嵌入式微處理器的嵌入式操作系統(tǒng)-uClinux
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嵌入式微處理器的嵌入式操作系統(tǒng)-uClinux
序言
在過去的兩年中，隨著嵌入式設備的發(fā)展改進，Linux操作系統(tǒng)受到了越來越多的青睞，尤其是用于消費產(chǎn)品、電訊路由器和交換機、網(wǎng)絡產(chǎn)品、工業(yè)和汽車等應用。
最近，一些大的消費電子公司達成協(xié)作，建立消費者電子Linux論壇（CELF），以進一步開發(fā)家庭數(shù)字電子設備的Linux平臺。CELF的發(fā)起者(Matsushita Electric、Sony、Hitachi、NEC、Royal Philips Electronics、Samsung、Sharp和Toshiba)將重點放在Linux的改進上，使之成為消費電子設備的開放源代碼平臺。同樣，他們對開放源代碼協(xié)會的精神也給予了積極的支持和發(fā)揚( 要獲得更多信息，請訪問www.celinuxforum.org) 。
嵌入式Linux的優(yōu)點在于它的版權(quán)免費、源碼開放、結(jié)構(gòu)緊湊，這為日益增長的應用軟件基礎提供了堅實的后盾。Linux是一個全功能的操作系統(tǒng)，支持各種網(wǎng)絡和文件處理協(xié)議，這對嵌入式系統(tǒng)來說是很重要的，因為它必須"在任何時間任何地點進行計算"。Linux采用模塊化結(jié)構(gòu)，通過去除嵌入式系統(tǒng)中不必要的實用程序、工具和其它系統(tǒng)服務，它可以很方便地實現(xiàn)結(jié)構(gòu)精簡。在嵌入式設備市場中，采用Linux的公司可以更迅速地將產(chǎn)品推向市場，更快地增強產(chǎn)品的可靠性。對開發(fā)者來說，AD的Blackfin?處理器和uClinux的結(jié)合也許很有吸引力。Blackfin?處理器集合了DSP的計算能力和微控制器的功能，滿足了數(shù)字音頻、視頻和通信方面的應用需求。
我們在單塊芯片上結(jié)合一流的DSP內(nèi)核和傳統(tǒng)微控制器的體系結(jié)構(gòu)，避免了其它傳統(tǒng)復合處理器系統(tǒng)的限制性、復雜性和高成本的問題。在已有的外部設備(SPI、帶IrDa? 功能的UART、定時器、實時時鐘（RTC）、看門狗（watchdog）和事件控制器（event controller）)的基礎上，所有Blackfin處理器家族提供雙通道串行接口(SPORTs)---每個串行接口支持4個立體聲I2S通道，數(shù)據(jù)速率達100 MBits/s。而且Blackfin處理器家族的最新成員(ADSP-BF531、ADSP-BF532、ADSP-BF533和ADSP-BF561) 提供并行外部接口(PPI)，實現(xiàn)TFT平板顯示器和視頻轉(zhuǎn)換器(CCIR-656， 27 MHz)的無縫連接，或者作為AD/DA轉(zhuǎn)換器的并行接口，速率達65MSPS。
表1：Blackfin處理器家族
其它封裝也是可選的
所有的Blackfin處理器都藝術地將最先進的信號處理引擎和清晰正交的類RISC微處理器指令集以及支持SIMD單指令多數(shù)據(jù)的多媒體功能復合成一套單指令集的結(jié)構(gòu)，稱之為微信號結(jié)構(gòu)（MSA）。該內(nèi)核是調(diào)整的雙-MAC Harvard 結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)旨在實現(xiàn)音頻和視頻算法的非并行計算，以及實現(xiàn)操作系統(tǒng)中標準的程序流和常用的仲裁操作。
Blackfin 的ADSP-BF531/BF532/BF533處理器有兩個大的片內(nèi)存儲器塊，提供通往內(nèi)核的高速通道。這些內(nèi)存塊可以適應處理器內(nèi)核的最高速度。它們位于內(nèi)核的旁邊，稱為L1存儲器，可以配置為數(shù)據(jù)或指令靜態(tài)處理器（SRAM）或高速緩沖存儲器。當配置為高速緩存時，處理外部SDRAM的代碼的速度非常接近內(nèi)部存儲器直接處理的速度。這個特征特別適用于uClinux內(nèi)核的運行，因為它沒辦法被全部裝入內(nèi)部存儲器。而且，當使用c語言編程時，可以通過使用高速緩存來最大優(yōu)化外部存儲器到內(nèi)核之間的存取。
Blackfin處理器采用低電壓，低功耗的設計，具備動態(tài)電源管理功能。完全滿足目前的移動和電池供電需求，其它的處理器都無法做到這一點。Blackfin處理器配有多重的、高度靈活和獨立的直接存取控制器（DMA），用來支持自動數(shù)據(jù)傳輸，并使處理器內(nèi)核受到的間接影響達到最小。
DMA 的傳輸操作可以發(fā)生在ADSP-BF531/BF532/BF533處理器的內(nèi)部存儲器到與有DMA能力的外部設備之間。而且，DMA傳輸也能夠在DMA外部設備和連接到外部存儲器接口的外部設備（包括SDRAM控制器和異步存儲控制器）之間進行。
Linux和uClinux的區(qū)別?
由于Linux和UNIX相似，是多用戶、多任務的操作系統(tǒng)，內(nèi)核必須采取特殊的防范措施，以保證同一系統(tǒng)內(nèi)來自不同用戶的上千個操作正確安全地運行。UNIX的安全模型（即Linux之前的設計）能夠保護每個用戶操作的自身環(huán)境和地址空間。每個用戶操作都受到保護，防止被其它用戶喚醒，而且，虛擬內(nèi)存(VM)系統(tǒng)對現(xiàn)代CPU還有另外的要求，比如在個人處理內(nèi)存中實現(xiàn)動態(tài)內(nèi)存分配和隨機內(nèi)存區(qū)域規(guī)劃。有一些設備，如Blackfin 處理器，沒有提供全功能的MMU內(nèi)存管理單元，因為開發(fā)者的應用程序并不使用操作系統(tǒng)，通常也不需要MMU，而且，Blackfin的弱MMU的處理器往往具有更高的效率，其價格也明顯低于其它產(chǎn)品。
為使Linux與這些設備相適應，必須進行一些改動：
1. 沒有實際的存儲器保護(一個錯誤的環(huán)節(jié)可以讓整個系統(tǒng)停機)
2. 沒有交叉（fork）系統(tǒng)調(diào)用
3. 只有簡單的內(nèi)存分配
4. 其它一些較小的區(qū)別
存儲器保護對大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)來說不是很大的問題。Linux是一個很穩(wěn)定的平臺，尤其是在嵌入式系統(tǒng)中，軟件崩潰的情況很少發(fā)生。
第二點的問題要大一些。在為UNIX和Linux編寫的軟件中，開發(fā)者常常使用fork系統(tǒng)調(diào)用來實現(xiàn)并行處理，fork調(diào)用可以準確拷貝原始程序并同時予以執(zhí)行。為了提高效率，它使用MMU將父程序映射到子程序，并只拷貝寫入子程序的內(nèi)存區(qū)。因此uClinux不能提供fork系統(tǒng)調(diào)用。它提供vfork，一種特殊版本的fork，在vfork程序中當子程序執(zhí)行時父程序即會終止。 因此，使用fork系統(tǒng)的軟件在使用uClinux支持的vfork或線程時必須重寫，因為他們使用相同的內(nèi)存空間，包括堆棧。
就第三點來說，一般情況下支持uClinux的malloc系統(tǒng)不會有問題，但是，有些時候必須進行小的調(diào)整。大部分適用于UNIX和uClinux的軟件（可在http://freshmeat.net上找到此類軟件）能夠直接在uClinux上編譯，其它的則可使用微小的移植或調(diào)整（tweaking）。 只有很少的應用軟件不能在uClinux上運行，其中大部分不能作為嵌入式應用軟件。
在過去的兩年中，隨著嵌入式設備的發(fā)展改進，Linux操作系統(tǒng)受到了越來越多的青睞，尤其是用于消費產(chǎn)品、電訊路由器和交換機、網(wǎng)絡產(chǎn)品、工業(yè)和汽車等應用。
最近，一些大的消費電子公司達成協(xié)作，建立消費者電子Linux論壇（CELF），以進一步開發(fā)家庭數(shù)字電子設備的Linux平臺。CELF的發(fā)起者(Matsushita Electric、Sony、Hitachi、NEC、Royal Philips Electronics、Samsung、Sharp和Toshiba)將重點放在Linux的改進上，使之成為消費電子設備的開放源代碼平臺。同樣，他們對開放源代碼協(xié)會的精神也給予了積極的支持和發(fā)揚( 要獲得更多信息，請訪問www.celinuxforum.org) 。
嵌入式Linux的優(yōu)點在于它的版權(quán)免費、源碼開放、結(jié)構(gòu)緊湊，這為日益增長的應用軟件基礎提供了堅實的后盾。Linux是一個全功能的操作系統(tǒng)，支持各種網(wǎng)絡和文件處理協(xié)議，這對嵌入式系統(tǒng)來說是很重要的，因為它必須"在任何時間任何地點進行計算"。Linux采用模塊化結(jié)構(gòu)，通過去除嵌入式系統(tǒng)中不必要的實用程序、工具和其它系統(tǒng)服務，它可以很方便地實現(xiàn)結(jié)構(gòu)精簡。在嵌入式設備市場中，采用Linux的公司可以更迅速地將產(chǎn)品推向市場，更快地增強產(chǎn)品的可靠性。對開發(fā)者來說，AD的Blackfin?處理器和uClinux的結(jié)合也許很有吸引力。Blackfin?處理器集合了DSP的計算能力和微控制器的功能，滿足了數(shù)字音頻、視頻和通信方面的應用需求。
我們在單塊芯片上結(jié)合一流的DSP內(nèi)核和傳統(tǒng)微控制器的體系結(jié)構(gòu)，避免了其它傳統(tǒng)復合處理器系統(tǒng)的限制性、復雜性和高成本的問題。在已有的外部設備(SPI、帶IrDa? 功能的UART、定時器、實時時鐘（RTC）、看門狗（watchdog）和事件控制器（event controller）)的基礎上，所有Blackfin處理器家族提供雙通道串行接口(SPORTs)---每個串行接口支持4個立體聲I2S通道，數(shù)據(jù)速率達100 MBits/s。而且Blackfin處理器家族的最新成員(ADSP-BF531、ADSP-BF532、ADSP-BF533和ADSP-BF561) 提供并行外部接口(PPI)，實現(xiàn)TFT平板顯示器和視頻轉(zhuǎn)換器(CCIR-656， 27 MHz)的無縫連接，或者作為AD/DA轉(zhuǎn)換器的并行接口，速率達65MSPS。
表1：Blackfin處理器家族
其它封裝也是可選的
所有的Blackfin處理器都藝術地將最先進的信號處理引擎和清晰正交的類RISC微處理器指令集以及支持SIMD單指令多數(shù)據(jù)的多媒體功能復合成一套單指令集的結(jié)構(gòu)，稱之為微信號結(jié)構(gòu)（MSA）。該內(nèi)核是調(diào)整的雙-MAC Harvard 結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)旨在實現(xiàn)音頻和視頻算法的非并行計算，以及實現(xiàn)操作系統(tǒng)中標準的程序流和常用的仲裁操作。
Blackfin 的ADSP-BF531/BF532/BF533處理器有兩個大的片內(nèi)存儲器塊，提供通往內(nèi)核的高速通道。這些內(nèi)存塊可以適應處理器內(nèi)核的最高速度。它們位于內(nèi)核的旁邊，稱為L1存儲器，可以配置為數(shù)據(jù)或指令靜態(tài)處理器（SRAM）或高速緩沖存儲器。當配置為高速緩存時，處理外部SDRAM的代碼的速度非常接近內(nèi)部存儲器直接處理的速度。這個特征特別適用于uClinux內(nèi)核的運行，因為它沒辦法被全部裝入內(nèi)部存儲器。而且，當使用c語言編程時，可以通過使用高速緩存來最大優(yōu)化外部存儲器到內(nèi)核之間的存取。
Blackfin處理器采用低電壓，低功耗的設計，具備動態(tài)電源管理功能。完全滿足目前的移動和電池供電需求，其它的處理器都無法做到這一點。Blackfin處理器配有多重的、高度靈活和獨立的直接存取控制器（DMA），用來支持自動數(shù)據(jù)傳輸，并使處理器內(nèi)核受到的間接影響達到最小。
DMA 的傳輸操作可以發(fā)生在ADSP-BF531/BF532/BF533處理器的內(nèi)部存儲器到與有DMA能力的外部設備之間。而且，DMA傳輸也能夠在DMA外部設備和連接到外部存儲器接口的外部設備（包括SDRAM控制器和異步存儲控制器）之間進行。
Linux和uClinux的區(qū)別?
由于Linux和UNIX相似，是多用戶、多任務的操作系統(tǒng)，內(nèi)核必須采取特殊的防范措施，以保證同一系統(tǒng)內(nèi)來自不同用戶的上千個操作正確安全地運行。UNIX的安全模型（即Linux之前的設計）能夠保護每個用戶操作的自身環(huán)境和地址空間。每個用戶操作都受到保護，防止被其它用戶喚醒，而且，虛擬內(nèi)存(VM)系統(tǒng)對現(xiàn)代CPU還有另外的要求，比如在個人處理內(nèi)存中實現(xiàn)動態(tài)內(nèi)存分配和隨機內(nèi)存區(qū)域規(guī)劃。有一些設備，如Blackfin 處理器，沒有提供全功能的MMU內(nèi)存管理單元，因為開發(fā)者的應用程序并不使用操作系統(tǒng)，通常也不需要MMU，而且，Blackfin的弱MMU的處理器往往具有更高的效率，其價格也明顯低于其它產(chǎn)品。
為使Linux與這些設備相適應，必須進行一些改動：
1. 沒有實際的存儲器保護(一個錯誤的環(huán)節(jié)可以讓整個系統(tǒng)停機)
2. 沒有交叉（fork）系統(tǒng)調(diào)用
3. 只有簡單的內(nèi)存分配
4. 其它一些較小的區(qū)別
存儲器保護對大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)來說不是很大的問題。Linux是一個很穩(wěn)定的平臺，尤其是在嵌入式系統(tǒng)中，軟件崩潰的情況很少發(fā)生。
第二點的問題要大一些。在為UNIX和Linux編寫的軟件中，開發(fā)者常常使用fork系統(tǒng)調(diào)用來實現(xiàn)并行處理，fork調(diào)用可以準確拷貝原始程序并同時予以執(zhí)行。為了提高效率，它使用MMU將父程序映射到子程序，并只拷貝寫入子程序的內(nèi)存區(qū)。因此uClinux不能提供fork系統(tǒng)調(diào)用。它提供vfork，一種特殊版本的fork，在vfork程序中當子程序執(zhí)行時父程序即會終止。 因此，使用fork系統(tǒng)的軟件在使用uClinux支持的vfork或線程時必須重寫，因為他們使用相同的內(nèi)存空間，包括堆棧。
就第三點來說，一般情況下支持uClinux的malloc系統(tǒng)不會有問題，但是，有些時候必須進行小的調(diào)整。大部分適用于UNIX和uClinux的軟件（可在http://freshmeat.net上找到此類軟件）能夠直接在uClinux上編譯，其它的則可使用微小的移植或調(diào)整（tweaking）。 只有很少的應用軟件不能在uClinux上運行，其中大部分不能作為嵌入式應用軟件。
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