微控製器（MCU）廣泛應用在各行各業
，如各式家電

、工業自動化，即時控製
、資料采集等領域，為因應工控所需的即時（Realtime）控製
、快速回應等需求
，因此MCU大多搭載RTOS（即時作業係統）運作。隨著物聯網的興起，軟體業也為RTOS加入物聯網的成分
，以提早卡位物聯網的核心軟體市場…

 

各種處理器專用之OS

 

在一般功能（General-purpose）的處理器市場分類中，若以功能與執行速度來說，大致分為CPU > MPU > MCU。CPU的功能最強，主要應用在電腦產品
；MPU功能次之，其應用多元，主要應用在嵌入式係統與精簡型電腦等多種；而MCU則是以單一應用為主，應用在各式家電、電子產品
、嵌入式產品、可穿戴設備
、物聯網（IoT）應用產品等控製應用。

 

MCU內部整合了KHz～MHz級的CPU、KB～MB級的記憶體單元（RAM與ROM/EEPROM/Flash）

、時脈產生器（Oscillator；Clock Generator）
、與I/O擴充單元等，可視為一種速度較慢的係統單芯片（SoC）。

由於內部存儲容量小，因此大型作業係統如Windows、Linux等是不可能塞入MCU去執行的
，且MCU大多被應用在即時控製的環境，因此許多容量小的RTOS（Real-Time Operating System；即時作業係統），便成為開發MCU軟體的主要平台。

 

RTOS的種類繁多，主要設計給基於MPU或MCU的嵌入式係統所使用。例如MPU等級專用的有Integrity、QNX

、VxWorks等功能強大之 RTOS
；至於體積較小巧，主要支援MCU等級為主的RTOS，則有Nucleus、ThreadX、Unison OS、ucOS II/III等等。

 

以Green Hills Software推出的Integrity OS為例
，就是一種支援MPU （甚至CPU等級）為主的RTOS。其強項在於Integrity-178版本已通過EAL 6+（資訊安全）認證與DO-178B（飛安環境） A級認證
，被應用在極度重視安全和可靠性的市場

，例如戰鬥機（如B-2、F-16
、F-22
、F-35）與民航機（如Airbus A380）等領域。該RTOS支援ARM、XScale、Blackfin、Freescale （已並入NXP） ColdFire
、MIPS
、PowerPC、AMD x86（嵌入式APU）等CPU/MPU平台。

 

另一個知名的QNX RTOS
，采用微核心架構，是唯一成功打入商用市場的OS，其強項是多媒體的即時處理能力
，適用於車（機）上娛樂設備與手機等嵌入式市場。QNX於 2010年被BlackBerry購並，並開發出BB 10作業係統。QNX支援IA32、MIPS
、PowerPC、SH-4
、ARM、StrongARM、XScale等CPU/MPU平台。

 

至於像是IntervalZero的RTX、RTX64，則是設計來與微軟Windows共存共容的RTOS，搭配EtherCAT協定來做為工廠自動化的應用。其中，Windows主要負責GUI、儲存
、運算，RTX則負責即時工控與資料采集，讓工控軟體開發更容易。以上的RTOS都是MB至GB等級的 MPU等級OS，不適用於MCU的環境。

 

 

中低階RTOS部分，主要是把軟體功能極盡精簡到MB甚至KB等級，使整個OS與主要應用程式
，均可以塞入MCU裏的ROM/EEPROM/Flash。由於MCU應用的領域更加廣泛，其軟體必須力求更加精簡，因此MCU專用的RTOS大多具備非常高度模組化的架構，從核心
、驅動程式、檔案係統、周邊 I/O、網路支援等，都可以量身訂作，以利產品快速上市。

 

商用的RTOS有些會提供原始碼給授權客戶，而開源的RTOS則更能自由使用
，讓開發人員可以編譯出程式碼最小、最佳化的執行環境。

 

由於各芯片廠所推出的MCU產品／開發板，都會有其對應的OS與IDE（整合軟體開發環境），但這些OS與軟體開發環境可能隻適用於該廠的MCU產品，因此第三方軟體廠商，就開發出跨芯片／跨硬體平台的OS與IDE，讓開發人員不須因為換了硬體平台，軟體就必須全部改寫。

 

目前MCU OS/IDE市場占有率最高的，大多是軟體公司所推出商用RTOS（搭配各廠商的MCU產品），然隨著ARM推出Cortex-M

、Cortex-R等指令集架構



，進軍可穿戴與物聯網應用市場，使得ARM架構（采開源碼）的RTOS開始有提升的趨勢。

 

Mentor Graphics旗下Accelerated Technology公司所推出的Nucleus
，采Microkernel設計，號稱有30億個設備導入
，優勢是核心長度可以小至2KB，且開發人員不需要撰寫嵌入式設備專用BSP（開發板支援套裝軟體），因此被廣泛應用到消費性電子、移動設備、車用電子、智能能源
、醫療儀器
、工業／工控等領域。

 

早期采用聯發科MT6217芯片的大陸山寨、白牌

、雙卡2G手機，就是執行Nucleus RTOS。該RTOS支援ARM、MicroBlaze、MIPS、Nios II、Power、SuperH、XScale等嵌入式MCU架構。

 

Express Logic推出的ThreadX，則是一套免收權利金的RTOS，其優點是具備超快速的開機時間、反應時間，其Picokernel核心長度低於2KB，並通過安全規範
，號稱有21億個設備導入使用。例如HP的旗下印表機和事務機便采用該RTOS。可廣泛支援各式32位MCU，包含ARM、Atmel
、 BlackFin、CoreFire/68K
、EFM32、Freescale （NXP）、FM3
、H8

、XMC、M-Core
、MicroBlaze、MIPS

、Nios II、Power
、STM32
、StrongARM、Synopsys ARC
、TI
、Win32、x86/x386
、XScale等等。

 

Wind River公司所推出的VxWorks
，主要針對嵌入式係統設計，采Monolithic （單體式）核心
，優勢是具備先占式多工處理核心
、循環執行、岔斷快速反應等特性，原生支援64位處理器架構（x64）
、可進行平行（SMP）／非平行 （AMP）處理
，累積至今有超過15億個設備導入。

 

新版VxWorks 7則瞄準IoT所需要的可擴充性、安全性、連接性、繪圖能力、虛擬化等做強化

，而全功能的VxWorks微核心長度隻要20KB。VxWorks廣受科技業界的采用，登陸火星的Curiosity（好奇號）便采用VxWorks。該RTOS支援Intel x86（包含Quark SoC與x86-64）


、MIPS、PowerPC
、SH-4、ARM等CPU/MPU架構。

 

RoweBots公司的Unison OS
，則是一款完全相容於POSIX（可移植作業係統界麵）的RTOS，適用於MCU、DSC
、DSP

、SoC、FPGA等32位的硬體開發環境

，其好處是特別針對物聯網的應用，提升其係統安全性
，且核心程式碼在某些應用架構可以低到僅1KB。支援Microchip PIC32、Renesas R32C/SH2A、ST STM32
、TI ARM Cortex-M3等32位MCU。

 

Micrium的μc/OS-II （microcontroller OS version 2），主打可攜、能在ROM執行
、彈性
、先占式多工的RTOS核心，可管理高達250個應用任務。μc/OS-III則主打無限應用任務、幾近於零的岔斷，並可提供原始碼給客戶。

 

其優勢在於該係統原始碼開放、整潔一致、注釋詳盡，亦通過FAA認證與DO-178B認證，適合各種嵌入式與物聯網的係統開發，核心大小從5或 6KB～24KB。至於μc/OS-III HW-RTOS，則是針對ARM Cortex-M為主的MCU做硬體加速。該RTOS可支援超過100種DSP、MPU、MCU。

 

 

近年來由於ARM架構的處理器橫掃全球智能移動設備（手機／平板）市場，除了搭配各MCU/MPU硬體平台所推出的商用RTOS/IDE之外，為進軍物聯網與可穿戴的MCU級應用
，ARM推出Cortex-M與Cortex-R的指令集架構
，搭配開源的OS/IDE來搶占MCU的應用市場。

 

例如ARM推出的mbed OS與相關開發環境，便著重於嵌入式設備與IoT的應用
，具備連接性
、高效率
、安全性、生產力的OS，搭配其mbed-rtos函式庫
，亦可做為RTOS的應用。該mbed開發環境
，可開發出智能家庭、智能城市、可穿戴等應用產品。

 

此外，坊間針對ARM平台所推出的開源RTOS/IDE很多，例如FreeRTOS、uKOS-II、Atomthreads、BeRTOS社群版

、 ChibiOS/RT
、CoActionOS、eCos
、Embox

、Erika Enterprise/RT-Druid
、Keil （ARM） RTX
、Lepton、nOS
、Nut/OS
、NuttX、RIOT、RT-Thread

、TI-RTOS-KERNEL（SYS/BIOS）、TNeo 等等
，讓開發人員有更多的選擇。

 

 

此外，也有許多針對MCU設計的開源OS （非RTOS），但同樣具有體積小的特性，有些是針對IoT的WSN（無線傳感網路）應用，例如Contiki OS
、TinyOS。而有些則具備一般桌上型圖形化使用界麵（GUI）
，例如SymbOS
、Wheels OS等。

 

Contiki OS是一套開源的微型OS，可應用在Atmel ARM/AVR、LPC
、PIC32、TI MSP430/CC2430/2538/2630/2650、STM32W等MCU做IoT應用
，也可在博物館級的8位電腦（Apple II、Atari、Commodore等）做上網連線、甚至在骨灰級遊樂器（Atari Jaguar、Game Boy/Advance、GP32、任天堂紅白機

、PC Engine等）上執行。

 

至於SymbOS
，則是一套能在8位Z80 CPU （如MSX、Amstrad）的古董電腦上執行之免費多媒體圖形作業係統
，賦予如Windows 95般的操作畫麵
，讓舊電腦回春。