)存的訪問是直接的，操作系統(tǒng)對內(nèi)存空間沒有保護(hù)，多個(gè)進(jìn)程可共享一個(gè)運(yùn)行空間，所以，即使是一個(gè)無特權(quán)進(jìn)程調(diào)用一個(gè)無效指針也會觸發(fā)一個(gè)地址錯(cuò)誤，并有可能引起程序崩潰甚至系統(tǒng)崩潰。

μClinux操作系統(tǒng)的中斷管理是將中斷處理分為兩部分：頂半處理和底半處理。在頂半處理中，必須關(guān)中斷運(yùn)行，且僅進(jìn)行必要的、非常少、速度快的處理，其他處理交給底半處理;底半處理執(zhí)行那些復(fù)雜、耗時(shí)的處理，而且接受中斷。因?yàn)橄到y(tǒng)中存在有許多中斷的底半處理，所以會引起系統(tǒng)中斷處理的延時(shí)。

μClinux對文件系統(tǒng)支持良好，由于μClinux繼承了Linux完善的文件系統(tǒng)性能，它支持ROMFS、NFS、ext2、MS-DOS、JFFS等文件系統(tǒng)。但一般采用ROMFS文件系統(tǒng)，這種文件系統(tǒng)相對于一般的文件系統(tǒng)(如ext2)占用更少的空間。但是ROMFS文件系統(tǒng)不支持動(dòng)態(tài)擦寫保存，對于系統(tǒng)需要?jiǎng)討B(tài)保存的數(shù)據(jù)須采用虛擬RAM盤/JFFS的方法進(jìn)行處理。

在對硬件的支持上，由于μClinux繼承了Linux的大部分性能，所以至少需要512KB的RAM空間，lMB的ROM/Flash空間。

在μClinux的移植方面，μClinux是Linux針對嵌入式系統(tǒng)的一種改良，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。移植μClinux，目標(biāo)處理器除了需要修改與處理器相關(guān)的代碼外，還需要足夠容量的外部ROM和RAM。

點(diǎn)評：μClinux最大特點(diǎn)在于針對無MMU處理器設(shè)計(jì)，這對于沒有MMU功能的stm32f103來說是合適的，但移植此系統(tǒng)需要至少512KB的RAM空間，1MB的ROM/FLASH空間，而stmf103擁有256K的FLASH，需要外接存儲器，這就增加了硬件設(shè)計(jì)的成本。μClinux結(jié)構(gòu)復(fù)雜，移植相對困難，內(nèi)核也較大，其實(shí)時(shí)性也差一些，若開發(fā)的嵌入式產(chǎn)品注重文件系統(tǒng)和與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用則μClinux是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

TOP2：μC/OS-II

μC/OS-II是在μC/OS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是用C語言編寫的一個(gè)結(jié)構(gòu)小巧、搶占式的多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核。μC/OS-II能管理64個(gè)任務(wù)，并提供任務(wù)調(diào)度與管理、內(nèi)存管理、任務(wù)間同步與通信、時(shí)間管理和中斷服務(wù)等功能，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。

對于實(shí)時(shí)性的滿足上，由于μC/OS-II內(nèi)核是針對實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，所以只支持基于固定優(yōu)先級搶占式調(diào)度;調(diào)度方法簡單，可以滿足較高的實(shí)時(shí)性要求。

在內(nèi)存管理上，μC/OS-II把連續(xù)的大塊內(nèi)存按分區(qū)來管理，每個(gè)分區(qū)中都包含整數(shù)個(gè)大小相同的內(nèi)存塊，但不同分區(qū)之間內(nèi)存的大小可以不同。用戶動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存時(shí)，只須選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)姆謪^(qū)，按塊來分配內(nèi)存，釋放時(shí)將該塊放回到以前所屬的分區(qū)，這樣就消除了因多次動(dòng)態(tài)分配和釋放內(nèi)存所引起的碎片問題。

μC/OS-II中斷處理比較簡單。一個(gè)中斷向量上只能掛一個(gè)中斷服務(wù)子程序ISR，而且用戶代碼必須都在ISR(中斷服務(wù)程序)中完成。ISR需要做的事情越多，中斷延時(shí)也就越長,內(nèi)核所能支持的最大嵌套深度為255。

在文件系統(tǒng)的支持方面，由于μC/OS-II是面向中小型嵌入式系統(tǒng)的，即使包含全部功能，編譯后內(nèi)核也不到10 KB，所以系統(tǒng)本身并沒有提供對文件系統(tǒng)的支持。但是μC/OS-II具有良好的擴(kuò)展性能，如果需要也可自行加入文件系統(tǒng)的內(nèi)容。

在對硬件的支持上，μC/OS-II能夠支持當(dāng)前流行的大部分CPU，μC/OS-II由于本身內(nèi)核就很小，經(jīng)過裁剪后的代碼最小可以為2KB，所需的最小數(shù)據(jù)RAM空間為4 KB，μC/OS-II的移植相對比較簡單，只需要修改與處理器相關(guān)的代碼就可以。

點(diǎn)評：μC/OS-II是一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單、功能完備和實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，針對于沒有MMU功能的CPU，它是非常合適的。它需要很少的內(nèi)核代碼空間和數(shù)據(jù)存儲空間，擁有良好的實(shí)時(shí)性，良好的可擴(kuò)展性能，并且是開源的，網(wǎng)上擁有很多的資料和實(shí)例，所以很適合向stm32f103這款CPU上移植。

TOP3：eCos

eCos(embedded Configurable operating system)，即嵌入式可配置操作系統(tǒng)。它是一個(gè)源代碼開放的可配置、可移植、面向深度嵌入式應(yīng)用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。最大特點(diǎn)是配置靈活，采用模塊化設(shè)計(jì)，核心部分由小同的組件構(gòu)成，包括內(nèi)核、C語言庫和底層運(yùn)行包等。每個(gè)組件可提供大量的配置選項(xiàng)(實(shí)時(shí)內(nèi)核也可作為可選配置)，使用eCos提供的配置工具可以很方便地配置，并通過不同的配置使得eCos能夠滿足不同的嵌入式應(yīng)用要求。

在實(shí)時(shí)性反面，由于eCos調(diào)度方法豐富，提供了兩種基于優(yōu)先級的調(diào)度器(即位圖調(diào)度器和多級隊(duì)列調(diào)度器)，允許用戶在進(jìn)行配置時(shí)選擇其中一個(gè)調(diào)度器，適應(yīng)性好。因此在實(shí)時(shí)性方面表現(xiàn)良好。

在內(nèi)存管理上eCos對內(nèi)存分配既不分段也不分頁，而是采用一種基于內(nèi)存池的動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配機(jī)制。通過兩種內(nèi)存池來實(shí)現(xiàn)兩種內(nèi)存管理方法：一種是變長的內(nèi)存池;另一種是定長的內(nèi)存池，類似于VxWorks的管理方案。

在中斷管理上eCos使用了分層式中斷處理機(jī)制，把中斷處理分為傳統(tǒng)的ISR(中斷服務(wù)程序)和滯后中斷服務(wù)程序DSR(遞延服務(wù)程序)。類似于μClinux的處理機(jī)制，這種機(jī)制可以在中斷允許時(shí)運(yùn)行DSR，因此在處理較低優(yōu)先級中斷時(shí)允許高優(yōu)先級的中斷和處理。為了極大地縮短中斷延時(shí)，ISR應(yīng)當(dāng)可以快速運(yùn)行。如果中斷引起的服務(wù)量少，則ISR可以單獨(dú)處理中斷;如果中斷服務(wù)復(fù)雜，則ISR只屏蔽中斷源，然后交由DSR(遞延服務(wù)程序)處理。

eCos操作系統(tǒng)的可配置性非常強(qiáng)大，用戶可以自己加入所需的文件系統(tǒng)。eCos操作系統(tǒng)同樣支持當(dāng)前流行的大部分嵌入式CPU，eCos操作系統(tǒng)可以在16位、32位和64位等不同體系結(jié)構(gòu)之間移植。eCos由于本身內(nèi)核就很小，經(jīng)過裁剪后的代碼最小可以為10 KB，所需的最小數(shù)據(jù)RAM空間為10 KB。

在系統(tǒng)移植方面 eCos操作系統(tǒng)的可移植性很好，要比μC/OS-II和μClinux容易。

點(diǎn)評：eCos最大特點(diǎn)是配置靈活，并且支持無MMU的CPU的移植，開源且具有很好的移植性，也比較合適于移植到STM32平臺的CPU上。但eCOS的應(yīng)用還不是太廣泛，還沒有像μC/OS-II那樣普遍，并且資料也沒有μC/OS-II多。eCos適合用于一些商業(yè)級或工業(yè)級對成本敏感的嵌入式系統(tǒng),例如消費(fèi)電子領(lǐng)域中的一些應(yīng)用。

TOP4：FreeRTOS

由于RTOS需占用一定的系統(tǒng)資源(尤其是RAM資源)，只有μC/OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS等少數(shù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能在小RAM單片機(jī)上運(yùn)行。相對于C/OS-II、 embOS等商業(yè)操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS操作系統(tǒng)是完全免費(fèi)的操作系統(tǒng)，具有源碼公開、可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活的特點(diǎn)，可以方便地移植到各種單片機(jī)上運(yùn)行，其最新版本為6.0版。

作為一個(gè)輕量級的操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS提供的功能包括：任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號量、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、記錄功能等，可基本滿足較小系統(tǒng)的需要。 FreeRTOS內(nèi)核支持優(yōu)先級調(diào)度算法，每個(gè)任務(wù)可根據(jù)重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級，CPU總是讓處于就緒態(tài)的、優(yōu)先級最高的任務(wù)先運(yùn)行。 FreeRT0S內(nèi)核同時(shí)支持輪換調(diào)度算法，系統(tǒng)允許不同的任務(wù)使用相同的優(yōu)先級，在沒有更高優(yōu)先級任務(wù)就緒的情況下，同一優(yōu)先級的任務(wù)共享CPU的使用 時(shí)間。

FreeRTOS的內(nèi)核可根據(jù)用戶需要設(shè)置為可剝奪型內(nèi)核或不可剝奪型內(nèi)核。當(dāng) FreeRTOS被設(shè)置為可剝奪型內(nèi)核時(shí)，處于就緒態(tài)的高優(yōu)先級任務(wù)能剝奪低優(yōu)先級任務(wù)的CPU使用權(quán)，這樣可保證系統(tǒng)滿足實(shí)時(shí)性的要求;當(dāng) FreeRTOS被設(shè)置為不可剝奪型內(nèi)核時(shí)，處于就緒態(tài)的高優(yōu)先級任務(wù)只有等當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)主動(dòng)釋放CPU的使用權(quán)后才能獲得運(yùn)行，這樣可提高CPU的運(yùn)行 效率。

FreeRTOS的移植：FreeRTOS操作系統(tǒng)可以被方便地移植到不同處理器上工作，現(xiàn)已提供了ARM、MSP430、 AVR、PIC、C8051F等多款處理器的移植。FrceRTOS在不同處理器上的移植類似于μC/0S一II，故本文不再詳述FreeRTOS的移 植。此外，TCP/IP協(xié)議棧μIP已被移植到FreeRTOS上，具體代碼可見FreeRTOS網(wǎng)站。

點(diǎn)評：相對于常見的μC/OS—II操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS操作系統(tǒng)既有優(yōu)點(diǎn)也存在不足。其不足之處， 一方面體現(xiàn)在系統(tǒng)的服務(wù)功能上，如FreeRTOS只提供了消息隊(duì)列和信號量的實(shí)現(xiàn)，無法以后進(jìn)先出的順序向消息隊(duì)列發(fā)送消息;另一方 面，F(xiàn)reeRTOS只是一個(gè)操作系統(tǒng)內(nèi)核，需外擴(kuò)第三方的GUI(圖形用戶界面)、TCP/IP協(xié)議棧、FS(文件系統(tǒng))等才能實(shí)現(xiàn)一個(gè)較復(fù)雜的系統(tǒng)， 不像μC/OS-II可以和μC/GUI、μC/FS、μC/TCP-IP等無縫結(jié)合。

TOP5：RT-Thread

RT-Thread 是一款主要由中國開源社區(qū)主導(dǎo)開發(fā)的開源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(許可證GPLv2)。實(shí)時(shí)線程操作系統(tǒng)不僅僅是一個(gè)單一的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，它也是一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng)，包含了實(shí)時(shí)、嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的各個(gè)組件：TCP/IP協(xié)議棧，文件系統(tǒng)，libc接口，圖形用戶界面等。

中國人自己開發(fā)的，穩(wěn)定版本是 1.2.1，有希望看完源碼。精簡、靠譜，自帶一個(gè)叫做 finsh 的片上調(diào)試工具，非常實(shí)用。各種信號量、互斥鎖、郵箱、事件等線程協(xié)同功能都有。

需要注意的是，rt-thread 2.0 版本的設(shè)計(jì)思想和 1.2 的完全不同，將會把 linux 納入進(jìn)來，是的，不是在 linux 里面嵌入 rt-thread，而是把 linux 嵌入到 rt-thread 里面!

點(diǎn)評：rt-thread 的文檔呢，官網(wǎng)是有的，不過，真的是只能作為參考，很明顯是開發(fā)人員的事后開發(fā)筆記整理的。目前還是只能通過看代碼來理解詳細(xì)的使用方式，從文檔和論壇的只言片語里面，是難以還原真相的。rt-thread 的好處就是它的版本還比較小，即便缺乏文檔，也是可以看源碼看下去的。

學(xué)習(xí)基于ARM的STM32嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)！

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