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基于STM平台且满足实时控制要求操作系统,有以下5种可供移植选择。分别为μClinux、μC/OS-II、eCos、FreeRTOS和rt-thread。下面分别介绍这五种嵌入式操作系统的特点及不足,通过对比,读者可以根据自己的应用需求选择合适的平台。

本文引用地址: http://embed.21ic.com/hardware/drivers/201801/50540.html

TOP1:μClinux

μClinux是一种优秀的嵌入式Linux版本,其全称为micro-control Linux,从字面意思看是指微控制Linux。同标准的Linux相比,μClinux的内核非常小,但是它仍然继承了Linux操作系统的主要特性,包括良好的稳定性和移植性、强大的网络功能、出色的文件系统支持、标准丰富的API,以及TCP/IP网络协议等。因为没有MMU内存管理单元,所以其多任务的实现需要一定技巧。

μClinux在结构上继承了标准Linux的多任务实现方式,分为实时进程和普通进程,分别采用先来先服务和时间片轮转调度,仅针对中低档嵌入式CPU特点进行改良,且不支持内核抢占,实时性一般。

在内存管理上由于μClinux是针对没有MMU的处理器设计的,不能使用处理器的虚拟内存管理技术,只能采用实存储器管理策略。系统使用分页内存分配方式,在启动时对实际存储器进行分页。系统对内存的访问是直接的,操作系统对内存空间没有保护,多个进程可共享一个运行空间,所以,即使是一个无特权进程调用一个无效指针也会触发一个地址错误,并有可能引起程序崩溃甚至系统崩溃。

μClinux操作系统的中断管理是将中断处理分为两部分:顶半处理和底半处理。在顶半处理中,必须关中断运行,且仅进行必要的、非常少、速度快的处理,其他处理交给底半处理;底半处理执行那些复杂、耗时的处理,而且接受中断。因为系统中存在有许多中断的底半处理,所以会引起系统中断处理的延时。

μClinux对文件系统支持良好,由于μClinux继承了Linux完善的文件系统性能,它支持ROMFS、NFS、ext2、MS-DOS、JFFS等文件系统。但一般采用ROMFS文件系统,这种文件系统相对于一般的文件系统(如ext2)占用更少的空间。但是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须采用虚拟RAM盘/JFFS的方法进行处理。

在对硬件的支持上,由于μClinux继承了Linux的大部分性能,所以至少需要512KB的RAM空间,lMB的ROM/Flash空间。

在μClinux的移植方面,μClinux是Linux针对嵌入式系统的一种改良,其结构比较复杂。移植μClinux,目标处理器除了需要修改与处理器相关的代码外,还需要足够容量的外部ROM和RAM。

点评:μClinux最大特点在于针对无MMU处理器设计,这对于没有MMU功能的stm32f103来说是合适的,但移植此系统需要至少512KB的RAM空间,1MB的ROM/FLASH空间,而stmf103拥有256K的FLASH,需要外接存储器,这就增加了硬件设计的成本。μClinux结构复杂,移植相对困难,内核也较大,其实时性也差一些,若开发的嵌入式产品注重文件系统和与网络应用则μClinux是一个不错的选择。

TOP2:μC/OS-II

μC/OS-II是在μC/OS的基础上发展起来的,是用C语言编写的一个结构小巧、抢占式的多任务实时内核。μC/OS-II能管理64个任务,并提供任务调度与管理、内存管理、任务间同步与通信、时间管理和中断服务等功能,具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和扩展性强等特点。

对于实时性的满足上,由于μC/OS-II内核是针对实时系统的要求设计实现的,所以只支持基于固定优先级抢占式调度;调度方法简单,可以满足较高的实时性要求。

在内存管理上,μC/OS-II把连续的大块内存按分区来管理,每个分区中都包含整数个大小相同的内存块,但不同分区之间内存的大小可以不同。用户动态分配内存时,只须选择一个适当的分区,按块来分配内存,释放时将该块放回到以前所属的分区,这样就消除了因多次动态分配和释放内存所引起的碎片问题。

μC/OS-II中断处理比较简单。一个中断向量上只能挂一个中断服务子程序ISR,而且用户代码必须都在ISR(中断服务程序)中完成。ISR需要做的事情越多,中断延时也就越长,内核所能支持的最大嵌套深度为255。

在文件系统的支持方面,由于μC/OS-II是面向中小型嵌入式系统的,即使包含全部功能,编译后内核也不到10 KB,所以系统本身并没有提供对文件系统的支持。但是μC/OS-II具有良好的扩展性能,如果需要也可自行加入文件系统的内容。

在对硬件的支持上,μC/OS-II能够支持当前流行的大部分CPU,μC/OS-II由于本身内核就很小,经过裁剪后的代码最小可以为2KB,所需的最小数据RAM空间为4 KB,μC/OS-II的移植相对比较简单,只需要修改与处理器相关的代码就可以。

点评:μC/OS-II是一个结构简单、功能完备和实时性很强的嵌入式操作系统内核,针对于没有MMU功能的CPU,它是非常合适的。它需要很少的内核代码空间和数据存储空间,拥有良好的实时性,良好的可扩展性能,并且是开源的,网上拥有很多的资料和实例,所以很适合向stm32f103这款CPU上移植。

TOP3:eCos

eCos(embedded Configurable operating system),即嵌入式可配置操作系统。它是一个源代码开放的可配置、可移植、面向深度嵌入式应用的实时操作系统。最大特点是配置灵活,采用模块化设计,核心部分由小同的组件构成,包括内核、C语言库和底层运行包等。每个组件可提供大量的配置选项(实时内核也可作为可选配置),使用eCos提供的配置工具可以很方便地配置,并通过不同的配置使得eCos能够满足不同的嵌入式应用要求。

在实时性反面,由于eCos调度方法丰富,提供了两种基于优先级的调度器(即位图调度器和多级队列调度器),允许用户在进行配置时选择其中一个调度器,适应性好。因此在实时性方面表现良好。

在内存管理上eCos对内存分配既不分段也不分页,而是采用一种基于内存池的动态内存分配机制。通过两种内存池来实现两种内存管理方法:一种是变长的内存池;另一种是定长的内存池,类似于VxWorks的管理方案。

在中断管理上eCos使用了分层式中断处理机制,把中断处理分为传统的ISR(中断服务程序)和滞后中断服务程序DSR(递延服务程序)。类似于μClinux的处理机制,这种机制可以在中断允许时运行DSR,因此在处理较低优先级中断时允许高优先级的中断和处理。为了极大地缩短中断延时,ISR应当可以快速运行。如果中断引起的服务量少,则ISR可以单独处理中断;如果中断服务复杂,则ISR只屏蔽中断源,然后交由DSR(递延服务程序)处理。

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