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【参考】盘点uC/OS和uClinux操作系统的对比

【参考】盘点uC/OS和uClinux操作系统的对比

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。
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。
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