基于Linux的嵌入式實時操作系統(tǒng)的研究

　　從上世紀(jì)八十年代開始，開始出現(xiàn)各種各樣的商用嵌入式操作系統(tǒng)，這些操作系統(tǒng)大部分都是為專用或通用系統(tǒng)而開發(fā)，如VxWorks、Windows CE、pSOS、Palm OS、OS-9、LynxOS、QNX、LYNX 等，它們的優(yōu)點是為用戶提供良好的開發(fā)環(huán)境，提高了應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)效率，運行效率高、實時性好，缺點是價格昂貴且源代碼封閉。這就不僅影響了開發(fā)者的積極性，而且使得整個產(chǎn)品的成本急劇上升。［1］

　　結(jié)合國內(nèi)實情，嵌入式系統(tǒng)需要的是一套高度簡練、界面友好、質(zhì)量可靠、應(yīng)用廣泛、易開發(fā)、多任務(wù)、價格低廉的實時操作系統(tǒng)。

　　在嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)中，有必要尋找一種廉價的嵌入式實時操作系統(tǒng)，以降低產(chǎn)品的開發(fā)成本和系統(tǒng)復(fù)雜度。由于Linux的具備的諸多優(yōu)點，對Linux進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑旌笞鳛榱畠r的嵌入式實時操作系統(tǒng)是一個值得探討的、具有實際意義的問題。

　　2．Linux的特點

　　Linux是個與生俱來的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，成熟而且穩(wěn)定。Linux是源代碼開放軟件，不存在黑箱技術(shù)，任何人都可以修改它，或者用它開發(fā)自己的產(chǎn)品。Linux系統(tǒng)是可以定制的，系統(tǒng)內(nèi)核目前已經(jīng)可以做得很小。一個帶有中文系統(tǒng)及圖形化界面的核心程序也可以做到不足1MB，而且同樣穩(wěn)定。Linux作為一種可裁減的軟件平臺系統(tǒng)，是發(fā)展嵌入式產(chǎn)品的絕佳資源，遍布全球的眾多Linux愛好者又能給予Linux開發(fā)者強大的技術(shù)支持。因此，Linux作為廉價的嵌入式實時操作系統(tǒng)的選擇，是非常有發(fā)展前途的。［2］［3］

　?。?）與硬件芯片的緊密結(jié)合

　　嵌入式Linux的一大特點是：與硬件芯片（如SOC等）的緊密結(jié)合。它不是一個純軟件的Linux系統(tǒng)，而比一般操作系統(tǒng)更加接近于硬件。嵌入式Linux的進(jìn)一步發(fā)展，逐步地具備了嵌入式RTOS的一切特征：實時性及與嵌入式處理器的緊密結(jié)合。

　?。?）開放的源代碼

　　嵌入式Linux的另一大特點是：代碼的開放性。代碼的開放性是與后PC時代的智能設(shè)備的多樣性相適應(yīng)的。代碼的開放性主要體現(xiàn)在源代碼可獲得上，Linux代碼開發(fā)就像是“集市式”開發(fā)，任意選擇并按自己的意愿整合出新的產(chǎn)品。

　　對于嵌入式Linux，事實上是把BIOS層的功能實現(xiàn)在Linux的driver層。目前，在Linux領(lǐng)域，已經(jīng)出現(xiàn)了專門為Linux操作系統(tǒng)定制的自由軟件的BIOS代碼，并在多款主板上實現(xiàn)此類的BIOS層功能。

　　3．RT-Linux的實現(xiàn)機理

　　RT-Linux對Linux內(nèi)核進(jìn)行改造，將Linux內(nèi)核工作環(huán)境做了一些變化，如圖1所示：

　　從上圖可以看出，在Linux內(nèi)核和硬件中斷的地方，加上了一個RT-Linux內(nèi)核的控制。Linux的控制信號都要先交給RT-Linux內(nèi)核先進(jìn)行處理。在RT-Linux內(nèi)核中實現(xiàn)了一個虛擬中斷機制，Linux本身永遠(yuǎn)不能屏蔽中斷，它發(fā)出的中斷屏蔽信號和打開中斷信號都修改成向RT-Linux發(fā)送一個信號。如在Linux里面使用“sti”和“cli”宏指令來屏蔽和使能中斷，是通過向x86處理器發(fā)送一個指令，而RT-Linux修改了這些宏指令，使得只是讓RT-Linux里面的某些標(biāo)記做了修改而已。對所有的中斷，分成Linux中斷和實時中斷兩類，如果RT-Linux內(nèi)核收到的中斷信號是普通Linux中斷，那就設(shè)置一個標(biāo)志位；如果是實時中斷，就繼續(xù)向硬件發(fā)出中斷。在RT Linux中執(zhí)行sti將中斷打開之后，那些設(shè)置了標(biāo)志位表示的Linux中斷就繼續(xù)執(zhí)行。因此，cli并不能禁止RT Linux內(nèi)核的運行，卻可以用來中斷Linux。Linux不能中斷自己，而RT-Linux可以。

　　RT-Linux的設(shè)計原則：在實時內(nèi)核模塊中的工作盡量少，如果能在Linux中完成而不影響實時性能的話，就盡量在Linux中完成。因此，RTLinux內(nèi)核盡量做的簡單，在RT-Linux內(nèi)核中，不應(yīng)該等待資源，也不需要使用共享旋轉(zhuǎn)鎖（SpinLock），實時任務(wù)和Linux進(jìn)程間的通信也是非阻塞的，從來不用等待進(jìn)隊列和出隊列的數(shù)據(jù)。

　　RT-Linux將系統(tǒng)和設(shè)備的初始化交給了Linux完成，對動態(tài)資源的申請和分配也交給了Linux。RT-Linux使用靜態(tài)分配的內(nèi)存來完成硬實時任務(wù)，因為在沒有內(nèi)存資源的時候，被阻塞的線程不可能具有硬實時能力。

　　4．改變Linux內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)

　　Linux的內(nèi)核體系采用的是Monolithic，在這種體系結(jié)構(gòu)中，內(nèi)核的所有部分都集中在一起，而且所有的部件在一起編譯連接。這樣雖然能使系統(tǒng)的各部分直接溝通，有效地縮短任務(wù)之間的切換時間，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，實時性好并提高了CPU的利用率，但在系統(tǒng)比較大的時候體積也比較大，與嵌入式系統(tǒng)容量小、資源有限的特點不符合。而另外一種內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)MicroKernel， 在內(nèi)核中只包括了一些基本的內(nèi)核功能如創(chuàng)建和刪除任務(wù)、任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理和中斷處理等部分，而文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等部分都是在用戶內(nèi)存空間運行。這種結(jié)構(gòu)雖然執(zhí)行效率不如Monolithic內(nèi)核，但大大減小了內(nèi)核的體積，同時也極大地方便了整個系統(tǒng)的升級、維護(hù)和移植，因此更能滿足嵌入式系統(tǒng)的特點需要。為此，為使嵌入式Linux的應(yīng)用更加廣泛，可以考慮將Linux目前的Monolithic內(nèi)核結(jié)構(gòu)中的部分結(jié)構(gòu)改造成MicroKernel體系結(jié)構(gòu)。通過這種折中辦法，可以使得到的Linux既具有很好的實時性，又能滿足嵌入式系統(tǒng)體積小的要求。
5．RT-Linux的編程接口（API）及編程方法示例

　　（1）RTLinux的編程和控制接口（API）。

　　通過使用RTLinux的編程和控制接口（API），可以提供對實時任務(wù)的創(chuàng)建和刪除、任務(wù)的調(diào)度和控制等功能。API函數(shù)主要有如下幾類：

　　1）中斷控制API函數(shù)；2）時鐘控制和獲??；3）線程的創(chuàng)建和刪除；4）POSIX方式的驅(qū)動接口；5）FIFO設(shè)備驅(qū)動程序；6）串口驅(qū)動程序的API函數(shù)；7）mbuff驅(qū)動API函數(shù)；8）浮點運算API函數(shù)。

　　（2） RTLinux的編程方法示例

　　該程序的原理是測出在RT-Linux中進(jìn)行實時任務(wù)調(diào)度過程中調(diào)度需要花費時間的多少。算法如下：

　　/*實時任務(wù)端*/

　　對于每500個周期

　　等待上一個周期的任務(wù)完成

　　獲得當(dāng)前時間和上次周期任務(wù)完成時間的差，就是調(diào)度的時間

　　循環(huán)

　　向FIFO輸出500個周期中完成的最大值和最小值。

　　/*應(yīng)用程序端*/

　　讀取FIFO設(shè)備，獲取最大值和最小值

　　在屏幕上打印出來

　　這種編程方法是進(jìn)行RT Linux編程的通用方法，將一個任務(wù)分為實時部分和非實時部分，在實時部分完成的是實時任務(wù)；在非實時部分主要是完成顯示等不需要實時的功能。程序的體系結(jié)構(gòu)如下所示：

　　限于篇幅，程序代碼略。

　　6．開發(fā)嵌入式RT-Linux的幾個問題

　?。?）Linux的移植。如果Linux不支持選用的平臺，就需要把Linux內(nèi)核中與硬件平臺相關(guān)的部分改寫，使之支持所選用的平臺。

　?。?）內(nèi)核的裁剪。嵌入式產(chǎn)品的可用資源比較少，所以它的內(nèi)核相對嵌入式系統(tǒng)來說就顯得有點大，需要進(jìn)行剪裁到可利用的大小。

　?。?）桌面系統(tǒng)。現(xiàn)代的操作系統(tǒng)如果沒有一個友好的界面是沒有說服力的?，F(xiàn)在的臺式機Linux系統(tǒng)使用了傳統(tǒng)的X-Window系統(tǒng)的模式—Client/Server結(jié)構(gòu)。和硬件有關(guān)的部分即是Server端，實現(xiàn)一個標(biāo)準(zhǔn)的顯示接口；應(yīng)用程序通過對Server的服務(wù)請求，實現(xiàn)程序的顯示。在此之上，實現(xiàn)窗口的管理功能。但X Window對于嵌入式系統(tǒng)來說顯得很龐大?，F(xiàn)在國內(nèi)有MiniGUI，國外有MicroWindow，都在致力于嵌入式Linux GUI的開發(fā)。適用于嵌入式Linux上的X-Window的工作也在進(jìn)行。

　?。?）驅(qū)動程序的開發(fā)。Linux內(nèi)核更新的很快，許多最新的硬件驅(qū)動很快就被支持。但嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域是多種多樣的，所選用的硬件設(shè)備也不同，并且不可能都有Linux的驅(qū)動程序，因此，設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)也是重要的工作。

　　7．結(jié)束語

　　嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)是剪裁與移植相結(jié)合的過程，開發(fā)者自己編寫的代碼并不多。筆者在智能交通監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計中，通過對Linux適當(dāng)?shù)募舨茫x擇了RT-linux作為系統(tǒng)的開發(fā)平臺，對于提高系統(tǒng)的開發(fā)效率和降低開發(fā)成本取得較好的實效。當(dāng)然，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展對嵌入式操作系統(tǒng)提出了更高的要求，因此，對嵌入式操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計、用戶界面等諸多方面進(jìn)行深入研究，將有助于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展。