淺析STM32的五大嵌入式操作系統(tǒng)的特點及不足

基于STM平臺且滿足實時控制要求操作系統(tǒng)，有以下5種可供移植選擇。分別為μClinux、μC／OS-II、eCos、FreeRTOS和都江堰操作系統(tǒng)(djyos)。下面分別介紹這五種嵌入式操作系統(tǒng)的特點及不足。

1、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(tǒng)的主要特性，包括良好的穩(wěn)定性和移植性、強大的網(wǎng)絡功能、出色的文件系統(tǒng)支持、標準豐富的API，以及TCP／IP網(wǎng)絡協(xié)議等。因為沒有MMU內存管理單元，所以其多任務的實現(xiàn)需要一定技巧。

μClinux在結構上繼承了標準Linux的多任務實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)對內存的訪問是直接的，操作系統(tǒng)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(fā)一個地址錯誤，并有可能引起程序崩潰甚至系統(tǒng)崩潰。

μClinux操作系統(tǒng)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(zhí)行那些復雜、耗時的處理，而且接受中斷。因為系統(tǒng)中存在有許多中斷的底半處理，所以會引起系統(tǒng)中斷處理的延時。

μClinux對文件系統(tǒng)支持良好，由于μClinux繼承了Linux完善的文件系統(tǒng)性能，它支持ROMFS、NFS、ext2、MS-DOS、JFFS等文件系統(tǒng)。但一般采用ROMFS文件系統(tǒng)，這種文件系統(tǒng)相對于一般的文件系統(tǒng)(如ext2)占用更少的空間。但是ROMFS文件系統(tǒng)不支持動態(tài)擦寫保存，對于系統(tǒng)需要動態(tài)保存的數(shù)據(jù)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(tǒng)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(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(fā)的嵌入式產品注重文件系統(tǒng)和與網(wǎng)絡應用則μClinux是一個不錯的選擇。

2、μC／OS-II

μC／OS-II是在μC/OS的基礎上發(fā)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(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)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(tǒng)的要求設計實現(xiàn)的，所以只支持基于固定優(yōu)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。

在內存管理上，μC/OS-II把連續(xù)的大塊內存按分區(qū)來管理，每個分區(qū)中都包含整數(shù)個大小相同的內存塊，但不同分區(qū)之間內存的大小可以不同。用戶動態(tài)分配內存時，只須選擇一個適當?shù)姆謪^(qū)，按塊來分配內存，釋放時將該塊放回到以前所屬的分區(qū)，這樣就消除了因多次動態(tài)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(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，編譯后內核也不到10 KB，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具有良好的擴展性能，如果需要也可自行加入文件系統(tǒng)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(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(tǒng)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(shù)據(jù)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(wǎng)上擁有很多的資料和實例，所以很適合向stm32f103這款CPU上移植。

3、eCos

eCos(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、面向深度嵌入式應用的實時操作系統(tǒng)。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(yōu)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(xiàn)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(tài)內存分配機制。通過兩種內存池來實現(xiàn)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(tǒng)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(yōu)先級中斷時允許高優(yōu)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(tǒng)的可配置性非常強大，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位等不同體系結構之間移植。eCos由于本身內核就很小，經(jīng)過裁剪后的代碼最小可以為10 KB，所需的最小數(shù)據(jù)RAM空間為10 KB。

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(yè)級或工業(yè)級對成本敏感的嵌入式系統(tǒng),例如消費電子領域中的一些應用。

4、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)實時操作系統(tǒng)能在小RAM單片機上運行。相對于C／OS-II、 embOS等商業(yè)操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS操作系統(tǒng)是完全免費的操作系統(tǒng)，具有源碼公開、可移植、可裁減、調度策略靈活的特點，可以方便地移植到各種單片機上運行，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：任務管理、時間管理、信號量、消息隊列、內存管理、記錄功能等，可基本滿足較小系統(tǒng)的需要。 FreeRTOS內核支持優(yōu)先級調度算法，每個任務可根據(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)先級最高的任務先運行。 FreeRT0S內核同時支持輪換調度算法，系統(tǒng)允許不同的任務使用相同的優(yōu)先級，在沒有更高優(yōu)先級任務就緒的情況下，同一優(yōu)先級的任務共享CPU的使用 時間。

FreeRTOS的內核可根據(jù)用戶需要設置為可剝奪型內核或不可剝奪型內核。當 FreeRTOS被設置為可剝奪型內核時，處于就緒態(tài)的高優(yōu)先級任務能剝奪低優(yōu)先級任務的CPU使用權，這樣可保證系統(tǒng)滿足實時性的要求；當 FreeRTOS被設置為不可剝奪型內核時，處于就緒態(tài)的高優(yōu)先級任務只有等當前運行任務主動釋放CPU的使用權后才能獲得運行，這樣可提高CPU的運行 效率。

FreeRTOS的移植：

FreeRTOS操作系統(tǒng)可以被方便地移植到不同處理器上工作，現(xiàn)已提供了ARM、MSP430、 AVR、PIC、C8051F等多款處理器的移植。FrceRTOS在不同處理器上的移植類似于μC／0S一II，故本文不再詳述FreeRTOS的移 植。此外，TCP／IP協(xié)議棧μIP已被移植到FreeRTOS上，具體代碼可見FreeRTOS網(wǎng)站

FreeRTOS的不足：

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)點也存在不足。其不足之處， 一方面體現(xiàn)在系統(tǒng)的服務功能上，如FreeRTOS只提供了消息隊列和信號量的實現(xiàn)，無法以后進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)內核，需外擴第三方的GUI(圖形用戶界面)、TCP／IP協(xié)議棧、FS(文件系統(tǒng))等才能實現(xiàn)一個較復雜的系統(tǒng)， 不像μC／OS-II可以和μC／GUI、μC／FS、μC／TCP-IP等無縫結合。

5、都江堰操作系統(tǒng)（djyos）

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度核心，這種調度算法使程序員擺脫模擬計算機執(zhí)行過程編寫程序的思維方式，而是按人類認知世界的方式編寫應用程序，就如同在嵌入式編程中引入了VC似的。djyos的調度算法使程序員可以擺脫線程和進程的束縛，djyos沒有有關線程的api，一個完全不懂線程知識的程序員也可以順利地在djyos下編寫應用程序。

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

普通操作系統(tǒng)中，調度是以線程為核心的，事件被作為線程的數(shù)據(jù)，標榜為“事件觸發(fā)”的軟件模型，也是由線程在一旁候著，待特定事件發(fā)生時線程恢復運行并把它作為輸入數(shù)據(jù)加以處理。

以事件為核心的調度，則像設備和內存一樣，把線程虛擬機作為處理事件所需要的資源看待，當某事件需要處理時，分配或者創(chuàng)建一個線程虛擬機給該事件，并啟動該線程虛擬機處理事件。

djysiV0.4.2發(fā)布，增加stm32版本的支持，能夠移植到cortex-m3 上（芯片為 stm32f103 ）。該系統(tǒng)適合于工業(yè)控制。系統(tǒng)源代碼開放，但并不是永久免費。

由上所述，對于stm32f103來說，移植μC／OS-II、eCos、FreeRTOS、都江堰操作系統(tǒng)是合適的。