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嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式計算機為核心，面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用，軟硬件可裁減的，適用于對功能、可靠性、體積、成本、功耗等綜合性能有嚴格要求的計算機系統(tǒng)。隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的前/后臺程序開發(fā)機制已經(jīng)不能滿足日益復(fù)雜和荷記得的實現(xiàn)要求，因而現(xiàn)場常常采用嵌入式產(chǎn)時操作系統(tǒng)PROS（Real Time Operation System）開發(fā)實時多任務(wù)系統(tǒng)。嵌入式實時操作系統(tǒng)一般可以提供多任務(wù)的任務(wù)調(diào)度、時間管理、任務(wù)間通信和同步以及內(nèi)存管理MMU（Memory Manager Unit）等重要服務(wù)，使得嵌入式應(yīng)用程序易于設(shè)計和擴展。采用RTOS可以使嵌入式產(chǎn)品更可靠、開發(fā)周期更短。在嵌入式應(yīng)用中使用RTOS已經(jīng)成為當前嵌入式應(yīng)用的一個熱點。
完成簡單功能的嵌入式系統(tǒng)一般不需要操作系統(tǒng)。如，以前許多MCS51系列單片機組成的小系統(tǒng)就只是利用軟件實現(xiàn)簡單的控制環(huán)路；但是隨著所謂后PC時代的來臨，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計日趨復(fù)雜，嵌入式操作系統(tǒng)就必不可少了。
嵌入式RTOS在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固化以及應(yīng)用的專業(yè)性等方面具有較為突出的優(yōu)勢。一般而言，嵌入式操作系統(tǒng)不同于一般意義的計算機操作系統(tǒng)，它有占用空間小、執(zhí)行效率高、方便進行個性化定制和軟件要求固化存儲等特點。
UC/OS和uClinux操作系統(tǒng)是用兩種性能優(yōu)良、源碼公開且被廣泛應(yīng)用的免費嵌入式操作系統(tǒng)，可以作為研究實時操作系統(tǒng)和非實時操作系統(tǒng)的典范。
uC/OS
uC/OS II（Micro Control Operation System Two）是一個可以基于ROM運行的、可裁減的、搶占式、實時多任務(wù)內(nèi)核，具有高度可移植性，特別適合于微處理器和控制器，是和很多商業(yè)操作系統(tǒng)性能相當?shù)膶崟r操作系統(tǒng)（RTOS）。為了提供最好的移植性能，uC/OS II最大程度上使用ANSI C語言進行開發(fā)，并且已經(jīng)移植到近40多種處理器體系上，涵蓋了從8位到64位各種CPU（包括DSP）。
uC/OS II可以簡單的視為一個多任務(wù)調(diào)度器，在這個任務(wù)調(diào)度器之上完善并添加了和多任務(wù)操作系統(tǒng)相關(guān)的系統(tǒng)服務(wù)，如信號量、郵箱等。其主要特點有公開源代碼，代碼結(jié)構(gòu)清晰、明了，注釋詳盡，組織有條理，可移植性好，可裁剪，可固化。內(nèi)核屬于搶占式，最多可以管理60個任務(wù)。從1992年開始，由于高度可靠性、移植性和安全性，uC/OS II已經(jīng)廣泛使用在從照相機到航空電子產(chǎn)品的各種應(yīng)用中。
μC/OS-II實時多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核被廣泛應(yīng)用于微處理器、微控制器和數(shù)字信號處理器。 μC/OS-II 的前身是μC/OS，最早出自于1992 年美國嵌入式系統(tǒng)專家Jean J.Labrosse 在《嵌入式系統(tǒng)編程》雜志的5 月和6 月刊上刊登的文章連載，并把μC/OS 的源碼發(fā)布在該雜志的BBS 上。
uCLinux
uCLinux表示Micro-Control Linux，即“微控制器領(lǐng)域中的Linux系統(tǒng)”，是Lineo公司的主打產(chǎn)品，同時也是開放源碼的嵌入式Linux的典范之作。uCLinux主要是針對目標處理器沒有存儲管理單元MMU（Memory Management Unit）的嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計的。它已經(jīng)被成功地移植到了很多平臺上。由于沒有MMU，其多任務(wù)的實現(xiàn)需要一定技巧。
uClinux從Linux 2.0/2.4內(nèi)核派生而來，沿襲了Linux的絕大部分特性。它通常用于具有很少內(nèi)存或Flash的嵌入式操作系統(tǒng)。在GNU通用許可證的保證下，運行uClinux操作系統(tǒng)的用戶可以使用幾乎所有的Linux API函數(shù)。由于經(jīng)過了裁剪和優(yōu)化，它形成了一個高度優(yōu)化，代碼緊湊的嵌入式Linux。
它具有體積小、穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對各種文件系統(tǒng)的支持，以及豐富的API函數(shù)等優(yōu)點。uClinux與Linux在兼容性方面表現(xiàn)出色，uClinux除了不能實現(xiàn)fork（）外，其余uClinux的API函數(shù)與標準Linux完全相同。
兩種嵌入式操作系統(tǒng)主要性能比較
嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)軟硬件資源的控制中心，它以盡量合理的有效方法組織多個用戶共享嵌入式系統(tǒng)的各種資源。其中用戶指的是系統(tǒng)程序之上的所有軟件。所謂合理有效的方法，指的就是操作系統(tǒng)如何協(xié)調(diào)并充分利用硬件資源來實現(xiàn)多任務(wù)。復(fù)雜的操作系統(tǒng)都支持文件系統(tǒng)，方便組織文件并易于對其規(guī)范化操作。
嵌入式操作系統(tǒng)還有一個特點就是針對不同的平臺，系統(tǒng)不是直接可用的，一般需要經(jīng)過針對專門平臺的移植操作系統(tǒng)才能正常工作。進程調(diào)度、文件系統(tǒng)支持和系統(tǒng)移植是在嵌入式操作系統(tǒng)實際應(yīng)用中最常見的問題，下文就從這幾個角度入手對uc/os和uclinux進行分析比較。
進程調(diào)度
任務(wù)調(diào)度主要是協(xié)調(diào)任務(wù)對計算機系統(tǒng)內(nèi)資源（如內(nèi)存、i/o設(shè)備、cpu）的爭奪使用。進程調(diào)度又稱為cpu調(diào)度，其根本任務(wù)是按照某種原則為處于就緒狀態(tài)的進程分配cpu。由于嵌入式系統(tǒng)中內(nèi)存和i/o設(shè)備一般都和cpu同時歸屬于某進程，所以任務(wù)調(diào)度和進程調(diào)度概念相近，很多場合不加區(qū)分，下文中提到的任務(wù)其實就是進程的概念。
進程調(diào)度可分為“剝奪型調(diào)度”和“非剝奪型調(diào)度”兩種基本方式。所謂“非剝奪型調(diào)度”是指：一旦某個進程被調(diào)度執(zhí)行，則該進程一直執(zhí)行下去直至該進程結(jié)束，或由于某種原因自行放棄cpu進入等待狀態(tài)，才將cpu重新分配給其他進程。所謂“剝奪型調(diào)度”是指：一旦就緒狀態(tài)中出現(xiàn)優(yōu)先權(quán)更高的進程，或者運行的進程已用滿了規(guī)定的時間片時，便立即剝奪當前進程的運行（將其放回就緒狀態(tài)），把cpu分配給其他進程。
作為實時操作系統(tǒng)，uc/os是采用的可剝奪型實時多任務(wù)內(nèi)核?？蓜儕Z型的實時內(nèi)核在任何時候都運行就緒了的最高優(yōu)先級的任務(wù)。uc/os中最多可以支持64個任務(wù)，分別對應(yīng)優(yōu)先級0~63，其中0為最高優(yōu)先級。調(diào)度工作的內(nèi)容可以分為兩部分：最高優(yōu)先級任務(wù)的尋找和任務(wù)切換。
其最高優(yōu)先級任務(wù)的尋找是通過建立就緒任務(wù)表來實現(xiàn)的。uc/os中的每一個任務(wù)都有獨立的堆棧空間，并有一個稱為任務(wù)控制塊tcb（task control block）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中第一個成員變量就是保存的任務(wù)堆棧指針。任務(wù)調(diào)度模塊首先用變量ostcbhighrdy記錄當前最高級就緒任務(wù)的tcb地址，然后調(diào)用os_task_sw（）函數(shù)來進行任務(wù)切換。
uclinux的進程調(diào)度沿用了linux的傳統(tǒng)，系統(tǒng)每隔一定時間掛起進程，同時系統(tǒng)產(chǎn)生快速和周期性的時鐘計時中斷，并通過調(diào)度函數(shù)（定時器處理函數(shù)）決定進程什么時候擁有它的時間片。然后進行相關(guān)進程切換，這是通過父進程調(diào)用fork函數(shù)生成子進程來實現(xiàn)的。
uclinux系統(tǒng)fork調(diào)用完成后，要么子進程代替父進程執(zhí)行（此時父進程已經(jīng)sleep），直到子進程調(diào)用exit退出；要么調(diào)用exec執(zhí)行一個新的進程，這個時候產(chǎn)生可執(zhí)行文件的加載，即使這個進程只是父進程的拷貝，這個過程也不可避免。當子進程執(zhí)行exit或exec后，子進程使用wakeup把父進程喚醒，使父進程繼續(xù)往下執(zhí)行。
uclinux由于沒有mmu管理存儲器，其對內(nèi)存的訪問是直接的，所有程序中訪問的地址都是實際的物理地址。操作系統(tǒng)隊內(nèi)存空間沒有保護，各個進程實際上共享一個運行空間。這就需要實現(xiàn)多進程時進行數(shù)據(jù)保護，也導(dǎo)致了用戶程序使用的空間可能占用到系統(tǒng)內(nèi)核空間，這些問題在編程時都需要多加注意，否則容易導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。
由上述分析可以得知，uc/os內(nèi)核是針對實時系統(tǒng)的要求設(shè)計實現(xiàn)的，相對簡單，可以滿足較高的實時性要求。而uclinux則在結(jié)構(gòu)上繼承了標準linux的多任務(wù)實現(xiàn)方式，僅針對嵌入式處理器特點進行改良。其要實現(xiàn)實時性效果則需要使系統(tǒng)在實時內(nèi)核的控制下運行，rt-linux就是可以實現(xiàn)這一個功能的一種實時內(nèi)核。
文件系統(tǒng)
所謂文件系統(tǒng)是指負責存取和管理文件信息的機構(gòu)，也可以說是負責文件的建立、撤銷、組織、讀寫、修改、復(fù)制及對文件管理所需要的資源（如目錄表、存儲介質(zhì)等）實施管理的軟件部分。
uc/os是面向中小型嵌入式系統(tǒng)的，如果包含全部功能（信號量、消息郵箱、消息隊列及相關(guān)函數(shù)），編譯后的uc/os內(nèi)核僅有6~10kb，所以系統(tǒng)本身并沒有對文件系統(tǒng)的支持。但是uc/os具有良好的擴展性能，如果需要的話也可自行加入文件系統(tǒng)的內(nèi)容。
uclinux則是繼承了linux完善的文件系統(tǒng)性能。其采用的是romfs文件系統(tǒng)，這種文件系統(tǒng)相對于一般的ext2文件系統(tǒng)要求更少的空間?？臻g的節(jié)約來自于兩個方面，首先內(nèi)核支持romfs文件系統(tǒng)比支持ext2文件系統(tǒng)需要更少的代碼，其次romfs文件系統(tǒng)相對簡單，在建立文件系統(tǒng)超級塊（superblock）需要更少的存儲空間。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)采用虛擬ram盤的方法進行處理（ram盤將采用ext2文件系統(tǒng)）。
uclinux還繼承了linux網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的優(yōu)勢，可以很方便的支持網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)且內(nèi)嵌tcp/ip協(xié)議，這為uclinux開發(fā)網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備提供了便利。
由兩種操作系統(tǒng)對文件系統(tǒng)的支持可知，在復(fù)雜的需要較多文件處理的嵌入式系統(tǒng)中uclinux是一個不錯的選擇。而uc/os則主要適合一些控制系統(tǒng)。
操作系統(tǒng)的移植
嵌入式操作系統(tǒng)移植的目的是指使操作系統(tǒng)能在某個微處理器或微控制器上運行。UC/OS和uClinux都是源碼公開的操作系統(tǒng)，且其結(jié)構(gòu)化設(shè)計便于把與處理器相關(guān)的部分分離出來，所以被移植到新的處理器上是可能的。以下對兩種系統(tǒng)的移植分別予以說明。
?。?）uC/OS的移植
要移植uC/OS，目標處理器必須滿足以下要求：
處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼，且用C語言就可以打開和關(guān)閉中斷；
*處理器支持中斷，并能產(chǎn)生定時中斷；
*處理器支持足夠的RAM（幾KB），作為多任務(wù)環(huán)境下的任務(wù)堆棧；
*處理器有將堆棧指針和其它CPU寄存器讀出和存儲到堆?；騼?nèi)存中的指令。
在理解了處理器和C編譯器的技術(shù)細節(jié)后，uC/OS的移植只需要修改與處理器相關(guān)的代碼就可以了。具體有如下內(nèi)容：
*OS_CPU.H中需要設(shè)置一個常量來標識堆棧增長方向；
*OS_CPU.H中需要聲明幾個用于開關(guān)中斷和任務(wù)切換的宏；
*OS_CPU.H中需要針對具體處理器的字長重新定義一系列數(shù)據(jù)類型；
*OS_CPU_A.ASM需要改寫4個匯編語言的函數(shù)；
*OS_CPU_C.C需要用C語言編寫6個簡單函數(shù)；
*修改主頭文件INCLUDE.H，將上面的三個文件和其它的頭文件加入。
?。?）uClinux的移植其實，
uClinux是Linux針對嵌入式系統(tǒng)的一種改良，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；相對uC/OS，uClinux的移植也復(fù)雜得多。一般而言，要移植uClinux，目標處理器除了應(yīng)滿足上述uC/OS應(yīng)滿足的條件外，還需要具有足夠容量（幾百KB以上）外部ROM和RAM。
uClinux的移植大致可以分為3個層次。
*結(jié)構(gòu)層次的移植。如果待移植處理器的結(jié)構(gòu)不同于任何已經(jīng)支持的處理器結(jié)構(gòu)，則需要修改linux/arch目錄下相關(guān)處理器結(jié)構(gòu)的文件。雖然uClinux內(nèi)核代碼的大部分是獨立于處理器和其體系結(jié)構(gòu)的，但是其最低級的代碼也是特定于各個系統(tǒng)的。這主要表現(xiàn)在它們的中斷處理上下文、內(nèi)核映射的維護、任務(wù)上下文和初始化過程都是獨特的。這些例行程序位于lunux/arch/目錄下。由于Linux所支持體系結(jié)構(gòu)的種類繁多，所以對一個新型的體系，其低級例程可以模仿與其相似的體系例程編寫。
*平臺層次的移植。如果待移植處理器是某種uClinux已支持體系的處理器，則需要在相關(guān)體系結(jié)構(gòu)目錄下建立相應(yīng)目錄并編寫相應(yīng)代碼。如MC68EZ328就是基于無MMU的m68k內(nèi)核的。此時的移植需要創(chuàng)建的linux/arch/m68knommu/platform/MC68EZ328目錄下，并在其下編寫跟蹤程序（實現(xiàn)用戶程序到內(nèi)核函數(shù)的接口等功能）、中斷控制調(diào)度程序和向量初始化程序等。
*板級移植。如果所用處理器已被uClinux支持，就只需要板級移植了。板級移植需要在linux/arch/？platform/中建立一個相應(yīng)板的目錄，再在其中建立相應(yīng)的啟動代碼crt0_rom.s或crt0_ram.s和鍵接描述文檔rom.ld或ram.ld就可以了。板級移植還包括驅(qū)動程序的編寫和環(huán)境變量設(shè)置等內(nèi)容。
結(jié)語
通過對uC/OS和uClinux的比較可以看出，這兩種操作系統(tǒng)在應(yīng)用方面各有優(yōu)劣。uC/OS占用空間少、執(zhí)行效率高、實時性能優(yōu)良，且針對新處理器的移植相對簡單。UClinux則占用空間相對較大，實時性能一般，針對新處理器的移植相對復(fù)雜。但是，uClinux具有對多種文件系統(tǒng)的支持能力、內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議，可以借鑒Linux豐富的資源，對一些復(fù)雜的應(yīng)用，uClinux具有相當優(yōu)勢。例如，CISCO公司的2500/3000/4000路由器就是基于uClinux操作系統(tǒng)開發(fā)的?？傊?，操作系統(tǒng)的選擇是由嵌入式系統(tǒng)的需求決定的。簡單地說就是，小型控制系統(tǒng)可充分利用uC/OS小巧且實時性強的優(yōu)勢；如果開發(fā)PDA和互聯(lián)網(wǎng)連接終端等較和為復(fù)雜的系統(tǒng)，則uClinux是不錯的選擇。
工商網(wǎng)監(jiān)
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