學習STM32,你不得不了解的五大嵌入式操作系統

技術小白

基于STM平臺且滿足實時控制要求操作系統，有以下5種可供移植選擇。分別為μClinux、μC／OS-II、eCos、FreeRTOS和rt-thread。下面分別介紹這五種嵌入式操作系統的特點及不足，通過對比，讀者可以根據自己的應用需求選擇合適的平臺。


TOP1：μClinux

μClinux是一種優秀的嵌入式Linux版本，其全稱為micro-control Linux，從字面意思看是指微控制Linux。同標準的Linux相比，μClinux的內核非常小，但是它仍然繼承了Linux操作系統的主要特性，包括良好的穩定性和移植性、強大的網絡功能、出色的文件系統支持、標準豐富的API，以及TCP／IP網絡協議等。因為沒有MMU內存管理單元，所以其多任務的實現需要一定技巧。

μClinux在結構上繼承了標準Linux的多任務實現方式，分為實時進程和普通進程，分別采用先來先服務和時間片輪轉調度，僅針對中低檔嵌入式CPU特點進行改良，且不支持內核搶占，實時性一般。

在內存管理上由于μClinux是針對沒有MMU的處理器設計的，不能使用處理器的虛擬內存管理技術，只能采用實存儲器管理策略。系統使用分頁內存分配方式，在啟動時對實際存儲器進行分頁。系統對內存的訪問是直接的，操作系統對內存空間沒有保護，多個進程可共享一個運行空間，所以，即使是一個無特權進程調用一個無效指針也會觸發一個地址錯誤，并有可能引起程序崩潰甚至系統崩潰。

μClinux操作系統的中斷管理是將中斷處理分為兩部分：頂半處理和底半處理。在頂半處理中，必須關中斷運行，且僅進行必要的、非常少、速度快的處理，其他處理交給底半處理；底半處理執行那些復雜、耗時的處理，而且接受中斷。因為系統中存在有許多中斷的底半處理，所以會引起系統中斷處理的延時。

μClinux對文件系統支持良好，由于μClinux繼承了Linux完善的文件系統性能，它支持ROMFS、NFS、ext2、MS-DOS、JFFS等文件系統。但一般采用ROMFS文件系統，這種文件系統相對于一般的文件系統(如ext2)占用更少的空間。但是ROMFS文件系統不支持動態擦寫保存，對于系統需要動態保存的數據須采用虛擬RAM盤／JFFS的方法進行處理。

在對硬件的支持上，由于μClinux繼承了Linux的大部分性能，所以至少需要512KB的RAM空間，lMB的ROM／Flash空間。

在μClinux的移植方面，μClinux是Linux針對嵌入式系統的一種改良，其結構比較復雜。移植μClinux，目標處理器除了需要修改與處理器相關的代碼外，還需要足夠容量的外部ROM和RAM。

μClinux最大特點在于針對無MMU處理器設計，這對于沒有MMU功能的stm32f103來說是合適的，但移植此系統需要至少512KB的RAM空間，1MB的ROM/FLASH空間，而stmf103擁有256K的FLASH，需要外接存儲器，這就增加了硬件設計的成本。μClinux結構復雜，移植相對困難，內核也較大，其實時性也差一些，若開發的嵌入式產品注重文件系統和與網絡應用則μClinux是一個不錯的選擇。



TOP2：μC／OS-II

μC／OS-II是在μC/OS的基礎上發展起來的，是用C語言編寫的一個結構小巧、搶占式的多任務實時內核。μC／OS-II能管理64個任務，并提供任務調度與管理、內存管理、任務間同步與通信、時間管理和中斷服務等功能，具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良和擴展性強等特點。

對于實時性的滿足上，由于μC／OS-II內核是針對實時系統的要求設計實現的，所以只支持基于固定優先級搶占式調度；調度方法簡單，可以滿足較高的實時性要求。

在內存管理上，μC/OS-II把連續的大塊內存按分區來管理，每個分區中都包含整數個大小相同的內存塊，但不同分區之間內存的大小可以不同。用戶動態分配內存時，只須選擇一個適當的分區，按塊來分配內存，釋放時將該塊放回到以前所屬的分區，這樣就消除了因多次動態分配和釋放內存所引起的碎片問題。

μC／OS-II中斷處理比較簡單。一個中斷向量上只能掛一個中斷服務子程序ISR，而且用戶代碼必須都在ISR(中斷服務程序)中完成。ISR需要做的事情越多，中斷延時也就越長,內核所能支持的最大嵌套深度為255。

在文件系統的支持方面，由于μC／OS-II是面向中小型嵌入式系統的，即使包含全部功能，編譯后內核也不到10 KB，所以系統本身并沒有提供對文件系統的支持。但是μC/OS-II具有良好的擴展性能，如果需要也可自行加入文件系統的內容。

在對硬件的支持上，μC/OS-II能夠支持當前流行的大部分CPU，μC／OS-II由于本身內核就很小，經過裁剪后的代碼最小可以為2KB，所需的最小數據RAM空間為4 KB，μC／OS-II的移植相對比較簡單，只需要修改與處理器相關的代碼就可以。

μC／OS-II是一個結構簡單、功能完備和實時性很強的嵌入式操作系統內核，針對于沒有MMU功能的CPU，它是非常合適的。它需要很少的內核代碼空間和數據存儲空間，擁有良好的實時性，良好的可擴展性能，并且是開源的，網上擁有很多的資料和實例，所以很適合向stm32f103這款CPU上移植。



TOP3：eCos

eCos(embedded Configurable operating system)，即嵌入式可配置操作系統。它是一個源代碼開放的可配置、可移植、面向深度嵌入式應用的實時操作系統。最大特點是配置靈活，采用模塊化設計，核心部分由小同的組件構成，包括內核、C語言庫和底層運行包等。每個組件可提供大量的配置選項(實時內核也可作為可選配置)，使用eCos提供的配置工具可以很方便地配置，并通過不同的配置使得eCos能夠滿足不同的嵌入式應用要求。

在實時性反面，由于eCos調度方法豐富，提供了兩種基于優先級的調度器(即位圖調度器和多級隊列調度器)，允許用戶在進行配置時選擇其中一個調度器，適應性好。因此在實時性方面表現良好。

在內存管理上eCos對內存分配既不分段也不分頁，而是采用一種基于內存池的動態內存分配機制。通過兩種內存池來實現兩種內存管理方法：一種是變長的內存池；另一種是定長的內存池，類似于VxWorks的管理方案。

在中斷管理上eCos使用了分層式中斷處理機制，把中斷處理分為傳統的ISR（中斷服務程序）和滯后中斷服務程序DSR（遞延服務程序）。類似于μClinux的處理機制，這種機制可以在中斷允許時運行DSR，因此在處理較低優先級中斷時允許高優先級的中斷和處理。為了極大地縮短中斷延時，ISR應當可以快速運行。如果中斷引起的服務量少，則ISR可以單獨處理中斷；如果中斷服務復雜，則ISR只屏蔽中斷源，然后交由DSR（遞延服務程序）處理。

eCos操作系統的可配置性非常強大，用戶可以自己加入所需的文件系統。eCos操作系統同樣支持當前流行的大部分嵌入式CPU，eCos操作系統可以在16位、32位和64位等不同體系結構之間移植。eCos由于本身內核就很小，經過裁剪后的代碼最小可以為10 KB，所需的最小數據RAM空間為10 KB。

在系統移植方面 eCos操作系統的可移植性很好，要比μC／OS-II和μClinux容易。

eCos最大特點是配置靈活，并且支持無MMU的CPU的移植，開源且具有很好的移植性，也比較合適于移植到stm32平臺的CPU上。但eCOS的應用還不是太廣泛，還沒有像μC／OS-II那樣普遍，并且資料也沒有μC／OS-II多。eCos適合用于一些商業級或工業級對成本敏感的嵌入式系統,例如消費電子領域中的一些應用。



TOP4：FreeRTOS

由于RTOS需占用一定的系統資源(尤其是RAM資源)，只有μC／OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS等少數實時操作系統能在小RAM單片機上運行。相對于C／OS-II、 embOS等商業操作系統，FreeRTOS操作系統是完全免費的操作系統，具有源碼公開、可移植、可裁減、調度策略靈活的特點，可以方便地移植到各種單片機上運行，其最新版本為6.0版。

作為一個輕量級的操作系統，FreeRTOS提供的功能包括：任務管理、時間管理、信號量、消息隊列、內存管理、記錄功能等，可基本滿足較小系統的需要。 FreeRTOS內核支持優先級調度算法，每個任務可根據重要程度的不同被賦予一定的優先級，CPU總是讓處于就緒態的、優先級最高的任務先運行。 FreeRT0S內核同時支持輪換調度算法，系統允許不同的任務使用相同的優先級，在沒有更高優先級任務就緒的情況下，同一優先級的任務共享CPU的使用 時間。

FreeRTOS的內核可根據用戶需要設置為可剝奪型內核或不可剝奪型內核。當 FreeRTOS被設置為可剝奪型內核時，處于就緒態的高優先級任務能剝奪低優先級任務的CPU使用權，這樣可保證系統滿足實時性的要求；當 FreeRTOS被設置為不可剝奪型內核時，處于就緒態的高優先級任務只有等當前運行任務主動釋放CPU的使用權后才能獲得運行，這樣可提高CPU的運行 效率。

FreeRTOS的移植：FreeRTOS操作系統可以被方便地移植到不同處理器上工作，現已提供了ARM、MSP430、 AVR、PIC、C8051F等多款處理器的移植。FrceRTOS在不同處理器上的移植類似于μC／0S一II，故本文不再詳述FreeRTOS的移 植。此外，TCP／IP協議棧μIP已被移植到FreeRTOS上，具體代碼可見FreeRTOS網站
相對于常見的μC／OS—II操作系統，FreeRTOS操作系統既有優點也存在不足。

其不足之處， 一方面體現在系統的服務功能上，如FreeRTOS只提供了消息隊列和信號量的實現，無法以后進先出的順序向消息隊列發送消息；另一方 面，FreeRTOS只是一個操作系統內核，需外擴第三方的GUI(圖形用戶界面)、TCP／IP協議棧、FS(文件系統)等才能實現一個較復雜的系統， 不像μC／OS-II可以和μC／GUI、μC／FS、μC／TCP-IP等無縫結合。


TOP5：rt-thread

RT-Thread 是一款主要由中國開源社區主導開發的開源實時操作系統（許可證GPLv2）。實時線程操作系統不僅僅是一個單一的實時操作系統內核，它也是一個完整的應用系統，包含了實時、嵌入式系統相關的各個組件：TCP/IP協議棧，文件系統，libc接口，圖形用戶界面等。

中國人自己開發的，穩定版本是 1.2.1，有希望看完源碼。精簡、靠譜，自帶一個叫做 finsh 的片上調試工具，非常實用。各種信號量、互斥鎖、郵箱、事件等線程協同功能都有。

需要注意的是，rt-thread 2.0 版本的設計思想和 1.2 的完全不同，將會把 linux 納入進來，是的，不是在 linux 里面嵌入 rt-thread，而是把 linux 嵌入到 rt-thread 里面！

rt-thread 的文檔呢，官網是有的，不過，真的是只能作為參考，很明顯是開發人員的事后開發筆記整理的。目前還是只能通過看代碼來理解詳細的使用方式，從文檔和論壇的只言片語里面，是難以還原真相的。rt-thread 的好處就是它的版本還比較小，即便缺乏文檔，也是可以看源碼看下去的。


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