詳解stm32能跑什么系統

技術(shù)小白

STM32系列32位微控制器，基于ARM Cortex-M3處理器。它能支持32位廣泛的應用，支持包括高性能、實(shí)時(shí)功能、數字信號處理，和低功耗、低電壓操作，同時(shí)擁有一個(gè)完全集成和易用的開(kāi)發(fā)。

基于STM平臺且滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制要求的操作系統，有以下4種可供選擇。分別為μC/OS-II、μClinux、eCos、FreeRTOS和都江堰操作系統(djyos)。下面分別介紹這五種嵌入式操作系統的特點(diǎn)及不足。

1、μC/OS-II
μC/OS-II 是一種基于優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統，包含了實(shí)時(shí)內核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步(信號量，郵箱，消息 隊列)和內存管理等功能。它可以使各個(gè)任務(wù)獨立工作，互不干涉，很容易實(shí)現準時(shí)而且無(wú)誤執行，使實(shí)時(shí)應用程序的設計和擴展變得容易，使應用程序的設計過(guò)程大為減化。

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。μC/OS-II 的鮮明特點(diǎn)就是源碼公開(kāi)，便于移植和維護。

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。

綜上可知，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STM32上移植。

2、μClinux
μClinux是一個(gè)完全符合GNU/GPL公約的操作系統，完全開(kāi)放源代碼，現在由Line公司支持維護。

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。

綜上可知，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。

3、eCos
eCos(embedded Configurable operaTIng system)，中文翻譯為嵌入式可配置操作系統或嵌入式可配置實(shí)時(shí)操作系統。適合于深度嵌入式應用，主要應用對象包括消費電子、電信、車(chē)載設備、手持設備以及其他一些低成本和便攜式應用。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。

綜上所述，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。

4、都江堰操作系統(djyos)
都江堰操作系統，簡(jiǎn)稱(chēng)djyos，得名于一個(gè)偉大的水利工程：都江堰。

與傳統操作系統不同，djyos不是以線(xiàn)程而是以事件為調度核心，這種調度算法使程序員擺脫模擬計算機執行過(guò)程編寫(xiě)程序的思維方式，而是按人類(lèi)認知世界的方式編寫(xiě)應用程序，就如同在嵌入式編程中引入了VC似的。djyos的調度算法使程序員可以擺脫線(xiàn)程和進(jìn)程的束縛，djyos沒(méi)有有關(guān)線(xiàn)程的api，一個(gè)完全不懂線(xiàn)程知識的程序員也可以順利地在djyos下編寫(xiě)應用程序。

djyos是一個(gè)全新的操作系統，它與現有的任何操作系統都沒(méi)有親緣關(guān)系，在構成操作系統的幾個(gè)重要方面：調度器、中斷管理、設備管理、資源管理等方面，都又非常突出的創(chuàng )新，甚至是理論創(chuàng )新。通過(guò)這些創(chuàng )新，djyos能為應用程序設計者提供非常突出的特點(diǎn)：
(1)在調度器方面，可以說(shuō)是徹底革新，它幾乎顛覆了傳統的軟件設計模式。對嵌入式編程來(lái)說(shuō)，幾乎是革命性的進(jìn)步，它以事件為核心的調度方式，改變了過(guò)去操作系統要求程序員模擬計算機的思維方式的編程模式，使之可以按人類(lèi)的思維方式編寫(xiě)應用程序;它使程序員可以擺脫線(xiàn)程和進(jìn)程的束縛，djyos沒(méi)有跟線(xiàn)程相關(guān)的API。特別是在嵌入式領(lǐng)域的程序員，有許多是行業(yè)背景很深的專(zhuān)家，但往往缺乏計算機操作系統方面的知識，他們在djyos下編程，則可以無(wú)需學(xué)習晦澀難懂的線(xiàn)程知識。

(2)天然匹配多核和分布式計算，djyos的調度算法是以事件為核心的，應用程序只管為事件編制處理程序，而線(xiàn)程和CPU核則被當做處理事件必須的資源，由操作系統分配給事件，這種算法天生使多核編程更加簡(jiǎn)單，多核利用率更高。眾多周知，目前CPU正往多核化發(fā)展，嵌入式CPU甚至DSP也是如此，比如ADI公司的blackfin561就是一顆只有幾十KB內存的雙核DSP，djyos有計劃移植到blackfin561上，有望成為第一個(gè)在只有幾十KB內存的CPU上實(shí)現對雙核的完美支持的RTOS。

(3)創(chuàng )新的加載方式和中斷管理模塊，可以實(shí)現比所有操作系統都快的中斷響應速度，并且在CPU啟動(dòng)后數十uS以?xún)�，應用程序的關(guān)鍵部分就可以實(shí)現對目標系統的控制，在操作系統加載過(guò)程中，就可以響應應用程序的中斷ISR。

(4)實(shí)時(shí)的內存管理，在操作系統組件中，通常認為malloc函數是非實(shí)時(shí)組件，因為即使有充足的內存，malloc函數的執行時(shí)間也不可預計，不符合實(shí)時(shí)系統要求執行時(shí)間和結果均可預計的原則。但是djyos的內存管理，只要在系統設計時(shí)配備充足的內存，malloc的執行時(shí)間是快速而且可以預計的，而在只運行一個(gè)應用程序的實(shí)時(shí)系統中，內存不枯竭是容易做到的。

(5)為項目經(jīng)理和系統工程師量身定制的系統架構，為工程師量身定制的API設置，特別利于系統工程師劃分項目模塊，利于項目經(jīng)理組建和管理團隊，利于工程師編寫(xiě)利于維護的代碼。

djysiV0.4.2發(fā)布，增加STM32版本的支持，能夠移植到cortex-m3 上(芯片為 stm32f103 )。該系統適合于工業(yè)控制。系統源代碼開(kāi)放，但并不是永久免費。

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