從裸奔到操作系統(tǒng)將面對(duì)什么挑戰(zhàn)

嵌入式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、u盤化、功能復(fù)雜化的趨勢(shì)，使越來越多的、過去可以用裸奔實(shí)現(xiàn)的嵌入式產(chǎn)品，產(chǎn)生了應(yīng)用操作系統(tǒng)的需求。

而人力成本的持續(xù)上升、芯片成本的連續(xù)下降，以及cpu性能的迅速提高，又為大面積應(yīng)用操作系統(tǒng)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

1、速度

我們首先面對(duì)的，將是cpu運(yùn)行速度的問題，毋庸置疑，操作系統(tǒng)調(diào)度需要cpu開銷，需要cpu有更高的速度來彌補(bǔ)；再者，嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常用于實(shí)時(shí)控制，需要較高的定時(shí)精度，縮短tick時(shí)間間隔有利于提高控制精度，嵌入式系統(tǒng)中經(jīng)常使用1mS甚至更短的tick間隔。然而，tick間隔越短，調(diào)度開銷就越高，同樣需要更高的cpu速度來彌補(bǔ)。當(dāng)前日益提高的嵌入式cpu的性能，甚至單片機(jī)都32位了，很好地回答了這個(gè)問題。

2、內(nèi)存容量

先討論一個(gè)問題，一個(gè)原先需要50K內(nèi)存的裸奔程序，如果移植到自身開銷1K內(nèi)存的RTOS下面，需要增加多少內(nèi)存？是51K嗎？

有許多嵌入式操作系統(tǒng)，都把運(yùn)行操作系統(tǒng)的內(nèi)存開銷作為主要性能指標(biāo)，有些甚至聲稱不到1K內(nèi)存就可以運(yùn)行。但我們千萬不要被誤導(dǎo)，以為用操作系統(tǒng)需要的內(nèi)存與裸機(jī)差不多，只要比裸奔程序多那么1K、2K就行了。操作系統(tǒng)會(huì)使應(yīng)用程序所需要的內(nèi)存暴增，使用操作系統(tǒng)所增加的內(nèi)存需求，主要來自以下方面：

1) 運(yùn)行操作系統(tǒng)本身需要的內(nèi)存。2) 創(chuàng)建線程控制塊、消息控制塊等操作系統(tǒng)組件需要的內(nèi)存。3) 每個(gè)線程配置獨(dú)立的棧所增加的內(nèi)存需求。

其中第一項(xiàng)很好理解，幾乎所有操作系統(tǒng)都會(huì)給出這個(gè)指標(biāo)。第二項(xiàng)也容易理解，不用操作系統(tǒng)的情況下，我們常常定義標(biāo)志位或全局變量來在不同模塊之間傳遞信息，需要的內(nèi)存就很少。而操作系統(tǒng)模式下，需要用到同步、互斥、線程間交換數(shù)據(jù)等，這就需要使用信號(hào)量、郵箱等操作系統(tǒng)組件，信號(hào)量需要分配信號(hào)量控制塊，郵箱需要分配郵箱控制塊……，這些，都需要消耗可觀的內(nèi)存。許多操作系統(tǒng)標(biāo)明的，僅僅是OS本身運(yùn)行需要的內(nèi)存，并不包括信號(hào)量控制塊拉、郵箱控制塊拉等等這些操作系統(tǒng)組件需要的內(nèi)存。我們知道，一個(gè)僅運(yùn)行OS的系統(tǒng)，是毫無意義的，真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的，是應(yīng)用程序。而djyos的si版本，大約需要的10K內(nèi)存，則包含了一定數(shù)量的事件控制塊、信號(hào)量控制塊等操作系統(tǒng)組件所需內(nèi)存的條件下的，完全滿足一個(gè)小型系統(tǒng)所需。

說了半天，其實(shí)也只講了操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存需求的冰山一角，OS下編程，對(duì)內(nèi)存需求的影響最大的，當(dāng)屬OS的多線程并發(fā)特性，這使得我們要為每一個(gè)線程分配獨(dú)立的棧。下面我們定性分析一下棧獨(dú)立化帶來的內(nèi)存需求變化。棧是用來保存函數(shù)參數(shù)和局部變量的，可以說，有函數(shù)調(diào)用，就有局部變量。在單線程環(huán)境下，應(yīng)用程序需要的棧，幾乎就是main函數(shù)需要的棧，而在多線程環(huán)境下，每個(gè)線程的棧是獨(dú)立的，分別等于該線程的線程執(zhí)行函數(shù)所需要的棧，而系統(tǒng)總的棧需求，就是所有線程的棧需求之和。

假設(shè)有一不使用OS的應(yīng)用程序，main函數(shù)如下：

void main(void){ while(1) { func1(); //本函數(shù)需要10K棧 func2(); //本函數(shù)需要5K棧 func3(); //本函數(shù)需要9K棧 func4(); //本函數(shù)需要8K棧 func5(); //本函數(shù)需要9K棧 }}

在超級(jí)循環(huán)中，分別調(diào)用了func1~func5這5個(gè)函數(shù)，他們的棧需求分別是10K、5K、9K、8K、9K。調(diào)用func1時(shí)，系統(tǒng)分配10K的ram作為棧，func1函數(shù)返回，這10K空間將被釋放，并且再次分配給func2使用，所以，整個(gè)程序的棧需求，就是這5個(gè)函數(shù)中需要棧最多的那個(gè)函數(shù)需要的?？臻g：10K。

如果要把這個(gè)程序移植到OS下，最簡(jiǎn)單的方法就是創(chuàng)建5個(gè)線程來調(diào)用func1~5這5個(gè)函數(shù)，這5個(gè)線程需要的棧分別是10K、5K、9K、8K、9K，而這5個(gè)棧是獨(dú)立的，不能共用，程序總共需要的?？臻g是（10+5+9+8+9）=41K，線程棧一般是從堆中動(dòng)態(tài)分配的，考慮到動(dòng)態(tài)分配本身的開銷，硬件須準(zhǔn)備50K以上的內(nèi)存用于程序的運(yùn)行棧。一下子增長(zhǎng)到5倍，沒想到吧。

可見，上操作系統(tǒng)，雖然操作系統(tǒng)本身不需要很大內(nèi)存，但會(huì)極度增加應(yīng)用程序的內(nèi)存需求。做項(xiàng)目時(shí)，一是不要盲目上OS，要根據(jù)需求綜合考慮，二是設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該充分考慮到內(nèi)存方面的需求，配置充足的內(nèi)存。

3、人

任何產(chǎn)品都是由人開發(fā)的，所以，討論嵌入式產(chǎn)品開發(fā)的任何話題，都不能離開人的因素，科技以人為本嘛！從裸奔到操作系統(tǒng)，那么程序員，也將由編寫裸奔程序轉(zhuǎn)為在操作系統(tǒng)下編程。這些迅速、大量增加的程序員，他們可能習(xí)慣了在裸奔環(huán)境下編程，他們可能是化工、建筑、地質(zhì)等不同行業(yè)的專家，他們也許已經(jīng)上了年紀(jì)，沒有太多的精力學(xué)習(xí)多線程編程等知識(shí)。然而，涉及到專業(yè)的程序，仍然離不開他們，如何從技術(shù)上降低他們的入門門檻，是一個(gè)亟需考慮的問題。但是，普通的操作系統(tǒng)下，你不掌握線程控制技術(shù)，就無法編寫正確的程序。djyos允許你按事件編程，沒有任何跟線程相關(guān)的api函數(shù)，無需程序員掌握線程技術(shù)，客觀上降低了裸奔到OS編程的轉(zhuǎn)換技術(shù)門檻。