單片機(jī)跑操作系統(tǒng)，到底有幾種選擇？

單片機(jī)編程時，我們都知道有兩種基本操作：裸奔和操作系統(tǒng)。所謂裸奔，就是一個大循環(huán)往復(fù)執(zhí)行。今天要講的是幾個常用的操作系統(tǒng)。實(shí)時操作系統(tǒng)（Real-time operating system，RTOS），又稱即時操作系統(tǒng)，它會按照排序運(yùn)行、管理系統(tǒng)資源，并為開發(fā)應(yīng)用程序提供一致的基礎(chǔ)。與一般的操作系統(tǒng)相比，RTOS最大的特色就是“實(shí)時性”，如果有一個任務(wù)需要執(zhí)行，RTOS會馬上執(zhí)行該任務(wù)，不會有較長的延時。這種特性保證了各個任務(wù)的及時執(zhí)行。今天給大家介紹14種主流的RTOS，分別為μClinux、μC/OS-II、eCos、FreeRTOS、mbed OS、RTX、Vxworks、QNX、NuttX；而國產(chǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)包括都江堰操作系統(tǒng)(djyos)、Alios Things、Huawei LiteOS、RT-Thread、SylixOS。這14種嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)如下。

01

μClinux

μClinux是一種優(yōu)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(biāo)準(zhǔn)的Linux相比，μClinux的內(nèi)核非常小，但它仍然繼承了Linux操作系統(tǒng)的主要特性，包括良好的穩(wěn)定性和移植性、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能、出色的文件系統(tǒng)支持、標(biāo)準(zhǔn)豐富的API，以及TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。

因?yàn)闆]有MMU內(nèi)存管理單元，所以其多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)需要一定技巧。

μClinux在結(jié)構(gòu)上繼承了標(biāo)準(zhǔn)Linux的多任務(wù)實(shí)現(xiàn)方式，分為實(shí)時進(jìn)程和普通進(jìn)程，分別采用先來先服務(wù)和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，僅針對中低檔嵌入式CPU特點(diǎn)進(jìn)行改良，且不支持內(nèi)核搶占，實(shí)時性一般。

綜上可知，μClinux最大特點(diǎn)在于針對無MMU處理器設(shè)計，這對于沒有MMU功能的stm32f103來說是合適的，但移植此系統(tǒng)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(shè)計的成本。

μClinux結(jié)構(gòu)復(fù)雜，移植相對困難，內(nèi)核也較大，其實(shí)時性也差一些，若開發(fā)的嵌入式產(chǎn)品注重文件系統(tǒng)和與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用則μClinux是一個不錯的選擇。

單片機(jī)下載程序、在線Debug時往往會用到JTAG和SWD，常用的設(shè)備是J-LINK和ST-LINK，而這都是有版權(quán)的，價格較貴。

而DAP-LINK是開源的燒錄工具，適用于Cotex-M系列內(nèi)核的單片機(jī)，無版權(quán)約束。我實(shí)現(xiàn)了這個開源項目，無聊成本27元+4元運(yùn)費(fèi)即可到手。

02

μC／OS-II

μC／OS-II是在μC/OS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是用C語言編寫的一個結(jié)構(gòu)小巧、搶占式的多任務(wù)實(shí)時內(nèi)核。μC／OS-II能管理64個任務(wù)，并提供任務(wù)調(diào)度與管理、內(nèi)存管理、任務(wù)間同步與通信、時間管理和中斷服務(wù)等功能，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時性能優(yōu)良和擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。

在文件系統(tǒng)的支持方面，由于μC/OS-II是面向中小型嵌入式系統(tǒng)的，即使包含全部功能，編譯后內(nèi)核也不到10KB，所以系統(tǒng)本身并沒有提供對文件系統(tǒng)的支持。但是，μC/OS-II具有良好的擴(kuò)展性能，如果需要也可自行加入文件系統(tǒng)的內(nèi)容。

在對硬件的支持上，μC/OS-II能夠支持當(dāng)前流行的大部分CPU，μC/OS-II由于本身內(nèi)核就很小，經(jīng)過裁剪后的代碼最小可以為2KB，所需的最小數(shù)據(jù)RAM空間為4KB，μC/OS-II的移植相對比較簡單，只需要修改與處理器相關(guān)的代碼就可以。

綜上可知，μC/OS-II是一個結(jié)構(gòu)簡單、功能完備和實(shí)時性很強(qiáng)的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)核代碼空間和數(shù)據(jù)存儲空間，擁有良好的實(shí)時性，良好的可擴(kuò)展性能，并且是開源的，網(wǎng)上擁有很多的資料和實(shí)例，所以很適合向stm32f103這款CPU上移植。

03

eCoseCos(embedded Configurable operating system)，即嵌入式可配置操作系統(tǒng)。它是一個源代碼開放的可配置、可移植、面向深度嵌入式應(yīng)用的實(shí)時操作系統(tǒng)，其最大的特點(diǎn)就是配置靈活，采用模塊化設(shè)計，核心部分由小同的組件構(gòu)成，包括內(nèi)核、C語言庫和底層運(yùn)行包等。每個組件可提供大量的配置選項（實(shí)時內(nèi)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(yīng)用要求。eCos操作系統(tǒng)的可配置性非常強(qiáng)大，用戶可以自己加入所需的文件系統(tǒng)。eCos操作系統(tǒng)同樣支持當(dāng)前流行的大部分嵌入式CPU，eCos操作系統(tǒng)可以在16位、32位和64位等不同體系結(jié)構(gòu)之間移植。eCos由于本身內(nèi)核就很小，經(jīng)過裁剪后的代碼最小可以為10KB，所需的最小數(shù)據(jù)RAM空間為10KB。另外，在系統(tǒng)移植方面，eCos操作系統(tǒng)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(diǎn)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(yīng)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(yè)級或工業(yè)級對成本敏感的嵌入式系統(tǒng),例如消費(fèi)電子領(lǐng)域中的一些應(yīng)用。

04

FreeRTOS由于RTOS需占用一定的系統(tǒng)資源（尤其是RAM資源），只有μC／OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS等少數(shù)實(shí)時操作系統(tǒng)能在小RAM單片機(jī)上運(yùn)行。相對于C／OS-II、embOS等商業(yè)操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS操作系統(tǒng)是完全免費(fèi)的操作系統(tǒng)，具有源碼公開、可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活的特點(diǎn)，可以方便地移植到各種單片機(jī)上運(yùn)行，其最新版本為6.0版。作為一個輕量級的操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS提供的功能包括：任務(wù)管理、時間管理、信號量、消息隊列、內(nèi)存管理、記錄功能等，可基本滿足較小系統(tǒng)的需要。FreeRTOS內(nèi)核支持優(yōu)先級調(diào)度算法，每個任務(wù)可根據(jù)重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級，CPU總是讓處于就緒態(tài)的、優(yōu)先級最高的任務(wù)先運(yùn)行。FreeRT0S內(nèi)核同時支持輪換調(diào)度算法，系統(tǒng)允許不同的任務(wù)使用相同的優(yōu)先級，在沒有更高優(yōu)先級任務(wù)就緒的情況下，同一優(yōu)先級的任務(wù)共享CPU的使用時間。相對于常見的μC／OS—II操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS操作系統(tǒng)既有優(yōu)點(diǎn)，也存在不足。其不足之處，一方面體現(xiàn)在系統(tǒng)的服務(wù)功能上，如FreeRTOS只提供了消息隊列和信號量的實(shí)現(xiàn)，無法以后進(jìn)先出的順序向消息隊列發(fā)送消息；另一方面，F(xiàn)reeRTOS只是一個操作系統(tǒng)內(nèi)核，需外擴(kuò)第三方的GUI（圖形用戶界面）、TCP／IP協(xié)議棧、FS（文件系統(tǒng)）等才能實(shí)現(xiàn)一個較復(fù)雜的系統(tǒng)，不像μC／OS-II可以和μC／GUI、μC／FS、μC／TCP-IP等無縫結(jié)合。

05

mbed OS開源嵌入式操作系統(tǒng)，ARM公司將mbed OS免費(fèi)提供給所有廠商使用，mbed提供了一個相對更加系統(tǒng)和更加全面的智能硬件開發(fā)環(huán)境。主要功能：提供用于開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通用操作系統(tǒng)基礎(chǔ)，以解決嵌入式設(shè)計的碎片化問題。支持所有重要的連接性與設(shè)備管理開放標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)面向未來的設(shè)計。使安全可升級的邊緣設(shè)備支持新增處理能力與功能。通過自動電源管理解決復(fù)雜的能耗問題。主要特點(diǎn)：開發(fā)速度快，功能強(qiáng)大，安全性高，為了量產(chǎn)化而設(shè)計，可離線開發(fā)，也可以在網(wǎng)頁上編輯。

06

RTX這是ARM公司的一款嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，使用標(biāo)準(zhǔn)的C結(jié)構(gòu)編寫，運(yùn)用RealView編譯器進(jìn)行編譯。不僅僅是一個實(shí)時內(nèi)核，還具備豐富的中間層組件，不但免費(fèi)，而且代碼也是開放的。主要功能：開始和停止任務(wù)（進(jìn)程），除此之外還支持進(jìn)程通信，例如任務(wù)的同步、共享資源（外設(shè)或內(nèi)存）的管理、任務(wù)之間消息的傳遞。開發(fā)者可以使用基本函數(shù)去開啟實(shí)時運(yùn)行器，去開始和終結(jié)任務(wù)，以及去傳遞任務(wù)間的控制（輪轉(zhuǎn)調(diào)度）。開發(fā)者可以賦予任務(wù)優(yōu)先級。主要特點(diǎn)：支持時間片，搶占式和合作式調(diào)度。不限制數(shù)量的任務(wù)，每個任務(wù)都具有254的優(yōu)先級。不限制數(shù)量的信號量，互斥信號量，消息郵箱和軟定時器。支持多線程和線程安全操作。使用MDK基于對話框的配置向?qū)?，可以很方便的完成MDK的配置。

07

VxWorks

美國WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時操作系（RTOS），具有硬實(shí)時、確定性與穩(wěn)定性，也具備航空與國防、工業(yè)、醫(yī)療、汽車、消費(fèi)電子產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)及其他行業(yè)要求的可伸縮性與安全性。主要功能：支持可預(yù)測的任務(wù)同步機(jī)制、支持多任務(wù)間的通信、存儲器優(yōu)化管理、操作系統(tǒng)的（中斷延遲、任務(wù)切換、驅(qū)動程序延遲等）行為是可知的和可預(yù)測的。實(shí)時時鐘服務(wù)+中斷管理服務(wù)。主要特點(diǎn)：具有一個高性能的操作系統(tǒng)內(nèi)核Wind（實(shí)時性好、可裁減）友好的開發(fā)調(diào)試環(huán)境、較好的兼容性、支持多種開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境。

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QNX誕生于1980年，是一種商用的遵從POSIX規(guī)范的類Unix嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)。主要功能：支持在同一臺計算機(jī)上同時調(diào)度執(zhí)行多個任務(wù)；也可以讓多個用戶共享一臺計算機(jī)，這些用戶可以通過多個終端向系統(tǒng)提交任務(wù)，與QNX進(jìn)行交互操作。

主要特點(diǎn)：核心僅提供4種服務(wù)，即進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信、底層網(wǎng)絡(luò)通信和中斷處理，其進(jìn)程在獨(dú)立的地址空間運(yùn)行。所有其它OS服務(wù)，都實(shí)現(xiàn)為協(xié)作的用戶進(jìn)程，因此QNX核心非常小巧（QNX4.x大約為12Kb）而且運(yùn)行速度極快。

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NuttXNuttX是一個實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)（Embedded RTOS），第一個版本由Gregory Nutt于2007年在寬松的BSD許可證下發(fā)布。主要功能：可以構(gòu)建為開放的、平面的嵌入式RTOS，或單獨(dú)構(gòu)建為具有系統(tǒng)調(diào)用接口的微內(nèi)核。容易擴(kuò)展到新的處理器架構(gòu)、SoC架構(gòu)或板級架構(gòu)。實(shí)時的、確定性的、支持優(yōu)先級繼承。BSD套接字接口。優(yōu)先級管理的擴(kuò)展?？蛇x的具有地址環(huán)境的任務(wù)（進(jìn)程）。主要特點(diǎn)：配置靈活，采用模塊化設(shè)計，核心部分由小同的組件構(gòu)成，包括內(nèi)核、C語言庫和底層運(yùn)行包等。每個組件可提供大量的配置選項(實(shí)時內(nèi)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(yīng)用要求。

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都江堰操作系統(tǒng)（djyos）（注意：都江堰操作系統(tǒng)官網(wǎng)提示，stm32的f4和f7沒調(diào)通。）都江堰操作系統(tǒng)，簡稱djyos，得名于一個偉大的水利工程：都江堰。與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)不同，djyos不是以線程而是以事件為調(diào)度核心，這種調(diào)度算法使程序員擺脫模擬計算機(jī)執(zhí)行過程編寫程序的思維方式，而是按人類認(rèn)知世界的方式編寫應(yīng)用程序，就如同在嵌入式編程中引入了VC似的。djyos的調(diào)度算法，可使程序員擺脫線程和進(jìn)程的束縛。djyos沒有有關(guān)線程的api，一個完全不懂線程知識的程序員也可以順利地在djyos下編寫應(yīng)用程序。

djyos操作系統(tǒng)是以事件為核心進(jìn)行調(diào)度的，這種調(diào)度策略使程序員可以按人類認(rèn)知事物的習(xí)慣而不是計算機(jī)的習(xí)慣來編程。

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Alios Things據(jù)著名媒體嵌入式操作系統(tǒng)RTOS介紹，AliOS Things是AliOS家族旗下、面向IoT領(lǐng)域的、高可伸縮的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。AliOS Things將致力于搭建云端一體化IoT基礎(chǔ)設(shè)施，具備極致性能、極簡開發(fā)、云端一體、豐富組件、安全防護(hù)等關(guān)鍵能力，并支持終端設(shè)備連接到阿里云Link，可廣泛應(yīng)用在智能家居、智慧城市、新出行等領(lǐng)域。點(diǎn)評：阿里系，背靠阿里資源來勢洶洶殺入物聯(lián)網(wǎng)市場，芯片+模組廠商合作，是非常有力的一個玩家，但這也是其最大的劣勢！

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Huawei LiteOS嵌入式操作系統(tǒng)RTOS介紹，Huawei LiteOS是華為面向IoT領(lǐng)域，構(gòu)建的輕量級物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，以輕量級低功耗、快速啟動、互聯(lián)互通、安全等關(guān)鍵能力，為開發(fā)者提供“一站式”完整軟件平臺，有效降低開發(fā)門檻、縮短開發(fā)周期。

點(diǎn)評：華為系，不過其開源程度比較低，其主要用于華為自己的產(chǎn)品，有大樹罩著。

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RT-Thread嵌入式操作系統(tǒng)RTOS介紹，RT-Thread是一個集實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS）內(nèi)核、中間件組件和開發(fā)者社區(qū)于一體的技術(shù)平臺，由熊譜翔先生帶領(lǐng)并集合開源社區(qū)力量開發(fā)而成，RT-Thread也是一個組件完整豐富、高度可伸縮、簡易開發(fā)、超低功耗、高安全性的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。RT-Thread具備一個IoT OS平臺所需的所有關(guān)鍵組件，例如GUI、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、安全傳輸、低功耗組件等。經(jīng)過11年的累積發(fā)展，RT-Thread已經(jīng)擁有一個國內(nèi)最大的嵌入式開源社區(qū)，同時被廣泛應(yīng)用于能源、車載、醫(yī)療、消費(fèi)電子等多個行業(yè)，累積裝機(jī)量超過兩千萬臺，成為國人自主開發(fā)、國內(nèi)最成熟穩(wěn)定和裝機(jī)量最大的開源RTOS。點(diǎn)評：國內(nèi)最有可能成為Top 1，優(yōu)勢在于豐富的組件，中立立場！趕上了時機(jī)，得到諸多芯片廠商的支持，也挺受開發(fā)者喜歡的。缺點(diǎn)在于本身的教程文檔和freertos等之類的比還是很弱。

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SylixOS嵌入式操作系統(tǒng)RTOS介紹，SylixOS是一個開源的跨平臺的大型實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS），SylixOS誕生于2006年，經(jīng)過十多年的持續(xù)開發(fā)，SylixOS已成為功能最為全面的國產(chǎn)操作系統(tǒng)之一。目前已有眾多產(chǎn)品和項目應(yīng)用案例，行業(yè)涉及航空航天、軍事防務(wù)、軌道交通、智能電網(wǎng)、工業(yè)自動化等諸多領(lǐng)域。SylixOS完全符合POSIX規(guī)范，開源社區(qū)豐富的自由軟件移植非常方便。點(diǎn)評：這家也是挺有意思的，2006年就開始了，吃軍工飯，最近一兩年才露頭角。其實(shí)力不容小覷！當(dāng)然，RTOS并不僅上面這些，歡迎各位大神留言補(bǔ)充！北京漢通達(dá)科技主要業(yè)務(wù)為給國內(nèi)用戶提供通用的、先進(jìn)國外測試測量設(shè)備和整體解決方案，產(chǎn)品包括多種總線形式（臺式/GPIB、VXI、PXI/PXIe、PCI/PCIe、LXI等）的測試硬件、相關(guān)軟件、海量互聯(lián)接口等。經(jīng)過二十年的發(fā)展，公司產(chǎn)品輻射全世界二十多個品牌，種類超過1000種。值得一提的是，我公司自主研發(fā)的BMS測試產(chǎn)品、芯片測試產(chǎn)品代表了行業(yè)一線水平。