基于 STM 平台且满足实时控制要求操作系统,有以下 5 种可供移植选择。分别为μClinux、μC/OS-II、eCos、FreeRTOS 和 rt-thread。下面分别介绍这五种嵌入式操作系统的特点及不足,通过对比,读者可以根据自己的应用需求选择合适的平台。
 
TOP1:μClinux
μClinux 是一种优秀的嵌入式 Linux 版本,其全称为 micro-control Linux,从字面意思看是指微控制 Linux。同标准的 Linux 相比,μClinux 的内核非常小,但是它仍然继承了 Linux 操作系统的主要特性,包括良好的稳定性和移植性、强大的网络功能、出色的文件系统支持、标准丰富的 API,以及 TCP/IP 网络协议等。因为没有 MMU 内存管理单元,所以其多任务的实现需要一定技巧。
 
μClinux 在结构上继承了标准 Linux 的多任务实现方式,分为实时进程和普通进程,分别采用先来先服务和时间片轮转调度,仅针对中低档嵌入式 CPU 特点进行改良,且不支持内核抢占,实时性一般。
 
在内存管理上由于μClinux 是针对没有 MMU 的处理器设计的,不能使用处理器的虚拟内存管理技术,只能采用实存储器管理策略。系统使用分页内存分配方式,在启动时对实际存储器进行分页。系统对内存的访问是直接的,操作系统对内存空间没有保护,多个进程可共享一个运行空间,所以,即使是一个无特权进程调用一个无效指针也会触发一个地址错误,并有可能引起程序崩溃甚至系统崩溃。
 
μClinux 操作系统的中断管理是将中断处理分为两部分:顶半处理和底半处理。在顶半处理中,必须关中断运行,且仅进行必要的、非常少、速度快的处理,其他处理交给底半处理;底半处理执行那些复杂、耗时的处理,而且接受中断。因为系统中存在有许多中断的底半处理,所以会引起系统中断处理的延时。
 
μClinux 对文件系统支持良好,由于μClinux 继承了 Linux 完善的文件系统性能,它支持 ROMFS、NFS、ext2、MS-DOS、JFFS 等文件系统。但一般采用 ROMFS 文件系统,这种文件系统相对于一般的文件系统(如 ext2)占用更少的空间。但是 ROMFS 文件系统不支持动态擦写保存,对于系统需要动态保存的数据须采用虚拟 RAM 盘 /JFFS 的方法进行处理。
 
在对硬件的支持上,由于μClinux 继承了 Linux 的大部分性能,所以至少需要 512KB 的 RAM 空间,lMB 的 ROM/Flash 空间。
 
在μClinux 的移植方面,μClinux 是 Linux 针对嵌入式系统的一种改良,其结构比较复杂。移植μClinux,目标处理器除了需要修改与处理器相关的代码外,还需要足够容量的外部 ROM 和 RAM。
 
点评:μClinux 最大特点在于针对无 MMU 处理器设计,这对于没有 MMU 功能的 stm32f103 来说是合适的,但移植此系统需要至少 512KB 的 RAM 空间,1MB 的 ROM/FLASH 空间,而 stmf103 拥有 256K 的 FLASH,需要外接存储器,这就增加了硬件设计的成本。μClinux 结构复杂,移植相对困难,内核也较大,其实时性也差一些,若开发的嵌入式产品注重文件系统和与网络应用则μClinux 是一个不错的选择。
 
TOP2:μC/OS-II
μC/OS-II 是在μC/OS 的基础上发展起来的,是用 C 语言编写的一个结构小巧、抢占式的多任务实时内核。μC/OS-II 能管理 64 个任务,并提供任务调度与管理、内存管理、任务间同步与通信、时间管理和中断服务等功能,具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和扩展性强等特点。
 
对于实时性的满足上,由于μC/OS-II 内核是针对实时系统的要求设计实现的,所以只支持基于固定优先级抢占式调度;调度方法简单,可以满足较高的实时性要求。
 
在内存管理上,μC/OS-II 把连续的大块内存按分区来管理,每个分区中都包含整数个大小相同的内存块,但不同分区之间内存的大小可以不同。用户动态分配内存时,只须选择一个适当的分区,按块来分配内存,释放时将该块放回到以前所属的分区,这样就消除了因多次动态分配和释放内存所引起的碎片问题。
 
μC/OS-II 中断处理比较简单。一个中断向量上只能挂一个中断服务子程序 ISR,而且用户代码必须都在 ISR(中断服务程序)中完成。ISR 需要做的事情越多,中断延时也就越长,内核所能支持的最大嵌套深度为 255。
 
在文件系统的支持方面,由于μC/OS-II 是面向中小型嵌入式系统的,即使包含全部功能,编译后内核也不到 10 KB,所以系统本身并没有提供对文件系统的支持。但是μC/OS-II 具有良好的扩展性能,如果需要也可自行加入文件系统的内容。
 
在对硬件的支持上,μC/OS-II 能够支持当前流行的大部分 CPU,μC/OS-II 由于本身内核就很小,经过裁剪后的代码最小可以为 2KB,所需的最小数据 RAM 空间为 4 KB,μC/OS-II 的移植相对比较简单,只需要修改与处理器相关的代码就可以。
 
点评:μC/OS-II 是一个结构简单、功能完备和实时性很强的嵌入式操作系统内核,针对于没有 MMU 功能的 CPU,它是非常合适的。它需要很少的内核代码空间和数据存储空间,拥有良好的实时性,良好的可扩展性能,并且是开源的,网上拥有很多的资料和实例,所以很适合向 stm32f103 这款 CPU 上移植。
 
TOP3:eCos
eCos(embedded Configurable operating system),即嵌入式可配置操作系统。它是一个源代码开放的可配置、可移植、面向深度嵌入式应用的实时操作系统。最大特点是配置灵活,采用模块化设计,核心部分由小同的组件构成,包括内核、C 语言库和底层运行包等。每个组件可提供大量的配置选项(实时内核也可作为可选配置),使用 eCos 提供的配置工具可以很方便地配置,并通过不同的配置使得 eCos 能够满足不同的嵌入式应用要求。
 
在实时性反面,由于 eCos 调度方法丰富,提供了两种基于优先级的调度器(即位图调度器和多级队列调度器),允许用户在进行配置时选择其中一个调度器,适应性好。因此在实时性方面表现良好。
 
在内存管理上 eCos 对内存分配既不分段也不分页,而是采用一种基于内存池的动态内存分配机制。通过两种内存池来实现两种内存管理方法:一种是变长的内存池;另一种是定长的内存池,类似于 VxWorks 的管理方案。
 
在中断管理上 eCos 使用了分层式中断处理机制,把中断处理分为传统的 ISR(中断服务程序)和滞后中断服务程序 DSR(递延服务程序)。类似于μClinux 的处理机制,这种机制可以在中断允许时运行 DSR,因此在处理较低优先级中断时允许高优先级的中断和处理。为了极大地缩短中断延时,ISR 应当可以快速运行。如果中断引起的服务量少,则 ISR 可以单独处理中断;如果中断服务复杂,则 ISR 只屏蔽中断源,然后交由 DSR(递延服务程序)处理。

 

eCos 操作系统的可配置性非常强大,用户可以自己加入所需的文件系统。eCos 操作系统同样支持当前流行的大部分嵌入式 CPU,eCos 操作系统可以在 16 位、32 位和 64 位等不同体系结构之间移植。eCos 由于本身内核就很小,经过裁剪后的代码最小可以为 10 KB,所需的最小数据 RAM 空间为 10 KB。
 
在系统移植方面 eCos 操作系统的可移植性很好,要比μC/OS-II 和μClinux 容易。
 
点评:eCos 最大特点是配置灵活,并且支持无 MMU 的 CPU 的移植,开源且具有很好的移植性,也比较合适于移植到 STM32 平台的 CPU 上。但 eCOS 的应用还不是太广泛,还没有像μC/OS-II 那样普遍,并且资料也没有μC/OS-II 多。eCos 适合用于一些商业级或工业级对成本敏感的嵌入式系统,例如消费电子领域中的一些应用。
 
TOP4:FreeRTOS
由于 RTOS 需占用一定的系统资源(尤其是 RAM 资源),只有μC/OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS 等少数实时操作系统能在小 RAM 单片机上运行。相对于 C/OS-II、 embOS 等商业操作系统,FreeRTOS 操作系统是完全免费的操作系统,具有源码公开、可移植、可裁减、调度策略灵活的特点,可以方便地移植到各种单片机上运行,其最新版本为 6.0 版。
 
作为一个轻量级的操作系统,FreeRTOS 提供的功能包括:任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能等,可基本满足较小系统的需要。 FreeRTOS 内核支持优先级调度算法,每个任务可根据重要程度的不同被赋予一定的优先级,CPU 总是让处于就绪态的、优先级最高的任务先运行。 FreeRT0S 内核同时支持轮换调度算法,系统允许不同的任务使用相同的优先级,在没有更高优先级任务就绪的情况下,同一优先级的任务共享 CPU 的使用 时间。
 
FreeRTOS 的内核可根据用户需要设置为可剥夺型内核或不可剥夺型内核。当 FreeRTOS 被设置为可剥夺型内核时,处于就绪态的高优先级任务能剥夺低优先级任务的 CPU 使用权,这样可保证系统满足实时性的要求;当 FreeRTOS 被设置为不可剥夺型内核时,处于就绪态的高优先级任务只有等当前运行任务主动释放 CPU 的使用权后才能获得运行,这样可提高 CPU 的运行 效率。
 
FreeRTOS 的移植:FreeRTOS 操作系统可以被方便地移植到不同处理器上工作,现已提供了 ARM、MSP430、 AVR、PIC、C8051F 等多款处理器的移植。FrceRTOS 在不同处理器上的移植类似于μC/0S 一 II,故本文不再详述 FreeRTOS 的移 植。此外,TCP/IP 协议栈μIP 已被移植到 FreeRTOS 上,具体代码可见 FreeRTOS 网站。
 
点评:相对于常见的μC/OS—II 操作系统,FreeRTOS 操作系统既有优点也存在不足。其不足之处, 一方面体现在系统的服务功能上,如 FreeRTOS 只提供了消息队列和信号量的实现,无法以后进先出的顺序向消息队列发送消息;另一方 面,FreeRTOS 只是一个操作系统内核,需外扩第三方的 GUI(图形用户界面)、TCP/IP 协议栈、FS(文件系统)等才能实现一个较复杂的系统, 不像μC/OS-II 可以和μC/GUI、μC/FS、μC/TCP-IP 等无缝结合。
 
TOP5:RT-Thread
RT-Thread 是一款主要由中国开源社区主导开发的开源实时操作系统(许可证 GPLv2)。实时线程操作系统不仅仅是一个单一的实时操作系统内核,它也是一个完整的应用系统,包含了实时、嵌入式系统相关的各个组件:TCP/IP 协议栈,文件系统,libc 接口,图形用户界面等。
 
中国人自己开发的,稳定版本是 1.2.1,有希望看完源码。精简、靠谱,自带一个叫做 finsh 的片上调试工具,非常实用。各种信号量、互斥锁、邮箱、事件等线程协同功能都有。
 
需要注意的是,rt-thread 2.0 版本的设计思想和 1.2 的完全不同,将会把 linux 纳入进来,是的,不是在 linux 里面嵌入 rt-thread,而是把 linux 嵌入到 rt-thread 里面!
 
点评:rt-thread 的文档呢,官网是有的,不过,真的是只能作为参考,很明显是开发人员的事后开发笔记整理的。目前还是只能通过看代码来理解详细的使用方式,从文档和论坛的只言片语里面,是难以还原真相的。rt-thread 的好处就是它的版本还比较小,即便缺乏文档,也是可以看源码看下去的。