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              stm32跑的幾種嵌入式操作系統的特點及不足

              2018年12月03日 11:42:05來源:電子產品世界關鍵詞:嵌入式操作系統
              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、實時功能、數字信號處理,和低功耗、低電壓操作,同時擁有一個完全集成和易用的開發。
               
              基于STM平臺且滿足實時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和都江堰操作系統(djyos)。下面分別介紹這幾種嵌入式操作系統的特點及不足。
               

              嵌入式操作系統

               
              μC/OS-II
               
              μC/OS-II 是一種基于優先級的搶占式多任務實時操作系統,包含了實時內核、任務管理、時間管理、任務間通信同步(信號量,郵箱,消息 隊列)和內存管理等功能。它可以使各個任務獨立工作,互不干涉,很容易實現準時而且無誤執行,使實時應用程序的設計和擴展變得容易,使應用程序的設計過程大為減化。
               
              μC/OS-II是在μC/OS的基礎上發展起來的,是用C語言編寫的一個結構小巧、搶占式的多任務實時內核。μC/OS-II能管理64個任務,并提供任務調度與管理、內存管理、任務間同步與通信、時間管理和中斷服務等功能,具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良和擴展性強等特點。
               
              對于實時性的滿足上,由于μC/OS-II內核是針對實時系統的要求設計實現的,所以只支持基于固定優先級搶占式調度;調度方法簡單,可以滿足較高的實時性要求。μC/OS-II 的鮮明特點就是源碼公開,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管理,每個分區中都包含整數個大小相同的內存塊,但不同分區之間內存的大小可以不同。用戶動態分配內存時,只須選擇一個適當的分區,按塊來分配內存,釋放時將該塊放回到以前所屬的分區,這樣就消除了因多次動態分配和釋放內存所引起的碎片問題。
               
              μC/OS-II中斷處理比較簡單。一個中斷向量上只能掛一個中斷服務子程序ISR,而且用戶代碼必須都在ISR(中斷服務程序)中完成。ISR需要做的事情越多,中斷延時也就越長。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,經過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的移植相對比較簡單,只需要修改與處理器相關的代碼就可以。
               
              綜上可知,μC/OS-II是一個結構簡單、功能完備和實時性很強的嵌入式操作系統內核,針對于沒有MMU功能的CPU,它是非常合適的。它需要很少的內核代碼空間和數據存儲空間,擁有良好的實時性,良好的可擴展性能,并且是開源的,網上擁有很多的資料和實例,所以很適合向STM32上移植。
               
              μClinux
               
              μClinux是一個完全符合GNU/GPL公約的操作系統,完全開放源代碼,現在由Line公司支持維護。μClinux是一種優秀的嵌入式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、強大的網絡功能、出色的文件系統支持、標準豐富的API,以及TCP/IP網絡協議等。因為沒有MMU內存管理單元,所以其多任務的實現需要一定技巧。
               
              μClinux在結構上繼承了標準Linux的多任務實現方式,分為實時進程和普通進程,分別采用先來先服務和時間片輪轉調度,僅針對中低檔嵌入式CPU特點進行改良,且不支持內核搶占,實時性一般。
               
              在內存管理上由于μClinux是針對沒有MMU的處理器設計的,不能使用處理器的虛擬內存管理技術,只能采用實存儲器管理策略。系統使用分頁內存分配方式,在啟動時對實際存儲器進行分頁。系統對內存的訪問是直接的,操作系統對內存空間沒有保護,多個進程可共享一個運行空間,所以,即使是一個無特權進程調用一個無效指針也會觸發一個地址錯誤,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,必須關中斷運行,且僅進行必要的、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,所以會引起系統中斷處理的延時。
               
              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文件系統不支持動態擦寫保存,對于系統需要動態保存的數據須采用虛擬RAM盤/JFFS的方法進行處理。
               
              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最大特點在于針對無MMU處理器設計,這對于沒有MMU功能的stm32f103來說是合適的,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,其實時性也差一些,若開發的嵌入式產品注重文件系統和與網絡應用則μClinux是一個不錯的選擇。
               
              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時操作系統。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。它是一個源代碼開放的可配置、可移植、面向深度嵌入式應用的實時操作系統。
               
              最大特點是配置靈活,采用模塊化設計,核心部分由小同的組件構成,包括內核、C語言庫和底層運行包等。每個組件可提供大量的配置選項(實時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,并通過不同的配置使得eCos能夠滿足不同的嵌入式應用要求。
               
              在實時性反面,由于eCos調度方法豐富,提供了兩種基于優先級的調度器(即位圖調度器和多級隊列調度器),允許用戶在進行配置時選擇其中一個調度器,適應性好。因此在實時性方面表現良好。
               
              在內存管理上eCos對內存分配既不分段也不分頁,而是采用一種基于內存池的動態內存分配機制。通過兩種內存池來實現兩種內存管理方法:一種是變長的內存池;另一種是定長的內存池,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制,把中斷處理分為傳統的ISR(中斷服務程序)和滯后中斷服務程序DSR(遞延服務程序)。類似于μClinux的處理機制,這種機制可以在中斷允許時運行DSR,因此在處理較低優先級中斷時允許高優先級的中斷和處理。為了極大地縮短中斷延時,ISR應當可以快速運行。如果中斷引起的服務量少,則ISR可以單獨處理中斷;如果中斷服務復雜,則ISR只屏蔽中斷源,然后交由DSR(遞延服務程序)處理。
               
              eCos操作系統的可配置性非常強大,用戶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,經過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適合用于一些商業級或工業級對成本敏感的嵌入式系統,例如消費電子領域中的一些應用。
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