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【参考】盘点uCOS和uClinux操作系统的对比

归档日期:05-15       文本归类:多进程      文章编辑:爱尚语录

  嵌入式系统的应用与开发是当今计算机行业发展的一个热点。现今嵌入式软件的应用与开发的领域主要有:国防、通信、电子、办公自动化、机/车顶盒、掌上电脑(或PDA)、手机软件、工业控制、信息家电等领域。

  随着嵌入式技术的发展,由于嵌入式应用不断增长、嵌入式系统复杂性不断提高,导致嵌入式软件的规模和复杂性也在相应的不断提高。目前嵌入式软件、硬件的应用与开发体现如下趋势:随着计算技术、通信技术的飞速发展,计算机、通信、消费电子的一体化趋势日益明显,嵌入式技术已成为一个研究热点;特别是互联网的迅速普及,使得网络化、微型化和专业化成为嵌入式发展的新趋势;嵌入式产品的开发和应用成为信息产业的主流之一,中间件技术开始和嵌入式软件的应用与开发相结合起来。

  嵌入式应用是继 PC 后的重要应用,具有广阔的发展应用前景,涉及嵌入式软件应用的领域也日见增加,应用所产生的市场经济价值也越来越大。同时,随着电子信息技术的发展,嵌入式应用产品将和人民的日常生活联系变得更加紧密。从技术应用的层面来看,嵌入式技术的应用发展空间巨大,在工业控制、汽车电子、数字电视技术等领域中将会得到大量的应用。

  uC/OS和是两种性能优良、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。本文通过对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。

  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。

  C/OS-II可以大致分成核心、任务处理、时间处理、任务同步与通信,CPU的移植等5个部分。

  是操作系统的处理核心,包括操作系统初始化、操作系统运行、中断进出的前导、时钟节拍、任务调度、事件处理等多部分。能够维持系统基本工作的部分都在这里。

  任务处理部分中的内容都是与任务的操作密切相关的。包括任务的建立、删除、挂起、恢复等等。因为C/OS-II是以任务为基本单位调度的,所以这部分内容也相当重要。

  C/OS-II中的最小时钟单位是timetick(时钟节拍)。任务延时等操作是在这里完成的。

  为事件处理部分,包括信号量、邮箱、邮箱队列、事件标志等部分;主要用于任务间的互相联系和对临界资源的访问。

  是指C/OS-II针对所使用的CPU的移植部分。由于C/OS-II是一个通用性的操作系统,所以对于关键问题上的实现,还是需要根据具体CPU的具体内容和要求作相应的移植。这部分内容由于牵涉到SP等系统指针,所以通常用汇编语言编写。主要包括中断级任务切换的底层实现、任务级任务切换的底层实现、时钟节拍的产生和处理、中断的相关处理部分等内容。

  内核的功能结构,与Linux基本相同,不同的只是对内存管理和进程管理进行改写,以满足无MMU处理器的要求。uClinux是Linux 操作系统的一种,是由Linux2.0内核发展来的,是专为没有MMU的微处理器(如ARM7TDMI、Coldfire 等)设计的嵌入式Linux操作系统。另外,由于大多数内核源代码都被重写,uClinux的内核要比原Linux 2.0内核小的多, 但保留了Linux 操作系统的主要优点:稳定性,优异的网络能力以及优秀的文件系统支持

  1.uC/OS-II 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-II的任务调度是完全基于任务优先级的抢占式调度,也就是最高优先级的任务一旦处于就绪状态,则立即抢占正在运行的低优先级任务的处理器资源。为了简化系统设计,uC/OS-II规定所有任务的优先级不同,因为任务的优先级也同时唯一标志了该任务本身。

  1) 高优先级的任务因为需要某种临界资源,主动请求挂起,让出处理器,此时将调度就绪状态的低优先级任务获得执行,这种调度也称为任务级的上下文切换。

  2) 高优先级的任务因为时钟节拍到来,在时钟中断的处理程序中,内核发现高优先级任务获得了执行条件(如休眠的时钟到时),则在中断态直接切换到高优先级任务执行。这种调度也称为中断级的上下文切换。

  这两种调度方式在uC/OS-II的执行过程中非常普遍,一般来说前者发生在系统服务中,后者发生在时钟中断的服务程序中。

  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。其最高优先级任务的寻找是通过建立就绪任务表来实现的。u C / O S 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。

  2.uClinux没有MMU管理存储器,在实现多个进程时(fork调用生成子进程)需要实现数据保护。由于uClinux的多进程管理是通过vfork来实现,因此fork等于vfork。这意味着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sleep)直到子进程调用exit退出;要么调用exec执行一个新的进程,这个时候将产生可执行文件的加载,即使这个进程只是父进程的拷贝,这个过程也不能避免。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的这种多进程实现机制同它的内存管理紧密相关。uClinux针对没有mmu处理器开发,所以被迫使用一种flat方式的内存管理模式,启动新的应用程序时系统必须为应用程序分配存储空间,并立即把应用程序加载到内存。缺少了MMU的内存重映射机制,uClinux必须在可执行文件加载阶段对可执行文件reloc处理,使得程序执行时能够直接使用物理内存。

  在ANSI C中是使用malloc和free两个函数来动态分配和释放内存。但在嵌入式实时系统中,多次这样的错作会导致内存碎片,且由于内存管理算法的原因,malloc和free的执行时间也是不确定。

  uC/OS-II中把连续的大块内存按分区管理。每个分区中包含整数个大小相同的内存块,但不同分区之间的内存快大小可以不同。用户需要动态分配内存时,系统选择一个适当的分区,按块来分配内存。释放内存时将该块放回它以前所属的分区,这样能有效解决碎片问题,同时执行时间也是固定的。

  uClinux不能使用处理器的虚拟内存管理技术(应该说这种不带有MMU的处理器在嵌入式设备中相当普遍)。uClinux仍采用存储器的分页管理,系统在启动时把实际存储器进行分页。在加载应用程序时程序分页加载。但是由于没有MMU管理,所以实际上uClinux采用实存储器管理策略(real memeory management)。这一点影响了系统工作的很多方面。uClinux系统对于内存的访问是直接的,(它对地址的访问不需要经过MMU,而是直接送到地址线上输出),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(这实际上是很多嵌入式系统的特点),各个进程实际上共享一个运行空间(没有独立的地址转换表)。 一个进程在执行前,系统必须为进程分配足够的连续地址空间,然后全部载入主存储器的连续空间中。与之相对应的是标准Linux系统在分配内存时没有必要保证实际物理存储空间是连续的,而只要保证虚存地址空间连续就可以了。此外磁盘交换空间也是无法使用的,系统执行时如果缺少内存将无法通过磁盘交换来得到改善。

  3. 处理器支持中断,并且能产生定时中断(通常在10至100Hz之间)。

  5. 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。

  像Motorola 6805系列的处理器不能满足上面的第4条和第5条要求,所以?C/OS-Ⅱ不能在这类处理器上运行。

  1.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、内存映射的维护、任务上下文和初始化过程都是独特的。这些例行程序位于linux/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。

  2.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内核的m68k内核的。移植需创建linux/arch/m68knommu/platform/ MC68EZ328目录,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。

  3.板级移植。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和链接描述文档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。

  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。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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