在臺(tái)式計(jì)算機(jī)上，操作系統(tǒng)（OS）的選擇很大程度上取決于口味-Windows，Apple，Linux。選擇相對(duì)較少。對(duì)于嵌入式系統(tǒng)，問題要復(fù)雜得多。可用的大量選項(xiàng)反映了嵌入式應(yīng)用程序的多樣性。

您真的需要一個(gè)操作系統(tǒng)嗎？如今很少找到?jīng)]有操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)。沒有某種類型的內(nèi)核，只有最簡(jiǎn)單的一種設(shè)備才能有效地構(gòu)建。但是這種可能性不容忽視。嵌入式設(shè)備的整個(gè)范圍可以由CPU復(fù)雜度（廣義上為數(shù)據(jù)總線寬度）與軟件復(fù)雜度的圖表（圖1）表示。

圖1：CPU與軟件和OS的復(fù)雜性。

圖1分為四個(gè)象限。右上角（高端處理器上的復(fù)雜軟件）是傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）和其他操作系統(tǒng)。在功能不那么強(qiáng)大的CPU上，如果軟件相當(dāng)復(fù)雜，則部署基本內(nèi)核可能仍然有用。有時(shí)，功能強(qiáng)大的芯片用于運(yùn)行非常簡(jiǎn)單的軟件，在該軟件中，需要CPU性能來提高執(zhí)行速度。在這種情況下，可能并非嚴(yán)格要求使用內(nèi)核，但應(yīng)謹(jǐn)慎使用，因?yàn)樗梢愿纳栖浖w系結(jié)構(gòu)的可伸縮性并適應(yīng)將來復(fù)雜性的提高。實(shí)際上，只有在低端設(shè)備上運(yùn)行簡(jiǎn)單軟件時(shí)，才不需要任何類型的內(nèi)核。

得出結(jié)論，項(xiàng)目需要操作系統(tǒng)，因此存在選擇的問題。廣義上講，有四個(gè)選項(xiàng)：選擇高端操作系統(tǒng)，例如Linux或Windows的嵌入式變體。從眾多選擇中選擇一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；部署廣泛可用的免費(fèi)操作系統(tǒng)之一；或在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)內(nèi)核。接下來是對(duì)這些選項(xiàng)的回顧。

商業(yè)操作系統(tǒng)市場(chǎng)上

有許多商業(yè)操作系統(tǒng)。與其他產(chǎn)品相比，這些產(chǎn)品具有許多優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)。 有許多商業(yè)RTOS產(chǎn)品可用，其中許多來自成熟的，信譽(yù)良好的供應(yīng)商。但這是應(yīng)該仔細(xì)考慮的事情。公司的規(guī)模，產(chǎn)品的成熟度和用戶群都是重要因素。關(guān)鍵要求是技術(shù)支持的可用性。

在選擇RTOS時(shí)，買賣雙方都做出了長(zhǎng)期承諾。關(guān)系的一個(gè)方面是考慮將來可能的CPU遷移。可以依靠成熟的RTOS供應(yīng)商來及時(shí)支持新設(shè)備，而他們的產(chǎn)品可能旨在簡(jiǎn)化移植過程。

好的文檔是必不可少的，并且可能需要商業(yè)RTOS供應(yīng)商提供。沒有理由不要求查看手冊(cè)樣本。在過去，這可能具有挑戰(zhàn)性-將書籍運(yùn)送到世界各地。現(xiàn)在，通過電子郵件發(fā)送PDF是一個(gè)合理的期望。

源代碼可用于許多商業(yè)操作系統(tǒng)-有時(shí)是免費(fèi)的；有時(shí)需要收取特定費(fèi)用。值得檢查代碼是否可讀，因?yàn)樵创a可能會(huì)使人類讀者難以理解，并且也應(yīng)進(jìn)行注釋。這不是好的文檔的替代品，而是有用的補(bǔ)充

開發(fā)多線程應(yīng)用程序有很多挑戰(zhàn)，其中之一就是調(diào)試。擁有某種支持RTOS的調(diào)試器非常有用。對(duì)停止模式（CPU在斷點(diǎn)處暫停）的支持就足夠了。在某些情況下，運(yùn)行模式（僅停止當(dāng)前任務(wù)）會(huì)很有用。

很少有嵌入式應(yīng)用程序只需要一個(gè)準(zhǔn)系統(tǒng)多線程內(nèi)核。通常需要其他中間件組件。商業(yè)OS可能范圍很廣，包括通信協(xié)議，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行充分驗(yàn)證；文件系統(tǒng)，包括閃存；和圖形包以幫助UI設(shè)計(jì)。

嵌入式開發(fā)的一個(gè)特殊挑戰(zhàn)是在硬件附近工作。使用操作系統(tǒng)，這意味著要開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序。商業(yè)操作系統(tǒng)很可能會(huì)為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備提供廣泛的驅(qū)動(dòng)程序，并支持自定義驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)。

缺點(diǎn)。 從技術(shù)上講，每個(gè)嵌入式系統(tǒng)都是不同的。一臺(tái)設(shè)備到另一臺(tái)設(shè)備的CPU，內(nèi)存和外圍設(shè)備都不同。但是系統(tǒng)在商業(yè)上也有所不同，并且設(shè)備的最終價(jià)格以及生產(chǎn)的數(shù)量會(huì)影響OS許可選項(xiàng)。在某些情況下，每臺(tái)設(shè)備幾美元是合理的。在另一些預(yù)計(jì)數(shù)量非常龐大的國家中，免版稅業(yè)務(wù)模型可能是理想的。

反對(duì)使用商業(yè)操作系統(tǒng)的一個(gè)普遍反對(duì)意見是，開發(fā)人員對(duì)其功能沒有內(nèi)部了解。這可能是正確的，但這真的重要嗎？如果操作系統(tǒng)的行為如記錄所示，為什么準(zhǔn)確知道其如何實(shí)現(xiàn)結(jié)果很重要？可能會(huì)爭(zhēng)辯說，由于OS的操作是特定的專業(yè)知識(shí)，因此大多數(shù)嵌入式軟件開發(fā)團(tuán)隊(duì)無法負(fù)擔(dān)得起維持這種專業(yè)知識(shí)的能力。如果源代碼可用，它可以提供保險(xiǎn)，以防需要檢查操作系統(tǒng)的內(nèi)部運(yùn)行。

像購買任何產(chǎn)品的人一樣，操作系統(tǒng)的購買者也不想被某個(gè)供應(yīng)商所束縛，即使該供應(yīng)商會(huì)歡迎這種可能性。對(duì)于商用OS產(chǎn)品，它們之間的主要區(qū)別在于應(yīng)用程序接口– API。現(xiàn)實(shí)情況是這些差異不會(huì)太大，因此，如果需要更換OS供應(yīng)商，則稍后移植可能不是大問題。當(dāng)然，遵守標(biāo)準(zhǔn)至少會(huì)導(dǎo)致一定程度的供應(yīng)商獨(dú)立性。在這種情況下，POSIX API可能是最佳選擇。

商用OS的另一個(gè)常見異議是它們具有太多的功能，因?yàn)樗鼈冃枰獫M足大量客戶群的需求。盡管這是事實(shí)，但該功能的成本已被分?jǐn)偅虼藢?duì)單個(gè)客戶沒有實(shí)際影響。操作系統(tǒng)也可能作為一組組件提供，其中許多是可選的。在商業(yè)RTOS的早期，產(chǎn)品是單片的代碼塊，但是隨著可用功能的增加，出現(xiàn)了可伸縮性的想法。完全可擴(kuò)展的OS可以將所需的功能僅合并到最終的可執(zhí)行映像中。

“免費(fèi)”操作系統(tǒng)

在這種情況下，免費(fèi)操作系統(tǒng)并不真正包含Linux，因?yàn)榇蠖鄶?shù)嵌入式開發(fā)人員可能會(huì)花錢購買受支持和打包的版本，因此它并不是真正的免費(fèi)。本節(jié)介紹一些比較流行的較小的，易于下載的RTOS。

優(yōu)點(diǎn)。 明顯的吸引力顯然是缺乏前期成本，由于無需擔(dān)心許可證費(fèi)用，部署后該成本仍將繼續(xù)。

自由OS傾向于包含源代碼，這當(dāng)然對(duì)參考很有用，因?yàn)槲臋n可能有限并且難以獲得支持。這也是配置和移植到新硬件環(huán)境的要求，當(dāng)然這要取決于用戶。

與許多類型的用戶支持的軟件一樣，免費(fèi)的RTOS經(jīng)常會(huì)吸引大量的追隨者，從而形成了一個(gè)活躍的在線社區(qū)，可以免費(fèi)獲得支持。盡管這是有吸引力且有用的，但值得關(guān)注的是它的壽命。嵌入式軟件往往會(huì)經(jīng)歷不同技術(shù)或產(chǎn)品流行的階段。如果您選擇的RTOS過時(shí)了怎么辦？同樣，這種社區(qū)支持通常集中在軟件的當(dāng)前版本上。如果您的產(chǎn)品使用的是較早版本，則可能無法找到有關(guān)問題的幫助。

缺點(diǎn)。 在嵌入式設(shè)備中部署OS是一項(xiàng)長(zhǎng)期的任務(wù)，因此長(zhǎng)期支持的問題非常重要。對(duì)于免費(fèi)的OS，您可以依靠社區(qū)的長(zhǎng)期支持嗎？另外，由于經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致解決方案，因此文檔是否草草了？

開發(fā)多線程代碼具有挑戰(zhàn)性，因此需要合適的調(diào)試工具。如果免費(fèi)OS流行，則可能是第三方開發(fā)了這種工具，但是支持的問題仍然存在。

自由軟件存在心理挑戰(zhàn)。由于源代碼易于獲得，并且開發(fā)人員認(rèn)為該代碼不具有貨幣價(jià)值，因此強(qiáng)烈傾向于“改進(jìn)”它。這可能只是為了使代碼更高效而進(jìn)行的微小調(diào)整，也可能是增加了新功能。無論哪種情況，結(jié)果都可能是不同項(xiàng)目中使用的許多類似但不同的OS版本。維護(hù)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

在大多數(shù)部署了OS的嵌入式應(yīng)用程序中，不僅需要多線程內(nèi)核，還需要文件系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)之類的東西。這樣的選項(xiàng)可能可用，但如果沒有，則需要更多的工作來定位必要的中間件并進(jìn)行移植或使其適應(yīng)所選的OS。

選擇一個(gè)操作系統(tǒng)（無論是否免費(fèi)）的關(guān)鍵條件之一是對(duì)為項(xiàng)目選擇的CPU的支持。但是，選擇了OS后，需要大量的時(shí)間和精力投入。如果可以將其用于多個(gè)項(xiàng)目，則這是值得的。但是，如果選擇了不同的CPU，那么有什么保證可以提供或?qū)⑻峁┲С郑?/p>

所有軟件，無論是免費(fèi)的還是商業(yè)的，都以某種方式獲得許可。許可證可能是一個(gè)復(fù)雜的文檔，以某種方式限制了軟件的部署。違反許可證的處罰可能很嚴(yán)厲。開源軟件可能特別棘手，因?yàn)樵S可證可能會(huì)損害應(yīng)用程序代碼的狀態(tài)，從而迫使您必須公開提供其源代碼。在將任何開源代碼合并到您的應(yīng)用程序之前，應(yīng)尋求法律建議。

自定義操作系統(tǒng)的

優(yōu)點(diǎn)。 開發(fā)內(nèi)部?jī)?nèi)核最常被引用的原因是保持對(duì)完整代碼庫的控制。這聽起來很明智，但它假設(shè)保留了具有相當(dāng)專業(yè)知識(shí)的工作人員，這些專業(yè)知識(shí)可能非常專業(yè)。

對(duì)于內(nèi)部開發(fā)的代碼，當(dāng)然沒有持續(xù)的許可證費(fèi)用。但是持續(xù)的維護(hù)成本不容忽視。

內(nèi)部開發(fā)的另一個(gè)常見理由是，最終的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)將完全符合項(xiàng)目要求。可以說，內(nèi)核的功能更有可能由負(fù)擔(dān)得起的開發(fā)量來定義。完全可擴(kuò)展的商用OS可能會(huì)在不妥協(xié)的情況下完全滿足需求。

缺點(diǎn)。 所有軟件開發(fā)都要花錢。但是，開發(fā)內(nèi)部?jī)?nèi)核的成本通常被吸收到項(xiàng)目中，因此它們是不可見的。

部署操作系統(tǒng)后，它可能會(huì)使用一段時(shí)間。因此，需要長(zhǎng)期的支持。如果開發(fā)人員留在這里，這不是問題。同樣，如果代碼經(jīng)過精心記錄，將不會(huì)有太大的問題。但這都是危險(xiǎn)的假設(shè)。

如前所述，多線程代碼可能會(huì)出現(xiàn)一些細(xì)微的錯(cuò)誤，需要操作系統(tǒng)感知的調(diào)試器才能檢測(cè)到。創(chuàng)建了內(nèi)核之后，開發(fā)這種工具的可能性不大。一種選擇是使商業(yè)調(diào)試器適合內(nèi)部?jī)?nèi)核。

隨著時(shí)間的推移，內(nèi)部?jī)?nèi)核可能會(huì)在多個(gè)項(xiàng)目中使用。但是，每個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)都有可能尋求改進(jìn)基本代碼的危險(xiǎn)。這導(dǎo)致內(nèi)核的多個(gè)版本，從而加劇了支持和維護(hù)問題。

一個(gè)普通的內(nèi)核不可能就足夠了。附加中間件的開發(fā)將進(jìn)一步增加開發(fā)成本，并且商業(yè)中間件供應(yīng)商不太可能會(huì)接受移植到非商業(yè)RTOS的想法。

在某個(gè)時(shí)候，隨著技術(shù)的發(fā)展，必須更換CPU。如果內(nèi)核具有沉重的處理器專用性，這將是一個(gè)問題。通常，有很大一部分匯編語言和字節(jié)序，并且需要檢查中斷支持。

開發(fā)內(nèi)部OS的最大缺點(diǎn)是哲學(xué)上的。最成功的企業(yè)專注于他們的核心競(jìng)爭(zhēng)力。除非您是內(nèi)核開發(fā)人員，否則專注于您的主要業(yè)務(wù)是最有意義的。

操作系統(tǒng)選擇標(biāo)準(zhǔn)

決定研究商用或至少商用支持的操作系統(tǒng)后，將要解決一系列資格問題：

您的應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)嗎？“實(shí)時(shí)”不一定意味著快速-它意味著可預(yù)測(cè)或確定性。這些不是絕對(duì)術(shù)語。這是一個(gè)問題，即您需要系統(tǒng)如何對(duì)事件做出響應(yīng)。時(shí)機(jī)有多關(guān)鍵？如果您需要較高的確定性，那么RTOS可能是您的最佳選擇。在某些情況下，Linux可以使用，特別是在可以使用實(shí)時(shí)擴(kuò)展的情況下。

內(nèi)存大小受限制嗎？與臺(tái)式計(jì)算機(jī)不同，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存大小是固定的。可用內(nèi)存量是另一個(gè)重要的選擇標(biāo)準(zhǔn)。除非您有用于操作系統(tǒng)的數(shù)兆字節(jié)，否則Linux等的實(shí)現(xiàn)不太可能。

CPU功率受限嗎？可用的CPU功率也很重要。如果處理器僅具有足夠的能力來運(yùn)行應(yīng)用程序，則OS不會(huì)引入運(yùn)行時(shí)開銷。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)傾向于有效地以及可預(yù)測(cè)地使用CPU時(shí)間。

設(shè)備功耗是否成問題？對(duì)于許多類型的系統(tǒng)，功耗已成為越來越普遍的關(guān)注點(diǎn)。這可能是為了保留手持設(shè)備的電池壽命，或者是出于環(huán)境和經(jīng)濟(jì)原因而使用固定系統(tǒng)。以前的內(nèi)存大小和CPU能力標(biāo)準(zhǔn)在這里具有影響力，因此OS的大小和執(zhí)行效率很重要。許多操作系統(tǒng)包括電源管理工具（圖2）。Linux提供了一些這樣的功能，并且越來越多的RTOS包含了電源管理框架，包括Nucleus RTOS。

圖2：操作系統(tǒng)電源管理功能。

您是否有晦澀或自定義的外圍設(shè)備？嵌入式系統(tǒng)始終包括許多外圍設(shè)備以及CPU。如果這些是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，則無論選擇哪種操作系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)程序都應(yīng)該可用。通信協(xié)議也是如此。如果您的設(shè)備比較晦澀，則可能有問題。盡管許多RTOS具有廣泛的驅(qū)動(dòng)程序，但它們幾乎總是會(huì)被Linux擊敗。如果您具有獨(dú)特的自定義硬件，則需要編寫驅(qū)動(dòng)程序。Linux的好處是可以使用大量的驅(qū)動(dòng)程序編寫專業(yè)知識(shí)。因此，可以選擇雇用員工或?qū)で笾С智度胧絃inux的供應(yīng)商（例如Mentor Embedded）的幫助。

您是否有MMU，或者可以包含MMU？如果您的設(shè)計(jì)不包括內(nèi)存管理單元（MMU），則沒有選擇使用Linux等的選項(xiàng)，因?yàn)镸MU對(duì)于所有過程模型操作系統(tǒng)都是必需的。大多數(shù)RTOS是線程模型，不需要MMU。但是，某些RTOS（如果有）可以有效地使用MMU。

您的應(yīng)用需要安全認(rèn)證嗎？在某些行業(yè)中，認(rèn)證是強(qiáng)制性的。這可能是一個(gè)昂貴的過程，需要訪問所有源代碼。由于認(rèn)證成本在某種程度上與代碼行數(shù)有關(guān)，因此較小的OS自然是吸引人的。通常有必要對(duì)完整的應(yīng)用程序進(jìn)行認(rèn)證，因此無法購買預(yù)先認(rèn)證的操作系統(tǒng)。一些OS供應(yīng)商可以通過提供一些必需的文檔來提供幫助。顯然，優(yōu)良作法是選擇一個(gè)在特定應(yīng)用領(lǐng)域中擁有可靠記錄的操作系統(tǒng)。例如，即使Mentor Embedded不能向您出售Nucleus RTOS的“經(jīng)醫(yī)學(xué)系統(tǒng)認(rèn)證”版本，我們的確有許多客戶已在此類應(yīng)用程序中成功使用了該產(chǎn)品。

是否需要企業(yè)系統(tǒng)互操作性？如果您的設(shè)備需要與企業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行重要的互操作，則可能是選擇Microsoft產(chǎn)品的一種情況。

是否知道售價(jià)和運(yùn)輸量？在查看操作系統(tǒng)的選擇時(shí)，很容易陷入技術(shù)上。通常，與許多購買決策一樣，重要的因素是成本。在這種情況下，不僅僅是獲得最佳價(jià)格的問題。商業(yè)模式也很重要。對(duì)于某些嵌入式設(shè)備，在每臺(tái)設(shè)備上支付版稅是合理的。對(duì)于大批量，免版稅模式可能更好。開源當(dāng)然很有趣，但是在這種情況下，與純商業(yè)產(chǎn)品一樣，必須將持續(xù)的維護(hù)成本考慮在內(nèi)

您是否有過使用其他操作系統(tǒng)的有用經(jīng)驗(yàn)？由于培訓(xùn)是昂貴且費(fèi)時(shí)的，因此，盡可能利用現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)始終是一種好的做法。如果開發(fā)團(tuán)隊(duì)具有特定API的經(jīng)驗(yàn)，那么這可能會(huì)對(duì)選擇過程產(chǎn)生重大影響。當(dāng)然，如果您有使用POSIX這樣的標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)，那么您將擁有更大的自由度。供應(yīng)商的經(jīng)驗(yàn)也很重要。特別是，過去與技術(shù)支持的互動(dòng)非常有價(jià)值。同樣，請(qǐng)考慮文檔和源代碼的質(zhì)量。至少有一個(gè)供應(yīng)商提供源代碼，但故意使其變得不可讀

要考慮的多核問題

廣泛地講，有兩種類型的多核系統(tǒng)。如果CPU都是相同的架構(gòu)，則該系統(tǒng)稱為同類系統(tǒng)。如果CPU的架構(gòu)不同，那么它就是異構(gòu)的。系統(tǒng)也可以是兩者的混合體。

大致有兩種軟件體系結(jié)構(gòu)。對(duì)稱多處理（SMP）是指一個(gè)OS跨多個(gè)內(nèi)核運(yùn)行，并在它們之間分配工作。SMP只能在同類多核系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。非對(duì)稱多處理（AMP）是每個(gè)CPU都有自己的OS實(shí)例時(shí)。AMP可以在任何多核配置上實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)部分組成一個(gè)SMP子系統(tǒng)，其他部分組成AMP的混合形式很有可能。

選擇多核操作系統(tǒng)。借助SMP系統(tǒng)，操作系統(tǒng)可以在可用核心之間分配工作。這需要特定的OS變體。所有高端操作系統(tǒng)都具有此選項(xiàng)，這是臺(tái)式機(jī)系統(tǒng)的常見做法。像Nucleus RTOS這樣的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)越來越多地具有SMP版本。顯然，利用多核體系結(jié)構(gòu)的效率可能是關(guān)鍵的OS選擇因素。

為AMP系統(tǒng)中的每個(gè)核心選擇操作系統(tǒng)所需的步驟與為單核系統(tǒng)選擇一個(gè)操作系統(tǒng)所需的步驟相同。但是，還存在內(nèi)核間通信的問題，在其中使用MCAPI可能是一個(gè)有吸引力的選擇。替代地，可以使用管理程序來提供對(duì)AMP系統(tǒng)的全面監(jiān)視。

考慮工具很重要。對(duì)于任何嵌入式軟件開發(fā)，擁有正確的工具至關(guān)重要。對(duì)于多核，多OS項(xiàng)目，這至關(guān)重要。維護(hù)完整系統(tǒng)的可見性，評(píng)估其性能以及調(diào)試不同內(nèi)核上的代碼之間的復(fù)雜交互都需要復(fù)雜的工具。此類工具的可用性可能會(huì)對(duì)操作系統(tǒng)的選擇和您選擇的供應(yīng)商產(chǎn)生重大影響。（Mentor Embedded的Sourcery Analyzer是支持多核，多OS設(shè)計(jì)的理想工具。）

結(jié)論

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