嵌入式Linux系統(tǒng)的設計與應用
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一、引言
嵌入式系統(tǒng)(Embedded Systems)是根據(jù)應用的要求，將操作系統(tǒng)和功能軟件集成于計算機硬件系統(tǒng)之中，從而實現(xiàn)軟件與硬件一體化的計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)出現(xiàn)于60年代晚期，它最初被用于控制機電電話交換機，如今已被廣泛的應用于工業(yè)制造、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產(chǎn)品等眾多領域。嵌入式系統(tǒng)在數(shù)量上遠遠超過了各種通用計算機系統(tǒng)：計算機系統(tǒng)核心CPU，每年在全球范圍內(nèi)的產(chǎn)量大概在二十億顆左右，其中超過80％應用于各類專用性很強的嵌入式系統(tǒng)。
一般的說，凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)都可以稱為嵌入式系統(tǒng)。和通用的計算平臺相比，嵌入式系統(tǒng)往往具有功能單一、體積小、功耗低、可靠性高、剪裁性好、軟硬件集成度高、計算能力相對較低等特點。多年來，嵌入式設備中沒有操作系統(tǒng)，其主要原因有二：首先，諸如洗衣機、微波爐、電冰箱這樣的設備僅僅需要一道簡單的控制程序，以管理數(shù)量有限的按鈕和指示燈，沒有使用操作系統(tǒng)的必要；其次，它往往只具有有限的硬件資源，不足以支持一個操作系統(tǒng)。
然而，隨著硬件的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)變得越來越復雜，最初的控制程序中逐步的加入了許多功能，而這些功能中有很多可以由操作系統(tǒng)提供。于是，在70年代末期出現(xiàn)了嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded Operating Systems)，它的出現(xiàn)大大簡化了應用程序設計，并可以有效的保障軟件質(zhì)量和縮短開發(fā)周期。簡單的ES一般并不使用操作系統(tǒng)，只包含一些控制流程，但是隨著嵌入式操作系統(tǒng)在復雜性上的增長，簡單的流程控制就不能滿足系統(tǒng)的要求，這是就必須考慮使用操作系統(tǒng)做系統(tǒng)軟件。因此，嵌入式操作系統(tǒng)就應運而生。
隨著EOS的廣泛應用，業(yè)界已推出一些應用比較成功的EOS產(chǎn)品。歸納起來EOS應該具有以下幾個特點：小巧、實時性、可裝卸、固化代碼、弱交互性、強穩(wěn)定性和統(tǒng)一的接口。目前使用最多的EOS產(chǎn)品包括有：Vxwork、QNX、PalmOS、WindowsCE、pSOS、Hopen OS(國內(nèi)凱思集團公司自主研制開發(fā))等。其中，Vxwork使用最為廣泛、市場占有率最高，其突出特點是實時性強(采用優(yōu)先級搶占和輪轉(zhuǎn)調(diào)度等機制)，除此之外，其可靠性和可剪裁性也相當不錯。QNX是一種伸縮性極佳的系統(tǒng)，其核心加上實時POSIX環(huán)境和一個完整的窗口系統(tǒng)還不到一兆。相比之下，Microsoft WinCE的核心體積龐大，實時性能也差強人意，但由于Windows系列友好的用戶界面和為程序員所熟悉的API，并捆綁IE、Office等應用程序，正逐漸獲得更大的市場份額。而與這些商業(yè)化的操作系統(tǒng)相比，Linux已經(jīng)越來越受到人們的注意。
二、嵌入式Linux概述
Linux是一個成熟而穩(wěn)定的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)。將Linux植入嵌入式設備具有眾多的優(yōu)點。首先，Linux的源代碼是開放的，任何人都可以獲取并修改，用之開發(fā)自己的產(chǎn)品。其次，Lirmx是可以定制的，其系統(tǒng)內(nèi)核最小只有約134kB。一個帶有中文系統(tǒng)和圖形用戶界面的核心程序也可以做到不足1MB，并且同樣穩(wěn)定。另外，它和多數(shù)Unix系統(tǒng)兼容，應用程序的開發(fā)和移植相當容易。同時，由于具有良好的可移植性，人們已成功使Linux運行于數(shù)百種硬件平臺之上。
然而，Linux并非專門為實時性應用而設計，因此如果想在對實時性要求較高的嵌入式系統(tǒng)中運行Linux，就必須為之添加實時軟件模塊。這些模塊運行的內(nèi)核空間正是操作系統(tǒng)實現(xiàn)進程調(diào)度、中斷處理和程序執(zhí)行的部分，因此錯誤的代碼可能會破壞操作系統(tǒng)，進而影響整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。Linux的眾多優(yōu)點還是使它在嵌入式領域獲得了廣泛的應用，并出現(xiàn)了數(shù)量可觀的嵌入式Linux系統(tǒng)。其中有代表性的包括：uClinux、ETLinux、ThinLinux、LOAF等。ETLinux通常用于在小型工業(yè)計算機，尤其是PC／104模塊。ThinLinux面向?qū)Ｓ玫恼障鄼C服務器、X-10控制器、MP3播放器和其它類似的嵌入式應用。LOAF是Linux On A Floppy的縮略語，它運行在386平臺上。
三、Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)勢
Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)勢主要有以下幾點：
1、 可應用于多種硬件平臺。Linux已經(jīng)被移植到多種硬件平臺，這對于經(jīng)費，時間受限制的研究與開發(fā)項目是很有吸引力的。原型可以在標準平臺上開發(fā)后移植到具體的硬件上，加快了軟件與硬件的開發(fā)過程。Linux采用一個統(tǒng)一的框架對硬件進行管理，從一個硬件平臺到另一個硬件平臺的改動與上層應用無關(guān)。Linux可以隨意地配置，不需要任何的許可證或商家的合作關(guān)系，源代碼可以免費得到。這使得采用Linux作為操作系統(tǒng)不會遇到任何關(guān)于版權(quán)的糾紛。毫無疑問，這會節(jié)省大量的開發(fā)費用。本身內(nèi)置網(wǎng)絡支持，而目前嵌入式系統(tǒng)對網(wǎng)絡支持要求越來越高。Linux的高度模塊化使添加部件非常容易。
2、 Linux是一個和Unix相似、以內(nèi)核為基礎的、具有完全的內(nèi)存訪問控制，支持大量硬件(包括X86，Alpha、ARM和Motorola等現(xiàn)有的大部分芯片)等特性的一種通用操作系統(tǒng)。其程序源碼全部公開，任何人可以修改并在GUN通用公共許可證(GNU General Public License)下發(fā)行。這樣，開發(fā)人員可以對操作系統(tǒng)進行定制，適應其特殊需要。
3、 Linux帶有Unix用戶熟悉的完善的開發(fā)工具，幾乎所有的Unix系統(tǒng)的應用軟件都已移植到了Linux上。Linux還提供了強大的網(wǎng)絡功能，有多種可選擇窗口管理器(X Windows)。其強大的語言編譯器GCC，C++等也可以很容易得到，不但成熟完善，而且使用方便。
四、嵌入式Linux的建立
完整的嵌入式Linux解決方案應包括嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核、運行環(huán)境、圖形化界面和應用軟件等。由于嵌入式設備的特殊要求，嵌入式Linux解決方案中的內(nèi)核、環(huán)境、GUI等都與標準Linux有很大不同，其主要挑戰(zhàn)是如何在狹小的FLASH、ROM和內(nèi)存中實現(xiàn)高質(zhì)量的任務實時調(diào)度、圖形化顯示、網(wǎng)絡通信等功能。
1、 精簡內(nèi)核
Linux內(nèi)核有自己的結(jié)構(gòu)體系，其中進程管理、內(nèi)存管理和文件系統(tǒng)是其最基本的3個子系統(tǒng)。圖1簡單表示了它的框架。用戶進程可直接通過系統(tǒng)調(diào)用或者函數(shù)庫來訪問內(nèi)核資源。正因為Linux內(nèi)核具有這樣的結(jié)構(gòu)，因此修改內(nèi)核時必須注意各個子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)。
嵌入式Linux內(nèi)核一般由標準Linux內(nèi)核裁剪而來。用戶可根據(jù)需求配置系統(tǒng)，剔除不需的服務功能、文件系統(tǒng)和設備驅(qū)動。經(jīng)過裁剪、壓縮后的系統(tǒng)內(nèi)核一般只有300k左右，十分適合嵌入式設備。同標準Linux不同的是嵌入式Linux必須要實現(xiàn)從FLASH或ROM的啟動。標準Linux啟動代碼實現(xiàn)了系統(tǒng)初始化和從軟盤、硬盤O盤區(qū)引導內(nèi)核。嵌入式Linux一般保存在FLASH或ROM中，標準LILO無法引導。在支持直接從FLASH設備引導的系統(tǒng)中，如華恒公司的uClinux，引導程序主要完成對硬件系統(tǒng)的初始化工作和操作系統(tǒng)的解壓、移位工作。在不支持直接從FLASH引導的系統(tǒng)中，F(xiàn)LASH設備只能作為非引導磁盤使用。此時，可采用先從硬盤或軟盤加載一個小操作系統(tǒng)，如嵌入式DOS，然后再執(zhí)行"Loadlin"加載程序從FLASH引導嵌入式Linux。
對標準Linux的修改主要是虛擬內(nèi)存和調(diào)度程序部分的改動。因為標準Linux系統(tǒng)使用虛擬內(nèi)存管理的目的是為了能同時運行多個進程，但是這樣每個待運行的進程所能分配的CPU時間片就受限制，資源的使用效率就低。這樣對于實時性要求較高的嵌入式系統(tǒng)來說，實時任務往往要求CPU具有很高的突發(fā)處理能力，即在有些時候需要極高的處理效率，因此需要屏蔽內(nèi)核的虛擬內(nèi)存管理機制。對于無硬盤設備的嵌入式系統(tǒng)，不必采用虛存管理。強實時需求的嵌入式應用可以通過修改任務調(diào)度模塊實現(xiàn)，主要是在內(nèi)核和設備驅(qū)動程序中加入了許多切換點。在該點處，系統(tǒng)檢測是否存在未處理的緊急中斷，有則剝奪內(nèi)核的運行，及時處理中斷。實現(xiàn)實時性服務的一個較好的方法是在標準的Linux內(nèi)核上增加一個實時內(nèi)核，標準Linux內(nèi)核作為一個任務運行于實時內(nèi)核上，強實時性任務也直接運行在實時內(nèi)核上，如RT-Linux等。
文件系統(tǒng)是嵌入式Linux操作系統(tǒng)必不可少的。但標準Linux支持大量的文件系統(tǒng)，因此除了滿足系統(tǒng)的正常運行需要而保留一種外，其它的全部可以刪除，利用原有的設置選項可以移除。一般嵌入式設備文件系統(tǒng)主要使用RamDisk技術(shù)和網(wǎng)絡文件系統(tǒng)技術(shù)。RamDisk可駐留于Flash，運行時加載到內(nèi)存中。
2、 精簡運行環(huán)境
Linux通常的運行環(huán)境指用戶運行任何應用的基礎設施，主要包括函數(shù)庫和基本命令集等。標準Linux系統(tǒng)同時向用戶提供了靜態(tài)和動態(tài)函數(shù)庫。靜態(tài)函數(shù)庫在生成應用時直接鏈接到用戶應用中。動態(tài)庫在應用運行時才鏈接。由于嵌入式系統(tǒng)應用一般都是在開發(fā)平臺上預先生成的，因此嵌入式系統(tǒng)只需向應用提供動態(tài)函數(shù)庫。Linux應用運行所需的函數(shù)庫主要有C庫、數(shù)學庫、線程庫、加密庫、網(wǎng)絡通信庫等。其中最基本的是C語言的運行庫glib。這個庫主要完成基本的輸入輸出，內(nèi)存訪問，文件處理。一個標準的glib庫大約要1200kB存儲空間，考慮到嵌入式Linux內(nèi)核往往很小，這種運行庫實在太大，我們做了一些精簡的工作，方法有兩種：(1)、使用靜態(tài)連接的方法，完全不使用運行庫動態(tài)連接；(2)、對這個庫的函數(shù)進行精簡。
在一個桌面系統(tǒng)上，使用動態(tài)連接可以帶來許多好處。使用動態(tài)連接庫，可以讓應用程序跟函數(shù)庫的更新、升級分離，便于維護，可以讓同時運行的多個程序共享一段代碼。但是，在嵌入式系統(tǒng)中，很少有多個程序并行的可能，程序的維護，尤其是庫函數(shù)的維護更新是不常見的。這時，使用靜態(tài)連接的優(yōu)勢就極為明顯。因為靜態(tài)連接可以只將庫中用到的部分連接進程序。在應用程序較少(小于5)的情況下，靜態(tài)連接可以達到較好的結(jié)果。為了便于將來擴充的需要，我們也采用第二種方法，針對我們的需要，對庫函數(shù)的內(nèi)容進行精簡，只保留一些基本功能，還有一種方法是采用其它的C語言運行庫。但是這些庫對兼容性影響很大。
基本命令集同樣是運行用戶應用的基礎，主要包括初始化進程init，終端獲取getty、Shell和基本命令等。嵌入式系統(tǒng)的啟動過程可能與標準Linux不同，例如跳過登錄過程直接啟動GUI等。這就要求修改init，getty等。標準Linux命令集同樣由于體積問題無法直接應用于嵌入式環(huán)境。目前，小命令集的解決方法主要有集成方法和匯編方法兩種。集成方法采用集成公共部分減少命令集整體體積，用C實現(xiàn)，有較好的平臺移植性；匯編方法則采用匯編編程減少每個命令的體積．這樣可使體積很小但其平臺移植性較差。
3、 嵌入式Linux下的GUI
GUI在嵌入式系統(tǒng)或者實時系統(tǒng)中的地位越來越重要，比如PDA、DVD播放機、WAP手機等，都需要一個完整．漂亮的圖形用戶界面。這些系統(tǒng)對GUI的基本要求包括：(1)、輕型、占用資源少；(2)、高性能；(3)、高可靠性；(4)、可配置。這些也成為評價嵌入式系統(tǒng)的重要指標。目前，嵌入式Linux上的GUI主要有winCE、Micro Window、緊縮的X Window、MiniGUI(國內(nèi)做得較好的自由軟件之一)。標準Linux的Xfree86由于體積龐大，運行環(huán)境要求高，無法運行于嵌入式環(huán)境。嵌入式GUI主要通過削減功能，降低性能來實現(xiàn)體積小和占用資源少。目前嵌入式Linux上的GUI環(huán)境主要有兩類：X類和win32類。X類GUI分為服務方和客戶方兩方。服務器方提供鼠標、鍵盤處理和顯示功能，客戶方是用戶應用，服務方和客戶方通過socket接口和X協(xié)議通信。采用該方式十分有利于遠程網(wǎng)絡圖形化服務，客戶方和服務方可通過網(wǎng)絡實現(xiàn)X協(xié)議和圖形顯示。典型的X類GUI有Micro Window、緊縮的X Window等。win32類的GUI不存在客戶方和服務方，每個任務都自成一體，任何任務間的切換、事件分發(fā)由專門的管理任務負責。如wiCE、MiniGUI就是類似于win32類的GUI。
五、當前流行的幾種嵌入式Linux系統(tǒng)
除了智能數(shù)字終端領域以外，Linux在移動計算平臺、智能工業(yè)控制、金融業(yè)終端系統(tǒng)，甚至軍事領域都有著廣泛的應用前景。這些Linux被統(tǒng)稱為"嵌入式Linux"。
1、RT-Linux
這是由美國墨西哥理工學院開發(fā)的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。到目前為止，RT-Linux已經(jīng)成功地應用于航天飛機的空間數(shù)據(jù)采集、科學儀器測控和電影特技圖像處理等廣泛領域。RT-Linux開發(fā)者并沒有針對實時操作系統(tǒng)的特性而重寫Linux的內(nèi)核，因為這樣做的工作量非常大，而且要保證兼容性也非常困難。為此，RT-Linux提出了精巧的內(nèi)核，并把標準的Linux核心作為實時核心的一個進程，同用戶的實時進程一起調(diào)度。這樣對Linux內(nèi)核的改動非常小，并且充分利用了Linux下現(xiàn)有的豐富的軟件資源。
2、uClinux
uCLinux是Lineo公司的主打產(chǎn)品，同時也是開放源碼的嵌入式Linux的典范之作。uCLinux主要是針對目標處理器沒有存儲管理單元MMU(Memory Management Unit) 的嵌入式系統(tǒng)而設計的。它已經(jīng)被成功地移植到了很多平臺上。由于沒有MMU，其多任務的實現(xiàn)需要一定技巧。uCLinux是一種優(yōu)秀的嵌入式Linux版本，是micro-Conrol-Linux的縮寫。它秉承了標準Linux的優(yōu)良特性，經(jīng)過各方面的小型化改造，形成了一個高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux。雖然它的體積很小，卻仍然保留了Linux的大多數(shù)的優(yōu)點：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡功能、對各種文件系統(tǒng)完備的支持和標準豐富的API。它專為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作，目前已支持多款CPU。其編譯后目標文件可控制在幾百KB數(shù)量級，并已經(jīng)被成功地移植到很多平臺上。
3、Embedix
Embedix是由嵌入式Linux行業(yè)主要廠商之一Luneo推出的，是根據(jù)嵌入式應用系統(tǒng)的特點重新設計的Linux發(fā)行版本。Embedix提供了超過25種的Linux系統(tǒng)服務，包括Web服務器等。系統(tǒng)需要最小8MB內(nèi)存，3MB ROM或快速閃存。Embedix基于Linux 2.2內(nèi)核，并已經(jīng)成功地移植到了Intel x86和PowerPC處理器系列上。像其它的Linux版本一樣，Embedix可以免費獲得。Luneo還發(fā)布了另一個重要的軟件產(chǎn)品，它可以讓在Windows CE上運行的程序能夠在Embedix上運行。Luneo還將計劃推出Embedix的開發(fā)調(diào)試工具包、基于圖形界面的瀏覽器等。可以說，Embedix是一種完整的嵌入式Linux解決方案。
4、Xlinux
XLinux是由美國網(wǎng)虎公司推出，主要開發(fā)者是陳盈豪。他在加盟網(wǎng)虎幾個月后便開發(fā)出了基于XLinux的、號稱是世界上最小的嵌入式Linux系統(tǒng)，內(nèi)核只有143KB，而且還在不斷減小。XLinux核心采用了"超字元集"專利技術(shù)，讓Linux核心不僅可能與標準字符集相容，還含蓋了1 2個國家和地區(qū)的字符集。因此，XLinux在推廣Linux的國際應用方面有獨特的優(yōu)勢。
5、PoketLinux
由Agenda公司采用、作為其新產(chǎn)品"VR3PDA"的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。它可以提供跨操作系統(tǒng)構(gòu)造統(tǒng)一的、標準化的和開放的信息通信基礎結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)端到端方案的完整平臺。PoketLinux資源框架開放，使普通的軟件結(jié)構(gòu)可以為所有用戶提供一致的服務。PoketLinux平臺使用戶的視線從設備、平臺和網(wǎng)絡上移開，由此引發(fā)了信息技術(shù)新時代的產(chǎn)生。在PoketLinux中，稱之為用戶化信息交換(CIE)，也就是提供和訪問為每個用戶需求而定制的"主題"信息的能力，而不管正在使用的設備是什么。
6、MidoriLinux
由Transmeta公司推出的MidoriLinux操作系統(tǒng)代碼開放，在GUN普通公共許可(GPL)下發(fā)布，可以在http：//midori.transmeta.com上立即獲得。該公司有個名為"MidoriLinux計劃"。"MidoriLinux"這個名字來源于日本的"綠色"---Midori，用來反映其Linux操作系統(tǒng)的環(huán)保外觀。
7、紅旗嵌入式Linux
由北京中科院紅旗軟件公司推出的嵌入式Linux是國內(nèi)做得較好的一款嵌入式操作系統(tǒng)。目前，中科院計算所自行開發(fā)的開放源碼的嵌入式操作系統(tǒng)---Easy Embedded OS(EEOS)也已經(jīng)開始進入實用階段了。該款嵌入式操作系統(tǒng)重點支持p-Java。系統(tǒng)目標一方面是小型化，另一方面能重用Linux的驅(qū)動和其它模塊。由于有中科院計算所的強大科研力量做后盾，EEOS有望發(fā)展成為功能完善、穩(wěn)定、可靠的國產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)平臺。
六、結(jié)束語
由于Linux是一個內(nèi)核源代碼開放、具備一整套工具鏈、有強大的網(wǎng)絡支持及成本低廉的操作系統(tǒng)，因此嵌入式Linux自誕生起就秉承了這眾多獨特優(yōu)勢，這使它正在并越來越多地受到人們的關(guān)注。據(jù)Even Data數(shù)據(jù)顯示，期望使用嵌入式Linux的用戶從2001年的11％增到2002年27％，而同期Vxwork只是從16％到18％，Win CE從9％到14％。另外，在嵌入式Linux的各種應用市場中，通信(語音和數(shù)據(jù))名列第一，2000年的銷售額是1300萬美元，而2005年預計將達到1.26億美元，可以預見，嵌入式Linux將在未來的通信用嵌入式操作系統(tǒng)中占據(jù)強有力的地位。
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