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。這意味著選擇該操作系統(tǒng)往往發(fā)生在設(shè)計(jì)過程的早期。許多嵌入式開發(fā)人員認(rèn)為這一選擇過程具有挑戰(zhàn)性。如何為你的特定應(yīng)用程序選擇操作系統(tǒng)?

選擇標(biāo)準(zhǔn)

操作系統(tǒng)的選擇是由你可能會(huì)問自己或別人的一系列問題決定的。很容易想象這都是關(guān)于操作系統(tǒng)的技術(shù)問題，事實(shí)上，這些問題主導(dǎo)了整個(gè)過程。然而，需要考慮商業(yè)因素(如成本)，也不能忽視個(gè)人體驗(yàn)等因素。

1.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，需要完全弄清楚這些問題。

你的應(yīng)用程序是實(shí)時(shí)的嗎?

在實(shí)時(shí)應(yīng)用程序中，響應(yīng)時(shí)間至關(guān)重要。它可能不夠快，但需要在可預(yù)測的(確定性的)時(shí)間內(nèi)對(duì)外部事件做出響應(yīng)，它必須足夠快(或慢)。對(duì)操作系統(tǒng)選擇的影響是，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)最有可能是正確的選擇，因?yàn)樗菍ｉT為適應(yīng)應(yīng)用程序的要求而設(shè)計(jì)的。Linux本質(zhì)上不是實(shí)時(shí)的，但是實(shí)時(shí)擴(kuò)展可能使它成為一個(gè)可行的選擇。

內(nèi)存大小有限嗎?

過去，嵌入式開發(fā)系統(tǒng)的內(nèi)存容量通常非常小，可能只有幾k。如今，雖然微控制器的片內(nèi)存儲(chǔ)器可能仍有很大限制，但提供的內(nèi)存容量要大得多。在設(shè)計(jì)完成后，給系統(tǒng)增加更多的內(nèi)存并不容易。更重量級(jí)的操作系統(tǒng)，如Linux，非常需要內(nèi)存，所以空間限制是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)。大多數(shù)RTOS產(chǎn)品要輕得多，而且很可能是可伸縮的，這意味著內(nèi)存只用于實(shí)際需要的功能。

CPU功率有限嗎?

CPU的能力是衡量它在給定時(shí)間內(nèi)可以做多少工作——可以執(zhí)行多少指令。大多數(shù)嵌入式設(shè)計(jì)的CPU都有足夠的能力，但可能沒有多余的能力。任何一種OS都是開銷;它的執(zhí)行使用CPU的能力，但不直接影響應(yīng)用程序的功能。將這種開銷保持在最低水平通常很重要。操作系統(tǒng)的效率差異很大，但是RTOS的產(chǎn)品傾向于最節(jié)約地使用CPU。

設(shè)備功耗是個(gè)問題嗎?

嵌入式系統(tǒng)的功耗越來越成為優(yōu)先考慮的問題。這通常用于延長電池壽命，但也可能是出于環(huán)境考慮。歷史上，功耗被認(rèn)為是一個(gè)純粹的硬件問題。現(xiàn)在人們認(rèn)識(shí)到，軟件可以大大有助于優(yōu)化能源的使用。簡單地說，在嵌入式開發(fā)中，代碼越小，需要的內(nèi)存就越少，這樣就節(jié)省了能量。類似地，代碼的效率對(duì)必要的CPU能力有影響。RTOS很可能是緊湊和高效的。

許多系統(tǒng)都包括電源管理功能。這可能只是低功耗模式(如睡眠和掛起)的可用性，但更高級(jí)的電源管理正變得越來越普遍。這可能包括外設(shè)的選擇性斷電以及CPU電壓和時(shí)鐘頻率的控制。Linux和許多RTOS產(chǎn)品都支持電源管理。

你的系統(tǒng)有模糊的或定制的外圍設(shè)備嗎?

嵌入式應(yīng)用中最具挑戰(zhàn)性的一些代碼是與外圍設(shè)備的接口。使用操作系統(tǒng)時(shí)，這通常封裝在驅(qū)動(dòng)程序中。大多數(shù)RTOSes都提供了大量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。Linux有更多的功能，包括對(duì)許多不太知名的硬件的支持。如果你有自定義外設(shè)，顯然沒有支持將是可用的，所以將需要一個(gè)自定義驅(qū)動(dòng)程序。RTOS供應(yīng)商通常在這方面提供良好的支持。Linux驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)專業(yè)知識(shí)是相當(dāng)普遍的。

你有內(nèi)存管理單元(MMU)嗎?

大多數(shù)高端嵌入式開發(fā)CPU都有一個(gè)MMU，至少作為一個(gè)選項(xiàng)。這允許重新映射和/或保護(hù)存儲(chǔ)區(qū)域。MMU對(duì)于部署Linux是必不可少的;如果沒有MMU可用，Linux不是一個(gè)選項(xiàng)。RTOSes通常不需要MMU，但是如果可以的話，許多人可以通過促進(jìn)“輕量級(jí)進(jìn)程模型”(也稱為“線程保護(hù)模式”)來利用MMU。

應(yīng)用程序安全性是一個(gè)問題嗎?

一些嵌入式應(yīng)用具有安全意識(shí)——必須保護(hù)代碼免受外部干擾。這可以看作是保護(hù)每個(gè)任務(wù)不受其他任務(wù)的影響。Linux等使用的進(jìn)程模型。使用MMU是增加安全性的一個(gè)非常好的方法。如果RTOS可以利用MMU，如上所述，這可以用更少的開銷提供幾乎同樣多的安全性。

你的應(yīng)用需要安全認(rèn)證嗎?

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(jì)劃。獲得認(rèn)證的過程既復(fù)雜又昂貴。通常需要整個(gè)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)證的代碼的大小會(huì)影響過程的成本，因此操作系統(tǒng)越小越好。

在嵌入式開發(fā)中，通常不可能只對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)證，而是對(duì)整個(gè)應(yīng)用程序進(jìn)行評(píng)估。但是，一些RTOS供應(yīng)商可以提供“預(yù)認(rèn)證包”，其中提供了操作系統(tǒng)所需的大量初始文檔。當(dāng)然，選擇在類似應(yīng)用領(lǐng)域有使用和認(rèn)證“記錄”的操作系統(tǒng)也是明智的。

2.商業(yè)因素

雖然工程師喜歡嵌入式軟件開發(fā)的技術(shù)挑戰(zhàn)，但這類項(xiàng)目也要考慮商業(yè)因素。一切都?xì)w結(jié)于錢。實(shí)施操作系統(tǒng)需要資金，但卻可以獲得：

l內(nèi)部開發(fā)顯然要花錢

l一件商品有一個(gè)價(jià)格

l開源不是“免費(fèi)的”存在實(shí)施成本和持續(xù)維護(hù)

商業(yè)操作系統(tǒng)產(chǎn)品有多種商業(yè)模式。例如，可能會(huì)有一個(gè)低的起始付款和每單位裝運(yùn)的持續(xù)版稅，或者可能會(huì)有一個(gè)較大的前期費(fèi)用，沒有持續(xù)的版稅。可接受的型號(hào)取決于售價(jià)和預(yù)計(jì)的出貨量。

3.其他考慮

操作系統(tǒng)選擇過程中容易被忽略的一個(gè)方面是利用過去的經(jīng)驗(yàn)。嵌入式開發(fā)團(tuán)隊(duì)可能以前使用過一個(gè)或多個(gè)操作系統(tǒng)，這可能會(huì)產(chǎn)生重大影響。例如，獲取操作系統(tǒng)API的詳細(xì)知識(shí)需要一些時(shí)間，因此能夠重用這些知識(shí)是一個(gè)很大的好處。如果API是專有的，這可能是一個(gè)指向特定產(chǎn)品的強(qiáng)指針。如果API是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，比如POSIX，你仍然可以選擇。當(dāng)然，使用混亂和不靈活的API的糟糕體驗(yàn)可能會(huì)產(chǎn)生相反的效果!

與特定供應(yīng)商合作的經(jīng)驗(yàn)是另一個(gè)因素。他們的技術(shù)支持好嗎?文檔符合標(biāo)準(zhǔn)嗎?源代碼是否可用并得到了很好的評(píng)論?

多核系統(tǒng)和操作系統(tǒng)選擇

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

l對(duì)稱多處理(SMP)，其中所有內(nèi)核都是相同的，一個(gè)操作系統(tǒng)運(yùn)行在所有內(nèi)核上。

l不對(duì)稱多處理(AMP)，內(nèi)核不一定完全相同，每個(gè)內(nèi)核都運(yùn)行自己的操作系統(tǒng)。

對(duì)于SMP系統(tǒng)，操作系統(tǒng)的選擇是按照本文到目前為止所描述的方式進(jìn)行的，另外一個(gè)因素是操作系統(tǒng)必須支持SMP功能。Linux有SMP形式，許多RTOS產(chǎn)品也提供它作為一個(gè)選項(xiàng)。對(duì)于AMP系統(tǒng)，需要根據(jù)其具體要求，使用上述方法為每個(gè)內(nèi)核選擇操作系統(tǒng)。

結(jié)論

總的來說，可以看出，對(duì)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。重要的是，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(yàn)。

對(duì)于臺(tái)式電腦，有大約四種操作系統(tǒng)可供選擇。在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域，至少有幾十個(gè)。這是為什么呢?簡單地說，臺(tái)式電腦都大同小異，但每個(gè)嵌入式系統(tǒng)都不一樣。這種差異既是技術(shù)上的，也是商業(yè)上的。因此需要詳細(xì)的選擇過程。