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- UID
- 1029342
- 性别
- 男
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2．3 内存管理
内存管理主要包括：内存分配原则，存储保护和内存分配方式。
2.3.1 内存分配原则
内存分配原则包括快速性、可靠性和高效性。其中，快速性要求内存分配过程要尽可能快，所以一般采用简单、快速的分配算法；可靠性指的是内存分配的请求必须得到满足；系统强调高效性的要求，不仅仅是对系统成本的要求，而且由于系统本身可配置的内存容量也是很有限的，所以要尽可能地避免浪费。
2.3.2 存储保护
通常在操作系统的内存中既有系统程序也有用户程序，为了使两者都能正常运行，避免程序间相互干扰，需要对内存中的程序和数据进行保护。存储保护通常需要硬件支持，在很多系统中都采用MMU，并结合软件实现；但由于嵌入式系统的成本限制内核和用户程序通常都在相同的内存空间中。
2.3.3 内存分配方式
内存分配方式可分为静态分配和动态分配。静态分配是在程序运行前一次性分配给相应内存，并且在程序运行期间中不允许再申请或在内存中移动；动态分配则允许在程序运行整个过程中进行内存分配。静态分配使系统失去了灵活性，但对于实时性要求比较高的系统是必需的；而动态分配赋予了系统设计者更多自主性，可以灵活地调整系统的功能。
VxWorks对内存的使用采用的是Flat Mode，可被静态或动态链接。VxWorks为用户提供了两种内存区域Region和Partition。Region是变长的内存区，用户可以从创建的Region中分配Segment，其特点是容易产生碎片，但灵活并且不浪费；Partition是定长的内存区，用户可以从刨建的Partition中分配Buffer，其特点是不会产生碎片，技率高但是易浪费。VxWorks采用最先算法分配内存。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太小可以不同。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。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。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。通过两种内存池类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VxWorb的管理方案。表3为4种操作系统内存管理的比较。
2.4 中断管理
中断管理是实时系统中一个很重要的部分，系统经常通过中断与外部事件交互。主要考虑是否支持中断嵌套、中断处理机制、中断延时等。
(1)VxWorks的中断管理
VxWorks操作系统中断管理采用中断处理与普通任务分别在不同栈中处理的中断处理机制，使得中断只会引发一些关键寄存器的存储，而不会导致任务的上下文切换，从而极大地缩短了中断延时。同时，VxWorks的中断处理程序只能在最短时间内通告中断的发生，而将其他的非实时处理尽量放入被引发的中断服务程序中来完成，这也缩短了中断延时。但是凼为中断服务程序不在一个固定的仟务上下文中执行，而目没有任务控制块，所以所有中断服务程序使用相同的中断堆栈。为了能处理最坏情况下的中断嵌套，必须分配足够大的中断堆栈空间。
(2)μC／OS-II的中断管理
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。
(3) μClinux的中断管理
μClinux操作系统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。
(4)eCos的中断管理
eCos使用了分层式中断处理机制，把中断处理分为传统的ISR和滞后中断服务程序DSR。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处理。
2.5 文件系统
所谓“文件系统”是指负责存取和管理文件信息的机构，也可以说是负贵文件的建立、撤销、组织、读写、修改、复制，以及对文件管理所需的其他资源实施管理的软件部分。VxWorks操作系统在文件系统与设备驱动程序之间使用一种标准的I/O口操作接口，且支持MS-DOS、RT-11、RFS、CD-ROM、RAW等文件系统。这样，在单个VxWorks操作系统中可以运行多个相同或不同种类的文件系统。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。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。eCos操作系统的可配置性非常强大，用户可以自己加入所需的文件系统。
2.6 对硬件的支持
VxWorks、μC／OS-II、μClinux和eCos这4种操作系统都支持当前流行的大部分嵌入式CPU。μC／OS-II支持从8位到32位的CPU，VxWorks、μClinux和eCos可以在16位、32位和64位等不同体系结构之间移植。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；而μC／OSII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2 KB和10 KB，所需的最小数据RAM空间分别为4 KB和10 KB。总的来说，4种系统对硬件的要求比较低，比较经济。具体比较如表4所列。
2.7 系统移植
嵌入式操作系统移植的目的是使嵌入式操作系统能在某个微处理器或微控制器上运行。4种系统中VxWorks是商用操作系统的有很多API函数及相关技术支持，所以移植和二次开发比较容易，但是移植成本较高。其他3种系统的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也是可能的。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了。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，目标处理器除了应满足μC／OS-II移植所需的条件外，还需要足够容量的外部ROM和RAM。eCos系统的可移植性明显比μC／OS-II和μClinux好。在eCos系统中，每个硬件平台都有一个单独的目录，用于存放引对这一硬件平台的硬件抽象层的代码和配置信息；而μClinux的硬件抽象层的代码则分布在好几个目录中，通过命令来选择不同硬件平台的代码。所以，修改eCos代码相对简单，移植也相对容易。
结论
这4种嵌入式实时操作系统在嵌入式系统的应用非常广泛，但是又具有各自的特点。根据上述比较，归纳出各自的适用领域。
①VxWorks是一套娄似于Unix的实时操作系统，它内建了符合POSIX规范的内存管理，以及多处理器控制程序，并且具有简明易懂的用户接口，在核心方面甚至可以微缩到8 KB。它由400多个相对独立的、短小精悍的目标模块组成，用户可根据需要选择适当模块来裁剪和配置系统，有效地保证了系统的安全性和可靠性。它被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高尖技术及实时性要求极高的领域，尤其是在许多关键应用方面，VxWorks还是一枝独秀。例如，美国波音公司就在其最新的787客机中采用了此操作系统；而在外层空间探索领域，VxWorks则一直是美国太空总署NASA的最爱。
②μC／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，适合于广大的嵌入式系统开发人员和爱好者入门学习，以及高校教学和科研。μC／OSII很适合开发那些对系统要求不是很苛刻，且RAM和ROM有限的各种小型嵌入式系统设备。
③μClinux最大特点在于针对无MMU处理器设计，可以利用功能强大的Linux资源，因此适合开发对事件要求不高的小容量、低成本的各类产品，特别适用于开发与网络应用密切相关的嵌入式设备或者PDA设备。例如，CISCO公司的2500／3000／4000路由器就是基于μClinux操作系统开发的。
④eCos最大特点是配置灵活，而月是面向深度嵌入 式应用的，很适合用于一些商业级或工业级对成本敏感的嵌入式系统,例如消费电子类领域中的一些应用。 |
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