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四种嵌入式实时操作系统的主要性能的分析与比较
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2017-11-04
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VxWorks、μClinux、μC／OS-II和eCos是4种性能优良并被广泛应用的实时操作系统。本文通过对这4种操作系统的主要性能进行分析与比较，归纳出它们的选型依据和适用领域。
1 4种操作系统的介绍
（1）VxWorks
VxWorks是美国WindRiver公司的产品，是目前嵌入式系统领域中应用很广泛，市场占有率比较高的嵌入式操作系统。VxWorks实时操作系统由400多个相对独立、短小精悍的目标模块组成，用户可根据需要选择适当的模块来裁剪和配置系统；提供基于优先级的任务调度、任务间同步与通信、中断处理、定时器和内存管理等功能，内建符合POSIX（可移植操作系统接口）规范的内存管理，以及多处理器控制程序；并且具有简明易懂的用户接口，在核心方面甚至町以微缩到8 KB。
（2） μC／OS-II
μC／OS-II是在μC-OS的基础上发展起来的，是美国嵌入式系统专家Jean J．Labrosse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、实时性能优良和可扩展性强等特点。
（3）μClinux
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。
（4）eCos
eCos（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 性能分析与比较
任务管理、任务及中断间的同步与通信机制、内存管理、中断管理、文件系统、对硬件的支持和系统移植这几方面是实时操作系统的主要性能。下面就从这几个方面着手对上述4种操作系统进行分析与比较。
2．1 任务管理
任务管理是嵌入式实时操作系统的核心和灵魂，决定了操作系统的实时性能。它通常包含优先级设置、多任务调度机制和时间确定性等部分。
2.1.1 优先级设置
嵌入式操作系统支持多任务，每个任务都具有优先级，任务越重要，赋予的优先级应越高。优先级的设置分为静态优先级和动态优先级两种。静态优先级指的是每个任务在运行前都被赋予一个优先级，而且这个优先级在系统运行期间是不能改变的；动态优先级则是指每个任务的优先级（特别是应用程序的优先级）在系统运行时可以动态地改变。
2.1.2 多任务调度机制
任务调度主要是协调任务对计算机系统资源的争夺使用。对系统资源非常匮乏的嵌入式系统来说，任务调度尤为重要，它直接影响到系统的实时性能。通常，多任务调度机制分为基于优先级抢占式调度和时间片轮转调度。
基于优先级抢占式调度：系统中每个任务都有一个优先级，内核总是将CPU分配给处于就绪态的优先级最高的任务运行。如果系统发现就绪队列中有比当前运行任务更高的优先级任务，就把当前运行任务置于就绪队列中，调入高优先级任务运行。系统采用优先级抢占方式进行调度，可以保证重要的突发事件及时得到处理。
时间片轮转调度：让优先级相同的处于就绪状态的任务按时间片使用CPU，以防止同优先级的某一任务长时间独占CPU。
在一般情况下，嵌入式实时操作系统采用基于优先级抢占式调度与时间片轮转调度相结合的调度机制。
2.1.3 时间的可确定性
嵌入式实时操作系统甬数调用与服务的执行时间应具有可确定性。系统服务的执行时间不依赖于应用程序任务的多少。基于此特征，系统完成某个确定任务的时间是可预测的。表1具体列出了4种操作系统的调度机制。
4种嵌入式实时操作系统都支持多任务，只是在支持任务数量上和任务调度机制上有所不同。VxWorks具有高效的任务管理功能，它支持多任务，可分配256个优先级，支持优先级抢占式调试和时间片轮转调度，实时性最好。μC／OS-II内核是针对实时系统的要求设计实现的，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。μClinux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。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凋度器，适应性好。
2．2 任务及中断间的同步与通信机制
实时操作系统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、任务与中断间任务及中断服务程序之间必须协调动作，互相配合，这就涉及任务间的同步与通信问题。嵌入式实时操作系统通常是通过信号量、互斥信号量、事件标志和异步信号来实现同步，通过消息邮箱、消息队列、管道和共享内存来提供通信服务。由于互斥信号量的使用，带来了实时操作系统中常见的优先级反转问题。优先级反转是一种不确定的延迟形式，当高优先级任务企图访问已被低优先级占有的共享资源时，必须等待低优先级任务释放共享资源；如果这时低优先级任务被一个或多个中优先级任务抢占，那么高优先级任务被延迟的时间将更进一步延长，实时性难以保证。因此，应采取相关措施以尽鼍避免出现优先级反转问题。实时系统通常采用优先级继承和优先级置顶机制。
优先级继承足指拥有互斥量的任务被提升到与下一个在等待该互斥最的最高优先级任务相同的优先级；优先级置顶是指获得互斥量的任务将其优先级提升到一个事先规定好的值。表2为4种操作系统的同步与通信机制的比较。
VxWorks、μClinux、μC／OS-II和eCos是4种性能优良并被广泛应用的实时操作系统。本文通过对这4种操作系统的主要性能进行分析与比较，归纳出它们的选型依据和适用领域。
1 4种操作系统的介绍
（1）VxWorks
VxWorks是美国WindRiver公司的产品，是目前嵌入式系统领域中应用很广泛，市场占有率比较高的嵌入式操作系统。VxWorks实时操作系统由400多个相对独立、短小精悍的目标模块组成，用户可根据需要选择适当的模块来裁剪和配置系统；提供基于优先级的任务调度、任务间同步与通信、中断处理、定时器和内存管理等功能，内建符合POSIX（可移植操作系统接口）规范的内存管理，以及多处理器控制程序；并且具有简明易懂的用户接口，在核心方面甚至町以微缩到8 KB。
（2） μC／OS-II
μC／OS-II是在μC-OS的基础上发展起来的，是美国嵌入式系统专家Jean J．Labrosse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、实时性能优良和可扩展性强等特点。
（3）μClinux
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。
（4）eCos
eCos（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 性能分析与比较
任务管理、任务及中断间的同步与通信机制、内存管理、中断管理、文件系统、对硬件的支持和系统移植这几方面是实时操作系统的主要性能。下面就从这几个方面着手对上述4种操作系统进行分析与比较。
2．1 任务管理
任务管理是嵌入式实时操作系统的核心和灵魂，决定了操作系统的实时性能。它通常包含优先级设置、多任务调度机制和时间确定性等部分。
2.1.1 优先级设置
嵌入式操作系统支持多任务，每个任务都具有优先级，任务越重要，赋予的优先级应越高。优先级的设置分为静态优先级和动态优先级两种。静态优先级指的是每个任务在运行前都被赋予一个优先级，而且这个优先级在系统运行期间是不能改变的；动态优先级则是指每个任务的优先级（特别是应用程序的优先级）在系统运行时可以动态地改变。
2.1.2 多任务调度机制
任务调度主要是协调任务对计算机系统资源的争夺使用。对系统资源非常匮乏的嵌入式系统来说，任务调度尤为重要，它直接影响到系统的实时性能。通常，多任务调度机制分为基于优先级抢占式调度和时间片轮转调度。
基于优先级抢占式调度：系统中每个任务都有一个优先级，内核总是将CPU分配给处于就绪态的优先级最高的任务运行。如果系统发现就绪队列中有比当前运行任务更高的优先级任务，就把当前运行任务置于就绪队列中，调入高优先级任务运行。系统采用优先级抢占方式进行调度，可以保证重要的突发事件及时得到处理。
时间片轮转调度：让优先级相同的处于就绪状态的任务按时间片使用CPU，以防止同优先级的某一任务长时间独占CPU。
在一般情况下，嵌入式实时操作系统采用基于优先级抢占式调度与时间片轮转调度相结合的调度机制。
2.1.3 时间的可确定性
嵌入式实时操作系统甬数调用与服务的执行时间应具有可确定性。系统服务的执行时间不依赖于应用程序任务的多少。基于此特征，系统完成某个确定任务的时间是可预测的。表1具体列出了4种操作系统的调度机制。
4种嵌入式实时操作系统都支持多任务，只是在支持任务数量上和任务调度机制上有所不同。VxWorks具有高效的任务管理功能，它支持多任务，可分配256个优先级，支持优先级抢占式调试和时间片轮转调度，实时性最好。μC／OS-II内核是针对实时系统的要求设计实现的，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。μClinux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。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凋度器，适应性好。
2．2 任务及中断间的同步与通信机制
实时操作系统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、任务与中断间任务及中断服务程序之间必须协调动作，互相配合，这就涉及任务间的同步与通信问题。嵌入式实时操作系统通常是通过信号量、互斥信号量、事件标志和异步信号来实现同步，通过消息邮箱、消息队列、管道和共享内存来提供通信服务。由于互斥信号量的使用，带来了实时操作系统中常见的优先级反转问题。优先级反转是一种不确定的延迟形式，当高优先级任务企图访问已被低优先级占有的共享资源时，必须等待低优先级任务释放共享资源；如果这时低优先级任务被一个或多个中优先级任务抢占，那么高优先级任务被延迟的时间将更进一步延长，实时性难以保证。因此，应采取相关措施以尽鼍避免出现优先级反转问题。实时系统通常采用优先级继承和优先级置顶机制。
优先级继承足指拥有互斥量的任务被提升到与下一个在等待该互斥最的最高优先级任务相同的优先级；优先级置顶是指获得互斥量的任务将其优先级提升到一个事先规定好的值。表2为4种操作系统的同步与通信机制的比较。
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