从裸奔到操作系统将面对什么挑战

嵌入式设备网络化、u盘化、功能复杂化的趋势，使越来越多的、过去可以用裸奔实现的嵌入式产品，产生了应用操作系统的需求。

而人力成本的持续上升、芯片成本的连续下降，以及cpu性能的迅速提高，又为大面积应用操作系统提供了物质基础。

1、速度

我们首先面对的，将是cpu运行速度的问题，毋庸置疑，操作系统调度需要cpu开销，需要cpu有更高的速度来弥补；再者，嵌入式系统经常用于实时控制，需要较高的定时精度，缩短tick时间间隔有利于提高控制精度，嵌入式系统中经常使用1mS甚至更短的tick间隔。然而，tick间隔越短，调度开销就越高，同样需要更高的cpu速度来弥补。当前日益提高的嵌入式cpu的性能，甚至单片机都32位了，很好地回答了这个问题。

2、内存容量

先讨论一个问题，一个原先需要50K内存的裸奔程序，如果移植到自身开销1K内存的RTOS下面，需要增加多少内存？是51K吗？

有许多嵌入式操作系统，都把运行操作系统的内存开销作为主要性能指标，有些甚至声称不到1K内存就可以运行。但我们千万不要被误导，以为用操作系统需要的内存与裸机差不多，只要比裸奔程序多那么1K、2K就行了。操作系统会使应用程序所需要的内存暴增，使用操作系统所增加的内存需求，主要来自以下方面：

1) 运行操作系统本身需要的内存。2) 创建线程控制块、消息控制块等操作系统组件需要的内存。3) 每个线程配置独立的栈所增加的内存需求。

其中第一项很好理解，几乎所有操作系统都会给出这个指标。第二项也容易理解，不用操作系统的情况下，我们常常定义标志位或全局变量来在不同模块之间传递信息，需要的内存就很少。而操作系统模式下，需要用到同步、互斥、线程间交换数据等，这就需要使用信号量、邮箱等操作系统组件，信号量需要分配信号量控制块，邮箱需要分配邮箱控制块……，这些，都需要消耗可观的内存。许多操作系统标明的，仅仅是OS本身运行需要的内存，并不包括信号量控制块拉、邮箱控制块拉等等这些操作系统组件需要的内存。我们知道，一个仅运行OS的系统，是毫无意义的，真正实现产品功能的，是应用程序。而djyos的si版本，大约需要的10K内存，则包含了一定数量的事件控制块、信号量控制块等操作系统组件所需内存的条件下的，完全满足一个小型系统所需。

说了半天，其实也只讲了操作系统对内存需求的冰山一角，OS下编程，对内存需求的影响最大的，当属OS的多线程并发特性，这使得我们要为每一个线程分配独立的栈。下面我们定性分析一下栈独立化带来的内存需求变化。栈是用来保存函数参数和局部变量的，可以说，有函数调用，就有局部变量。在单线程环境下，应用程序需要的栈，几乎就是main函数需要的栈，而在多线程环境下，每个线程的栈是独立的，分别等于该线程的线程执行函数所需要的栈，而系统总的栈需求，就是所有线程的栈需求之和。

假设有一不使用OS的应用程序，main函数如下：

void main(void){ while(1) { func1(); //本函数需要10K栈 func2(); //本函数需要5K栈 func3(); //本函数需要9K栈 func4(); //本函数需要8K栈 func5(); //本函数需要9K栈 }}

在超级循环中，分别调用了func1~func5这5个函数，他们的栈需求分别是10K、5K、9K、8K、9K。调用func1时，系统分配10K的ram作为栈，func1函数返回，这10K空间将被释放，并且再次分配给func2使用，所以，整个程序的栈需求，就是这5个函数中需要栈最多的那个函数需要的栈空间：10K。

如果要把这个程序移植到OS下，最简单的方法就是创建5个线程来调用func1~5这5个函数，这5个线程需要的栈分别是10K、5K、9K、8K、9K，而这5个栈是独立的，不能共用，程序总共需要的栈空间是（10+5+9+8+9）=41K，线程栈一般是从堆中动态分配的，考虑到动态分配本身的开销，硬件须准备50K以上的内存用于程序的运行栈。一下子增长到5倍，没想到吧。

可见，上操作系统，虽然操作系统本身不需要很大内存，但会极度增加应用程序的内存需求。做项目时，一是不要盲目上OS，要根据需求综合考虑，二是设计硬件系统时，应该充分考虑到内存方面的需求，配置充足的内存。

3、人

任何产品都是由人开发的，所以，讨论嵌入式产品开发的任何话题，都不能离开人的因素，科技以人为本嘛！从裸奔到操作系统，那么程序员，也将由编写裸奔程序转为在操作系统下编程。这些迅速、大量增加的程序员，他们可能习惯了在裸奔环境下编程，他们可能是化工、建筑、地质等不同行业的专家，他们也许已经上了年纪，没有太多的精力学习多线程编程等知识。然而，涉及到专业的程序，仍然离不开他们，如何从技术上降低他们的入门门槛，是一个亟需考虑的问题。但是，普通的操作系统下，你不掌握线程控制技术，就无法编写正确的程序。djyos允许你按事件编程，没有任何跟线程相关的api函数，无需程序员掌握线程技术，客观上降低了裸奔到OS编程的转换技术门槛。