引 言

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uClinux操作系统是两种性能优良、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。

两种嵌入式操作系统主要性能比较：

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。

1.系统结构

μC/OS-II的组成部分：

μC/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。

1) 核心部分(OSCore.c)

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。

2) 任务处理部分(OSTask.c)

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μC/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。

3) 时钟部分(OSTime.c)

μC/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。

4) 任务同步和通信部分

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。

5) 与CPU的接口部分

是指μC/OS-II针对所使用的CPU的移植部分。由于μC/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。

uClinux内核结构如图1所示：

图1

图1代表了内核的功能结构，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

2.任务调度

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。

任务调度将在以下情况下发生：

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。

3.内存管理

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。

4.移植

要使?C/OS-Ⅱ正常运行，处理器必须满足以下要求：

1. 处理器的C编译器能产生可重入代码。

2. 用C语言就可以打开和关闭中断。

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)。

4. 处理器支持能够容纳一定量数据(可能是几千字节)的硬件堆栈。

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。

uClinux的移植大致可以分为3个层次：

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。

5.结束语

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。