μClinux、μC/OS-II、FreeRTOS等五大基于STM32的嵌入式操作系统

喵小咪的小确幸

基于STM平台且满足实时控制要求操作系统，有以下5种可供移植选择。分别为μClinux、μC/OS-II、eCos、FreeRTOS和rt-thread。下面分别介绍这五种嵌入式操作系统的特点及不足，通过对比，读者可以根据自己的应用需求选择合适的平台。
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TOP1：μClinux
* ?8 F9 c" a3 a% H, b6 Q" t+ w: _μClinux是一种优秀的嵌入式Linux版本，其全称为micro-control Linux，从字面意思看是指微控制Linux。同标准的Linux相比，μClinux的内核非常小，但是它仍然继承了Linux操作系统的主要特性，包括良好的稳定性和移植性、强大的网络功能、出色的文件系统支持、标准丰富的API，以及TCP/IP网络协议等。因为没有MMU内存管理单元，所以其多任务的实现需要一定技巧。

. a( r8 [6 z8 j- A  uμClinux在结构上继承了标准Linux的多任务实现方式，分为实时进程和普通进程，分别采用先来先服务和时间片轮转调度，仅针对中低档嵌入式CPU特点进行改良，且不支持内核抢占，实时性一般。

# v4 z8 g/ m4 Q4 a/ m3 i2 W在内存管理上由于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。

μClinux操作系统的中断管理是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。

  g- L# m1 Q# h! n7 i# P5 E, ]7 aμClinux对文件系统支持良好，由于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。

9 b% z* J& k  K在对硬件的支持上，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。

在μClinux的移植方面，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，目标处理器除了需要修改与处理器相关的代码外，还需要足够容量的外部ROM和RAM。
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) a& Y" }& v: P# o点评：μClinux最大特点在于针对无MMU处理器设计，这对于没有MMU功能的stm32f103来说是合适的，但移植此系统需要至少512KB的RAM空间，1MB的ROM/FLASH空间，而stmf103拥有256K的FLASH，需要外接存储器，这就增加了硬件设计的成本。μClinux结构复杂，移植相对困难，内核也较大，其实时性也差一些，若开发的嵌入式产品注重文件系统和与网络应用则μClinux是一个不错的选择。

TOP2：μC/OS-II
μC/OS-II是在μC/OS的基础上发展起来的，是用C语言编写的一个结构小巧、抢占式的多任务实时内核。μC/OS-II能管理64个任务，并提供任务调度与管理、内存管理、任务间同步与通信、时间管理和中断服务等功能，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和扩展性强等特点。

对于实时性的满足上，由于μC/OS-II内核是针对实时系统的要求设计实现的，所以只支持基于固定优先级抢占式调度;调度方法简单，可以满足较高的实时性要求。
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! B6 z- A/ L2 T8 X在内存管理上，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大小可以不同。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。

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(中断服务程序)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。
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在文件系统的支持方面，由于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。

2 ?" Q" M* x% o' ~3 V* B在对硬件的支持上，μC/OS-II能够支持当前流行的大部分CPU，μC/OS-II由于本身内核就很小，经过裁剪后的代码最小可以为2KB，所需的最小数据RAM空间为4 KB，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。
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点评：μC/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，针对于没有MMU功能的CPU，它是非常合适的。它需要很少的内核代码空间和数据存储空间，拥有良好的实时性，良好的可扩展性能，并且是开源的，网上拥有很多的资料和实例，所以很适合向stm32f103这款CPU上移植。
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0 C8 ?( x2 K5 A! f' i! ?TOP3：eCos
, D9 W& I* t& EeCos(embedded Configurable operating system)，即嵌入式可配置操作系统。它是一个源代码开放的可配置、可移植、面向深度嵌入式应用的实时操作系统。最大特点是配置灵活，采用模块化设计，核心部分由小同的组件构成，包括内核、C语言库和底层运行包等。每个组件可提供大量的配置选项(实时内核也可作为可选配置)，使用eCos提供的配置工具可以很方便地配置，并通过不同的配置使得eCos能够满足不同的嵌入式应用要求。

2 W  q. s" M0 r1 ?' h2 r在实时性反面，由于eCos调度方法丰富，提供了两种基于优先级的调度器(即位图调度器和多级队列调度器)，允许用户在进行配置时选择其中一个调度器，适应性好。因此在实时性方面表现良好。
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在内存管理上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VxWorks的管理方案。

& D6 l. P5 X5 g$ q" r在中断管理上eCos使用了分层式中断处理机制，把中断处理分为传统的ISR(中断服务程序)和滞后中断服务程序DSR(递延服务程序)。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(递延服务程序)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。eCos操作系统同样支持当前流行的大部分嵌入式CPU，eCos操作系统可以在16位、32位和64位等不同体系结构之间移植。eCos由于本身内核就很小，经过裁剪后的代码最小可以为10 KB，所需的最小数据RAM空间为10 KB。

在系统移植方面 eCos操作系统的可移植性很好，要比μC/OS-II和μClinux容易。
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点评：eCos最大特点是配置灵活，并且支持无MMU的CPU的移植，开源且具有很好的移植性，也比较合适于移植到STM32平台的CPU上。但eCOS的应用还不是太广泛，还没有像μC/OS-II那样普遍，并且资料也没有μC/OS-II多。eCos适合用于一些商业级或工业级对成本敏感的嵌入式系统,例如消费电子领域中的一些应用。

  Z, r9 G/ T! A! L4 PTOP4：FreeRTOS
由于RTOS需占用一定的系统资源(尤其是RAM资源)，只有μC/OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS等少数实时操作系统能在小RAM单片机上运行。相对于C/OS-II、 embOS等商业操作系统，FreeRTOS操作系统是完全免费的操作系统，具有源码公开、可移植、可裁减、调度策略灵活的特点，可以方便地移植到各种单片机上运行，其最新版本为6.0版。
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作为一个轻量级的操作系统，FreeRTOS提供的功能包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能等，可基本满足较小系统的需要。 FreeRTOS内核支持优先级调度算法，每个任务可根据重要程度的不同被赋予一定的优先级，CPU总是让处于就绪态的、优先级最高的任务先运行。 FreeRT0S内核同时支持轮换调度算法，系统允许不同的任务使用相同的优先级，在没有更高优先级任务就绪的情况下，同一优先级的任务共享CPU的使用 时间。

( H+ _4 F" y9 P' R) w8 UFreeRTOS的内核可根据用户需要设置为可剥夺型内核或不可剥夺型内核。当 FreeRTOS被设置为可剥夺型内核时，处于就绪态的高优先级任务能剥夺低优先级任务的CPU使用权，这样可保证系统满足实时性的要求;当 FreeRTOS被设置为不可剥夺型内核时，处于就绪态的高优先级任务只有等当前运行任务主动释放CPU的使用权后才能获得运行，这样可提高CPU的运行 效率。
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- n4 s& m5 U' x# ]2 d7 c2 s1 JFreeRTOS的移植：FreeRTOS操作系统可以被方便地移植到不同处理器上工作，现已提供了ARM、MSP430、 AVR、PIC、C8051F等多款处理器的移植。FrceRTOS在不同处理器上的移植类似于μC/0S一II，故本文不再详述FreeRTOS的移 植。此外，TCP/IP协议栈μIP已被移植到FreeRTOS上，具体代码可见FreeRTOS网站。

点评：相对于常见的μC/OS—II操作系统，FreeRTOS操作系统既有优点也存在不足。其不足之处， 一方面体现在系统的服务功能上，如FreeRTOS只提供了消息队列和信号量的实现，无法以后进先出的顺序向消息队列发送消息;另一方 面，FreeRTOS只是一个操作系统内核，需外扩第三方的GUI(图形用户界面)、TCP/IP协议栈、FS(文件系统)等才能实现一个较复杂的系统， 不像μC/OS-II可以和μC/GUI、μC/FS、μC/TCP-IP等无缝结合。
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2 l, Z: f, {/ d4 S( D2 u2 c. U1 \TOP5：RT-Thread
RT-Thread 是一款主要由中国开源社区主导开发的开源实时操作系统(许可证GPLv2)。实时线程操作系统不仅仅是一个单一的实时操作系统内核，它也是一个完整的应用系统，包含了实时、嵌入式系统相关的各个组件：TCP/IP协议栈，文件系统，libc接口，图形用户界面等。
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中国人自己开发的，稳定版本是 1.2.1，有希望看完源码。精简、靠谱，自带一个叫做 finsh 的片上调试工具，非常实用。各种信号量、互斥锁、邮箱、事件等线程协同功能都有。
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需要注意的是，rt-thread 2.0 版本的设计思想和 1.2 的完全不同，将会把 linux 纳入进来，是的，不是在 linux 里面嵌入 rt-thread，而是把 linux 嵌入到 rt-thread 里面!

点评：rt-thread 的文档呢，官网是有的，不过，真的是只能作为参考，很明显是开发人员的事后开发笔记整理的。目前还是只能通过看代码来理解详细的使用方式，从文档和论坛的只言片语里面，是难以还原真相的。rt-thread 的好处就是它的版本还比较小，即便缺乏文档，也是可以看源码看下去的。
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