uCOS III 和 uCOS II的區別

阿新 • • 發佈：2019-01-18

邵貝貝:嵌入式作業系統μC/OS-III
作者：邵貝貝來源:嵌入式系統聯誼會

邵老師長期從事微控制器和嵌入式系統教學和應用工作，並負責清華大學飛思卡爾實驗室工作。邵老師與大家分享了μC/OS的發展經歷，即將釋出的μC/OS-III的細節，以及他對未來嵌入式作業系統的認識。

以下是文字實錄。

大家好，我講講μC/OS-III，原來是μC/OS-II，現在到了μC/OS-III。今年第一期《電子產品世界》裡有一篇調查，有627份中國嵌入式系統工程師的調查問卷，顯示出現在用的最多的38%使用Linux，排在第二個就是μC/OS-II佔到34%，其中μC/OS-II還是專門為嵌入式設計的實時作業系統，說明μC/OS-II從前幾年進到中國以來，是有影響力的作業系統，據我瞭解，在美國好像還沒有這麼多的影響。影響力比較大的是中國和印度這樣大的發展中國家，也包括日本和韓國。我們可以看到幾乎能想到的CPU，在網上都可以下載到、移植的範例，這還不是全部，很多像Altera軟核裡面都有μC/OS的移植。

最早μC/OS是一本書，是93年出的，95年我到義大利國際物理中心準備做instructor，開一個叫做《嵌入式實時系統在物理學應用》的一個講習班，講習班大部分是印度人、中國人等，講課老師大部分從歐洲核研究中心和美國大學來的，其中就拿了這個東西作為教材。它最早是為摩托羅拉68HC11增強型微控制器寫的，管理四個任務，用查表的辦法來確定優先順序。90%以上的程式碼是自己寫的，和硬體無關，相關的程式碼不到200行，書上提供了一個可以在PC上跑的一個8088範例，可裁剪可固化，其實μC/OS這本書是個很好的教材，只有261頁，其中有100頁是原始碼，解釋了150頁。後來這本書，96年以後，在我們實驗室，給研究生用的較多，一直沒找到哪個出版社願意買它的版權。

到了2000年的時候，再想回到μC/OS的時候，已經不太可能，μC/OS-II出來了，後來第二年，電力出版社買了版權，我們就翻譯了一下，到了第三本書，μC/OS-II這本書，這個就有了差不多600頁，而且把原始碼附在光碟上，就被美國航空航天管理局認可的可以上直升飛機的一個作業系統，是一個很好用的作業系統，對於學校教學來說，這個功能很強，又很複雜。在教學上不如老版本了。這是第三本書的中譯文，2003年出的。我們看它的發展，在μC/OS一開始，書上有個μC/OS的故事，講到他寫的這個東西，當時發表文章都沒人理他，後來放到網上，下載的人很多，慢慢得到認可，所以最早1.08的版本，是放在網上，是不要版權的。到了1.10版本以後，被認可了，如果想要拿去牟利的話，就要給他一些回報。但作為教學研究，不謀利的時候，還是可以使用的。μC/OS也好，μC/OS-II也好，它是基於優先順序的，用查表的演算法去管理64個任務，只能取0~63這64個優先順序。今年3月，已經有μC/OS-III釋出可以使用了。

   那麼從μC/OS-II到μC/OS-III有哪些不同的地方呢？增加了什麼，我們看改動還是很大的。一個是原來只有0~63個優先順序，而且優先順序不能重複，現在允許幾個任務使用同一個優先順序，在同一個優先順序裡面，支援時間片排程法；第二個是允許使用者在程式執行中動態配置實時作業系統核心資源，比如，任務、任務棧、訊號量、事件標誌組、訊息佇列、訊息數、互斥型訊號量、儲存塊劃分和定時器，可以在程式執行中變更。這樣，使用者可以避免在程式編譯過程中出現資源不夠分配的問題。在資源複用上，也做了一些改進。μC/OS-II中，最多工數有64個，到了版本2.82以後是256個，μC/OS-III中，使用者可以由任意多的任務、任意多的訊號量、互斥型訊號量、事件標誌、訊息列表、定時器和任意分配的儲存塊容量，僅受限於使用者CPU可以使用的RAM量。這個也是一個很大的擴充套件。（問：邵老師，它的這個數是啟動時就固定的，還是啟動後隨便定？）它是配置的時候可以自由定義的，只有你的RAM足夠大的話。第四點是增加了很多功能，功能總是越來越多的，大夥可以看一下的。原來這些功能在μC/OS-II裡面是沒有的。

   下面一點：除每個任務的最長關中斷時間，內在效能測試允許使用者測得系統的最長關中斷時間。就是它提供了一些工具可以測量每個任務關中斷的時間；使用者在測得每個任務的最長禁止排程時間基礎上，可以測得系統禁止任務排程的最長時間，也是說做了個測量；每次發出的資訊都帶有時間戳，使用者也容易得到任務級的響應時間；效能測試還包括任務切換次數計數器和每個任務的CPU使用率等，這個在除錯的時候，還是蠻有用的。第六，μC/OS-III設計成能方便地按照CPU架構優化，特別是其資料型別可按照CPU能適應的最佳位數寬度修改（8-16-32）；選擇和確定優先順序的演算法可以用匯編語言寫，以發揮一些有特殊指令的CPU的優勢，有很多CPU有置位和復位指令，計數器計到零，還有就是找出第一個不為零位指令等。第七條，有很多數需要自行處理的內部據結構和變數，是通過給排程器上鎖的方式保護這些臨界段程式碼的，不使用關中斷的方式，核心關中斷的時鐘週期幾乎為零，這就保證了μC/OS-III能夠響應哪些最快的中斷等。第八，μC/OS-III還支援核心覺察式除錯，使用者友好地使內建核心覺察偵錯程式檢查、顯示μC/OS-III的變數、資料結構、支援μC/Probe工具在程式執行過程中動態顯示修改各種變數。從這些改動上來看，μC/OS-III還是比以前做了很大的優化的，和以前的產品有很多的區別。

   我覺得從小核心μC/OS-II到μC/OS-III，已經有17年過去了，很多效能在往大的比較出名的作業系統，像VxWorks、Wind River上靠攏，何小慶告訴我Wind River最近被Intel收購了，看了Wind River的基本情況，應該說VxWorks是公認的最好的嵌入式RTOS，是一個完整的自成體系的軟體包，但是在過去很多年，它曾經是一個靠BSP支援的黑盒子，使用者可以不關心這些原始碼，它是這樣一種思路。近年來也在公開原始碼。

   看到訊息說，Wind River打算進一步轉向Linux用於ARM和PowerPC，Intel為支援多核設計，打算髮展軟體，如嵌入式應用、Linux。多核應用是為了INTEL的重點。面前μC/OS-II的商業模式還是主要靠出書，讓學生學習使用，現在它的團隊有10人左右，比較小。我們知道如果一個軟體沒人維護，也是沒有生命力的，它僅僅維護一個核心，在第三方有很多單位和它合作，做很多其他的事情，像人機介面、檔案系統、TCP/IP等等，從網站上我們看到，大部分都是第三方合作開發的，我看第三方的報價也都不便宜，都在6000美元以上，當然有很多自由軟體也在和它在結合。使用者根據自己需要可以去組合。商業模式這些事情，其實我並不是很懂，我教書就想用老的，教書挺好的，所以商業模式這一塊我也是瞎說，呵呵。

   思考和體會，經過17年，從1個小核心發展成為1個可以和大的商業RTOS媲美的專門用於嵌入式系統的成熟的RTOS體系，一個特點就是開放原始碼，讓很多工程師，從學習，到認識，到使用。作為一個軟體，一個核心，就需要維護，需要團隊，它的團隊現在很小，大概有10人；需要第三方的支援，靠這樣的形式來組織起來的；也需要和它發展相適應的商業模式；也會是對VxWorks等大公司產品的一種衝擊。我就總結了這麼幾條。關於μC/OS的實時性問題，其實有一個函式就是delay這個函式，如果有64個任務的話，就有64個需要delay的計數器，每次時間中斷的時候，都要來查這張表，一個一個地把它去delay，任務多的時候，時間就長，任務少的時候，時間就少，這是μC/OS唯一達不到硬實時的地方，。在這個地方上，還不能說實時性還是硬實時，除非你把時間定義為這個表上的時間，解決辦法呢？這是我們最近做的一些工作，就是用雙核16位的freescale的HC12S這樣一個微控制器，它有一個協處理器是專門來響應中斷的，把定時這個功能放到協處理器來做，一個是定時器timer可以很短，從10毫秒可以到微秒級，可以到50微秒，我們做了一個測試，就是把時鐘節拍放到33微秒或者62微秒這樣來處理的話，如果不加協處理器的話，時鐘節拍就佔到53%，那就沒法用了。如果用協處理器做這些事，協處理器處理這些事大概在75微秒，這樣就把硬實時用雙核心就實現了，所以雙核心對這個還是很有好處的。

   我就介紹到這，最後是Jean Labrosse他們兩口子4月7號到中國玩，到我們實驗室看看，照片是Labrosse和他夫人，其他是我們實驗室青年教師和學生。我就說到這，謝謝！

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