學(xué)習STM32,你不得不了解的五大嵌入式操作系統

技術(shù)小白

基于STM平臺且滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制要求操作系統，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的特點(diǎn)及不足，通過(guò)對比，讀者可以根據自己的應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(chēng)為micro-control Linux，從字面意思看是指微控制Linux。同標準的Linux相比，μClinux的內核非常小，但是它仍然繼承了Linux操作系統的主要特性，包括良好的穩定性和移植性、強大的網(wǎng)絡(luò )功能、出色的文件系統支持、標準豐富的API，以及TCP／IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議等。因為沒(méi)有MMU內存管理單元，所以其多任務(wù)的實(shí)現需要一定技巧。

μClinux在結構上繼承了標準Linux的多任務(wù)實(shí)現方式，分為實(shí)時(shí)進(jìn)程和普通進(jìn)程，分別采用先來(lái)先服務(wù)和時(shí)間片輪轉調度，僅針對中低檔嵌入式CPU特點(diǎn)進(jìn)行改良，且不支持內核搶占，實(shí)時(shí)性一般。

在內存管理上由于μClinux是針對沒(méi)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(shù)，只能采用實(shí)存儲器管理策略。系統使用分頁(yè)內存分配方式，在啟動(dòng)時(shí)對實(shí)際存儲器進(jìn)行分頁(yè)。系統對內存的訪(fǎng)問(wèn)是直接的，操作系統對內存空間沒(méi)有保護，多個(gè)進(jìn)程可共享一個(gè)運行空間，所以，即使是一個(gè)無(wú)特權進(jìn)程調用一個(gè)無(wú)效指針也會(huì )觸發(fā)一個(gè)地址錯誤，并有可能引起程序崩潰甚至系統崩潰。

μClinux操作系統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；底半處理執行那些復雜、耗時(shí)的處理，而且接受中斷。因為系統中存在有許多中斷的底半處理，所以會(huì )引起系統中斷處理的延時(shí)。

μClinux對文件系統支持良好，由于μClinux繼承了Linux完善的文件系統性能，它支持ROMFS、NFS、ext2、MS-DOS、JFFS等文件系統。但一般采用ROMFS文件系統，這種文件系統相對于一般的文件系統(如ext2)占用更少的空間。但是ROMFS文件系統不支持動(dòng)態(tài)擦寫(xiě)保存，對于系統需要動(dòng)態(tài)保存的數據須采用虛擬RAM盤(pán)／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針對嵌入式系統的一種改良，其結構比較復雜。移植μClinux，目標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。

μClinux最大特點(diǎn)在于針對無(wú)MMU處理器設計，這對于沒(méi)有MMU功能的stm32f103來(lái)說(shuō)是合適的，但移植此系統需要至少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，這就增加了硬件設計的成本。μClinux結構復雜，移植相對困難，內核也較大，其實(shí)時(shí)性也差一些，若開(kāi)發(fā)的嵌入式產(chǎn)品注重文件系統和與網(wǎng)絡(luò )應用則μClinux是一個(gè)不錯的選擇。



TOP2：μC／OS-II

μC／OS-II是在μC/OS的基礎上發(fā)展起來(lái)的，是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的一個(gè)結構小巧、搶占式的多任務(wù)實(shí)時(shí)內核。μC／OS-II能管理64個(gè)任務(wù)，并提供任務(wù)調度與管理、內存管理、任務(wù)間同步與通信、時(shí)間管理和中斷服務(wù)等功能，具有執行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和擴展性強等特點(diǎn)。

對于實(shí)時(shí)性的滿(mǎn)足上，由于μC／OS-II內核是針對實(shí)時(shí)系統的要求設計實(shí)現的，所以只支持基于固定優(yōu)先級搶占式調度；調度方法簡(jiǎn)單，可以滿(mǎn)足較高的實(shí)時(shí)性要求。

在內存管理上，μC/OS-II把連續的大塊內存按分區來(lái)管理，每個(gè)分區中都包含整數個(gè)大小相同的內存塊，但不同分區之間內存的大小可以不同。用戶(hù)動(dòng)態(tài)分配內存時(shí)，只須選擇一個(gè)適當的分區，按塊來(lái)分配內存，釋放時(shí)將該塊放回到以前所屬的分區，這樣就消除了因多次動(dòng)態(tài)分配和釋放內存所引起的碎片問(wèn)題。

μC／OS-II中斷處理比較簡(jiǎn)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(hù)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(cháng),內核所能支持的最大嵌套深度為255。

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

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

μC／OS-II是一個(gè)結構簡(jiǎn)單、功能完備和實(shí)時(shí)性很強的嵌入式操作系統內核，針對于沒(méi)有MMU功能的CPU，它是非常合適的。它需要很少的內核代碼空間和數據存儲空間，擁有良好的實(shí)時(shí)性，良好的可擴展性能，并且是開(kāi)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。它是一個(gè)源代碼開(kāi)放的可配置、可移植、面向深度嵌入式應用的實(shí)時(shí)操作系統。最大特點(diǎn)是配置靈活，采用模塊化設計，核心部分由小同的組件構成，包括內核、C語(yǔ)言庫和底層運行包等。每個(gè)組件可提供大量的配置選項(實(shí)時(shí)內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(guò)不同的配置使得eCos能夠滿(mǎn)足不同的嵌入式應用要求。

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

在內存管理上eCos對內存分配既不分段也不分頁(yè)，而是采用一種基于內存池的動(dòng)態(tài)內存分配機制。通過(guò)兩種內存池來(lái)實(shí)現兩種內存管理方法：一種是變長(cháng)的內存池；另一種是定長(cháng)的內存池，類(lèi)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制，把中斷處理分為傳統的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(lèi)似于μClinux的處理機制，這種機制可以在中斷允許時(shí)運行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應當可以快速運行。如果中斷引起的服務(wù)量少，則ISR可以單獨處理中斷；如果中斷服務(wù)復雜，則ISR只屏蔽中斷源，然后交由DSR（遞延服務(wù)程序）處理。

eCos操作系統的可配置性非常強大，用戶(hù)可以自己加入所需的文件系統。eCos操作系統同樣支持當前流行的大部分嵌入式CPU，eCos操作系統可以在16位、32位和64位等不同體系結構之間移植。eCos由于本身內核就很小，經(jīng)過(guò)裁剪后的代碼最小可以為10 KB，所需的最小數據RAM空間為10 KB。

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

eCos最大特點(diǎn)是配置靈活，并且支持無(wú)MMU的CPU的移植，開(kāi)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的應用還不是太廣泛，還沒(méi)有像μC／OS-II那樣普遍，并且資料也沒(méi)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,例如消費電子領(lǐng)域中的一些應用。



TOP4：FreeRTOS

由于RTOS需占用一定的系統資源(尤其是RAM資源)，只有μC／OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS等少數實(shí)時(shí)操作系統能在小RAM單片機上運行。相對于C／OS-II、 embOS等商業(yè)操作系統，FreeRTOS操作系統是完全免費的操作系統，具有源碼公開(kāi)、可移植、可裁減、調度策略靈活的特點(diǎn)，可以方便地移植到各種單片機上運行，其最新版本為6.0版。

作為一個(gè)輕量級的操作系統，FreeRTOS提供的功能包括：任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號量、消息隊列、內存管理、記錄功能等，可基本滿(mǎn)足較小系統的需要。 FreeRTOS內核支持優(yōu)先級調度算法，每個(gè)任務(wù)可根據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)先運行。 FreeRT0S內核同時(shí)支持輪換調度算法，系統允許不同的任務(wù)使用相同的優(yōu)先級，在沒(méi)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的內核可根據用戶(hù)需要設置為可剝奪型內核或不可剝奪型內核。當 FreeRTOS被設置為可剝奪型內核時(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，這樣可保證系統滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求；當 FreeRTOS被設置為不可剝奪型內核時(shí)，處于就緒態(tài)的高優(yōu)先級任務(wù)只有等當前運行任務(wù)主動(dòng)釋放CPU的使用權后才能獲得運行，這樣可提高CPU的運行 效率。

FreeRTOS的移植：FreeRTOS操作系統可以被方便地移植到不同處理器上工作，現已提供了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(lèi)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(jiàn)FreeRTOS網(wǎng)站
相對于常見(jiàn)的μC／OS—II操作系統，FreeRTOS操作系統既有優(yōu)點(diǎn)也存在不足。

其不足之處， 一方面體現在系統的服務(wù)功能上，如FreeRTOS只提供了消息隊列和信號量的實(shí)現，無(wú)法以后進(jìn)先出的順序向消息隊列發(fā)送消息；另一方 面，FreeRTOS只是一個(gè)操作系統內核，需外擴第三方的GUI(圖形用戶(hù)界面)、TCP／IP協(xié)議棧、FS(文件系統)等才能實(shí)現一個(gè)較復雜的系統， 不像μC／OS-II可以和μC／GUI、μC／FS、μC／TCP-IP等無(wú)縫結合。


TOP5：rt-thread

RT-Thread 是一款主要由中國開(kāi)源社區主導開(kāi)發(fā)的開(kāi)源實(shí)時(shí)操作系統（許可證GPLv2）。實(shí)時(shí)線(xiàn)程操作系統不僅僅是一個(gè)單一的實(shí)時(shí)操作系統內核，它也是一個(gè)完整的應用系統，包含了實(shí)時(shí)、嵌入式系統相關(guān)的各個(gè)組件：TCP/IP協(xié)議棧，文件系統，libc接口，圖形用戶(hù)界面等。

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

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

rt-thread 的文檔呢，官網(wǎng)是有的，不過(guò)，真的是只能作為參考，很明顯是開(kāi)發(fā)人員的事后開(kāi)發(fā)筆記整理的。目前還是只能通過(guò)看代碼來(lái)理解詳細的使用方式，從文檔和論壇的只言片語(yǔ)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。


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