專家解讀嵌入式Linux特性

如今，Linux正廣泛應(yīng)用于各種嵌入式設(shè)備的開發(fā)中，如數(shù)字電視、視訊轉(zhuǎn)換盒、DVR播放器、xDSL/有線/PON調(diào)制解調(diào)器、家用路由器和網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)。它尤其適合具有先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)功能、大量設(shè)備驅(qū)動程序的數(shù)字家庭和家庭網(wǎng)絡(luò)。除了嵌入式設(shè)備，Linux還支持企業(yè)級設(shè)備，如服務(wù)器和路由器。

此外，Linux在行動設(shè)備中也獲得了青睞。市調(diào)機(jī)構(gòu)In-Stat的報告顯示，到2012年，中國基于行動Linux的智能手機(jī)出貨量將達(dá)到中國智能手機(jī)總出貨量的25.4%。

相較其它典型的專有商用OS，Linux蓬勃發(fā)展的原因在于其是開原始碼、成本低、使用快速安全。與其它OS相較，它能夠更好地進(jìn)行‘剪裁’，且只占用較小空間。利用Linux，再加上來自開放原始碼社群的持續(xù)支持，工程師能夠使用和控制原始程序代碼。開放原始碼社群是由熟悉Linux的工程師組成的大型社群。

不斷改進(jìn)的Linux核心

然 而，在面對特定嵌入式應(yīng)用時，Linux仍存在許多挑戰(zhàn)，如內(nèi)存空間有限，或是需要實時確定性以及高安全性能的應(yīng)用。而工具鏈的改善、新的除錯工具和性 能、不斷演變的標(biāo)準(zhǔn)化努力等，都繼續(xù)提升Linux對于所有嵌入式應(yīng)用的價值。在這其中，Linux核心的不斷改進(jìn)異常重要。

Linux 核心是應(yīng)用軟件采用的標(biāo)準(zhǔn)Linux API和處理器系統(tǒng)(應(yīng)用軟件執(zhí)行其上)底層硬件結(jié)構(gòu)之間的接口。該核心是內(nèi)部組件和外部可加載模塊的復(fù)雜組合，為應(yīng)用程序的執(zhí)行提供全面和穩(wěn)定的處理環(huán) 境，提供安全消除軟件缺陷、在某種程度上防止硬件故障的能力。在開機(jī)循環(huán)期間，核心必須及時發(fā)現(xiàn)，并正確初始化核心系統(tǒng)處理器、系統(tǒng)內(nèi)存、硬件驅(qū)動、視頻卡、USB端口、網(wǎng)絡(luò)卡和音訊處理器，而且要在開機(jī)循環(huán)期間提供是否成功的足夠指示。

維持如此復(fù)雜的程序代碼收集很明顯是一個 嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。核心原始程序代碼被劃分為標(biāo)準(zhǔn)‘樹’結(jié)構(gòu)，這樣子系統(tǒng)就能夠更好地彼此隔離，有助于實現(xiàn)幾個關(guān)鍵核心維護(hù)工作的分布。這種分工可大幅減少核心某 一部份產(chǎn)生重大變化對其他部份產(chǎn)生的影響。每個后續(xù)子系統(tǒng)的變更都將傳達(dá)給主要維護(hù)者，最終到達(dá)Linux核心最上游的維護(hù)者。這些變更通常稱為‘外掛程 式’，在標(biāo)準(zhǔn)格式下制作和應(yīng)用。

供貨商和開發(fā)人員將他們的知識反饋到開放原始碼社群以改進(jìn)核心。Linux開放、分散的本 質(zhì)，再加上背后強(qiáng)大的社群支持，使基于Linux的OS成為培養(yǎng)創(chuàng)新的良好選擇。由于供貨商和開發(fā)人員不斷分享他們所學(xué)到的知識，因此存在這樣的可能：當(dāng)開發(fā)人員需要實現(xiàn)某種功能時，可以在Linux社群生態(tài)系統(tǒng)中找到并予以采用。

商用Linux供貨商做了很多工作使Linux成為嵌入式應(yīng)用中更加可行和吸引人的操作系統(tǒng)。

商用vs.開放原代碼

當(dāng)選擇Linux OS時，嵌入式Linux開發(fā)人員有兩個主要選擇：‘免費’版本，開發(fā)人員可以下載有開放原代碼授權(quán)的對象/原始程序代碼;商業(yè)發(fā)行版，由不同公司維護(hù)和支持的商用產(chǎn)品。

目前，大多數(shù)開發(fā)人員使用的都是免費發(fā)行版。市場研究公司VDC一份針對目前Linux使用者的2007年調(diào)查中有這樣一個問題：請問您將在下一個項目中使用哪種Linux OS?結(jié)果高達(dá)71%的嵌入式系統(tǒng)工程師表示，愿意采用免費發(fā)行的Linux版本。

圖1：為下一個項目計劃的Linux操作系統(tǒng)。

由 于眾多嵌入式開發(fā)人員將在下一個設(shè)計項目中選擇Linux，因此，讓他們體認(rèn)到免費發(fā)行版本固有的局限性非常重要。這些局限包括：缺乏豐富的Linux工 具;相較競爭的實時OS來說占用更多空間;為滿足實時要求最佳化Linux所面臨的挑戰(zhàn);支持以及開發(fā)工具有限。也就是說，‘免費’意味著不花錢使用，但 并非零成本。

‘免費’≠‘零’成本

除了決定使用商用或免費Linux版本，開發(fā) 人員還必須認(rèn)識到其除錯/開發(fā)工具的能力和局限。嵌入式SoC領(lǐng)域任何有意義的設(shè)計，都要求針對嵌入式領(lǐng)域的高度整合的軟件開發(fā)工具。從編譯器到應(yīng)用各個 環(huán)節(jié)的開放原始碼工具，都期望能創(chuàng)造良好的生產(chǎn)品質(zhì)。開發(fā)人員期望這些工具能與更短的學(xué)習(xí)曲線無縫結(jié)合。

充分發(fā)揮嵌入式 Linux免費發(fā)行版的優(yōu)勢，已經(jīng)成為消費產(chǎn)品領(lǐng)域被廣泛接收的現(xiàn)實。在這些市場上，產(chǎn)品執(zhí)行率非常高，對程序代碼的增加非常頻繁，而且產(chǎn)品的銷售成本至關(guān) 重要，所有這些都使得開放原始碼模式極具吸引力。但是，人們通常希望開放原始碼工具能夠與生產(chǎn)品質(zhì)密切相關(guān)，‘免費’和‘商用’并不同義。必須對核心和 SoC組件互動有深刻的了解，才能整合開放原始碼/免費軟件，并為處理器核心提供無縫除錯環(huán)境的工具。因此，需要專業(yè)知識才能使目前的開放原始碼工具順利 工作。

現(xiàn)在有若干種‘免費軟件’除錯解決方案，設(shè)計人員必須全面了解其局限性。例如，針對Linux核心最受歡迎的免費軟件除錯器是KGDB，但主要缺點是KGDB會要求重新編譯核心。這對產(chǎn)品已經(jīng)部署到現(xiàn)場的應(yīng)用來說并不可行。修補(bǔ)核心還可能導(dǎo)入影響系統(tǒng)性能的程序代碼變化。

GDBServer 是另一個針對應(yīng)用除錯的頗受歡迎的免費軟件除錯器，但它也受到了嚴(yán)格限制。主要問題是缺乏對同時除錯大量執(zhí)行緒/進(jìn)程的支持。隨著除錯的執(zhí)行緒/進(jìn)程數(shù)不 斷增加，GDBServer性能迅速惡化，導(dǎo)致響應(yīng)時間太慢，進(jìn)而使目標(biāo)系統(tǒng)出現(xiàn)故障。其它問題還涉及到：不能在相同的目標(biāo)連接上除錯驅(qū)動程序和應(yīng)用;除 錯設(shè)備驅(qū)動程序和除錯共享庫。了解特定應(yīng)用的除錯需求非常重要，應(yīng)據(jù)此選擇相應(yīng)工具。

Linux核心的維護(hù)

在決定將選擇哪種OS時，開發(fā)人員的重點是選擇一個完全支持其特定處理器的操作系統(tǒng)，并能降低總成本和縮短上市時間。這意味著大部份核心維護(hù)已經(jīng)完成，因此 若他們遇到什么問題或挑戰(zhàn)，處理器供貨商及其生態(tài)系統(tǒng)支持業(yè)者就能幫助解決這些問題。此外，利用供貨商已正式測試的核心版本，客戶在設(shè)計過程中即使不能完 全消除，也可以不斷降低風(fēng)險。特定處理器Linux生態(tài)系統(tǒng)可以利用一套標(biāo)準(zhǔn)配置和測試平臺，快速而準(zhǔn)確地隔離客戶應(yīng)用中的差異。