嵌入式實驗室搭建中操作系統(tǒng)的選擇

潘志安

摘要：該文介紹了目前主流的幾種嵌入式操作系統(tǒng)WinCE、VxWorks、μC/OS-Ⅲ、嵌入式Linux，闡述了其特點，并從系統(tǒng)內(nèi)核、技術(shù)支持、開發(fā)難度等方面進(jìn)行了分析與比較，并為高職院校嵌入式實驗室中操作系統(tǒng)的選擇提出了建議。

關(guān)鍵詞：嵌入式操作系統(tǒng)；WinCE；VxWorks；μC/OS-Ⅲ；嵌入式Linux

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）05-0144-02

Choosing Embedded Operating System in the Embedded Lab

PAN Zhi-an

（Information Technology Department， Hubei Polytechnic Institute， Xiaogan 432000， China）

Abstract： In this paper， several mainstream embedded operating systems， i.e.， WinCE， VxWorks， μC/OS-Ⅲ and embedded Linux are introduced. Moreover， by making comparison of the 4 operating systems from many aspects including system core， technical support， development difficulty etc.， this paper provides advice for embedded laboratory to choose the appropriate embedded systems.

Key words： Embedded Operating System； WinCE； VxWorks； μC/OS-Ⅲ； Embedded Linux

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式設(shè)備已經(jīng)滲透到人們工作、生活、娛樂的各個方面。嵌入式設(shè)備的核心——嵌入式操作系統(tǒng)EOS（Embedded Operating System）負(fù)責(zé)嵌入式設(shè)備的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度工作，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動；它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能[1]。目前，市場上較流行的EOS產(chǎn)品有Microsoft公司的WinCE，Wind River System公司的VxWorks，Micrium公司的μC/OS-Ⅲ，以及開源的嵌入式Linux。

2 常見操作系統(tǒng)介紹

2.1 WinCE

WinCE是微軟公司開發(fā)的一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上電腦類的電子設(shè)備操作系統(tǒng)。它擁有多線程、多任務(wù)、確定性的實時、完全搶先式優(yōu)先級的操作系統(tǒng)環(huán)境，專門面向只有有限資源的硬件環(huán)境。WinCE除了具有Windows系統(tǒng)的許多共性外，又具有嵌入式系統(tǒng)所要求的實時性、內(nèi)存小、模塊化、結(jié)構(gòu)化以及與處理器無關(guān)等特點。WinCE的圖形用戶界面相當(dāng)出色，同時Embedded Visual C++給嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序的開發(fā)提供了極大的方便。因此， 利用WinCE開發(fā)嵌入式系統(tǒng)或裝置不僅可以獲得最好的性能，而且能縮短開發(fā)周期和降低技術(shù)風(fēng)險[2]。WinCE的特點有：

1）具有靈活的電源管理功能，包括睡眠/喚醒模式；

2）使用了對象存儲（object store）技術(shù)，包括文件系統(tǒng)、注冊表及數(shù)據(jù)庫。它還具有很多高性能。高效率的操作系統(tǒng)特性，包括按需換頁、共享存儲、交叉處理同步、支持大容量堆（heap）等；

3）擁有良好的通信能力。廣泛支持各種通信硬件，亦支持直接的局域網(wǎng)連接以及撥號連接，并提供與PC、內(nèi)部網(wǎng)以及Internet的連接，還提供與計算機(jī)上Windows系統(tǒng)的最佳集成和通信；

4）支持嵌套中斷。允許更高優(yōu)先級別的中斷首先得到響應(yīng)，而不是等待低級別的ISR完成，以達(dá)到實時性的目的；

5）更好的線程響應(yīng)能力。對高級別IST（中斷服務(wù)線程）的響應(yīng)時間上限的要求更加嚴(yán)格，在線程響應(yīng)能力方面有所改進(jìn)。

6）實時性支持。WinCE擁有256個優(yōu)先級別，可使開發(fā)人員在控制嵌入式系統(tǒng)的時序安排方面有更大的靈活性；

7）WinCE的API是Win32 API的一個子集，支持近1500個Win32 API。

8）內(nèi)核精簡。WinCE的內(nèi)核可以很小，最小內(nèi)核可以不足350kB。

9）模塊化設(shè)計方法。WinCE的模塊化設(shè)計使得它能夠在大量的平臺上定制使用，開發(fā)者可以使用滿足平臺系統(tǒng)需求的最小軟件模塊和組件集合來設(shè)計嵌入式系統(tǒng)平臺，從而使內(nèi)存用量最小并最大可能地提供操作系統(tǒng)的性能[2]。

2.2 VxWorks

VxWorks是美國WindRiver公司于1983年開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)，由于其良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核、友好的用戶開發(fā)環(huán)境、良好的可靠性、卓越的實時性，在嵌入式實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)一席之地，被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通訊、軍事演習(xí)、彈道制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等[3]。VxWorks的特點有：

1）高實時性。VxWorks的實時性非常好，其系統(tǒng)本身的開銷很小，進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信、中斷處理等系統(tǒng)公用程序精練而有效，它們造成的延遲很短[4]。

2）可裁剪性。VxWorks由一個體積很小的內(nèi)核及一些可以根據(jù)需要進(jìn)行定制的系統(tǒng)模塊組成，能使開發(fā)者根據(jù)自己應(yīng)用程序的需要來選擇操作系統(tǒng)中的部件。

3）內(nèi)核精簡。VxWorks內(nèi)核最小為8kB，即便加上其他必要模塊，所占用的空間也很小，且不失其實時、多任務(wù)的系統(tǒng)特征。

4）友好的開發(fā)調(diào)試環(huán)境。VxWorks的開發(fā)環(huán)境Tornado是一個友好的開發(fā)環(huán)境，它可以運(yùn)行在多種主機(jī)上。擁有可視化圖形界面和調(diào)試工具，支持應(yīng)用程序的動態(tài)鏈接和動態(tài)下載。

2.3 μC/OS-Ⅲ

μC/OS-Ⅲ是可升級、具有基于優(yōu)先級的實時內(nèi)核的嵌入式操作系統(tǒng)。它對任務(wù)的個數(shù)無限制，支持現(xiàn)代實時內(nèi)核的大部分功能，如資源管理、同步、任務(wù)間的通信等。μC/OS-Ⅲ 的特點如下：

1）實時性。μC/OS-Ⅲ是基于靜態(tài)優(yōu)先級的搶占式的多任務(wù)處理內(nèi)核，它正在運(yùn)行的經(jīng)常是最緊急的就緒任務(wù)。μC/OS-III采用時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制，即允許多個任務(wù)擁有相同的優(yōu)先級，當(dāng)多個相同優(yōu)先級的任務(wù)就緒且該優(yōu)先級是當(dāng)前最高時，μC/OS-Ⅲ會分配用戶定義的時間片給每個任務(wù)去運(yùn)行。

2）可移植性。μC/OS-Ⅲ的源代碼絕大部分是根據(jù)ANSI-C標(biāo)準(zhǔn)寫的，便于移植到其他微處理器上。

3）可裁剪。有選擇地使用所需的系統(tǒng)服務(wù)，以減少內(nèi)核存儲空間。

4）可確定性。μC/OS-Ⅲ的中斷響應(yīng)時間是可以確定的，提供的大部分服務(wù)的執(zhí)行時間也是可以確定的，不依賴于任務(wù)的多少[5]。

2.4 嵌入式Linux

Linux從1991年問世到現(xiàn)在，已發(fā)展成為一個功能強(qiáng)大、設(shè)計完善的操作系統(tǒng)，不僅能運(yùn)行于 PC平臺，還在嵌入式系統(tǒng)方面大放光芒，這與Linux的良好特性是分不開的[6]。簡單地說，嵌入式Linux操作系統(tǒng)具有以下主要特性：

1）內(nèi)核精簡、性能高、運(yùn)行穩(wěn)定，支持多任務(wù)。

2）適用于不同CPU，支持多種體系結(jié)構(gòu)，如X86、ARM、MIPS、ALPHA，SPARC等。

3）能夠提供完善的嵌入式GUI以及嵌入式X.Wifld.WS。

4）提供嵌入式瀏覽器、郵件程序、MP3 M放器、MPEG播放器、記事本等應(yīng)用程序。

5）提供完整的開發(fā)工具和SDK，同時提供PC上的開發(fā)版本。

6）用戶可定制，可提供圖形化的定制和配置工具。

7）常用嵌入式芯片的驅(qū)動集，支持大量的周邊硬件設(shè)備，驅(qū)動豐富。

8）針對嵌入式的存儲方案，提供實時版本和完善的嵌入式解決方案。

9）完善的中文支持，強(qiáng)大的技術(shù)支持，完整的文檔。

10）開放源碼，豐富的軟件資源，廣泛的軟件開發(fā)者的支持，價格低廉，結(jié)構(gòu)靈活，適用面廣[7]。

3 嵌入式實驗室中操作系統(tǒng)的選擇

3.1 幾種嵌入式系統(tǒng)的比較

根據(jù)上述特點，對這幾種嵌入式操作系統(tǒng)的特性進(jìn)行對比，能更清晰直觀地看出其異同點，對選型使用有更好的參考作用。表1從一系列方面對四種嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行了比較。

3.2 嵌入式教學(xué)實驗室操作系統(tǒng)的選擇

通過以上比較可以看出，總體來說VxWorks、μC/OS-Ⅲ以及嵌入式Linux性能優(yōu)于WinCE。考慮到VxWorks需要支付昂貴的版權(quán)費，嵌入式教學(xué)實驗室使用開源的操作系統(tǒng)（如Linux與μC/OS-Ⅲ）更為合適，考慮到嵌入式Linux在全世界擁有許多愛好者與社區(qū)論壇，對于學(xué)生的學(xué)習(xí)非常有幫助，因此建議實驗室采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭峰. 計算機(jī)嵌入式操作系統(tǒng)研究[J]. 卷宗， 2011（8）：79-79.

[2] 陳立定， 楊俊輝， 肖力揚(yáng). 三種通用嵌入式操作系統(tǒng)的分析與比較[J]. 微計算機(jī)信息， 2009 （11）： 89-91.

[3] 楊衛(wèi)軍， 胡寶成， 孟巧鳳. 嵌入式實時操作系統(tǒng)多任務(wù)管理研究[C].全國計算機(jī)新科技與計算機(jī)繼續(xù)教育學(xué)術(shù)會議， 2003.

[4] 李艷軍， 高華， 顧欣莉. 實時嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程， 2011， 19（5）：130-133. DOI：10.3969/j.issn.1674-6236.2011.05.039.

[5] 李慧. 三種嵌入式操作系統(tǒng)綜述[J]. 電腦知識與技術(shù)， 2014（20）.

[6] 張文. 基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的LXI多功能儀器系統(tǒng)軟件的研究與實現(xiàn)[D]. 西安電子科技大學(xué)， 2008. DOI：10.7666/d.y1245786.

[7] 王海濱. 基于ARM9和linux移動通訊信息平臺軟硬件設(shè)計[D]. 長春工業(yè)大學(xué)， 2007. DOI：10.7666/d.y1204401.