如何選擇嵌入式操作系統(tǒng)

幾乎所有現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)都是使用某種操作系統(tǒng) （OS） 構(gòu)建的。這意味著該操作系統(tǒng)的選擇往往發(fā)生在設(shè)計過程的早期。許多開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)這個選擇過程具有挑戰(zhàn)性。您如何為您的特定應(yīng)用選擇操作系統(tǒng)？

你需要一個操作系統(tǒng)嗎？

對于許多嵌入式應(yīng)用程序，顯然需要一個操作系統(tǒng)。如果應(yīng)用程序很復(fù)雜并且在高端處理器上運行，那么幾乎可以肯定操作系統(tǒng)是有益的。另一方面，在低端芯片上運行的簡單軟件根本不需要操作系統(tǒng)。還有另外兩種可能性：低端 CPU 上的復(fù)雜軟件和復(fù)雜處理器上的簡單軟件。在這兩種情況下，操作系統(tǒng)似乎都不會提供太多優(yōu)勢，而且實際上可能會妨礙效率。但是，圍繞多任務(wù)模型構(gòu)建代碼是使其可擴展的好方法，從而在將來某個時候遷移到更強大的設(shè)備和/或需要為應(yīng)用程序增加更多復(fù)雜性時最大限度地減少工作量。

你在哪里可以獲得操作系統(tǒng)？

大致而言，有三種方法可以獲得嵌入式操作系統(tǒng)：

自己寫一個

利用“免費”或開源產(chǎn)品

從商業(yè)供應(yīng)商處購買/許可產(chǎn)品

選項（1）很少是一個好的選擇，因為您的特定需求不太可能如此專業(yè)以至于現(xiàn)有產(chǎn)品無法滿足它們。“重新發(fā)明輪子”從來不是一個明智的決定。唯一可能的例外可能是將編寫操作系統(tǒng)作為一項學(xué)術(shù)練習(xí)，以充分了解此類產(chǎn)品的工作原理。

選擇標(biāo)準(zhǔn)

操作系統(tǒng)的選擇取決于您可能會問自己或他人的一系列問題。很容易想象這完全是關(guān)于操作系統(tǒng)的技術(shù)問題，事實上，這些問題主導(dǎo)了這個過程。但是，需要考慮商業(yè)因素——比如成本——并且不能忽視個人經(jīng)驗等因素。

技術(shù)因素

操作系統(tǒng)的技術(shù)方面在選擇過程中占主導(dǎo)地位。在考慮其他參數(shù)之前，這些問題需要完全清楚。

您的應(yīng)用程序是實時的嗎？

實時應(yīng)用程序是響應(yīng)時間至關(guān)重要的應(yīng)用程序。它可能不快，但需要在可預(yù)測的（確定的）時間內(nèi)響應(yīng)外部事件；它必須足夠快（或慢）。操作系統(tǒng)選擇的含義是實時操作系統(tǒng) （RTOS） 最有可能是正確的選擇，因為它是專門為滿足應(yīng)用程序的要求而設(shè)計的。Linux 本質(zhì)上不是實時的，但實時擴展可能使其成為一個可行的選擇。

內(nèi)存大小有限制嗎？

過去，嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存容量通常非常小——可能只有幾 K?，F(xiàn)在，有一個更加慷慨的規(guī)定，盡管帶有微控制器的片上內(nèi)存可能仍然非常有限。在設(shè)計簽署后向系統(tǒng)添加更多內(nèi)存并非易事。更重量級的操作系統(tǒng)，如 Linux，非常需要內(nèi)存，因此空間限制是一個真正的挑戰(zhàn)。大多數(shù) RTOS 產(chǎn)品更輕量級并且可能具有可擴展性，這意味著內(nèi)存僅用于實際需要的功能。

CPU 功率有限制嗎？

CPU 的功率是衡量它在給定時間內(nèi)可以完成多少工作（可以執(zhí)行多少條指令）的指標(biāo)。大多數(shù)嵌入式設(shè)計都會有一個有足夠功率的 CPU，但可能沒有多余的。任何一種操作系統(tǒng)都是開銷；它的執(zhí)行使用 CPU 能力，但不直接影響應(yīng)用程序功能。將此開銷保持在最低限度通常很重要。操作系統(tǒng)的效率差異很大，但 RTOS 產(chǎn)品傾向于最節(jié)儉地使用 CPU。

設(shè)備功耗是個問題嗎？

嵌入式系統(tǒng)的功耗成為優(yōu)先事項越來越普遍。這通常用于保持電池壽命，但也可能出于環(huán)境考慮。從歷史上看，功耗被認(rèn)為是純粹的硬件問題?，F(xiàn)在人們認(rèn)識到，軟件可以極大地促進能源使用的優(yōu)化。

簡單來說，代碼越小，所需的內(nèi)存就越少，從而節(jié)省電力。同樣，代碼的效率對必要的 CPU 能力有影響。RTOS 可能是緊湊和高效的。

許多系統(tǒng)包括電源管理功能。這可能只是低功耗模式（如睡眠和掛起）的可用性，但更高級的電源管理正在變得普遍。這可能包括外圍設(shè)備的選擇性斷電以及 CPU 電壓和時鐘頻率的控制。Linux 和許多 RTOS 產(chǎn)品都支持電源管理。

您的系統(tǒng)是否有晦澀或自定義的外圍設(shè)備？

嵌入式應(yīng)用程序中一些最具挑戰(zhàn)性的代碼是外圍設(shè)備的接口。使用操作系統(tǒng)時，這通常封裝在驅(qū)動程序中。大多數(shù) RTOS 都提供了適用于許多標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的驅(qū)動程序。Linux 的功能更多，包括對許多相當(dāng)晦澀的硬件的支持。

如果您有自定義外圍設(shè)備，顯然將無法獲得支持，因此需要自定義驅(qū)動程序。RTOS 供應(yīng)商通常會在這方面提供良好的支持。Linux 驅(qū)動程序開發(fā)專業(yè)知識相當(dāng)廣泛。

你有內(nèi)存管理單元（MMU）嗎？

大多數(shù)高端嵌入式 CPU 都有一個 MMU，至少作為一個選項。這允許重新映射和/或保護存儲區(qū)域。MMU 對于部署 Linux 是必不可少的；如果沒有可用的 MMU，則不能選擇 Linux。RTOS 通常不需要MMU，但如果可用，可以通過促進“輕量級進程模型”（也稱為“線程保護模式”）來使用 MMU。

應(yīng)用程序安全是一個問題嗎？

一些嵌入式應(yīng)用程序具有安全意識——必須保護代碼免受外部干擾。這可以看作是保護每個任務(wù)免受其他任務(wù)的影響。Linux 等采用的進程模型使用 MMU，是提高安全性的一種非常好的方法。如果 RTOS 可以使用 MMU，如上所述，這提供了幾乎相同的安全性和更少的開銷。

您的應(yīng)用程序是否需要安全認(rèn)證？

在許多行業(yè)——如航空航天、醫(yī)療、汽車和工業(yè)——都有安全認(rèn)證計劃。獲得認(rèn)證的過程既復(fù)雜又昂貴。通常需要整個應(yīng)用程序的所有源代碼——包括操作系統(tǒng)。因此，擁有操作系統(tǒng)源代碼是必不可少的；源代碼并不總是可用的。在某種程度上，要認(rèn)證的代碼大小會影響過程的成本，因此操作系統(tǒng)越小越好。

通常不可能只對操作系統(tǒng)進行認(rèn)證——對整個應(yīng)用程序進行評估。但是，一些 RTOS 供應(yīng)商可以提供“預(yù)認(rèn)證包”，其中提供了有關(guān)操作系統(tǒng)所需的大部分初始文檔。當(dāng)然，選擇具有在類似應(yīng)用領(lǐng)域使用和認(rèn)證的“跟蹤記錄”的操作系統(tǒng)也是明智之舉。

商業(yè)因素

盡管工程師喜歡嵌入式軟件開發(fā)的技術(shù)挑戰(zhàn)，但此類項目也受到商業(yè)考慮。一切都取決于金錢。實施一個操作系統(tǒng)需要花錢，但是它是獲得的：

內(nèi)部開發(fā)顯然要花錢

商業(yè)產(chǎn)品有價格

開源不是“免費的”；有實施成本和持續(xù)維護

商業(yè)操作系統(tǒng)產(chǎn)品提供各種商業(yè)模式。例如，每個發(fā)貨單位的起始付款和持續(xù)特許權(quán)使用費可能較低，或者預(yù)付費用可能較高且沒有持續(xù)特許權(quán)使用費?？山邮艿男吞柸Q于售價和預(yù)計的出貨量。

其他注意事項

操作系統(tǒng)選擇過程中可能容易被忽視的一個方面是借鑒過去的經(jīng)驗。您和您的團隊之前可能使用過一個或多個操作系統(tǒng)，這可能會產(chǎn)生重大影響。

例如，一個操作系統(tǒng)的 API 的詳細知識需要一些時間來獲得，因此能夠重用這些知識是一個很大的好處。如果 API 是專有的，這可能是指向特定產(chǎn)品的強指針。如果 API 是標(biāo)準(zhǔn)，如 POSIX，您仍然可以選擇。當(dāng)然，使用混亂且不靈活的 API 的糟糕體驗可能會產(chǎn)生相反的效果！

與特定供應(yīng)商合作的經(jīng)驗是另一個因素。他們的技術(shù)支持好嗎？文檔是否符合要求？源代碼是否可用并得到很好的評論？

多核系統(tǒng)和操作系統(tǒng)選擇

使用多核設(shè)計實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)正變得越來越普遍。從軟件的角度來看，有兩種多核系統(tǒng)：

對稱多處理 （SMP），其中所有內(nèi)核都是相同的，并且單個操作系統(tǒng)在所有內(nèi)核上運行。

非對稱多處理 （AMP），其中內(nèi)核不一定相同，并且每個內(nèi)核都運行自己的操作系統(tǒng)。

對于 SMP 系統(tǒng)，操作系統(tǒng)的選擇是按照本文迄今為止描述的方式進行的，另外一個因素是操作系統(tǒng)必須支持 SMP 功能。Linux 以 SMP 形式提供，許多 RTOS 產(chǎn)品也提供它作為選項。

對于 AMP 系統(tǒng)，需要根據(jù)其特定要求使用上述方法為每個內(nèi)核選擇操作系統(tǒng)。

結(jié)論

總的來說，可以看出對于選擇嵌入式操作系統(tǒng)的問題沒有真正簡單的答案。有許多相互關(guān)聯(lián)的因素。不僅要關(guān)注技術(shù)方面的考慮，還要考慮商業(yè)問題和過去的經(jīng)驗，這一點很重要。

對于臺式計算機，有大約四種操作系統(tǒng)可供選擇。在嵌入式世界中，至少有幾十個。這是為什么？簡而言之，臺式計算機都大同小異，但每個嵌入式系統(tǒng)都不同。這種差異既是技術(shù)上的，也是商業(yè)上的。因此需要詳細的選擇過程。

審核編輯：郭婷