如何選擇您的嵌入式系統(tǒng)操作系統(tǒng)：操作系統(tǒng)特性

Costs and the business aspects of building products are key criteria, but attributes like available libraries, security, and maintainability also play an essential role.

嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員如今可以使用范圍廣泛的操作系統(tǒng)。當(dāng)然，最直接的操作系統(tǒng)就是沒(méi)有操作系統(tǒng)！然而，當(dāng)今的許多系統(tǒng)都是復(fù)雜的連接系統(tǒng)，可能需要操作系統(tǒng)。需要時(shí)，開(kāi)發(fā)人員通常會(huì)尋求使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS) 或 Linux 來(lái)幫助他們管理復(fù)雜性。不幸的是，如何在裸機(jī)、RTOS 或 Linux 之間進(jìn)行選擇并不總是很明確。每個(gè)選項(xiàng)都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

這篇文章將探討您在選擇操作系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮的系統(tǒng)特性。然后在下一篇文章中，我們將介紹何時(shí)最適合使用每個(gè)操作系統(tǒng)。

產(chǎn)品的生命周期成本

為您的嵌入式系統(tǒng)選擇操作系統(tǒng)首先要了解您的產(chǎn)品的生命周期成本和要求。需要在產(chǎn)品的物料清單 (BOM) 成本和軟件維護(hù)成本之間進(jìn)行權(quán)衡。例如，使用 Linux 的嵌入式系統(tǒng)更容易利用開(kāi)源軟件并找到可以編寫系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)人員。但是，基于 Linux 的系統(tǒng)比基于微控制器的系統(tǒng)具有更復(fù)雜的硬件要求，并且可能具有更高的 BOM 成本。基于微控制器的系統(tǒng)成本可能較低，但能夠成功設(shè)計(jì)和維護(hù)這些系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人員也較少。

設(shè)計(jì)人員需要權(quán)衡硬件和軟件成本，以確定他們的產(chǎn)品使用可以運(yùn)行 Linux 的硬件是否有意義，或者是否更適合使用更便宜且 CPU 密集度更低的解決方案。

要考慮的物理特性

說(shuō)到硬件功能和要求，在選擇嵌入式操作系統(tǒng)時(shí)，檢查硬件選擇的物理特性也是必不可少的。應(yīng)考慮的微處理器或微控制器的物理因素包括：

外圍功能集

CPU時(shí)鐘速度

可用的閃存

可用內(nèi)存

硬件對(duì)您的系統(tǒng)施加的物理限制可能會(huì)立即限制您可以使用哪些選項(xiàng)。例如，運(yùn)行嵌入式 Linux 通常需要處理器包含內(nèi)存管理單元 (MMU)。不幸的是，微控制器沒(méi)有 MMU。因此，要運(yùn)行 Linux，設(shè)計(jì)人員至少需要 Cortex-A 范圍內(nèi)的應(yīng)用處理器，而不是 Cortex-M 系列中的微控制器（盡管情況變化很快，有人可能擁有具有 MMU 和合理時(shí)鐘速率的微控制器）。

要運(yùn)行嵌入式 Linux，硬件還必須具有至少 8 GB 的存儲(chǔ)空間、16 GB 的 RAM 和 8 – 16 MB 的內(nèi)部閃存存儲(chǔ)空間。像 Linux 這樣的內(nèi)核也可能需要至少 500 MHz 的處理器。這些比運(yùn)行 RTOS 所需的要高得多，后者至少需要 4 kB 的 RAM、64 kB 的閃存和運(yùn)行在 24 MHz 的 CPU。

實(shí)時(shí)性能

我從經(jīng)驗(yàn)中知道，探索裸機(jī)、RTOS 和基于 Linux 的系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)性能特征是一個(gè)燙手山芋。專注于基于微控制器的實(shí)時(shí)系統(tǒng)的工程師經(jīng)常會(huì)告訴您，您無(wú)法從 Linux 系統(tǒng)中獲得實(shí)際的實(shí)時(shí)性能。Linux 工程師會(huì)告訴你這不是真的。有實(shí)時(shí)補(bǔ)丁，它提供了實(shí)際的實(shí)時(shí)行為。從那里開(kāi)始，爭(zhēng)論通常會(huì)變得激烈。

無(wú)論您站在哪一邊，都必須查看實(shí)時(shí)要求并在選擇操作系統(tǒng)時(shí)使用它們。評(píng)估系統(tǒng)需要的確定性，并根據(jù)這些需求評(píng)估您的操作系統(tǒng)。我已經(jīng)看到了運(yùn)行良好的 Linux 實(shí)時(shí)版本。其他沒(méi)有。沒(méi)有普遍正確的答案，只有適合您的應(yīng)用的答案。

軟件庫(kù)集成

使用裸機(jī)、RTOS 或 Linux 之間的顯著差異之一是開(kāi)發(fā)人員可用的軟件庫(kù)的可用性和集成程度。在裸機(jī)空間中，您只能靠自己。您要么從頭開(kāi)始編寫軟件，要么自己集成第三方庫(kù)。另一方面，RTOS 將附帶一套已經(jīng)與 RTOS 集成的庫(kù)。例如，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)循環(huán)緩沖區(qū)、內(nèi)存管理工具、文件系統(tǒng)等。更多的庫(kù)可用和集成，但可能仍然需要自己做一些工作。

當(dāng)您查看 Linux 時(shí)，感覺(jué)就像開(kāi)發(fā)人員擁有幾乎無(wú)限的可用庫(kù)，并且已經(jīng)與系統(tǒng)集成。嵌入式 Linux 最具吸引力和增值的特性是軟件庫(kù)的可用性和集成。開(kāi)發(fā)人員可以使用一個(gè)整體的操作系統(tǒng)。這很強(qiáng)大，但也有潛在的危險(xiǎn)。

不要忘記安全性

如今，許多設(shè)計(jì)人員正在構(gòu)建必須具有安全解決方案的連接系統(tǒng)。操作系統(tǒng)在安全解決方案中發(fā)揮著重要作用。例如，如果在 Linux 內(nèi)核使用的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中發(fā)現(xiàn)漏洞，則在修補(bǔ)之前的每個(gè) Linux 設(shè)備都有該漏洞。裸機(jī)或基于 RTOS 的系統(tǒng)很可能不會(huì)有同樣的漏洞。特定的操作系統(tǒng)比其他操作系統(tǒng)更容易成為黑客的目標(biāo)，因?yàn)樗麄兛梢允褂霉ぞ呒瘉?lái)破解這些設(shè)備。例如，我已經(jīng)將使用 RTOS 的嵌入式系統(tǒng)直接放到互聯(lián)網(wǎng)上而沒(méi)有受到保護(hù)，并且它們使用了數(shù)周而沒(méi)有受到損害。我曾經(jīng)把一個(gè)基于 Linux 的系統(tǒng)放到互聯(lián)網(wǎng)上，它在 48 小時(shí)內(nèi)就被黑客入侵并成為中國(guó)僵尸網(wǎng)絡(luò)的一部分。在 Linux 系統(tǒng)防御中，

結(jié)論

開(kāi)發(fā)人員在選擇操作系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮許多特性。第一個(gè)特征更多地與成本和構(gòu)建產(chǎn)品的業(yè)務(wù)方面有關(guān)。然而，更重要的屬性，如可用庫(kù)、安全性、可維護(hù)性等，也起著至關(guān)重要的作用。那么您應(yīng)該使用哪種操作系統(tǒng)以及在什么情況下使用呢？在下一篇文章中，我們將探討這個(gè)問(wèn)題并提供有關(guān)在何處使用裸機(jī)、RTOS 和 Linux 的指南。

審核編輯 黃昊宇