全面解析嵌入式操作系統(tǒng)和Linux

本文分析了Linux的特點(diǎn)，穩(wěn)健性和局限性以及最重要的實(shí)時(shí)領(lǐng)域的應(yīng)用。過去，因?yàn)榉荘C的嵌入式硬件平臺(tái)價(jià)格昂貴，使得許多高性能要求的嵌入式系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在，因?yàn)榱畠r(jià)的PC硬件大力發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，使得那些高性能要求的嵌入式系統(tǒng)有了實(shí)現(xiàn)的可能。

但是，嵌入式PC平臺(tái)的系統(tǒng)軟件卻不那么具有吸引力。當(dāng)然你可以選擇DOS，不過它先天不足。你也可以選擇WINDOWS，但是經(jīng)過仔細(xì)的研究，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它的實(shí)時(shí)性能很差。很多高級(jí)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)價(jià)格不菲，可移植性不好。從1991年以來，在網(wǎng)絡(luò)下發(fā)展的Linux操作系統(tǒng)，在服務(wù)器和PC桌面機(jī)上，已經(jīng)是Microsoft 的DOS和WINDOWS95/98的強(qiáng)勁對(duì)手。

而且它的性能比WINDOWS好得多。如果你有興趣 ，你可以從網(wǎng)上自由下載，或掏比CD本身貴一點(diǎn)的價(jià)格買到。最近有人把實(shí)時(shí)性的部件加入Linux操作系統(tǒng)，使得它成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的一個(gè)極其有價(jià)值工具。盡管它的實(shí)時(shí)部件不如其他的RTOS那么復(fù)雜，使用的內(nèi)存不能太小，但是它的其他優(yōu)點(diǎn)足以超越和彌補(bǔ)它的不足。

在嵌入式系統(tǒng)中使用PC硬件的好處顯而易見，生產(chǎn)量大，容易購買，價(jià)錢比較便宜。而且還很容易搞到數(shù)模轉(zhuǎn)換板、網(wǎng)絡(luò)接口板、圖象采集和處理板等專用板。再加上采用PCI總線，系統(tǒng)性能將極大提高。在操作系統(tǒng)領(lǐng)域卻沒有相應(yīng)的變化。

高級(jí)嵌入式系統(tǒng)不僅需要價(jià)格低廉的硬件，同時(shí)也需要很多復(fù)雜的功能，比如圖形用戶接口、網(wǎng)絡(luò)傳輸。在操作系統(tǒng)方面，我們也需要價(jià)格便宜、性能成熟、同時(shí)又能夠滿足高級(jí)嵌入式系統(tǒng)的需求。

如今的Linux已經(jīng)引起了計(jì)算機(jī)世界的高度重視。許多計(jì)算機(jī)使用者和廠商都被它的穩(wěn)定性、易得性等特點(diǎn)吸引。它幾乎完全兼容UNIX系統(tǒng)中的功能和開發(fā)工具、應(yīng)用程序。它提供了TCP/IP通訊功能、Internet的Client Server 功能，以及C、C++、JAVA等語言的編譯工具，這些工具和功能都比MS WINDOWS成熟、完善、易用很多。當(dāng)你在使用和編程中遇到問題時(shí)，通過Internet你會(huì)得到成千上萬的專家和熱心人的幫助。

我認(rèn)為，在解決問題時(shí)，通過Internet的幫助會(huì)比單純依靠RTOS廠商快捷有效。在廠商幫助下解 決問題，一次只會(huì)得到一種方案，如果不行，你必須重新開始;在Internet上，你會(huì)得到很多答案。今天的Linux已經(jīng)得到了一些廠商的支持，你也可以從它們那得到技術(shù)支持。但是，最重要的是你擁有源代碼，你可以對(duì)問題進(jìn)行深入的研究，甚至可以擴(kuò)展功能 。

Linux是MS WINDOWS 和DOS之外所絕佳的選擇。很多嵌入式系統(tǒng)工程師也已經(jīng)開發(fā)了Linux在嵌入式系統(tǒng)方面使用的價(jià)值，尤其在專用硬件環(huán)境和多處理器方面。現(xiàn)在的問題是如何使使Linux系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性。當(dāng)前有兩種方案來解決這個(gè)問題：一個(gè)是POSIX方法，另外一個(gè)是底層解決。

POSIX是類UNIX操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化方案，目的是提高軟件的可移植性，加速軟件設(shè)計(jì)師的工作。POSIX.1b已有實(shí)時(shí)性擴(kuò)展，包括信號(hào)、內(nèi)存鎖定、時(shí)鐘和計(jì)數(shù)、消息隊(duì)列以及搶先調(diào)度策略。不過這種辦法比較適合工作站系統(tǒng)，對(duì)基于PC的嵌入式系統(tǒng)并不是很好。

其次是類UNIX的系統(tǒng)調(diào)用比較繁復(fù)，不如pSOS+等的明了。但是仍然有一批開發(fā)者在優(yōu)化Linux，當(dāng)然也取得了一些成功，譬如內(nèi)存鎖定方法和任務(wù)調(diào)度算法有了改進(jìn)。這其中最主要的成果是POSIX線程(定義于POSIX.1c)。這個(gè)功能對(duì)嵌入式系統(tǒng)來說很好。

另一個(gè)方案從底層來提高Linux的實(shí)時(shí)性，即所謂的“硬”實(shí)時(shí)性。在這個(gè)方面做得最為成功的是New Mexico institute of Mining and Technology，他們?cè)贚inux系統(tǒng)下加入實(shí)時(shí)性的kernel(核心)，讓Linux本身運(yùn)行在優(yōu)先級(jí)較低的層面上。

這種設(shè)計(jì)方法對(duì)Linux 系統(tǒng)的修改減少到最低，同時(shí)增加必需的實(shí)時(shí)功能。這樣使得在Linux本身的升級(jí)后，可以進(jìn)行很少的修改就可以把RT-linux引進(jìn)新版的Linux核心。RT-Linux和Linux的結(jié)合提供所有的實(shí)時(shí)功能，包括底層任務(wù)的創(chuàng)建、中斷任務(wù)的安裝、底層任務(wù)隊(duì)列管理、中斷任務(wù)的運(yùn)行等。這種設(shè)計(jì)使得在系統(tǒng)中有兩種域：實(shí)時(shí)域和非實(shí)時(shí)域。實(shí)時(shí)域的函數(shù)滿足實(shí)時(shí)性要求;不過，任務(wù)必須簡(jiǎn)單，因?yàn)榉峙o它們的資源比較少。

非實(shí)時(shí)域的函數(shù)可以享用系統(tǒng)全部資源，但是它們的實(shí)時(shí)性比較差。兩個(gè)域之間的通訊方法也提供了。在所有RT-Linux時(shí)，必須保證需要的函數(shù)在各自的運(yùn)行域是合適的，不要以為先前的非實(shí)時(shí)函數(shù)在安裝安裝了RT-Linux后就具有了實(shí)時(shí)性，對(duì)實(shí)時(shí)性要求有關(guān)的函數(shù)必須放到實(shí)時(shí)域中去運(yùn)行。

RT- Linux中任務(wù)處理也比較簡(jiǎn)單，所有rt-task-init()創(chuàng)建和啟動(dòng)實(shí)時(shí)任務(wù)。實(shí)時(shí)域和非實(shí)時(shí)域的函數(shù)通訊方法是通過FIFO進(jìn)行。所有 FIFO的明顯好處是方便數(shù)據(jù)的傳輸，如果設(shè)定其長(zhǎng)度為零，又可以當(dāng)成信號(hào)所有。目前的不足是沒有提供優(yōu)先級(jí)繼承機(jī)制(為了防治優(yōu)先級(jí)的逆轉(zhuǎn))和任務(wù)的安全刪除，但是在設(shè)計(jì)過程中卻可以依靠仔細(xì)設(shè)計(jì)來避免這種錯(cuò)誤發(fā)生。當(dāng)然使用零長(zhǎng)的FIFO來掛起程序的運(yùn)行的方法有一點(diǎn)麻煩，不過它總算是一種辦法。新設(shè)計(jì)的方法是設(shè)定超時(shí)功能。

RT-Linux作為簡(jiǎn)單、開放的軟件，使用者可以可以根據(jù)你們的需要來更新這些功能，設(shè)計(jì)出更好的方案，并公布給大家。

RT- Linux中最為引人注意的特色是它使得Linux的核心能夠被搶先。Linux以及其他類UN IX操作系統(tǒng)的核心都不能被長(zhǎng)期打斷。正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，使得Linux不能是一個(gè)完全合格的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。不過，使用上面介紹的兩種方法都可以提高 Linux的實(shí)時(shí)性。

第一種方法重新設(shè)計(jì)核心，當(dāng)然能夠達(dá)到要求。然而Linux的核心大且復(fù)雜，還經(jīng)常修正;它的設(shè)計(jì)者并不關(guān)心其實(shí)時(shí)性能。因此強(qiáng)加入實(shí)時(shí)的功能于現(xiàn)成代碼并不合適。即使這樣，當(dāng)Linux的核心升級(jí)，就不免要重新設(shè)計(jì)程序。

RT-Linux采用的另外的方法使得Linux的核心可以被中斷;它把中斷分為兩類：Linux控制的中斷和RT-Linux控制下的中斷。RT- Linux嚴(yán)格限制任務(wù)和中斷的內(nèi)容;它們不能調(diào)用Linux的核心，所以它們可以中斷核心的工作。如果它們不改變核心的東西，那么它們將不會(huì)干擾核心的運(yùn)行。其次，Linux的中斷也不能夠打斷核心的運(yùn)行。

于是RT- Linux采用了虛擬的中斷結(jié)構(gòu)，使得Linux的核心不能禁止中斷。在標(biāo)準(zhǔn)的Linux系統(tǒng)中，使用了“sti”和“cli”宏，然后運(yùn)行X86的相應(yīng)指令。RT-Linux修改了這兩條指令的運(yùn)行方式;執(zhí)行“cli”，它不禁止中斷，而是重新指向RT-Linux的代碼，進(jìn)行判斷;如果是RT- Linux的則讓中斷繼續(xù)執(zhí)行，如果是標(biāo)準(zhǔn)Li nux的中斷，則設(shè)置標(biāo)志。運(yùn)行“sti”時(shí)，掛起的任何中斷繼續(xù)執(zhí)行。如此這般，Linux不能中斷它自身，RT-Linux就可以了。