摘要：通过对二种典型的开源嵌入式操作系统的对比，剖析和总结了嵌入式操作系统应用中的若干问题，归纳了嵌入式操作系统的选型根据。

关键词：嵌入式操作系统μC/OSμClinux

随着计算机技术的急速发展和互联网技术的广泛应用，信息技术已从PC时代过渡到了以个人数字助理、手持个人笔记本和信息电器为代表的3C(计算机、通信、消费电子)一体的后PC时代。在后PC时代里，嵌入式系统饰演了越来越重要的角色，被广泛应用于信息家电、移动设备、网络设备和工控仿真等领域。

嵌入式系统以嵌入式计算机为核心，面向用户、产品和应用，软硬件可裁减。它适用于对功能、可靠性、体积、成本、功耗等综合性能有严格要求的计算机系统。随着嵌入式系统的广泛应用，传统的前/后台程序开发机制早已不能满足日渐复杂的实时要求，因此现今一般采用嵌入式实时操作系统RTOS（RealTimeOperatingSystem）开发实时多任务系统。嵌入式实时操作系统通常可以提供多任务的任务调度、时间管理、任务间通讯和同步以及显存管理MMU（MemoryManagerUnit）等重要服务，这促使嵌入式应用程序便于设计和扩充。采用RTOS可以使嵌入式产品更可靠，开发周期更短。在嵌入式应用中使用RTOS已然成为当前嵌入式应用的一个热点。

完成简单功能的嵌入式系统通常不须要操作系统linux更改ip地址，如先前许多MCS51系列单片机组成的小系统就只是借助软件实现简单的控制支路。并且随着后PC时代的将至，嵌入式系统设计日趋复杂深度linux，嵌入式操作系统就必不可少了。

嵌入式RTOS在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专业性等方面具有较为突出的优势。通常而言，嵌入式操作系统不同于通常意义的计算机操作系统，它有占用空间小、执行效率高、方便进行个性化订制和软件要求固化储存等特性。

μC/OS和μClinux操作系统是二种性能优良、源码公开且被广泛应用的免费嵌入式操作系统，可以作为研究实时操作系统和非实时操作系统的标杆。本文通过对μC/OS和μClinux的对比，剖析和总结了嵌入式操作系统应用中的若干重要问题，归纳了嵌入式系统开发中操作系统的选型根据。

1二种开源嵌入式操作系统介绍

μC/OS和μClinux操作系统是当前广泛应用的二种免费且公开源码的嵌入式操作系统。μC/OS适宜大型控制系统，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩充性强等特征，最小内核可编译至2KB。μClinux则是承继标准Linux的优良特点，针对嵌入式处理器的特性设计的一种操作系统。它具有内嵌网路合同、支持多种文件系统的功能。其编译后的目标文件可控制在几百KB量级。

μC/OS是一种源代码免费公开、结构精巧、具有可剥夺实时内核的实时操作系统。其内核提供任务调度与管理、时间管理、任务间同步与通讯、内存管理和中断服务等功能。

μClinux是一种优秀的嵌入式Linux版本。μClinux是Micro-Control-Linux的简写。同标准Linux相比，它集成了标准Linux操作系统的稳定性、强大网路功能和出众的文件系统等主要优点。并且因为没有MMU(显存管理单元)linux %c，其多任务的实现须要一定方法。

2二种嵌入式操作系统主要性能比较

嵌入式操作系统是嵌入式系统软硬件资源的控制中心，它以尽量合理有效的方式组织多个用户共享嵌入式系统的各类资源。其中用户指的是系统程序之上的所有软件。所谓合理有效的方式，指的是操作系统怎样协调并充分借助硬件资源来实现多任务。复杂的操作系统都支持文件系统，能方便组织文件并便于对其进行规范化操作。

嵌入式操作系统的另一个特征是系统不能在不同的平台上直接应用，通常须要针对专门平台经过移植操作系统能够正常工作。

进程调度、文件系统支持和系统移植是在嵌入式操作系统实际应用中最常见的问题。下边就从这几方面对μC/OS和μClinux进行剖析比较。

2.1进程调度

任务调度主要是协调任务对计算机系统内资源(如显存、I/O设备、CPU)的角逐使用。进程调度又称为CPU调度，其根本任务是依照某种原则为处于就绪状态的进程分配CPU。因为嵌入式系统中显存和I/O设备通常都和CPU同时归属于某进程，所以任务调度和进程调度概念相仿，好多场合不加分辨。下文中提及的任务似乎就是进程的概念。

进程调度可分为剥夺型调度和非剥夺型调度二种基本方法。所谓非剥夺型调度是指：一旦某个进程被调度执行，则该进程仍然执行下去直到该进程结束，或因为某种诱因自行舍弃CPU步入等待状态，才将CPU重新分配给其他进程。所谓剥夺型调度是指：一旦就绪状态中出现优先权更高的进程，或则运行的进程已用满了规定的时间片时，便立刻剥夺当前进程的运行(将其放回就绪状态)，把CPU分配给其他进程。

作为实时操作系统，μC/OS采用的是可剥夺型实时多任务内核。可剥夺型的实时内核在任何时侯都运行就绪任务中最高优先级的任务。μC/OS中最多可以支持64个任务，分别对应优先级0～63，其中0为最高优先级。调度工作的内容可以分为最高优先级任务的找寻和切换二部份。

其最高优先级任务的找寻是通过构建就绪任务表来实现的。μC/OS中的每一个任务都有独立的堆栈空间，并有一个称为任务控制块TCB(TaskControlBlock)的数据结构，其中第一个成员变量就是保存的任务堆栈表针。任务调度模块首先用变量OSTCBHighRdy记录当前最中级就绪任务的TCB地址，之后调用OS_TASK_SW()函数进行任务切换。

μClinux的进程调度承袭了Linux的传统，系统每隔一定时间挂起进程，同时系统形成快速和周期性的时钟计时中断，并通过调度函数(定时器处理函数)决定进程哪些时侯拥有它的时间片，之后进行相关进程切换。进程切换通过父进程调用fork函数生成子进程实现。

μClinux系统中fork调用完成后，或则子进程取代父进程执行(此时父进程早已sleep)，直至子进程调用exit退出；或则调用exec执行一个新的进程，这时形成可执行文件的加载。虽然这个进程只是父进程的拷贝，此过程也不可防止。当子进程执行exit或exec后，子进程使用wakeup将父进程唤起，使父进程继续往下执行。

μClinux因为没有MMU管理储存器，其对显存的访问是直接的，所有程序中访问的地址都是实际的化学地址。操作系统对显存空间没有保护，各个进程实际上共享一个运行空间，这就须要实现多进程时进行数据保护，同时也造成了用户程序使用的空间可能占用到系统内核空间。这种问题在编程时都须要多加注意linux %c，否则容易造成系统崩溃。

由上述剖析可以获知，μC/OS内核是针对实时系统的要求设计实现的。它相对简单，可以满足较高的实时性要求。而μClinux则在结构上承继了标准Linux的多任务实现方法，仅针对嵌入式处理器特性进行改良。其要实现实时性疗效则须要使系统在实时内核的控制下运行，RT-Linux就是可以实现这些功能的实时内核。

2.2文件系统

文件系统是指负责存取和管理文件信息的机构，也可以说是负责文件的构建、撤销、组织、读写、修改、复制及对文件管理所须要的资源(如目录表、存储介质等)施行管理的软件部份。

μC/OS是面向中大型嵌入式系统的，假如包含全部功能(讯号量、消息邮箱、消息队列及相关函数)，编译后的μC/OS内核仅有6~10KB，所以系统本身并没有对文件系统的支持。而且μC/OS具有良好的扩充性能，须要时可自行加入文件系统的内容。

μClinux则承继了Linux建立的文件系统性能，其采用的是romfs文件系统，这些文件系统与通常的ext2文件系统相比所需的空间较小。空间的节省来自于二个方面，首先内核支持romfs文件系统比支持ext2文件系统须要的代码少；其次romfs文件系统相对简单，在构建文件系统超级块时(superblock)须要的储存空间较小。Romfs文件系统不支持动态擦写保存，对于系统须要动态保存的数据采用虚拟ram盘的方式进行处理(ram盘采用ext2文件系统)。

μClinux还承继了Linux网路操作系统的优势，可以很便捷地支持网路文件系统且内嵌TCP/IP合同，这为μClinux开发网路接入设备提供了便利。

由二种操作系统对文件系统的支持可知，在复杂的、需要较多文件处理的嵌入式系统中，μClinux是一个不错的选择。而μC/OS主要适宜于一些控制系统。

2.3操作系统的移植

嵌入式操作系统移植的目的是使操作系统能在某个微处理器或微控制器上运行。μC/OS和μClinux都是源码公开的操作系统，且其结构化设计以便把与处理器相关的部份分离下来，所以被移植到新的处理器上是可能的。

下边对二种系统的移植分别给以说明。

(1)μC/OS的移植

要移植μC/OS，目标处理器必须满足以下要求：

①处理器的C编译器能形成可重入代码，且用C语言就可以打开和关掉中断；②处理器支持中断，并能形成定时中断；③处理器支持足够的RAM(几KB)，作为多任务环境下的任务堆栈；④处理器有将堆栈表针和其他CPU寄存器读出和储存到堆栈或显存中的指令。

在理解了处理器和C编译器的技术细节后，μC/OS的移植只须要更改与处理器相关的代码即可。更改代码的内容如下：

①OS_CPU.H中须要设置一个常量来标示堆栈下降方向；②OS_CPU.H中须要申明几个用于开关中断和任务切换的宏；③OS_CPU.H中须要针对具体处理器的字长重新定义一系列数据类型；④OS_CPU_A.ASM须要改写4个汇编语言的函数；⑤OS_CPU_C.C须要用C语言编撰6个简单函数；⑥修改主头文件INCLUDE.H，将里面的三个文件和其他自己的头文件加入。

(2)μClinux的移植

因为μClinux似乎是Linux针对嵌入式系统的一种改良，其结构比较复杂，所以相对μC/OS来说，μClinux的移植也复杂得多。通常而言要移植μClinux，目标处理器不仅应满足上述μC/OS应满足的条件外，还须要具有足够容量(几百KB以上)的外部ROM和RAM。

μClinux的移植大致可以分为三个层次：

①结构层次的移植。假如待移植处理器的结构不同于任何早已支持的处理器结构，则须要更改linux/arch目录下相关处理器结构的文件。其实μClinux内核代码的大部份是独立于处理器和其体系结构的，并且其最低级的代码也是特定于各个系统的。这主要表现在它们的中断处理上下文、内存映射的维护、任务上下文和初始化过程都是奇特的。这种例行程序坐落linux/arch/目录下。因为Linux所支持体系结构的种类繁杂，所以对一个新型的体系，其低级类库可以模仿与其相像的体系类库编撰。

②平台层次的移植。假如待移植处理器是某种μClinux已支持体系的分支处理器，则须要在相关体系结构目录下构建相应目录并编撰相应代码。如MC68EZ328就是基于无MMU的m68k内核的。此时的移植须要创建linux/arch/m68knommu/platform/MC68EZ328目录并在其下编撰跟踪程序(实现用户程序到内核函数的插口等功能)、中断控制调度程序和向量初始化程序等。

③板级移植。假如所用处理器已被μClinux支持，则只须要板级移植。板级移植须要在linux/arch/?platform/中构建一个相应板的目录，再在其中构建相应的启动代码crt0_rom.s或crt0_ram.s和链接描述文档rom.ld或ram.ld即可。板级移植还包括驱动程序的编撰和环境变量设置等内容。

3结束语

通过对μC/OS和μClinux的比较可以看出，这二种操作系统在应用方面各有利弊。μC/OS占用空间少，执行效率高，实时性能优良，且针对新处理器的移植相对简单。μClinux则占用空间相对较大，实时性能通常，针对新处理器的移植相对复杂。并且，μCLinux具有对多种文件系统的支持能力并内嵌了TCP/IP合同，可以借鉴Linux丰富的资源。对一些复杂的应用，μClinux具有相当优势。诸如CISCO公司的2500/3000/4000路由器就是基于μClinux操作系统开发的。其实，操作系统的选择是由嵌入式系统的需求决定的。大型控制系统可充分借助μC/OS精巧且实时性强的优势。假如开发PDA和互联网联接终端等较为复杂的系统，则μClinux是不错的选择。

参考文献

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