嵌入式实时操作系统μC/OS-II与eCos的比较 计算机技术, 程序开发, 稳定性, 嵌入式, 操作系统

yuyang911220

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。

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关于μC/OS-II系列软件版权的说明
Micrium 公司产品包括μC/OS-II，μC/GUI，uC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB等。Micrium 公司提供嵌入式系统应用方面的产品，并对其软件拥有知识产权。Micrium花费了大量的时间和财力为嵌入式领域提供高质量的软件产品。所有上述产品都以源代码的形式提供给客户，具有极大的适用性。产品不是免费软件，也不是开放源码的软件，因此，不能免费使用，需要清楚的阐明μC/OS-II和系列的软件不是开放源码的免费软件，这是和Linux完全不一样的。
开发和研究者可以通过购买Micrium公司的Jean先生的μC/OS-II的书籍，而得到μC/OS-II源代码,但是仅可以作为个人和学校学习使用，所有和μC/OS-II直接和间接相关的商业目的行为，必须购买使用μC/OS-II及系列产品的商业授权，包括芯片/单板/系统厂家的任何参考设计，教学设备和最终的产品，如果没有得到Micrium公司Jean先生签字的合法授权都是不合法的使用, 这在μC/OS-II的书籍Micrium公司(www.micrium.com)和中国代理商-北京麦克泰软件公司网站（www.bmrtech.com）上面中有明确规定。
Micrium公司其它软件如μC/GUI，μC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB 等的销售模式与μC/OS-II不同，如果没有购买使用授权，完全不可以拥有该源代码，也不能将源代码用于产品的设计，培训，教学和生产。
μC/OS-II, μC/GUI，μC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB 等授权方式有：单个产品、产品线（系列）、按照CPU 划分的产品三种形式，μC/OS-KA，μC/OS-VIEW 等工具是按照使用人的数目收取费用的，相对起传统的RTOS 动辄2-3万美圆的开发费用和每块单板的使用费（根据数量从数百到几个美圆），μC/OS-II及系列产品是采用一次性的收费方式，应该只是大约相当于传统RTOS 的10-20% 的总体费用。