選擇ARM CPU的操作系統

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嵌入式操作系統
     
ARM CPU的軟件基礎
      
從8位/16位單片機發展到以ARM CPU核為代表的32位嵌入式處理器,嵌入式操作系統將替代傳統的由手工編制的監控程序或調度程序,成為重要的基礎組件。更重要的是嵌入式操作系統對應用程序可以起到屏蔽的作用,使應用程序員面向操作系統級開發應用軟件,并易于在不同的ARM核的嵌入式處理器上移植。 嵌入式操作系統都具有一定的實時性,易于裁剪和伸縮,可以適合于從ARM7到Xscale各種ARM CPU和各種檔次的應用,嵌入式操作系統可以使用廣泛流行的ARM開發工具,如ARM公司的SDT/ADS和RealView等,也可以使用開發軟件,如GCC/GDB、KDE或Eclipe開發環境,市場上還有專用的開發工具,如Tornado、mC/View、mC/KA、CODE/Lab、Metr
oworks等。

本文就目前國內在ARM CPU上廣泛采用的三種嵌入式操作系統(mC/OS-II、mCLinux和嵌入式Linux)作分析。
   
mC/OS-II嵌入式實時內核
      
全世界數百種設備已經在使用mC/OS-II,包括手機、路由器、不間斷電源、飛行器、醫療設備和工業控制設備。mC/OS-II已經有ARM7TDMI、ARM9和Strong ARM等各種ARM CPU的移植,支持包含Atmel、Hynix、Intel、Motorola、Philips、Samsung、Sharp等公司的ARM核的CPU。mC/OS-II的移植也相當容易,與CPU相關的代碼包裝在三個文件中,它們是os_cpu.h、os_cpu_a.asm和os_cpu_c.c。
     
mC/OS-II有60多個系統調用,覆蓋任務、定時器、信號量、事件標志、郵箱、隊列和內存管理,已經包含了傳統嵌入式操作系統內核(如PSOS,VRTX)的功能,還支持互斥型信號量,這是90年代的嵌入式操作系統內核,如VxWorks和VRTXsa才有的技術。
      
mC/OS-II因為是可搶占的實時內核,所以μC/OS-II與商業嵌入式實時內核在性能上沒有什么差異,mC/OS-II沒有用戶態和內核態,任務(線程)或中斷和任務切換的響應可以很快,主要是和ARM CPU相關的。最新的2.7x版本還增加了算法以避免在移植中修改堆棧指針,這樣可以保證mC/OS-II在不同的CPU上運行更穩定,移植更方便。mC/OS-II目前除了內核外還有商業化文件系統mC/FS,圖形系統mC/GUI以及任務調試工具mC/KA和mC/View,但是mC/OS-II自己目前還沒有TCP/IP協議系統。
      
總的來說,mC/OS-II是一個非常容易學習,結構簡單,功能完備和實時性很強的嵌入式操作系統內核,適合于各種嵌入式應用以及大專院校教學和科研。最后需要說明,mC/OS-II不是免費軟件,任何人學習使用mC/OS-II需要購買《嵌入式實時操作系統mC/OS-II》一書,使用mC/OS-II的產品需要購買產品生產授權,購買了此授權的還可以得到開發期間的技術支持和升級服務。
     
mCLinux操作系統
      
mCLinux是Linux小型化后,適合于沒有MMU(內存管理單元)的微處理器芯片而裁剪成的操作系統,如果ARM CPU系列中的ARM7 TDMI、ARM940T等產品希望使用Linux操作系統,只能用mCLinux,當然,mCLinux也支持Motorola Dragonball、Coldfire等其它中低端嵌入式處理器。

mCLinux保持了傳統Linux操作系統的主要特性,包括穩定、強大的網絡和文件系統的支持,mCLinux裁剪了大量的Linux內核以縮小尺寸,適合象512k/b RAM、1M/b Flash這樣小容量、低成本的嵌入式系統。mCLinux系統小型化的另一簡化是采用了mCLib庫替代Linux的Glib庫,使用mCLib可以大大減少應用程序的代碼尺寸,對于中小型嵌入式應用,mCLib功能可以滿足需要,所以目前即使是某些采用Linux 2.4內核的嵌入式Linux系統也采用mCLib庫的做法。mCLinux中,由于沒有內存保護機制,應用代碼一般采用靜態連接的方式,而且在mCLinux中采用Flat文件執行格式(Linux是Coff或Elf格式), mCLinux和應用代碼都可以支持固化,存儲在Flash存儲介質中,不需象Linux需要經過一次Flash到RAM的拷貝。所有這些,使得mCLinux更象傳統意義上的嵌入式操作系統。
      
mCLinux是由Linux 2.0.38內核開始移

植的,目前已經有2.4 Linux支持的一些移植的版本,如S3C2500、44B0等ARM芯片,可以在mCLinux的官方網站www.uclinux.org上找到這些版本,mCLinux近期主要是在發展各種2.4.x版本的移植,以期跟上Linux社會主流的發展趨勢(因為今后Linux 2.6將開始成為主流的內核)。
      
mCLinux主要是針對沒有MMU的嵌入式處理器開發設計,那么它也失去了有MMU所帶來的Linux操作系統的特色,比如,上面已經提到的靜態加載(Linux支持動態應用的加載),mCLinux對內存操作是直接的物理內存,這樣,任何程序的異常都可能導致內核崩潰,mCLinux支持多線程,但需要父子線程協調同步,mCLinux的文件系統相對比較陳舊,支持的CPU和參考設計還比較少,社區的發展和維護也相對緩慢。目前mCLinux官方網站還很少看見象IBM、Intel這樣的大型公司身影,只有2~3家小型的硬件或方案提供商,這對于商業化的產品開發中采用是有一定的風險。
   
嵌入式Linux操作系統
      
這里要討論的是可以嵌入在ARM CPU上的,具有MMU功能的Linux操作系統,也可以稱是嵌入式Linux操作系統。與微軟公司的軟件不一樣,Linux不是由一家公司所擁有、維護開發的,Linux在市場有多種發行版本,所有發行版本都包含一樣的Linux內核、基本工具和應用,不同的發行版本主要是在附加的工具鏈、應用、配置以及各種內核補丁上有所不同。嵌入式Linux主要是在實時性增強、內核精簡和裁減、支持多種CPU結構(如ARM CPU)等方面做了改進和提高。
      
使用嵌入式Linux系統有兩種途徑:
      
第一是用戶自己裝配(稱為DIY內核),你可以在www.kernel.org找到全部Linux代碼,或直接到ARM CPU的源代碼樹下www.armlinux.org.uk找到所需要的Linux版本的移植,或者某些半導體公司,如三星、Motorola在自己的網站或在自己的ARM評估板含有一個最小Linux內核系統。如果這個最小內核沒有包含GCC/GDB工具鏈,可能還要到GNU的網站下載全部的源代碼,然后再編譯生成所需要版本的ARM工具鏈和應用程序庫,這個過程是相當耗時和困難的。還需要指出,這種DIY內核的配置,添加應用和驅動程序也是不標準的和復雜的,這是嵌入式系統的特殊性所在。
      
第二是選擇一個商業化的嵌入式Linux操作系統平臺。商業化的嵌入式Linux版本是針對嵌入式處理器,如ARM所優化設計的,支持各種半導體廠家的評估板和主要的設備驅動,商業化的嵌入式Linux包含了文件系統、應用、實時性擴展和技術支持培訓服務,現今國外著名的商業化嵌入式Linux產品有:MontaVista Linux、Bluecat Linux、Timesys Linux、Metrowork Linux、Vlinux和Redhat Linux等,國內也有紅旗、中軟、新華嵌入式Linux。  MontaVista Linux是MontaVista軟件公司于1999年推出的,它是目前全球優秀的嵌入式Linux操作系統和工具供應商,MontaVista在嵌入式Linux的實時性、交叉開發工具、高可用性、動態電源管理等Linux技術要點方面具有領先地位。MontaVista Linux最版本是3.1,采用Linux 2.4.20,針對8種CPU系列(包含ARM和Xscale)優化定制的商業化版本。
      
選擇象MontaVista Linux這樣商業化嵌入式Linux,可以讓用戶把時間和資金放在應用軟件和特定的硬件接口和設備驅動程序,使用商業化嵌入式Linux可以得到一定時間(一般是1年)的技術支持,升級和培訓(這很重要,因為Linux是每天都在變化的)。

       商業化嵌入式Linux目前除國內的產品外,價格還是很昂貴的,根據配置和服務時間,大約從幾千到幾萬美元,多數國內用戶從資金和心理上還很難承受,商業化嵌入式Linux開發工具相對于Microsoft和象Tornado/VxWork的開發工具,在易于使用和豐富性方面還待于提高和改進。
      
同樣作為Linux操作系統,筆者推薦使用帶有MMU的嵌入式Linux,而不是mCLinux,因為絕大多數新的ARM CPU都是AMR9核,它們都帶有MMU了,無論是開放源碼的Linux社區還是商業化的嵌入式Linux公司的支持和維護都比mCLinux要好要快和豐富得多。
  
結語
      
前面我們對三種在ARM CPU上較為流行的嵌入式操作系統作了詳細的分析,在進入一個總結之前,筆者還想提到幾個在國際上很有名氣的嵌入式操作系統,它們是WindRiver公司的VxWorks、ATI的Nucleus、iTron和WinCE,但它們在ARM CPU的應用不多見,介紹從略。 最后歸納一下選擇一個合適的ARM CPU的嵌入式操作系統的幾個重要因素:
      
第一是應用。如果你想開發的嵌入式設備是一個和網絡應用密切相關或者就是一個網絡設備,那么你應該選擇用嵌入式Linux或者mCLinux,而不是mC/OS-II。
      
第二是實時性。沒有一個絕對的數字可以告訴你什么是硬實時,什么是軟實時,它們之間的界限也是十分模糊的,這與你選擇什么樣的ARM CPU,它的主頻、內存等參數有一定的關系。如果你使用加入實時補丁等技術的嵌入式Linux,如MontaVista Linux(2.4.17版本),最壞的情況只有436微秒,而99.9%的情況是195微秒。考慮到最新的Linux在實時性方面的改進。它可以適合于90~95%的各種嵌入式系統應用。當然,你如果希望更快的實時響應,如高速的A/D轉換需要幾個微秒以內的中斷延時,可能采用mC/OS-II是合適的。當然,你采用象Vxworks這樣傳統的嵌入式操作系統也可以滿足這樣的強實時性要求。
      
第三是開發工具。顯然,目前mC/OS-II、mCLinux和嵌入式Linux的開發工具與商業嵌入式操作系統工具還有一些差距,目前在ARM CPU上廣泛流行和使用的是ARM公司SDT/ADS工具鏈,產品無論在功能、穩定性和眾多的第三方廠商支持方面都很好,唯一不足的是缺少對嵌入式Linux操作系統的支持,SDT/ADS的升級產品RealView計劃支持GCC和嵌入式Linux,但目前還沒有看到,mC/OS-II可以使用ARM SDT/ADS,但沒有操作系統調試功能。

第四是所選擇的ARM CPU和參考板,象ARM7TDMI和ARM940T(如S3C2500/2510)核是不能使用嵌入式Linux的,如果想用Linux,只能用mCLinux,如果想用VxWorks,需要了解一下提供評估板的公司是否有BSP(板支持包),VxWorks自己只有少數ARM公司評估板的支持。
      
最后是價格和技術服務。在考慮購買商業嵌入式操作系統時,會遇到是買還是自己做的問題,這是很正常的,尤其是在采用開放源代碼技術時,這個問題就更加突出。有一點需要注意的是,有些產品如VxWorks是既按用戶數收取開發費,也按用戶產品售出的實際數量收取每個VxWorks軟件運行的版稅。mC/OS-II只是收取每種產品一次性版稅(不限數量)。Linux無論是mCLinux還是嵌入式Linux(即使是商業版本象MontaVista Linux)是不收版稅的,商用嵌入式Linux是以服務費或訂閱方式收取開發時的費用。很明顯,國外產品價格是貴一些,但不能不承認他們在嵌入式操作系統的技術已經遠遠走在前方。

參考文獻:

1.李善平,‘Linux與嵌入式系統’,清華大學出版社.
2.王學龍,'嵌入式Linux系統設計與應用',清華大學出版社.
3.馬忠梅,'ARM嵌入式處理器結構與應用基礎',北京航空航天大學出版社.

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