如何選擇一個ARM CPU嵌入式操作系統
加入技術交流群
目前，除了像TI OMAP, Intel的Xscale和Motorola的IMX系列這樣的移動終端處理器采用ARM核外，也還有象Samsung, Atmel, Sharp, OKI和Philip等半導體公司設計一些通用ARM核的處理器，可以廣泛應用在各種嵌入式系統，現在在市場上看到比較多的有S3C44B0, 4510,2410,AT91系列和Intel PXA255等。
ARM處理器是32位設計，同時也配置了16位指令集，軟件可以以16位編碼與等價32位代碼相比，占用的存儲器空間可以節省約35%。ARM處理器目前有ARM7, ARM9, ARM9E, ARM10, ARM11系列產品和來自合作伙伴Intel Xscale和Strong ARM系列ARM7，適合于中低端的網絡設備、終端、各種通用型的嵌入式應用和工業控制等領域。ARM9適合于智能手機、PDA和先進的控制管理和儀器儀表應用。Intel Xscale系列產品提供了高性能價格比、低功耗、適用于智能無線終端、PDA、家庭網絡和網絡存儲器設備等應用。
嵌入式操作系統是ARM CPU重要的軟件基礎
從8位/16位單片機發展到以ARM CPU核為代表的32位嵌入式處理器，嵌入式操作系統將替代傳統的由手工編制的監控程序或調度程序，成為重要的基礎組件。嵌入式操作系統可以提供ARM CPU核和外設的設備管理，如核的初始化、MMU（內存管理單元）、定時器、中斷、串口、SPI、GPIO、以太網、圖形接口等，嵌入式操作系統提供任務調度、內存管理、中斷處理、同步互斥機制、文件系統和網絡功能，更重要的一點是嵌入式操作系統對應用程序可以起到屏蔽的作用，讓應用程序員面向操作系統級開發應用軟件，并易于在不同的基于ARM核的嵌入式處理器上移植。
嵌入式操作系統都一般具有一定的實時性，易于裁剪和伸縮，可以適合于從ARM7 到Xscale各種ARM CPU和各種檔次的應用，嵌入式操作系統可以使用廣泛流行的ARM開發工具，如ARM公司的SDT/ADS和Real View、IAR EW等也可以使用開源的軟件，如GCC/GDB、KDE或Eclipe開發環境，市場上還有商業廠商的專用的開發工具，如Tornado、μC /View、μC/KA、CODE/Lab、Metroworks等.
本文就目前國內在ARM CPU上廣泛采用的三種嵌入式操作系統做個分析，μC/OS-II、μCLinux和嵌入式Linux。后兩種同屬于Linux,前者是針對沒有MMU的微處理器，如ARM7 TDMI核，后者可適用于絕大多數有MMU的微處理器中，如ARM920T，當然，文章也會涉及到其它支持ARM CPU的嵌入式操作系統。
μC/OS-II嵌入式實時內核
由Jean Labrosse先生著，邵貝貝老師翻譯的《嵌入式實時操作系統μC/OS-II》先后由電力出版社（第一版）和航空航天大學出版社出版（第二版）發行了近萬冊，相信有數以千計的學生、老師和工程師正在使用μC/OS-II，在過去的一年中（2003），在《電子產品世界》、《電子設計應用》和《單片機和嵌入式系統應用》等雜志和各種學術會議上的有μC/OS-II相關論文就有幾十余篇。全世界數百種設備已經在使用μC/OS-II，包括如手機、路由器、不間斷電源、飛行器、醫療設備和工業控制設備，在中國也已經有包括香港權智，首科希電，安控科技在內的10余家公司購買了產品授權。
μC/OS-II已經有ARM7TDMI、ARM9和Strong ARM等各種ARM CPU的移植，支持包含Atmel、Hynix、Intel、Motorola、Philips、Samsung、Sharp等公司的ARM核的CPU。 μC/OS-II的移植也相當容易，與CPU相關的代碼包裝在三個文件中，os_cpu.h，os_cpu_a.asm，os_cpu_c.c，而且 Jean Labrosse先生的應用筆記AN-1011和AN-1012對ARM7、AN-1337對ARM9的移植過程都做了詳細的說明。
μC/OS-II有60余個系統調用，覆蓋任務、定時器、信號量、事件標志、郵箱、隊列和內存管理，已經包含了傳統嵌入式操作系統內核（如PSOS，VRTX）的功能，還支持互斥型信號量(Mutual Exclusion Semaphone)，這是90年代的嵌入式操作系統內核，如Vxworks和VRTXsa才有的技術。
μC/OS-II因為是可搶占的實時內核，所以μC/OS-II與商業嵌入式實時內核在性能上沒有什么差異，μC/OS-II沒有用戶態和內核態，任務（線程）或中斷和任務切換的響應可以很快，主要是和不同的ARM CPU相關的。最新的2.7x版本還增加了算法以避免在移植中修改OSINTCEXSW（）中的堆棧指針。這樣可以保證μC/OS-II在不同的CPU上運行更穩定，移植更方便。
總之，μC/OS-II是一個非常容易學習（有一本很好的講解很清楚的書），結構簡單，功能完備和實時性很強的嵌入式操作系統內核，適合于各種嵌入式應用以及大專院校教學和科研。
μC/OS -II目前除了內核外還有商業化文件系統μC/FS，圖形系統μC/GUI以及任務調試工具μC KA和μC View，μC/OS-II自己目前也有TCP/IP。如果需要，可以購買商用的TCP/IP，如InterNiche (www.iniche.com)，也可以采用免費的TCP/IP項目如LWIP (http://www.sics.se/~adam/lwip/)，但無論在功能還是穩定性與商業代碼無法比擬。
最后需要說明，μC/OS-II不是免費軟件，任何人學習使用μC/OS-II需要購買《嵌入式實時操作系統μC/OS-II》一書，使用了μC/OS-II的產品需要購買產品生產授權，購買了此授權的還可以得到開發期間的技術支持和升級服務。
IAR PowerPAC操作系統
IAR PowerPac for ARM是老牌歐洲瑞典工具公司IAR開發的一個經過整合的32bit RTOS和中間件家族，包括一個占用存儲器極少的實時操作系統和一個通用的文件系統。還有USB協議棧和TCP/IP v4網絡協議棧。IAR PowerPAC適合于不同產業中各種各樣的嵌入式應用，例如測試與測量、工控、電信、醫療以及消費類電子產品等。
IAR PowerPac for ARM能夠與IAR Embedded Workbench無縫集成，即使面對最復雜的應用也能提供完整的開發環境。IAR PowerPac 是一個有豐富功能的實時操作系統（ RTOS ），包含一個高性能的文件系統。以及附加的USB和TCP/IP，Web Server軟件包。IAR PowerPac 與 IAR 嵌入式工作臺無縫集成，為不同制造商的 ARM 設備提供了豐富的范例項目和板級支持包。
IAR PowerPac 及協議棧
IAR提供PowerPac實時操作系統和文件管理系統、USB協議棧以及TCP/IP協議棧，其授權方式是工程師坐席收取License費用，沒有進一步的版稅，降低了最終用戶的風險。
μCLinux操作系統
μCLinux是Linux小型化后，適合于沒有MMU的微處理器芯片而裁剪成的小型化Linux操作系統，在ARM CPU系列中，ARM7 TDMI，ARM940T等ARM核的CPU產品，如果希望使用Linux操作系統，只能用μCLinux，當然，μCLinux也支持Motorola Dragonball, Coldfire等其它中低端嵌入式處理器。
μCLinux保持了傳統Linux操作系統的主要特性，包括穩定、強大的網絡和文件系統的支持，μCLinux裁剪了大量的Linux內核以縮小尺寸，適合象512k RAM，1M Flash這樣小容量，低成本的嵌入式系統。
μCLinux 的項目是由Linux 2.0.38內核開始的，第一個項目是Motorola 68EZ328，目前已經有2.4 Linux支持的一些移植的版本，如S3C2500, 44B0等ARM芯片，這些，你可以在μCLinux的官方網站www.uclinux.org上找到，μCLinux近期主要是在發展各種2.4.x版本的移植，以期跟上Linux社會主流的發展趨勢（因為今年Linux 2.6將開始成為主流的內核）。
μCLinux系統小型化的另一個重要原因是采用了μCLib庫替代 Linux的Glib庫，使用μCLib可以大大減少應用程序的代碼尺寸，對于中小型嵌入式應用，μCLib功能可以滿足需要，所以目前即使是某些采用 Linux 2.4內核的嵌入式LINUX系統也采用μCLib庫的做法。μCLinux中，由于沒有內存保護機制，應用代碼一般采用靜態連接的方式，而且在 μCLinux中采用Flat文件執行格式（Linux是Coff或Elf格式）, μCLinux和應用代碼都可以支持固化，存儲在Flash存儲介質中，不需象Linux需要經過一次Flash到RAM的拷貝。所有這些，使得 μCLinux更象傳統意義上的嵌入式操作系統。
μCLinux 主要是針對沒有MMU的嵌入式處理器開發設計，那么它也失去了有MMU所帶來的Linux操作系統的特色，比如，上面已經提到的靜態加載（Linux支持動態應用的加載），μCLinux對內存操作是直接的物理內存，這樣，任何程序的異常都可能導致內核崩潰，μCLinux采用Vfovk（），支持多進程，但需要父子進程協調同步，μCLinux的文件系統相對比較陳舊，支持的CPU和參考設計還比較少，社區的發展和維護也相對緩慢。更重要的是，在國內外沒有一家軟件公司有商業化的μCLinux軟件產品和服務支持，目前μCLinux官方網站還很少看見象IBM、Intel這樣的巨型公司身影，只有 2~3家小型的硬件或方案提供商，這對于商業化的產品開發中采用是有一定的風險。
嵌入式Linux操作系統
我們這里要討論的是可以嵌入在ARM CPU上的，有MMU功能的Linux操作系統，也可以稱是嵌入式Linux操作系統。芬蘭學生Linux Torvalds在91年寫完第一個Linux版本時，怎樣也無法想象到今天Linux在全世界范圍被廣泛注目和應用。嵌入式系統作為Linux應用的一個重要領域，由于它的廣泛性和多樣化正在迅速發展。
和 微軟的軟件不一樣，Linux不是由一家公司所擁有、維護開發的，Linux在市場有多種發行版本，所有發行版本都包含一樣的Linux內核、基本工具和應用，不同的發行版本主要是在附加的工具鏈、應用、配置以及各種內核補丁上有所不同。嵌入式Linux主要是在實時性增強、內核精簡和裁減、支持多種 CPU結構（如ARM CPU）等方面做了改進和提高。
關鍵詞：
ARMCPU嵌入式操作系
評論