Linux与VxWorks：两种实时操作系统的对比 (linux和vxworks的差异)
随着社会科技的不断进步，计算机应用领域得到了极大发展，嵌入式系统作为计算机应用领域中的一员也日益受到重视。而实时操作系统在嵌入式系统领域中起着至关重要的作用。目前，市面上主流的实时操作系统有很多种，其中就包括Linux和VxWorks两种。本文将介绍它们之间的区别。
Linux是一个自由、开放源码的操作系统，由林纳斯·托瓦兹（Linus Torvalds）所创建。它的源代码可自由获取、使用、修改和分享，被广泛用于各种平台和硬件设备上，是世界上应用最广泛的开源操作系统之一。而VxWorks则是美国维迪亚公司（Wind River）出品的一种实时操作系统，具有极高的可靠性和实时性，被广泛应用于军工、航空航天、交通运输、电力系统等重要领域。
首先来看看Linux。Linux的优点在于： 1. Linux具有高度的扩展性，可以在我们的设备上自由添加、删除任何组件。 2. 由于其开源的自由特性，支持Linux的代码库庞大，使得很多在Linux上运行的应用程序都开源且拥有优秀的代码质量 3. 随着发展的逐步深入，Linux逐渐成为一种更加可定制的操作系统，并且在大数据和云计算领域等众多领域都拥有广泛的应用。
而VxWorks则具有以下特点： 1. VxWorks操作系统专门针对嵌入式系统而设计，稳定性强，实时性佳，可以在高复杂、高要求的环境中稳定运行。2. 对于内核的代码安全性测试非常严密，代码可靠性得到极大保证。3. VxWorks也针对网络、通讯等方面进行了优化，网络延迟极低，因此很适用在物联网领域。
再来看看两种操作系统的异同。在实时性方面，VxWorks绝对更高于Linux。因为VxWorks的内部设计以及处理方式都是以实时性为设计核心的，而Linux的设计思路是更偏向通用性的，相对而言更难以在实时性方面和VxWorks相比。在开发上，相比较来说VxWorks更为方便。由于其设计初衷就是为了简单，同时VxWorks内部的实时机制以及其连带的技术和工具，也无形中简化了开发中涉及到的很多问题。与此相对，Linux相对而言更为开放，也相对更为庞大，不太适合希望快速开发以及维护成本较低的团队。
不过，随着技术的不断进步以及开源理念的不断发展，现在的Linux也在逐渐优化实时性问题，这一点也已经为越来越多的人所认可。而VxWorks则需要在开发体验与扩展性方面做出调整，这样它才能更好地适应当今不断变化的技术和市场需求。
综上所述，两种实时操作系统各有特点。 Linux具有灵活性强，适合定制化和扩展性方面，且对于开发人员也比VxWorks更容易上手，原因是可以自定义进行优化和试验。而VxWorks则以实时性高、网络延迟低、代码可靠性高等方面为特点。以VxWorks为核心的嵌入式应用程序，要在高复杂环境下，介入多种不同领域的硬件设备之间的信息交互，实现数据采集、传送、控制等功能。无论是Linux还是VxWorks，都有着各自特有的优势，只要能够根据自身的需求进行选用，才能让该嵌入式系统在实际应用中达到更佳状态。
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国际上常见的嵌入式操作系统大约有40种左，右如：明态Linux、uClinux、WinCE、PalmOS、Symbian、eCos、uCOS-II、VxWorks、pSOS、Nucleus、ThreadX 、Rtems 、QNX、INTEGRITY、OSE、C Executive 。他们基本可以分为两类，一类是面向控制、通信等领域的实时操作系统，如windriver公司的vxworks、isi的psos、qnx系统软件公司的qnx、ati的nucleus等；另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统，这类产品包括个人数字助理(pda)、移动、机顶盒、电子书、webphone等，系统有Microsoft的WinCE，3Com的Palm，以及Symbian和Google的Android等。
（一）VxWorks
VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），是Tornado嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌人式实时操作系统领域逐渐占据一席之地。
VxWorks具有可裁剪微内核结构；高效的任务管理；灵活的任务间通讯；微秒级的中断处理；支持POSIX 1003．1b实时扩展标准；支持多种物理介质及标准的、完整的TCP/IP网络协议等。
然而其价格昂贵。由于操作系统本身以及开发环境都是专有的，价格一般都比较高，通常需花费10万元人民币以上才能建起一个可用的开发环境，对每一个应用一般还要另外收取版税。一般不通供源代码，只提供二进制代码。由于它们都是专用操作系统，需要专门的技术人员掌握开发技术和维护，所以软件的开发和维护成本都非常高。支持的硬件数量有限。
（二）Windows CE
Windows CE与Windows系列有较好的兼容性，无疑是Windows CE推广的一大优势。其中WinCE3.0是一种针对小容量、移动式、智能化、32位、了解设备的模块化实时嵌人式操作系统。为建立针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台，它能在多种处理器体系结构上运行，并且通常适用于那些对内存占用空间具有一定限制的设备。它是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。操作系统的基本内核需要至少200KB的ROM。由于嵌入式产品的体积、成本等方面有大誉较严格的要求，所以处理器部分占用空间应尽可能的小。系统的可用内存和外存数量也要受限制，而嵌入式操作系统就运行在有限的内存（一般在ROM或快闪存储器）中，因此就对操作系统的规模、效率等提出了较高的要求。从技术角度上讲，Windows CE作为嵌入式操作激仿源系统有很多的缺陷：没有开放源代码，使应用开发人员很难实现产品的定制；在效率、功耗方面的表现并不出色，而且和Windows一样占用过的系统内存，运用程序庞大；版权许可费也是厂商不得不考虑的因素。
（三）嵌入式Linux
这是嵌入式操作系统的一个新成员，其更大的特点是源代码公开并且遵循GPL协议，在近一年多以来成为研究热点，据IDG预测嵌入式Linux将占未来两年的嵌入式操作系统份额的50%。
由于其源代码公开，人们可以任意修改，以满足自己的应用，并且查错也很容易。遵从GPL，无须为每例应用交纳许可证费。有大量的应用软件可用。其中大部分都遵从GPL，是开放源代码和免费的。可以稍加修改后应用于用户自己的系统。有大量的免费的优秀的开发工具，且都遵从GPL，是开放源代码的。有庞大的开发人员群体。无需专门的人才，只要懂Unix/Linux和C语言即可。随着 Linux在中国的普及，这类人才越来越多。所以软件的开发和维护成本很低。优秀的网络功能，这在Internet时代尤其重要。稳定——这是Linux 本身具备的一个很大优点。内核精悍，运行所需资源少，十分适合嵌入式应用。
支持的硬件数量庞大。嵌入式Linux和普通Linux并无本质区别，PC上用到的硬件嵌入式Linux几乎都支持。而且各种硬件的驱动程序源代码都可以得到，为用户编写自己专有硬件的驱动程序带来很大方便。
在嵌入式系统上运行Linux的一个缺点是Linux体系提供实时性能需要添加实时软件模块。而这些模块运行的内核空间正是操作系统实现调度策略、硬件中断异常和执行程序的部分。由于这些实时软件模块是在内核空间运行的，因此代码错误可能会破坏操作系统从而影响整个系统的可靠性，这对于实时应用将是一个非常严重的弱点。
（四）μC/OS一Ⅱ
μC/OS一Ⅱ是著名的源代码公开的实时内核，是专为嵌入式应用设计的，可用于8位，16位和32位单片机或数字信号处理器（DSP）。它是在原版本μC /OS的基础上做了重大改进与升级，并有了近十年的使用实践，有许多成功应用该实时内核的实例。它的主要特点如下：
公开源代码，容易就能把操作系统移植到各个不同的硬件平台上；
可移植性，绝大部分源代码是用C语言写的，便于移植到其他微处理器上；
可固化；
可裁剪性，有选择的使用需要的系统服务，以减少斗所需的存储空间；
占先式，完全是占先式的实时内核，即总是运行就绪条件下优先级更高的任务；
多任务，可管理64个任务，任务的优先级必须是不同的，不支持时间片轮转调度法；
可确定性，函数调用与服务的执行时间具有其可确定性，不依赖于任务的多少；
实用性和可靠性，成功应用该实时内核的实例，是其实用性和可靠性的更好证据。
由于μC/OS一Ⅱ仅是一个实时内核，这就意味着它不像其他实时存在系统那样提供给用户的只是一些API函数接口，还有很多工作需要用户自己去完成。
（五）QNX
由QNX软件公司所开发的QNX操作系统，也是一套类UNIX的嵌入式操作系统，跟VxWorks同样的，QNX也是一套符合POSIX规范的操作系统。
与VxWorks同样发迹于1980年代的QNX，其特殊之处，在于其并非采用传统的高阶硬件虚拟层方式设计，而是以非常细碎的tasks形式来执行，由许多的微核心为基础组成完整的OS服务，因此QNX的硬件设计者可以自由的选择加载执行或不加载某些特定的服务，而不用去变更QNX的核心程序部份。因此基于QNX的嵌入式操作系统可以做到非常小的程度，而且依然可以具有相当高的效率与完整的菜单现。
QNX操作系统核心仅包含了CPU任务排程、进程间通讯、中断重导向以及定时器等部份，而除此之外包含驱动程序、档案系统堆叠协议以及使用者应用程序的所有程序都是属于在使用者阶段执行。QNX操作系统有个相当特殊的Proc阶段，专门负责程序process的建立，以及存储器管理等交集在系统微核心中的组件。基本上，QNX所有的组件都能透过消息传递这个函式来进行沟通，而具有良好定义的通讯机制，也能保障所有的组件都有完全独立且被保护的储存及执行空间。因此有问题的应用程序不会影响到其它组件的稳定性，发生问题的程序将会被自动终止并重新启动。
与传统的操作系统架构相较起来，微核心架构可以让嵌入式系统获得更为快速的平均回覆时间（MTTR），当硬件驱动程序失效，QNX可以在数毫秒之内，就对该驱动程序进行终止、回收资源并重新启动的步骤，让嵌入式设备可接近无停摆时间表现。
不过微核心RTOS的架构除了优点以外，由于其process间的讯息传递功能将会占用存储器频宽，影响到校能表现，因此在实际应用上，就必须采用特殊的更佳化手段，以避免掉讯息传递功能所带来的性能耗损。
虽然QNX整间公司在2023年出售给Haman International Industries，但QNX操作系统的发展脚步依旧没有停止，在国外，除了与各家国际汽车大厂合作，成为车用电子的主力操作系统以外，也获得相当多的航空公司与重要军事单位采用。而在2023年底，QNX也与国内几家包含联电、Zinwell等公司进行了合作，研华、控创等工业计算机厂商也都有针对这方面在发展。
（六）Nucleus Plus
这款嵌入式操作系统主要特征就是轻薄短小，其架构上的延展性，可以让Nucleus RTOS所占的储存空间压缩到仅有13K左右，而且Nucleus Plus是一款不需授权费的操作系统，并且提供了原始码。
Nucleus Plus本身只是Acclerated Technology公司完整解决方案里面的其中一环，这个RTOS本身架构属于先占式多工设计，有超过95％的原始码是用标准的ANSI C语言所编写，因此可以非常有效率的移植到各种不同的平台。Nucleus Plus在CISC架构处理器中，核心部份大约占去20KB左右的储存空间，而在RISC处理器上则是40KB左右，核心资料结构仅占约1.5KB，由于其即时回应、先占式多工、以及多process并行，并且开放原始码等特性，在国防、工控、航天工业、铁路、网络、POS、自动化控制以及信息家电等领域广泛受到应用。
就如同QNX一般，Nucleus Plus也可以根据目标产品的需求，来自行剪裁所需要的系统功能，达到精简体积的目的。而配合相对应的编译器（Borland c/c++、Microsoft c/c++）以及动态连结程序库和各种底层驱动程序，在开发上拥有非常相当大的便利性。诸如飞思卡尔（Freescale）、罗技（Logitech）公司、美国NEC、SK Telecom等公司，都有采用Nucleus Plus嵌入式操作系统作为开发产品使用。
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