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從裸奔到操作系統將面對什么挑戰

GReq_mcu168 ? 來源:cg ? 2018-12-11 15:45 ? 次閱讀

嵌入式設備網絡化、u盤化、功能復雜化的趨勢,使越來越多的、過去可以用裸奔實現的嵌入式產品,產生了應用操作系統的需求。

而人力成本的持續上升、芯片成本的連續下降,以及cpu性能的迅速提高,又為大面積應用操作系統提供了物質基礎。

1、速度

我們首先面對的,將是cpu運行速度的問題,毋庸置疑,操作系統調度需要cpu開銷,需要cpu有更高的速度來彌補;再者,嵌入式系統經常用于實時控制,需要較高的定時精度,縮短tick時間間隔有利于提高控制精度,嵌入式系統中經常使用1mS甚至更短的tick間隔。然而,tick間隔越短,調度開銷就越高,同樣需要更高的cpu速度來彌補。當前日益提高的嵌入式cpu的性能,甚至單片機都32位了,很好地回答了這個問題。

2、內存容量

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

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

1) 運行操作系統本身需要的內存。2) 創建線程控制塊、消息控制塊等操作系統組件需要的內存。3) 每個線程配置獨立的棧所增加的內存需求。

其中第一項很好理解,幾乎所有操作系統都會給出這個指標。第二項也容易理解,不用操作系統的情況下,我們常常定義標志位或全局變量來在不同模塊之間傳遞信息,需要的內存就很少。而操作系統模式下,需要用到同步、互斥、線程間交換數據等,這就需要使用信號量、郵箱等操作系統組件,信號量需要分配信號量控制塊,郵箱需要分配郵箱控制塊……,這些,都需要消耗可觀的內存。許多操作系統標明的,僅僅是OS本身運行需要的內存,并不包括信號量控制塊拉、郵箱控制塊拉等等這些操作系統組件需要的內存。我們知道,一個僅運行OS的系統,是毫無意義的,真正實現產品功能的,是應用程序。而djyos的si版本,大約需要的10K內存,則包含了一定數量的事件控制塊、信號量控制塊等操作系統組件所需內存的條件下的,完全滿足一個小型系統所需。

說了半天,其實也只講了操作系統對內存需求的冰山一角,OS下編程,對內存需求的影響最大的,當屬OS的多線程并發特性,這使得我們要為每一個線程分配獨立的棧。下面我們定性分析一下棧獨立化帶來的內存需求變化。棧是用來保存函數參數和局部變量的,可以說,有函數調用,就有局部變量。在單線程環境下,應用程序需要的棧,幾乎就是main函數需要的棧,而在多線程環境下,每個線程的棧是獨立的,分別等于該線程的線程執行函數所需要的棧,而系統總的棧需求,就是所有線程的棧需求之和。

假設有一不使用OS的應用程序,main函數如下:

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

在超級循環中,分別調用了func1~func5這5個函數,他們的棧需求分別是10K、5K、9K、8K、9K。調用func1時,系統分配10K的ram作為棧,func1函數返回,這10K空間將被釋放,并且再次分配給func2使用,所以,整個程序的棧需求,就是這5個函數中需要棧最多的那個函數需要的棧空間:10K。

如果要把這個程序移植到OS下,最簡單的方法就是創建5個線程來調用func1~5這5個函數,這5個線程需要的棧分別是10K、5K、9K、8K、9K,而這5個棧是獨立的,不能共用,程序總共需要的棧空間是(10+5+9+8+9)=41K,線程棧一般是從堆中動態分配的,考慮到動態分配本身的開銷,硬件須準備50K以上的內存用于程序的運行棧。一下子增長到5倍,沒想到吧。

可見,上操作系統,雖然操作系統本身不需要很大內存,但會極度增加應用程序的內存需求。做項目時,一是不要盲目上OS,要根據需求綜合考慮,二是設計硬件系統時,應該充分考慮到內存方面的需求,配置充足的內存。

3、人

任何產品都是由人開發的,所以,討論嵌入式產品開發的任何話題,都不能離開人的因素,科技以人為本嘛!從裸奔到操作系統,那么程序員,也將由編寫裸奔程序轉為在操作系統下編程。這些迅速、大量增加的程序員,他們可能習慣了在裸奔環境下編程,他們可能是化工、建筑、地質等不同行業的專家,他們也許已經上了年紀,沒有太多的精力學習多線程編程等知識。然而,涉及到專業的程序,仍然離不開他們,如何從技術上降低他們的入門門檻,是一個亟需考慮的問題。但是,普通的操作系統下,你不掌握線程控制技術,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的api函數,無需程序員掌握線程技術,客觀上降低了裸奔到OS編程的轉換技術門檻。

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原文標題:裸奔和RTOS下的嵌入式開發,有啥不同?

文章出處:【微信號:mcu168,微信公眾號:硬件攻城獅】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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