UC/OS和uClinux的比较 + μC/OS-II与eCos的比较

UC/OS和uClinux的比较 + μC/OS-II与eCos的比较

 

UC/OS和uClinux的比较

引言

随着现代计算机技术的飞速发展和互联网技术的广泛应用，从PC时代过渡到了以个人数字助理、手持个人电脑和信息家电为代表的3C（计算机、通信、消费电子）一体的后PC时代。后PC时代里，嵌入式系统扮演了越来越重要的角色，被广泛应用于信息电器、移动设备、网络设备和工控仿真等领域。

嵌入式系统是以嵌入式计算机为核心，面向用户、面向产品、面向应用，软硬件可裁减的，适用于对功能、可靠性、体积、成本、功耗等综合性能有严格要求的计算机系统。随着嵌入式系统的广泛应用，传统的前/后台程序开发机制已经不能满足日益复杂和荷记得的实现要求，因而现场常常采用嵌入式产时操作系统PROS（Real Time Operation System）开发实时多任务系统。嵌入式实时操作系统一般可以提供多任务的任务调度、时间管理、任务间通信和同步以及内存管理MMU（Memory Manager Unit）等重要服务，使得嵌入式应用程序易于设计和扩展。采用RTOS可以使嵌入式产品更可靠、开发周期更短。在嵌入式应用中使用RTOS已经成为当前嵌入式应用的一个热点。

完成简单功能的嵌入式系统一般不需要操作系统。如，以前许多MCS51系列单片机组成的小系统就只是利用软件实现简单的控制环路；但是随着所谓后PC时代的来临，嵌入式系统设计日趋复杂，嵌入式操作系统就必不可少了。

嵌入式RTOS在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专业性等方面具有较为突出的优势。一般而言，嵌入式操作系统不同于一般意义的计算机操作系统，它有占用空间小、执行效率高、方便进行个性化定制和软件要求固化存储等特点。

从20世纪80年代起，国际上就有一些IT组织、公司，开始进行商用嵌入式操作系统和专用操作系统的研发。这其中涌现了一些著名的嵌入式操作系统，如Microsoft公司的WinCE和WindRiver System公司的VxWorks就分别是非实时和实时嵌入式操作系统的代表。但是商用产品的造价都十分昂贵，用于一般用途会提高产品成本从而失去竞争力。

UC/OS和uClinux操作系统是用两种性能优良、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。

1 两种开源嵌入式操作系统介绍

uC/OS和uClinux操作系统，是当前得到广泛应用的两种免费且公开源码的嵌入式操作系统。UC/OS适合小型控制系统，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点，最小内核可编译至2KB。UClinux则是继承标准Linux的优良特性，针对嵌入式处理器的特点设计的一种操作系统，具有内嵌网络协议、支持多种文件系统，开发者可利用标准Linux先验知识等优势。其编译后目标文件可控制在几百KB量级。

UC/OS是一种免费公开源代码、结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操作系统。其内核提供任务调度与管理、时间管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能。

UClinux是一种优秀的嵌入式Linux版本。uClinux是Micro-Conrol-Linux的缩写。同标准Linux相比，它集成了标准Linux操作系统的稳定性、强大网络功能和出色的文件系统等主要优点。但是由于没有MMU（内存管理单元），其多任务的实现需要一定技巧。

2 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。

进程调度、文件系统支持和系统移植是在嵌入式操作系统实际应用中最常见的问题。下文就从这几个角度入手对uC/OS和uClinux进行分析比较。

2.1 进程调度

任务调度主要是协调任务对计算机系统资源（如内存、I/O设备、CPU）的争夺使用。进程调度又称为CPU调度，其根本任务是按照某种原理为处于就绪状态的进程分析CPU。由于嵌入式系统中内存和I/O设备一般都和CPU同时归属于某进程，所以任务调度和进程调度概念相近，很多场合不加区分。

进程调度可分为“剥夺型调度”和“非剥夺型调度”两种基本方式。所谓“非剥夺型调度”是指：一旦某个进程被调度执行，则该进程一直执行下去直至该进程结束，或由于某种原理自行放弃CPU进入等待状态，才将CPU重新分配给其它进程。所谓“剥夺型调度”是指：一旦就绪状态中出现优先权更高的进程，或者运行的进程已用满了规定的时间片时，便立即剥夺当前进程的运行（将其放回就绪状态），把CPU分配给其它进程。

作为实时操作系统，uC/OS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中最多可以支持64个任务，分别对应优先级0～63，其中0为最高优先级。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。

其最高优先级任务表来实现的。UC/OS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。

UClinux的进程调度沿用了Linux的传统。系统每隔一定时间挂起进程，同时产生快速和周期性的时钟性时中断，并通过调度函数（定时器处理函数）决定进程什么时候拥有它的时间片，然后进行相关进程切换。这是通过父进程调用fork函数生成子进程来实现的。

UClinux系统fork调用完成后，要么子进程代替父进程执行（此时父进程已经休眠），直到子进程调用exit退出；要么调用exec执行一个新的进程，这时产生可执行文件的加载，即使这个进程只是父进程的拷贝，这个过程也不可避免。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由于没有MMU管理存储器，其对内存的访问是直接的，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，各个进程实际上共享一个运行空间。这就需要实现多进程时进行数据保护，也导致了用户程序使用的空间可能占用到系统内核空间。这些问题在编程时都需要多加注意，否则容易导致系统崩溃。

由上述分析可以得知，uC/OS内核是针对实时系统的要求设计实现的，相对简单，可以满足较高的实时性要求；而uClinux则在结构上继承了标准Linux的多任务实现方式，仅针对嵌入式处理器特点进行改良。其要实现实时性效果则需要使系统在实时内核的控制下运行。RT-Linux就是可以实现这一功能的一种实时内核。

2.2 文件系统

所谓文件系统是反映负责存取和管理文件信息的机构，也可以说是负责文件的建立、撤销、组织、读写、修改、复制及对文件管理所需要的资源（如目录表、存储介质等）实施管理的软件部分。

uC/OS是面向中小型嵌入式系统的。如果包含全部功能（信号量、消息邮箱、消息队列及相关函数），编译后的uC/OS内核仅有6～10KB，所以系统本身并没有对文件系统的支持。但是uC/OS具有良好的扩展性能，如果需要的话也可自行加入文件系统的内容。

uClinux则是继承了Linux完善的文件系统性能。其采用的是romfs文件系统。这种文件系统相对于一般的ext2文件系统要求更少的空间。空间的节约来自于两个方面：首先，内核支持romfs文件系统比支持ext2文件系统需要更少的代码；其次，romfs文件系统相对简单，在建立文件系统超级块（superblock）需要更少的存储空间。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采用虚拟ram盘的方法进行处理（ram盘将采用ext2文件系统）。

uClinux还继承了Linux网络操作系统的优势，可以很方便地支持网络文件系统且内嵌TCP/IP协议。这为uClinux开发网络接入设备提供了便利。

由两种操作系统对文件系统的支持可知：在复杂的需要较多文件处理的嵌入式系统中，uClinux是一个不错的选择；而uC/OS则主要适合一些控制系统。

2.3 操作系统的移植

嵌入式操作系统移植的目的是指使操作系统能在某个微处理器或微控制器上运行。UC/OS和uClinux都是源码公开的操作系统，且其结构化设计便于把与处理器相关的部分分离出来，所以被移植到新的处理器上是可能的。以下对两种系统的移植分别予以说明。

（1）uC/OS的移植

要移植uC/OS，目标处理器必须满足以下要求：

*处理器的C编译器能产生可重入代码，且用C语言就可以打开和关闭中断；

*处理器支持中断，并能产生定时中断；

*处理器支持足够的RAM（几KB），作为多任务环境下的任务堆栈；

*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。

在理解了处理器和C编译器的技术细节后，uC/OS的移植只需要修改与处理器相关的代码就可以了。具体有如下内容：

*OS_CPU.H中需要设置一个常量来标识堆栈增长方向；

*OS_CPU.H中需要声明几个用于开关中断和任务切换的宏；

*OS_CPU.H中需要针对具体处理器的字长重新定义一系列数据类型；

*OS_CPU_A.ASM需要改写4个汇编语言的函数；

*OS_CPU_C.C需要用C语言编写6个简单函数；

*修改主头文件INCLUDE.H，将上面的三个文件和其它的头文件加入。

（2）uClinux的移植

其实，uClinux是Linux针对嵌入式系统的一种改良，其结构比较复杂；相对uC/OS,uClinux的移植也复杂得多。一般而言，要移植uClinux，目标处理器除了应满足上述uC/OS应满足的条件外，还需要具有足够容量（几百KB以上）外部ROM和RAM。

uClinux的移植大致可以分为3个层次。

*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、内核映射的维护、任务上下文和初始化过程都是独特的。这些例行程序位于lunux/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。

*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的m68k内核的。此时的移植需要创建的linux/arch/m68knommu/platform/MC68EZ328目录下，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。

*极级移植。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和键接描述文档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。

结语

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。例如，CISCO公司的2500/3000/4000路由器就是基于uClinux操作系统开发的。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。

 

μC/OS-II与eCos的比较

摘要：叙述嵌入式系统和嵌入式操作系统的概念，简述嵌入式实时系统的发展阶段。重点介绍μC/OS-II和eCos的发展历史，并且对μC/OS-II与eCos进行比较，为大家在选择嵌入式操作系统时提供参考。 

       关键词：嵌入式操作系统 RTOS μC/OS-II eCos

1 背景 

       随着计算机技术的迅速发展和芯片制造工艺的不断进步，嵌入式系统的应用日益广泛：从民用的电视、手机等电路设备到军用的飞机、坦克等武器系统，到处都有嵌入式系统的身影。在嵌入式系统的应用开发中，采和嵌入式实时操作系统（简称RTOS）能够支持多任务，使得程序开发更加容易，便于维护，同时能够提高系统的稳定性和可靠性。这已逐渐成为嵌入式系统开发的一个发展方向。

2 嵌入式操作系统概述 

       嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件。它是嵌入式系统（包括硬、软件系统）极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器Browser等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、标准设备驱动程序以及工具集等。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 

       嵌入式系统的出现至今已经有30多年的历史。纵观嵌入式技术的发展过程，大致经历了四个阶段。

（1）无操作系统的嵌入式算法阶段 

       这一阶段的嵌入式系统是以单芯片为核心的系统，具有与一些监测、伺服、指示设备相配合的功能。一般没有明显的操作系统支持，而是通过汇编语言编程对系统进行直接控制。主要特点是系统结构和功能都相对单一，针对性强，无操作系统支持，几乎没有用户接口。

（2）简单监控式的实时操作系统阶段 

       这一阶段的嵌入式系统主要以嵌入式式器为基础、以简单监控式操作系统为核心。系统的特点是：处理器种类繁多，通用性比较弱；开销小，效率高；一般配备系统仿真器，具有一定的兼容性和扩展性；用户界面不够友好，主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。

（3）通用的嵌入式实时操作系统阶段 

       以通用型嵌入式实时操作系统为标志的嵌入式系统，如VxWorks、pSos、Windows CE就是这一阶段的典型代表。这一阶段嵌入式系统的特点是：能运行在各种不同的微处理器上；具有强大的能用型操作系统的功能，如具备了文件和目录管理、多任务、设备驱动支持、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有丰富的API和嵌入式应用软件。

（4）以Internet为标志的嵌入式系统 

       伴随着通用型嵌入式实时操作系统的发展，面向Internet网络和特定应用的嵌入式操作系统正日益引起人们的重视，成为重要的发展方向。嵌入式系统与Internet的真正结合、嵌入式操作系统与应用设备的无缝结合代表着嵌入式操作系统发展的未来。

3 两种源码开放的RTOS 

       嵌入式实时操作系统有很多，如VxWorks、PalmOS、WindowsCE等。这些操作系统均属于商品化产品，价格昂贵且由于源泉代码不公开导致了诸如对设备的支持、应用软件的移植等一系列的问题；而开放源码的RTOS在成本和技术上有其特有的优势，在RTOS领域占有越来越重要的地位，本文将介绍μC/OS-II和eCos两种优秀的源码公开的实时操作系统，通过对它们各自的特点和性能进行分析和比较，给出相关的数据，为选择一种合适的RTOS提供参考。

3．1 μC/OS-II 

       μC/OS-II的前射是μC/OS，最早出自于1992年美国嵌入式系统专家Jean J.Labrosse在《嵌入式系统编程》杂志的5月和6月刊上刊登的文章连载，并把μC/OS的源码发布在该杂志的BBS上。当时就有500多人下载了这份源码。世界上数以千计的工程技术人员将μC/OS应用到了各个领域，如照相机业、发动机控制、网络接入设备、高速公路电话系统、ATM机和工业机器人等。许多大学用μC/OS作教材，用于实时系统教学。1998年，作者决定出版μC/OS的第二本书《μC/OS-II The Real Time Kernel》，并设立了正式的网站：www. ΜC/OS-II.com，给μC/OS-II增加了一些新的功能，并且增加了约200页的解释。 

       μC/OS和μC/OS-II是专门为计算机的嵌入式应用设计的，绝大部分代码是用C语言编写的。CPU硬件相关部分是用汇编语言编写的、总量约200行的汇编语言部分被压缩到最低限度，为的是便于移植到任何一种其它的CPU上。许多移植的范例可以从网站上得到。用户只要有标准的ANSI的C交叉编译器，有汇编器、连接器等软件工具，就可以将μC/OS嵌入到开发的产品中。 

       μC/OS具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性能等特点，最小内核可编译至2KB。μC/OS-II已经移植到了几乎所有知名的CPU上。

3．2 eCos 

       eCos(embedded Configurable operating system)，即嵌入式可配置操作系统，最初起源于美国的Cygnus Solutions公司。Cygnus公司于1998年11月发布了第一个eCos版本eCos1.1，当时只支持有限的几种处理器结构。1999年11月，RedHat公司以6.74亿美元收购了Cygnus公司。在此后的几年里，eCos成为其嵌入式领域的关键产品，得到了迅速的发展。2002年，RedHat公司由于财务方面的原因，裁剪了eCos开发队伍，但并没有停止eCos的发展。RedHat公司随后宣称将继续支持eCos的发展，而由原eCos主要开发人员组建了eCos Centric公司，并于2003年5月正式发布了eCos2.0。 

       虽然eCos是RedHat的产品，但是eCos并不是Linux或Linux的派生，eCos弥补了Linux在嵌入式应用领域的不足。目前，一个最小配置的Linux内核大概有500KB，需要占用1.5MB的内存空间，这还不包括应用程序和其它所需的服务；eCos可以提供实时嵌入式应用所需的基本运行基件，而只占用几十KB或几百KB的内存空间。eCOS是一个源码开放的可配置、可移植、无版税、面向深嵌入式应用的实时操作系统。从eCOS的名称可以看出，它最大的特点在于它是一个配置灵活的系统。ECOS的核心部分是由不同的组件组成的，包括内核、C语言库和底层运行包等。每个组件以能提供大量的可配置选项，利用eCOS提供的配置工具可以很方便地进行配置。通过不同的配置使得eCOS能够满足不同的嵌入式应用。

4 μC/OS-II与eCOS的比较 

       对于以上两种源泉码公开的实时操作系统，我们主要从以下几个方面进行比较。通过比较，能够为大家选择适合自己系统的RTOS提供参考。

4．1 内核调度机制 

       RTOS内核的核心是调度器。当系统包含多个任务或多个线程时，必须使用调度器来决定当前执行哪一个任务或线程。调度器对线程的运行进行控制，并为线程提供一种同步机制。表1列出了这两种RTOS调度器（调度机制）的比较。

表1 调度器比较

		调度方法	同优先级调度	优先级数/个	任务数量/个
uC/OS-II		固定 优先级 抢占式	无	64 （8个保留）	56
eCos	位图	优先级 抢占式	无	32	32
	多级队列	优先级 抢占式	有	32	无限
	奖券	奖券法目前在测试中

       μC/OS只支持固定优先级抢占式，不支持时间片轮转调度，调度方法简单、实时性好，用法也简单；eCOS调度方法丰富，适应性好。当然，目前的eCOS只允许在其目标系统中使用一个单独的调度器，未来的版本将可以允许多个调度器协同工作。

4．2 任务间同步、通信机制 

       RTOS的功能一般要通过若干任务和中断服务程序共同完成，任务与任务之间、任务与中断服务程序之间必须协调动作，互相配合，这就牵涉到任务间的同步与通信问题。表2为这两种操作系统同步与通信机制的比较。

表2 同步与通信机制的比较

	uC/OS-II	eCos
同步与通信机制	信号量、邮箱、消息队列	互斥、条件变量、计数型信号量、邮箱和事件标志

4．3 任务切换时间和中断延迟时间 

       任务切换时间和中断延迟时间是评估RTOS性能的两个重要指标。任务切换时间可以反映出RTOS执行任务的速度，而中断延迟时间可以反映出RTOS对外界变化的反应速度。表3为这两种操作系统任务切换时间和中断延迟时间的比较。

表3 任务切换时间和中断延迟时间的比较

	任务切换时间/us	中断延迟时间/μs	测试环境
μC/OS-II	29.7～34.2	78.8	Intel80186(33MHz)
eCos	15.84	19.2	MPC860A3(33MHz)

4．4 对硬件的支持 

       μC/OS-II和eCOS支持当前流行的大部分嵌入式CPU，都具有很好的可移植特性。μC/OS-II支持从8位到32位的CPU；而eCOS可以在16位、32位和64位等不同体系结构之间移植。μC/OS-II和eCOS由于本身内核就很小，经过裁剪后的代码最小可以分别为小于2KB和10KB，所需的最小数据RAM空间可以为4KB和10KB，因此它们对硬件的要求很低，具有极高的经济性。

结语 

       通过比较可以看到：μC/OS-II相对eCOS来说，源代码最小很多，特别适合学习和研究。它最大的特点是小巧，适合应用在一些RAM和ROM有限的小型嵌入式系统中，如单片机系统。ECOS最大的特点是配置灵活，适合于用在一些商业级或工业级的嵌入式系统，如一些消费电子、汽车领域等等。总之，选用什么样的操作系统，要根据目标系统的硬件条件和用户应用程序的复杂度来确定。