如何选择嵌入式操作系统

作者：Colin Walls

几乎所有现代嵌入式系统都是使用某种操作系统 （OS） 构建的。这意味着该操作系统的选择往往发生在设计过程的早期。许多开发人员发现这个选择过程具有挑战性。您如何为您的特定应用选择操作系统？

你需要一个操作系统吗？

对于许多嵌入式应用程序，显然需要一个操作系统。如果应用程序很复杂并且在高端处理器上运行，那么几乎可以肯定操作系统是有益的。另一方面，在低端芯片上运行的简单软件根本不需要操作系统。还有另外两种可能性：低端 CPU 上的复杂软件和复杂处理器上的简单软件。在这两种情况下，操作系统似乎都不会提供太多优势，而且实际上可能会妨碍效率。但是，围绕多任务模型构建代码是使其可扩展的好方法，从而在将来某个时候迁移到更强大的设备和/或需要为应用程序增加更多复杂性时最大限度地减少工作量。

你在哪里可以获得操作系统？

大致而言，有三种方法可以获得嵌入式操作系统：

自己写一个
利用“免费”或开源产品
从商业供应商处购买/许可产品

选项（1）很少是一个好的选择，因为您的特定需求不太可能如此专业以至于现有产品无法满足它们。“重新发明轮子”从来不是一个明智的决定。唯一可能的例外可能是将编写操作系统作为一项学术练习，以充分了解此类产品的工作原理。

选择标准

操作系统的选择取决于您可能会问自己或他人的一系列问题。很容易想象这完全是关于操作系统的技术问题，事实上，这些问题主导了这个过程。但是，需要考虑商业因素——比如成本——并且不能忽视个人经验等因素。

技术因素

操作系统的技术方面在选择过程中占主导地位。在考虑其他参数之前，这些问题需要完全清楚。

您的应用程序是实时的吗？

实时应用程序是响应时间至关重要的应用程序。它可能不快，但需要在可预测的（确定的）时间内响应外部事件；它必须足够快（或慢）。操作系统选择的含义是实时操作系统（RTOS） 最有可能是正确的选择，因为它是专门为满足应用程序的要求而设计的。Linux 本质上不是实时的，但实时扩展可能使其成为一个可行的选择。

内存大小有限制吗？

过去，嵌入式系统的内存容量通常非常小——可能只有几 K。现在，有一个更加慷慨的规定，尽管带有微控制器的片上内存可能仍然非常有限。在设计签署后向系统添加更多内存并非易事。更重量级的操作系统，如 Linux，非常需要内存，因此空间限制是一个真正的挑战。大多数 RTOS 产品更轻量级并且可能具有可扩展性，这意味着内存仅用于实际需要的功能。

CPU 功率有限制吗？

CPU 的功率是衡量它在给定时间内可以完成多少工作（可以执行多少条指令）的指标。大多数嵌入式设计都会有一个有足够功率的 CPU，但可能没有多余的。任何一种操作系统都是开销；它的执行使用 CPU 能力，但不直接影响应用程序功能。将此开销保持在最低限度通常很重要。操作系统的效率差异很大，但 RTOS 产品倾向于最节俭地使用 CPU。

设备功耗是个问题吗？

嵌入式系统的功耗成为优先事项越来越普遍。这通常用于保持电池寿命，但也可能出于环境考虑。从历史上看，功耗被认为是纯粹的硬件问题。现在人们认识到，软件可以极大地促进能源使用的优化。

简单来说，代码越小，所需的内存就越少，从而节省电力。同样，代码的效率对必要的 CPU 能力有影响。RTOS 可能是紧凑和高效的。

许多系统包括电源管理功能。这可能只是低功耗模式（如睡眠和挂起）的可用性，但更高级的电源管理正在变得普遍。这可能包括外围设备的选择性断电以及 CPU 电压和时钟频率的控制。Linux 和许多 RTOS 产品都支持电源管理。

您的系统是否有晦涩或自定义的外围设备？

嵌入式应用程序中一些最具挑战性的代码是外围设备的接口。使用操作系统时，这通常封装在驱动程序中。大多数 RTOS 都提供了适用于许多标准设备的驱动程序。Linux 的功能更多，包括对许多相当晦涩的硬件的支持。

如果您有自定义外围设备，显然将无法获得支持，因此需要自定义驱动程序。RTOS 供应商通常会在这方面提供良好的支持。Linux 驱动程序开发专业知识相当广泛。

你有内存管理单元（MMU）吗？

大多数高端嵌入式 CPU 都有一个 MMU，至少作为一个选项。这允许重新映射和/或保护存储区域。MMU 对于部署 Linux 是必不可少的；如果没有可用的 MMU，则不能选择 Linux。RTOS 通常不需要MMU，但如果可用，可以通过促进“轻量级进程模型”（也称为“线程保护模式”）来使用 MMU。

应用程序安全是一个问题吗？

一些嵌入式应用程序具有安全意识——必须保护代码免受外部干扰。这可以看作是保护每个任务免受其他任务的影响。Linux 等采用的进程模型使用 MMU，是提高安全性的一种非常好的方法。如果 RTOS 可以使用 MMU，如上所述，这提供了几乎相同的安全性和更少的开销。

您的应用程序是否需要安全认证？

在许多行业——如航空航天、医疗、汽车和工业——都有安全认证计划。获得认证的过程既复杂又昂贵。通常需要整个应用程序的所有源代码——包括操作系统。因此，拥有操作系统源代码是必不可少的；源代码并不总是可用的。在某种程度上，要认证的代码大小会影响过程的成本，因此操作系统越小越好。

通常不可能只对操作系统进行认证——对整个应用程序进行评估。但是，一些 RTOS 供应商可以提供“预认证包”，其中提供了有关操作系统所需的大部分初始文档。当然，选择具有在类似应用领域使用和认证的“跟踪记录”的操作系统也是明智之举。

商业因素

尽管工程师喜欢嵌入式软件开发的技术挑战，但此类项目也受到商业考虑。一切都取决于金钱。实施一个操作系统需要花钱，但是它是获得的：

内部开发显然要花钱
商业产品有价格
开源不是“免费的”；有实施成本和持续维护

商业操作系统产品提供各种商业模式。例如，每个发货单位的起始付款和持续特许权使用费可能较低，或者预付费用可能较高且没有持续特许权使用费。可接受的型号取决于售价和预计的出货量。

其他注意事项

操作系统选择过程中可能容易被忽视的一个方面是借鉴过去的经验。您和您的团队之前可能使用过一个或多个操作系统，这可能会产生重大影响。

例如，一个操作系统的 API 的详细知识需要一些时间来获得，因此能够重用这些知识是一个很大的好处。如果 API 是专有的，这可能是指向特定产品的强指针。如果 API 是标准，如 POSIX，您仍然可以选择。当然，使用混乱且不灵活的 API 的糟糕体验可能会产生相反的效果！

与特定供应商合作的经验是另一个因素。他们的技术支持好吗？文档是否符合要求？源代码是否可用并得到很好的评论？

多核系统和操作系统选择

使用多核设计实现嵌入式系统正变得越来越普遍。从软件的角度来看，有两种多核系统：

对称多处理 （SMP），其中所有内核都是相同的，并且单个操作系统在所有内核上运行。
非对称多处理 （AMP），其中内核不一定相同，并且每个内核都运行自己的操作系统。

对于 SMP 系统，操作系统的选择是按照本文迄今为止描述的方式进行的，另外一个因素是操作系统必须支持 SMP 功能。Linux 以 SMP 形式提供，许多 RTOS 产品也提供它作为选项。

对于 AMP 系统，需要根据其特定要求使用上述方法为每个内核选择操作系统。

结论

总的来说，可以看出对于选择嵌入式操作系统的问题没有真正简单的答案。有许多相互关联的因素。不仅要关注技术方面的考虑，还要考虑商业问题和过去的经验，这一点很重要。

对于台式计算机，有大约四种操作系统可供选择。在嵌入式世界中，至少有几十个。这是为什么？简而言之，台式计算机都大同小异，但每个嵌入式系统都不同。这种差异既是技术上的，也是商业上的。因此需要详细的选择过程。