嵌入式操作系統和Linux
發布時間：2010-9-13 13:35
發布者：techshare
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本文分析了Linux的特點，穩健性和局限性以及最重要的實時領域的應用。過去，因為非PC的嵌入式硬件平臺價格昂貴，使得許多高性能要求的嵌入式系統不能實現�，F在，因為廉價的PC硬件大力發展和廣泛的應用，使得那些高性能要求的嵌入式系統有了實現的可能。但是，嵌入式PC平臺的系統軟件卻不那么具有吸引力。當然你可以選擇DOS，不過它先天不足。你也可以選擇WINDOWS，但是經過仔細的研究，你會發現它的實時性能很差。很多高級實時操作系統價格不菲，可移植性不好。從1991年以來，在網絡下發展的Linux操作系統，在服務器和PC桌面機上，已經是Microsoft 的DOS和WINDOWS95/98的強勁對手。而且它的性能比WINDOWS好得多。如果你有興趣 ，你可以從網上自由下載，或掏比CD本身貴一點的價格買到。最近有人把實時性的部件加入Linux操作系統，使得它成為嵌入式系統設計師的一個極其有價值工具。盡管它的實時部件不如其他的RTOS那么復雜，使用的內存不能太小，但是它的其他優點足以超越和彌補它的不足。 在嵌入式系統中使用PC硬件的好處顯而易見，生產量大，容易購買，價錢比較便宜。而且還很容易搞到數模轉換板、網絡接口板、圖象采集和處理板等專用板。再加上采用PCI總線，系統性能將極大提高。在操作系統領域卻沒有相應的變化。 高級嵌入式系統不僅需要價格低廉的硬件，同時也需要很多復雜的功能，比如圖形用戶接口、網絡傳輸。在操作系統方面，我們也需要價格便宜、性能成熟、同時又能夠滿足高級嵌入式系統的需求。 如今的Linux已經引起了計算機世界的高度重視。許多計算機使用者和廠商都被它的穩定性、易得性等特點吸引。它幾乎完全兼容UNIX系統中的功能和開發工具、應用程序。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。當你在使用和編程中遇到問題時，通過Internet你會得到成千上萬的專家和熱心人的幫助。我認為，在解決問題時，通過Internet的幫助會比單純依靠RTOS廠商快捷有效。在廠商幫助下解 決問題，一次只會得到一種方案，如果不行，你必須重新開始；在Internet上，你會得到很多答案。今天的Linux已經得到了一些廠商的支持，你也可以從它們那得到技術支持。但是，最重要的是你擁有源代碼，你可以對問題進行深入的研究，甚至可以擴展功能 。 Linux是MS WINDOWS 和DOS之外所絕佳的選擇。很多嵌入式系統工程師也已經開發了Linux在嵌入式系統方面使用的價值，尤其在專用硬件環境和多處理器方面�，F在的問題是如何使使Linux系統具有實時性。當前有兩種方案來解決這個問題：一個是POSIX方法，另外一個是底層解決。 POSIX是類UNIX操作系統的標準化方案，目的是提高軟件的可移植性，加速軟件設計師的工作。POSIX.1b已有實時性擴展，包括信號、內存鎖定、時鐘和計數、消息隊列以及搶先調度策略。不過這種辦法比較適合工作站系統，對基于PC的嵌入式系統并不是很好。 其次是類UNIX的系統調用比較繁復，不如pSOS＋等的明了。但是仍然有一批開發者在優化Linux，當然也取得了一些成功，譬如內存鎖定方法和任務調度算法有了改進。這其中最主要的成果是POSIX線程（定義于POSIX.1c）。這個功能對嵌入式系統來說很好。 另一個方案從底層來提高Linux的實時性，即所謂的“硬”實時性。在這個方面做得最為成功的是New Mexico institute of Mining and Technology，他們在Linux系統下加入實時性的kernel(核心)，讓Linux本身運行在優先級較低的層面上。這種設計方法對Linux系統的修改減少到最低，同時增加必需的實時功能。這樣使得在Linux本身的升級后，可以進行很少的修改就可以把RT－linux引進新版的Linux核心。RT-Linux和Linux的結合提供所有的實時功能，包括底層任務的創建、中斷任務的安裝、底層任務隊列管理、中斷任務的運行等。這種設計使得在系統中有兩種域：實時域和非實時域。實時域的函數滿足實時性要求；不過，任務必須簡單，因為分批給它們的資源比較少。非實時域的函數可以享用系統全部資源，但是它們的實時性比較差。兩個域之間的通訊方法也提供了。在所有RT-Linux時，必須保證需要的函數在各自的運行域是合適的，不要以為先前的非實時函數在安裝安裝了RT-Linux后就具有了實時性，對實時性要求有關的函數必須放到實時域中去運行。 RT-Linux中任務處理也比較簡單，所有rt-task-init()創建和啟動實時任務。實時域和非實時域的函數通訊方法是通過FIFO進行。所有FIFO的明顯好處是方便數據的傳輸，如果設定其長度為零，又可以當成信號所有。目前的不足是沒有提供優先級繼承機制（為了防治優先級的逆轉）和任務的安全刪除，但是在設計過程中卻可以依靠仔細設計來避免這種錯誤發生。當然使用零長的FIFO來掛起程序的運行的方法有一點麻煩，不過它總算是一種辦法。新設計的方法是設定超時功能。 RT-Linux作為簡單、開放的軟件，使用者可以可以根據你們的需要來更新這些功能，設計出更好的方案，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操作系統的核心都不能被長期打斷。正是因為這一點，使得Linux不能是一個完全合格的實時操作系統。不過，使用上面介紹的兩種方法都可以提高Linux的實時性。第一種方法重新設計核心，當然能夠達到要求。然而Linux的核心大且復雜，還經常修正；它的設計者并不關心其實時性能。因此強加入實時的功能于現成代碼并不合適。即使這樣，當Linux的核心升級，就不免要重新設計程序。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嚴格限制任務和中斷的內容；它們不能調用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，那么它們將不會干擾核心的運行。其次，Linux的中斷也不能夠打斷核心的運行。于是RT-Linux采用了虛擬的中斷結構，使得Linux的核心不能禁止中斷。在標準的Linux系統中，使用了“sti”和“cli”宏，然后運行X86的相應指令。RT-Linux修改了這兩條指令的運行方式；執行“cli”，它不禁止中斷，而是重新指向RT-Linux的代碼，進行判斷；如果是RT-Linux的則讓中斷繼續執行，如果是標準Li nux的中斷，則設置標志。運行“sti”時，掛起的任何中斷繼續執行。如此這般，Linux不能中斷它自身，RT-Linux就可以了。 |
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