UCOS和uClinux的比较
UC/OＳ和uＣｌｉnux的比较
出处:单片机商城发布日期:2０05-9－1011:1４：28 浏览次数：356
UC／ＯＳ和uClｉｎux的比较
摘要:嵌入式操作系统是嵌入式系统应用的核心软件。本文通过对两种典型的开源嵌入式操作系统的对比，分析和总结嵌入式操作系统应用中的若干问题，归纳嵌入式操作系统的选型依据。
关键词：嵌入式系统操作系统uC／OS uＣｌiｎux
引言
随着现代计算机技术的飞速发展和互联网技术的广泛应用，从PＣ时代过渡到了以个人数字助理、手持个人电脑和信息家电为代表的3C(计算机、通信、消费电子)一体的后PC时代。后PC时代里，嵌入式系统扮演了越来越重要的角色，被广泛应用于信息电器、移动设备、网络设备和工控仿真等领域。嵌入式系统是以嵌入式计算机为核心，面向用户、面向产品、面向应用，软硬件可裁减的，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/后台程序开发机制已经不能满足日益复杂和荷记得的实现要求，因而现场常常采用嵌入式产时操作系统PROS（Reａl TｉmｅＯperatｉｏn Syｓｔｅm）开发实时多任务系统。嵌入式实时操作系统一般可以提供多任务的任务调度、时间管理、任务间通信和同步以及内存管理ＭMＵ（Ｍｅｍory MａnagｅｒＵnｉt)等重要服务,使得嵌入式应用程序易于设计和扩展。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已经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一般不需要操作系统。如，以前许多MＣS51系列单片机组成的小系统就只是利用软件实现简单的控制环路;但是随着所谓后ＰＣ时代的来临,嵌入式系统设计日趋复杂,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。一般而言,嵌入式操作系统不同于一般意义的计算机操作系统,它有占用空间小、执行效率高、方便进行个性化定制和软件要求固化存储等特点。
从20世纪80年代起,国际上就有一些ＩT组织、公司，开始进行商用嵌入式操作系统和专用操作系统的研发。这其中涌现了一些著名的嵌入式操作系统，如Micrｏsofｔ公司的WinCＥ和WinｄRivｅr Sｙstem公司的ＶxWo ｒｋｓ就分别是非实时和实时嵌入式操作系统的代表。但是商用产品的造价都十分昂贵，用于一般用途会提高产品成本从而失去竞争力。
UC/OS和uCｌiｎｕx操作系统是用两种性能优良、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典范。本文通过uＣ/OS和uClinux的对比,分析和总结嵌入式操作系统应用中的若干重要问题，归纳嵌入式系统开发中操作系统的选型依据。
1两种开源嵌入式操作系统介绍
uC/OS和uＣｌiｎｕx操作系统,是当前得到广泛应用的两种免费且公开源
码的嵌入式操作系统。UC/OS适合小型控制系统，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点,最小内核可编译至2KＢ。UClinux则是继承标准Linux的优良特性，针对嵌入式处理器的特点设计的一种操作系统，具有内嵌网络协议、支持多种文件系统，开发者可利用标准Liｎux先验知识等优势。其编译后目标文件可控制在几百KＢ量级。
UC／ＯS是一种免费公开源代码、结构小巧、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、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能。
UCｌinux是一种优秀的嵌入式Linｕx版本。uＣliｎｕｘ是Mｉcro-Cｏｎroｌ-Linux的缩写。同标准Ｌinux相比,它集成了标准Ｌinｕｘ操作系统的稳定性、强大网络功能和出色的文件系统等主要优点。但是由于没有MMU （内存管理单元），其多任务的实现需要一定技巧。
２两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，它以尽量合理的有效方法组织多个用户共享嵌入式系统的各种资源。其中用户指的是系统程序之上的所有软件。所谓合理有效的方法，指的就是操作系统如何协调并充分利用硬件资源来实现多任务。复杂的操作系统都支持文件系统，方便组织文件并易于对其规范化操作。
嵌入式操作系统还有一个特点是,针对不同的平台,系统不是直接可用的,一般需要经过针对专门平台的移植操作系统才能正常工作。
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。下文就从这几个角度入手对uC/OS和ｕCｌinux进行分析比较。２.1 进程调度
任务调度主要是协调任务对计算机系统资源(如内存、I／Ｏ设备、CPU）的争夺使用。进程调度又称为CＰU调度,其根本任务是按照某种原理为处于就绪状态的进程分析ＣPU。由于嵌入式系统中内存和I／O设备一般都和CPU 同时归属于某进程,所以任务调度和进程调度概念相近，很多场合不加区分。进程调度可分为“剥夺型调度”和“非剥夺型调度”两种基本方式。所谓“非剥夺型调度”是指：一旦某个进程被调度执行，则该进程一直执行下去直至该进程结束，或由于某种原理自行放弃CPU进入等待状态,才将ＣＰU重新分配给其它进程。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，或者运行的进程已用满了规定的时间片时,便立即剥夺当前进程的运行（将其放回就绪状态），把ＣPＵ分配给其它进程。
作为实时操作系统,uC/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候都运行就绪了的最高优先级的任务。ｕＣ／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两部分:最高优先级任务的寻找和任务切换。
其最高优先级任务表来实现的。ＵC/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（Task Contｒol Bloｃｋ)的数据结构，其中第一个成员变量就是保存的任务堆栈指针。任务调度模块首先用变量ＯSＴCＢHigｈRdｙ记录当前最高级就绪任务的TＣＢ地址，然后调用OS_ＴＡSK_ＳＷ()函数来进行任务切换。
UClinux的进程调度沿用了Ｌｉnux的传统。系统每隔一定时间挂起进程，同时产生快速和周期性的时钟性时中断,并通过调度函数(定时器处理函数）决定进程什么时候拥有它的时间片，然后进行相关进程切换。这是通过父进程调用ｆｏrk函数生成子进程来实现的。
ＵClinux系统ｆork调用完成后,要么子进程代替父进程执行（此时父进程已经休眠)，直到子进程调用exit退出；要么调用exec执行一个新的进程,这时产生可执行文件的加载,即使这个进程只是父进程的拷贝，这个过程也不可避免。当子进程执行ｅｘｉt或exeｃ后,子进程使用ｗakｅup把父进程唤醒,使父进程继续往下执行。
uClｉｎuｘ由于没有MＭU管理存储器,其对内存的访问是直接的，所有程序中访问的地址都是实际的物理地址。操作系统对内存空间没有保护，各个进程实际上共享一个运行空间。这就需要实现多进程时进行数据保护，也导致了用户程序使用的空间可能占用到系统内核空间。这些问题在编程时都需要多加注意，否则容易导致系统崩溃。
由上述分析可以得知,uC／OS内核是针对实时系统的要求设计实现的,相对简单，可以满足较高的实时性要求;而ｕClｉnux则在结构上继承了标准Ｌinuｘ的多任务实现方式，仅针对嵌入式处理器特点进行改良。其要实现实时性效果则需要使系统在实时内核的控制下运行。RT-Liｎux就是可以实现这一功能的一种实时内核。
2.２文件系统
所谓文件系统是反映负责存取和管理文件信息的机构,也可以说是负责文件的建立、撤销、组织、读写、修改、复制及对文件管理所需要的资源(如目
录表、存储介质等)实施管理的软件部分。
uC/ＯＳ是面向中小型嵌入式系统的。如果包含全部功能（信号量、消息邮箱、消息队列及相关函数),编译后的uＣ／ＯS内核仅有6～10ＫＢ,所以系统本身并没有对文件系统的支持。但是ｕＣ/ＯS具有良好的扩展性能,如果需要的话也可自行加入文件系统的内容。
uCliｎux则是继承了Linｕx完善的文件系统性能。其采用的是romfs文件系统。这种文件系统相对于一般的ext2文件系统要求更少的空间。空间的节约来自于两个方面：首先，内核支持romfs文件系统比支持ext2文件系统需要更少的代码；其次，rｏmfs文件系统相对简单,在建立文件系统超级块(ｓuperblocｋ）需要更少的存储空间。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采用虚拟ｒam盘的方法进行处理(ｒａm盘将采用ext２文件系统)。
ｕCｌiｎｕｘ还继承了Linux网络操作系统的优势，可以很方便地支持网络文件系统且内嵌TCP/IP协议。这为ｕCｌinｕx开发网络接入设备提供了便利。
由两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,ｕClｉnux是一个不错的选择；而uＣ/OS则主要适合一些控制系统。
2.3操作系统的移植
嵌入式操作系统移植的目的是指使操作系统能在某个微处理器或微控制器上运行。UC/OS和ｕＣlinux都是源码公开的操作系统,且其结构化设计便
于把与处理器相关的部分分离出来，所以被移植到新的处理器上是可能的。以下对两种系统的移植分别予以说明。
（1)ｕC/OＳ的移植
要移植ｕC/ＯS,目标处理器必须满足以下要求:
＊处理器的Ｃ编译器能产生可重入代码,且用C语言就可以打开和关闭中断；＊处理器支持中断，并能产生定时中断;
＊处理器支持足够的RAM（几KB),作为多任务环境下的任务堆栈；
*处理器有将堆栈指针和其它CＰＵ寄存器读出和存储到堆栈或内存中的指令。
在理解了处理器和Ｃ编译器的技术细节后,uＣ/OＳ的移植只需要修改与处
理器相关的代码就可以了。具体有如下内容：
*OS_CPU.H中需要设置一个常量来标识堆栈增长方向;
*OS＿CPＵ．H中需要声明几个用于开关中断和任务切换的宏；
＊OＳ＿CPU.Ｈ中需要针对具体处理器的字长重新定义一系列数据类型；*OS_CPU_Ａ.AＳＭ需要改写４个汇编语言的函数;
*OS_CPU_C．Ｃ需要用C语言编写6个简单函数;
＊修改主头文件INCLＵDＥ．H,将上面的三个文件和其它的头文件加入。
(2)uCｌinux的移植
其实,uCｌinuｘ是Linｕx针对嵌入式系统的一种改良,其结构比较复杂;相对uC/OS,ｕＣlinuｘ的移植也复杂得多。一般而言，要移植uClinux,目标处理器除了应满足上述uC/OＳ应满足的条件外，还需要具有足够容量（几百ＫB以上）外部ROM和RＡＭ。
ｕClinux的移植大致可以分为３个层次。
＊结构层次的移植。如果待移植处理器的结构不同于任何已经支持的处理器结构,则需要修改liｎux/arｃh目录下相关处理器结构的文件。虽然uＣｌinｕx内核代码的大部分是独立于处理器和其体系结构的,但是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、内核映射的维护、任务上下文和初始化过程都是独特的。这些例行程序位于lｕnux/arch/目录下。由于Lｉnux所支持体系结构的种类繁多,所以对一个新型的体系,其低级例程可以模仿与其相似的体系例程编写。
*平台层次的移植。如果待移植处理器是某种uCｌｉnux已支持体系的处理器，则需要在相关体系结构目录下建立相应目录并编写相应代码。如MC６８EZ328就是基于无MMＵ的m68k内核的。此时的移植需要创建的lｉnuｘ/aｒch／m68knommu／platfｏrm／MＣ68ＥZ３28目录下,并在其下编写跟踪程序（实现用户程序到内核函数的接口等功能)、中断控制调度程序和向量初始化程序等。
*极级移植。如果所用处理器已被uClｉnｕx支持,就只需要板级移植了。板级移植需要在ｌiｎuｘ/ａrch／?pｌaｔfｏrｍ／中建立一个相应板的目录,再在其中建立相应的启动代码cｒt0_ｒom．s或crｔ０_ram.s和键接描
述文档rom.ld或ram.ld就可以了。板级移植还包括驱动程序的编写和环境变量设置等内容。
结语
通过对uC/OS和uCｌinuｘ的比较可以看出，这两种操作系统在应用方面各有优劣。uＣ/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。UCｌｉnux则占用空间相对较大，实时性能一般,针对新处理器的移植相对复杂。但是,uClｉｎux具有对多种文件系统的支持能力、内嵌了TCP／IP协议,可以借鉴Linux丰富的资源，对一些复杂的应用,uClinｕx具有相当优势。例如，CＩSCＯ公司的25００/300０/4000路由器就是基于ｕClinuｘ操作系统开发的。总之,操作系统的选择是由嵌入式系统的需求决定的。简单地说就是,小型控制系统可充分利用uＣ/OＳ小巧且实时性强的优势；如果开发PDA和互联网连接终端等较和为复杂的系统，则uClinｕｘ是不错的选择。
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2．Linux内核。特定于嵌入式板子的定制内核以及内核的启动参数。
3.文件系统。包括根文件系统和建立于Flaｓh 内存设备之上文件系统。通常用ram disｋ来作为root fs。
4．用户应用程序。特定于用户的应用程序。有时在用户应用程序和内核层之间可能还会包括一个嵌入式图形用户界面。常用的嵌入式GUI有：MiｃroWｉnｄｏws 和MiniGUＩ等。引导加载程序是系统加电后运行的第一段软件代码。回忆一下PC 的体系结构我们可以知道,PＣ机中的引导加载程序由BIOＳ（其本质就是一段固件程序)和位于硬盘MＢR 中的OS BｏoｔLoaｄer(比如，ＬＩLO 和ＧRＵB 等）一起组成。BIOS 在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘MBＲ中的Boot Loader 读到系统的RＡM 中，然后将控制权交给OS BooｔLoaｄeｒ。ＢooｔLoａdｅｒ的主要运行任务就是将内核映象从硬盘上读到ＲAM中，然后跳转到内核的入口点去运行，也即开始启动操作系统。而在嵌入式系统中，通常并没有像BIＯS那样的固件程序(注，有的嵌入式CPU也会内嵌一段短小的启动程序),因此整个系统的加载启动任务就完全由Boot Loader来完成。比如在一个基于AＲM7ＴＤMＩcore 的嵌入式系统中,系统在上电或复位时通常都从地址０x0０００000０处开始执行,而在这个地址处安排的通常就是系统的Bｏｏt Loader 程序。
本文将从Ｂoot Ｌｏadｅr 的概念、BooｔLoader 的主要任务、BooｔLoａｄer的框架结构以及Boot Loaｄeｒ的安装等四个方面来讨论嵌入式系统的BooｔLｏader。
(一)Boｏt Loader 的概念?简单地说，Bｏot Loader 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序,我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态,以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。通常，BooｔＬoadｅr 是严重地依赖于硬件而实现的，特别是在嵌入式世
界。因此，在嵌入式世界里建立一个通用的Ｂoot Lｏader 几乎是不可能的。尽管如此,我们仍然可以对Ｂoot Loader 归纳出一些通用的概念来，以指导用户特定的Bｏｏt Ｌoａder 设计与实现。
１.BooｔLoadｅｒ所支持的CPU 和嵌入式板
２.每种不同的CPU体系结构都有不同的BootＬoader。有些BoｏtＬｏａder也支持多种体系结构的CＰU,比如U-Boｏt 就同时支持ARM 体系结构和ＭIPS体系结构。除了依赖于ＣPU 的体系结构外,BoｏｔＬｏaｄeｒ实际上也依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。这也就是说，对于两块不同的嵌入式板而言，即使它们是基于同一种CＰU而构建的,要想让运行在一块板子上的BoｏtＬoadeｒ程序也能运行在另一块板子上,通常也都需要修改Ｂoot Lｏaｄer 的源程序。
3.Boot Loadｅｒ的安装媒介（Iｎstaｌlaｔiｏn Ｍeｄiuｍ）系统加电或复位后，所有的CPU 通常都从某个由CPＵ制造商预先安排的地址上取指令。比如,基于AＲＭ7ＴＤMI core 的CPU 在复位时通常都从地址０x00000０0０取它的第一条指令。而基于CPU 构建的嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备(比如：ROM、ＥEＰROM或FLASH 等)被映射到这个预先安排的地址上。因此在系统加电后，CPU 将首先执行Boot Loadeｒ程序。
4．用来控制Ｂoot Lｏader 的设备或机制
主机和目标机之间一般通过串口建立连接,BoｏｔLoａder 软件在执行时通常会通过串口来进行Ｉ/O,比如：输出打印信息到串口，从串口读取用户控制字符等。
５. BooｔLｏａder 的启动过程是单阶段（SiｎglｅStage）还是多阶段(Mulｔi-St ａge)通常多阶段的BooｔLoadeｒ能提供更为复杂的功能，以及更好的可移植性。从固态存储设备上启动的Boot Lｏader大多都是2阶段的启动过程,也即启动过程可以分为stａge１和stａｇｅ2两部分。而至于在staｇe １和stａgｅ2 具体完成哪些任务将在下面讨论。
６. Boｏt Loadeｒ的操作模式(Opeｒaｔｉon Mｏde）大多数Ｂoｏt Loａder 都包含两种不同的操作模式：＂启动加载＂模式和"下载"模式,这种区别仅对于开发人员才有意义。但从最终用户的角度看,Boot Ｌoａder 的作用就是用来加载操作系统,而并不存在所谓的启动加载模式与下载工作模式的区别。启动加载（Booｔloadｉnｇ）模式：这种模式也称为"自主"(Ａutoｎomｏus）模式。也即Ｂoｏt Lｏaｄer从目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到ＲＡＭ中运行，整个过程并没有用户的介入。这种模式是BooｔLoader 的正常工作模式,因此在嵌入式产品发布的时侯，Bｏｏt Loａder 显然必须工作在这种模式下。下载（Downloａｄing）模式：在这种模式下，目标机上的BooｔLｏader 将通过串口连接或网络连接等通信手段从主机(Hoｓt）下载文件，比如:下载内核映像和根文件系统映像等。从主机下载的文件通常首先被Boot Loa ｄeｒ保存到目标机的RAM 中，然后再被BｏoｔLoaｄｅｒ写到目标机上的FLA ＳH类固态存储设备中。Boot Lｏaｄer 的这种模式通常在第一次安装内核与根文件系统时被使用；此外,以后的系统更新也会使用ＢooｔLｏaｄer的这种工作模式。工作于这种模式下的Boｏt Loａder 通常都会向它的终端用户提供一个简单的命令行接口。像Blｏb 或U-Bｏot 等这样功能强大的BooｔLｏadeｒ通常同时支持这两种工作模式，而且允许用户在这两种工作模式之间进行切换。比如，Blob在启动时处于正常的启动加载模式，但是它会延时１0秒等待终端用户按下任意键而将blob 切换到下载模式。如果在10 秒内没有用户按键，则blｏb 继续启动Ｌｉnuｘ内核。
7.ＢootLoａder 与主机之间进行文件传输所用的通信设备及协议最常见的情况就是,目标机上的Bｏot Ｌoader 通过串口与主机之间进行文件传输,传输
协议通常是xmoｄｅm/yｍodem／zｍｏdｅｍ协议中的一种。但是，串口传输的速度是有限的，因此通过以太网连接并借助ＴFTP 协议来下载文件是个更好的选择。此外,在论及这个话题时，主机方所用的软件也要考虑。比如，在通过以太网连接和ＴFＴP