高手進(jìn)階2.6內(nèi)核的Linux嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用

操作系統(tǒng)為用戶使用計算機及其外部設(shè)備提供最基本的接口程序,管理計算機上的資源。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴大,為了適應(yīng)不同的應(yīng)用場合,考慮到系統(tǒng)的靈活性、可伸縮性以及可裁剪性,一種以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗要求嚴(yán)格的專用計算機系統(tǒng)——嵌入式操作系統(tǒng)隨之延生。

Linux 操作系統(tǒng)是一種性能優(yōu)良、源碼公開且被廣泛應(yīng)用的免費操作系統(tǒng),由于其體積小、可裁減、運行速度高、良好的網(wǎng)絡(luò)性能等優(yōu)點,可以作為嵌入式操作系統(tǒng)。隨著2.6內(nèi)核的發(fā)布,Linux向現(xiàn)有主流的RTOS提供商在嵌入式系統(tǒng)市場提出了巨大挑戰(zhàn),例如VxWorks和WinCE,具有許多新特性,將成為更優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)。

Linux的低成本和開放性,為其在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用營造了肥沃的土壤。本文著重介紹Linux 2.6內(nèi)核的新特性及其嵌入式應(yīng)用中的優(yōu)勢,并將其移植到嵌入式平臺中,成功支持H.264編解碼多媒體系統(tǒng)。

1 Linux 2.6內(nèi)核針對嵌入式開發(fā)顯著特點

實時可靠性是嵌入式應(yīng)用較為普遍的要求,盡管Linux 2.6 并不是一個真正的實時操作系統(tǒng),但其改進(jìn)的特性能夠滿足響應(yīng)需求。Linux 2.6 已經(jīng)在內(nèi)核主體中加入了提高中斷性能和調(diào)度響應(yīng)時間的改進(jìn),其中有三個最顯著的改進(jìn):采用可搶占內(nèi)核、更加有效的調(diào)度算法以及同步性的提高4>。在企業(yè)服務(wù)器以及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域,Linux 2.6 都是一個巨大的進(jìn)步。在嵌入式領(lǐng)域,Linux 2.6 除了提高其實時性能,系統(tǒng)的移植更加方便,同時添加了新的體系結(jié)構(gòu)和處理器類型——包括對沒有硬件控制內(nèi)存管理方案的 MMU-less系統(tǒng)的支持,可以支持大容量內(nèi)存模型、微控制器,同時還改善了I/O子系統(tǒng),增添更多的多媒體應(yīng)用功能＜4＞。

1.1 可搶占內(nèi)核

在先前的內(nèi)核版本中(包括2.4內(nèi)核)不允許搶占以核心態(tài)運行的任務(wù)(包括通過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核模式的用戶任務(wù)),只能等待它們自己主動釋放CPU。這樣必然導(dǎo)致一些重要任務(wù)延時以等待系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束。

一個內(nèi)核任務(wù)可以被搶占,為的是讓重要的用戶應(yīng)用程序可以繼續(xù)運行。這樣做最主要的優(yōu)勢是極大地增強系統(tǒng)的用戶交互性。

2.6內(nèi)核并不是真正的RTOS(Real Time Operation System),其在內(nèi)核代碼中插入了搶占點,允許調(diào)度程序中止當(dāng)前進(jìn)程而調(diào)用更高優(yōu)先級的進(jìn)程,通過對搶占點的測試避免不合理的系統(tǒng)調(diào)用延時。2.6內(nèi)核在一定程度上是可搶占的,比2.4內(nèi)核具備更好的響應(yīng)性。但也不是所有的內(nèi)核代碼段都可以被搶占,可以鎖定內(nèi)核代碼的關(guān)鍵部分,確保CPU的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和狀態(tài)始終受到保護(hù)而不被搶占。

軟件需要滿足最終時間限制與虛擬內(nèi)存請求頁面調(diào)度之間是相互矛盾的。慢速的頁錯誤處理將會破壞系統(tǒng)的實時響應(yīng)性,而2.6內(nèi)核可以編譯無虛擬內(nèi)存系統(tǒng)避免這個問題,這是解決問題的關(guān)鍵,但要求軟件設(shè)計者有足夠的內(nèi)存來保證任務(wù)的執(zhí)行。

1.2 有效的調(diào)度程序

版本是2.6的 Linux內(nèi)核使用了由 Ingo Molnar開發(fā)的新的調(diào)度器算法,稱為O(1)算法,如圖1所示。它在高負(fù)載情況下執(zhí)行得極其出色,并且當(dāng)有很多處理器并行時也可以很好地擴展2>。過去的調(diào)度程序需要查找整個ready task隊列,并且計算它們的重要性以決定下一步調(diào)用的task,需要的時間隨task數(shù)量而改變。O(1)算法則不再每次掃描所有的任務(wù),當(dāng)task就緒時被放入一個活動隊列中,調(diào)度程序每次從中調(diào)度適合的task,因而每次調(diào)度都是一個固定的時間。任務(wù)運行時分配一個時間片,當(dāng)時間片結(jié)束,該任務(wù)將放棄處理器并根據(jù)其優(yōu)先級轉(zhuǎn)到過期隊列中?；顒雨犃兄腥蝿?wù)全部調(diào)度結(jié)束后,兩個隊列指針互換,過期隊列成為當(dāng)前隊列,調(diào)度程序繼續(xù)以簡單的算法調(diào)度當(dāng)前隊列中的任務(wù)。這在多處理器的情況更能提高SMP的效率,平衡處理器的負(fù)載,避免進(jìn)程在處理器間的跳躍。

1.3 同步原型與共享內(nèi)存

多進(jìn)程應(yīng)用程序需要共享內(nèi)存和外設(shè)資源,為避免競爭采用了互斥的方法保證資源在同一時刻只被一個任務(wù)訪問。Linux內(nèi)核用一個系統(tǒng)調(diào)用來決定一個線程阻塞或是繼續(xù)執(zhí)行來實現(xiàn)互斥,在線程繼續(xù)執(zhí)行時,這個費時的系統(tǒng)調(diào)用就沒有必要了。Linux2.6所支持的Fast User-Space Mutexes 可以從用戶空間檢測是不是需要阻塞線程,只在需要時執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用終止線程。它同樣采用調(diào)度優(yōu)先級來確定將要執(zhí)行的進(jìn)程4>。 多處理器嵌入式系統(tǒng)各處理器之間需要共享內(nèi)存,對稱多處理技術(shù)對內(nèi)存訪問采用同等優(yōu)先級,在很大程度上限制了系統(tǒng)的可量測性和處理效率。Linux2.6則提供了新的管理方法——NUMA(Non Uniform Memory Access)。NUMA根據(jù)處理器和內(nèi)存的拓?fù)洳季?在發(fā)生內(nèi)存競爭時,給予不同處理器不同級別權(quán)限以解決內(nèi)存搶占瓶頸,提高吞吐量。

1.4 POSIX線程及NPTL

新的線程模型基于一個1:1的線程模型(一個內(nèi)核線程對應(yīng)一個用戶線程),包括內(nèi)核對新的 NPTL(Native POSIX Threading Library)的支持,這是對以前內(nèi)核線程方法的明顯改進(jìn)。2.6內(nèi)核同時還提供POSIX signals和POSIX high-resolution timers。POSIX signals不會丟失,并且可以攜帶線程間或處理器間的通信信息。嵌入式系統(tǒng)要求系統(tǒng)按時間表執(zhí)行任務(wù),POSIX timer可以提供1kHz的觸發(fā)器使這一切變得簡單,從而可以有效地控制進(jìn)度。

1.5 微控制器的支持

Linux2.6內(nèi)核加入了多種微控制器的支持。無MMU的處理器以前只能利用一些改進(jìn)的分支版本,如uClinux,而2.6內(nèi)核已經(jīng)將其整合進(jìn)了新的內(nèi)核中,開始支持多種流行的無MMU微控制器,如Dragonball、ColdFire、Hitachi H8/300。Linux在無MMU控制器上仍舊支持多任務(wù)處理,但沒有內(nèi)存保護(hù)功能。同時也加入了許多流行的控制器的支持,如S3C2410等。