邵贝贝:嵌入式操作系统μC/OS-III

邵贝贝:嵌入式操作系统μC/OS-III
作者：邵贝贝 来源:嵌入式系统联谊会

       邵老师长期从事单片机和嵌入式系统教学和应用工作，并负责清华大学飞思卡尔实验室工作。邵老师与大家分享了μC/OS的发展经历，即将发布的μC/OS-III的细节，以及他对未来嵌入式操作系统的认识。

以下是文字实录。

       大家好，我讲讲μC/OS-III，原来是μC/OS-II，现在到了μC/OS-III。今年第一期《电子产品世界》里有一篇调查，有627份中国嵌入式系统工程师的调查问卷，显示出现在用的最多的38%使用Linux，排在第二个就是μC/OS-II占到34%，其中μC/OS-II还是专门为嵌入式设计的实时操作系统，说明μC/OS-II从前几年进到中国以来，是有影响力的操作系统，据我了解，在美国好像还没有这么多的影响。影响力比较大的是中国和印度这样大的发展中国家，也包括日本和韩国。我们可以看到几乎能想到的CPU，在网上都可以下载到、移植的范例，这还不是全部，很多像Altera软核里面都有μC/OS的移植。

       最早μC/OS是一本书，是93年出的，95年我到意大利国际物理中心准备做instructor，开一个叫做《嵌入式实时系统在物理学应用》的一个讲习班，讲习班大部分是印度人、中国人等，讲课老师大部分从欧洲核研究中心和美国大学来的，其中就拿了这个东西作为教材。它最早是为摩托罗拉68HC11增强型单片机写的，管理四个任务，用查表的办法来确定优先级。90%以上的代码是自己写的，和硬件无关，相关的代码不到200行，书上提供了一个可以在PC上跑的一个8088范例，可裁剪可固化，其实μC/OS这本书是个很好的教材，只有261页，其中有100页是源代码，解释了150页。后来这本书，96年以后，在我们实验室，给研究生用的较多，一直没找到哪个出版社愿意买它的版权。

到了2000年的时候，再想回到μC/OS的时候，已经不太可能，μC/OS-II出来了，后来第二年，电力出版社买了版权，我们就翻译了一下，到了第三本书，μC/OS-II这本书，这个就有了差不多600页，而且把源码附在光盘上，就被美国航空航天管理局认可的可以上直升飞机的一个操作系统，是一个很好用的操作系统，对于学校教学来说，这个功能很强，又很复杂。在教学上不如老版本了。这是第三本书的中译文，2003年出的。我们看它的发展，在μC/OS一开始，书上有个μC/OS的故事，讲到他写的这个东西，当时发表文章都没人理他，后来放到网上，下载的人很多，慢慢得到认可，所以最早1.08的版本，是放在网上，是不要版权的。到了1.10版本以后，被认可了，如果想要拿去牟利的话，就要给他一些回报。但作为教学研究，不谋利的时候，还是可以使用的。μC/OS也好，μC/OS-II也好，它是基于优先级的，用查表的算法去管理64个任务，只能取0~63这64个优先级。今年3月，已经有μC/OS-III发布可以使用了。

       那么从μC/OS-II到μC/OS-III有哪些不同的地方呢？增加了什么，我们看改动还是很大的。一个是原来只有0~63个优先级，而且优先级不能重复，现在允许几个任务使用同一个优先级，在同一个优先级里面，支持时间片调度法；第二个是允许用户在程序运行中动态配置实时操作系统内核资源，比如，任务、任务栈、信号量、事件标志组、消息队列、消息数、互斥型信号量、存储块划分和定时器，可以在程序运行中变更。这样，用户可以避免在程序编译过程中出现资源不够分配的问题。在资源复用上，也做了一些改进。μC/OS-II中，最多任务数有64个，到了版本2.82以后是256个，μC/OS-III中，用户可以由任意多的任务、任意多的信号量、互斥型信号量、事件标志、消息列表、定时器和任意分配的存储块容量，仅受限于用户CPU可以使用的RAM量。这个也是一个很大的扩展。（问：邵老师，它的这个数是启动时就固定的，还是启动后随便定？）它是配置的时候可以自由定义的，只有你的RAM足够大的话。第四点是增加了很多功能，功能总是越来越多的，大伙可以看一下的。原来这些功能在μC/OS-II里面是没有的。  

       下面一点：除每个任务的最长关中断时间，内在性能测试允许用户测得系统的最长关中断时间。就是它提供了一些工具可以测量每个任务关中断的时间；用户在测得每个任务的最长禁止调度时间基础上，可以测得系统禁止任务调度的最长时间，也是说做了个测量；每次发出的信息都带有时间戳，用户也容易得到任务级的响应时间；性能测试还包括任务切换次数计数器和每个任务的CPU使用率等，这个在调试的时候，还是蛮有用的。第六，μC/OS-III设计成能方便地按照CPU架构优化，特别是其数据类型可按照CPU能适应的最佳位数宽度修改（8-16-32）；选择和确定优先级的算法可以用汇编语言写，以发挥一些有特殊指令的CPU的优势，有很多CPU有置位和复位指令，计数器计到零，还有就是找出第一个不为零位指令等。第七条，有很多数需要自行处理的内部据结构和变量，是通过给调度器上锁的方式保护这些临界段代码的，不使用关中断的方式，内核关中断的时钟周期几乎为零，这就保证了μC/OS-III能够响应哪些最快的中断等。第八，μC/OS-III还支持内核觉察式调试，用户友好地使内置内核觉察调试器检查、显示μC/OS-III的变量、数据结构、支持μC/Probe工具在程序运行过程中动态显示修改各种变量。从这些改动上来看，μC/OS-III还是比以前做了很大的优化的，和以前的产品有很多的区别。

       我觉得从小内核μC/OS-II到μC/OS-III，已经有17年过去了，很多性能在往大的比较出名的操作系统，像VxWorks、Wind River上靠拢，何小庆告诉我Wind River最近被Intel收购了，看了Wind River的基本情况，应该说VxWorks是公认的最好的嵌入式RTOS，是一个完整的自成体系的软件包，但是在过去很多年，它曾经是一个靠BSP支持的黑盒子，用户可以不关心这些源码，它是这样一种思路。近年来也在公开源码。

       看到消息说，Wind River打算进一步转向Linux用于ARM和PowerPC，Intel为支持多核设计，打算发展软件，如嵌入式应用、Linux。多核应用是为了INTEL的重点。面前μC/OS-II的商业模式还是主要靠出书，让学生学习使用，现在它的团队有10人左右，比较小。我们知道如果一个软件没人维护，也是没有生命力的，它仅仅维护一个内核，在第三方有很多单位和它合作，做很多其他的事情，像人机界面、文件系统、TCP/IP等等，从网站上我们看到，大部分都是第三方合作开发的，我看第三方的报价也都不便宜，都在6000美元以上，当然有很多自由软件也在和它在结合。用户根据自己需要可以去组合。商业模式这些事情，其实我并不是很懂，我教书就想用老的，教书挺好的，所以商业模式这一块我也是瞎说，呵呵。  

       思考和体会，经过17年，从1个小内核发展成为1个可以和大的商业RTOS媲美的专门用于嵌入式系统的成熟的RTOS体系，一个特点就是开放源代码，让很多工程师，从学习，到认识，到使用。作为一个软件，一个内核，就需要维护，需要团队，它的团队现在很小，大概有10人；需要第三方的支持，靠这样的形式来组织起来的；也需要和它发展相适应的商业模式；也会是对VxWorks等大公司产品的一种冲击。我就总结了这么几条。关于μC/OS的实时性问题，其实有一个函数就是delay这个函数，如果有64个任务的话，就有64个需要delay的计数器，每次时间中断的时候，都要来查这张表，一个一个地把它去delay，任务多的时候，时间就长，任务少的时候，时间就少，这是μC/OS唯一达不到硬实时的地方，。在这个地方上，还不能说实时性还是硬实时，除非你把时间定义为这个表上的时间，解决办法呢？这是我们最近做的一些工作，就是用双核16位的freescale的HC12S这样一个单片机，它有一个协处理器是专门来响应中断的，把定时这个功能放到协处理器来做，一个是定时器timer可以很短，从10毫秒可以到微秒级，可以到50微秒，我们做了一个测试，就是把时钟节拍放到33微秒或者62微秒这样来处理的话，如果不加协处理器的话，时钟节拍就占到53%，那就没法用了。如果用协处理器做这些事，协处理器处理这些事大概在75微秒，这样就把硬实时用双内核就实现了，所以双内核对这个还是很有好处的。

       我就介绍到这，最后是Jean Labrosse他们两口子4月7号到中国玩，到我们实验室看看，照片是Labrosse和他夫人，其他是我们实验室青年教师和学生。我就说到这，谢谢！