嵌入式Linux操作系統(tǒng)的廣泛應用分析

硬件平臺選項

挑選最佳硬件的過程會相當復雜，問題起源于公司內部政策、成見、其它方案的遺留問題、缺乏全面的或者精確的信息以及成本 — 需考慮總的產品成本，而不僅僅是 CPU 本身。有時，一旦把 CPU 使用其它外圍設備所必需的總線邏輯和延遲時間考慮在內，那么快速而廉價的 CPU 也可能變得昂貴。要計算任意給定的項目所需的 CPU 速度，首先要現(xiàn)實地看看為了完成一個給定的任務 CPU 得運行多快然后再乘以三。還要確定總線需要運行多快。如果還有二級總線，比如 PCI 總線，那么將它們也考慮在內。一條慢的總線（即一條被 DMA 通信阻塞的總線）將會顯著降低高速 CPU 的速度。下面是一些嵌入式 Linux 應用的最佳硬件解決方案。

Bright Star Engineering：Bright Star Engineering 的 ipEngine-1 是支持嵌入式 Linux 的信用卡大小的單片機。它利用了基于 PowerPC 的 CPU，并提供了一組板上外設，有 Ethernet、LCD／視頻控制器、USB、串口 I/O 以及一個 16K 門的可由用戶配置的 FPGA。BSE 的嵌入式 Linux 配置允許 Linux 從 ipEngine 的板上 4MB 閃存中引導。

Calibri：CalibriTM-133 是將嵌入式 Linux 作為其操作系統(tǒng)來使用的網(wǎng)絡設備，它方便使用、緊湊，并且可以用于多種用途。它為防火墻、VPN 和路由要求提供了一種高效、低成本的解決方案。

EmbeddedPlanet： EmbeddedPlanet 創(chuàng)造了后 PC 時代的計算機，它出現(xiàn)時就裝有 MontaVista 的 HardHat Linux。由基于 PowerPC 的計算引擎和匹配的 I/O 卡驅動，Linux Planet 裝在一個彩色的透明盒子里并且?guī)в杏|摸屏，還可以訪問數(shù)字及模擬 I/O。

Eurotech：Eurotech 提供了嵌入式 PC SBC 并資助了 ET-Linux，一個為在小型工業(yè)計算機上運行而專門設計的基于 glibc 2.1.2 的完全的 Linux 系統(tǒng)。

Microprocess Ingenierie：Microprocess 為產業(yè)和嵌入式市場開發(fā)、生產以及銷售標準的和定制的產品。Microprocess 在實時軟件方面活動范圍遍及全球，并具有系統(tǒng)集成的專業(yè)知識。它的產品，比如 740 PowerPC compactPCI 板可以與標準的 Linux 分發(fā)版或者嵌入式 Linux 版本一起訂購。

Moreton Bay：Moreton Bay 發(fā)布基于 Linux 的 Internet 路由器，其范圍在 NETtel 2520 和 NETtel 2500 之間。這些小型的、易于連接的智能路由器解決方案設計旨在為平面網(wǎng)絡提供簡便、安全和價格適中的外部網(wǎng)友好的虛擬私有網(wǎng)絡（VPN）。NETtel 路由器系列運行的是嵌入式 Linux 內核?，F(xiàn)有一套開發(fā)工具能夠把定制代碼存在閃存中并在 NETtel 內部執(zhí)行。代碼可能含有特定的加密或者身份驗證協(xié)議，或者在 NETtel 被用作遠程控制設備代碼時，會含有一些本地監(jiān)視腳本。

Matrix Orbital：這是個可選的、但不是推薦的附加項。Matrix Orbital 生產的一系列串行 LCD 和 VFD 被許多 Linux 用戶添加到了他們的嵌入式系統(tǒng)中。這條生產線的范圍包括了 8x2 到 40x4 的字符 LCDs、20x2 和 20x4 的 VFD 加上 240x64 圖形 LC（128x128 還在生產之中）。運用顯示器的通信不是通過 RS232 就是通過 I2C 實現(xiàn)的，兩者都是其所有模塊上的標準。模塊的 BIOS 中包含一個全面的命令集。

實時嵌入式 Linux 應用

有關嵌入式系統(tǒng)最重要的事務之一就是要求有一個實時操作系統(tǒng)。這里實時有好幾種定義。對有些人來說，實時意味著在 1 微秒的時間內對事件作出反應，但對另外一些人來說，那就可能是 50 毫秒了。實時的硬度也各不相同。一些系統(tǒng)需要硬實時響應，在很短的時間內對事件作出確定性響應。但是，當我們對許多系統(tǒng)進行仔細分析時，我們發(fā)現(xiàn)事實上對響應時間的要求只是接近實時。實時的要求常常是時間和緩沖空間的折衷。隨著內存越來越便宜，CPU 速度越來越快，現(xiàn)在接近實時比硬實時更加常見，許多商用的所謂實時操作系統(tǒng)遠非硬實時。通常情況下，當您進入這些系統(tǒng)的詳細設計部分時，就需提高警惕必須非常仔細地設計驅動器的中斷和應用以滿足實時要求。

RT-Linux（實時擴展的 Linux 系統(tǒng)）里含有時間緊要的函數(shù)可以用中斷管理器來精確控制中斷處理，從而很好地確保了關鍵性中斷可以在需要時得到執(zhí)行。這種方法的硬度主要取決于 CPU 中斷結構和環(huán)境轉換的硬件支持。這種方法可以滿足廣泛范圍內的實時要求。即使沒有實時擴展，Linux 也能很好地處理多個事件流。例如，運行于低端 Pentium 上的 Linux PC 系統(tǒng)能讓多個 10BaseT 接口有效地執(zhí)行，同時又以全速的 56KBPS 運行字符級串口，而不會丟失任何數(shù)據(jù)。

值得考慮的實時硬件和軟件 Linux API 有 RTLinux、RTAI、EL 和 Linux-SRT。RTLinux 是一個最初在新墨西哥理工學院開發(fā)的硬實時 Linux API。RTAI（DIAPM）是由 Polytechnic Politecnico di Milano（DIAPM）航天工程部的程序員們開發(fā)的 RTLinux 實時 API 的副產品。EL/IX 是一個計劃中的基于 POSIX 硬實時 Linux API，由 Red Hat 發(fā)起。Linux-SRT 是個實時 API 的軟實時替代品，它可以使所有的 Linux 程序無需修改或者重新編譯即可增強性能。

請參閱本文后面的參考資料部分，查找有關前面內容的資料和一些 Web 站點，那里提供了用于不同類型的標準 Linux 操作系統(tǒng)的軟件擴展、開發(fā)工具、支持以及培訓課程。

短暫的確定性響應時間

某些實時嵌入式系統(tǒng)需要迅速對外部事件作出響應，以完成一項特定任務。比如，嵌入一枚導彈的一個定制的微控制器在指引導彈瞄準它周圍環(huán)境的一個特定目標之前，需要迅速對諸如移動目標、天氣和人等的外部事件作出迅速響應。短暫的確定性響應時間是指嵌入式系統(tǒng)可以確定它對外部事件作出響應的時間。

配置步驟

現(xiàn)在讓我們來看一下如何 make LEM，它是一個小型的可嵌入 Linux 分發(fā)版，既提供網(wǎng)絡又提供 X 服務器。您可以下載該分發(fā)版，盡管它并非必需。您需要一個完全的 Linux 分發(fā)版來建立自己的嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)，其中將包括您所需要的一切（實用程序、源代碼、編譯器、調試器和文檔）。下面是能用來 make LEM 的軟件列表：

TinyLogin： TinyLogin 是一套 tiny UNIX 實用程序，它用于登錄嵌入式系統(tǒng)、接受其驗證身份、為其修改密碼，并能維護其用戶和用戶組。為了增強系統(tǒng)安全性它還支持影子口令。正如它的名字所暗示的， TinyLogin 非常小，對嵌入式系統(tǒng)上的 BusyBox 是極好的補充。

BusyBox：BusyBox 是一個多調用的二進制文件，它提供了 POSIX 式的命令和專用函數(shù)的最小子集。它適合于非常小的嵌入式系統(tǒng)，比如引導磁盤等等。特別用于 Debian 拯救／安裝系統(tǒng)（它激發(fā)了對最初的 BusyBox 的開發(fā)）、Linux Routeur 方案、LEM、lineo 及其它地方。Busybox 是由 Erik Andersen 維護的。

Ash：Ash 是個非常小的 Bourne shell。

Sysvinit：Sysvinit 是 Linux 最常用的 init 包。我們將會用到 init 和 C 語言版 start-stop-daemon。

總結

在嵌入式應用的領域里，從因特網(wǎng)設備到專用的控制系統(tǒng)，Linux 操作系統(tǒng)的前景都很光明。所有新造的微型計算機芯片中大約有 95% 都是用于嵌入式應用的。由于 Linux 功能強大、可靠、靈活而且具有伸縮性，再加上它支持大量的微處理器體系結構、硬件設備、圖形支持和通信協(xié)議，這些都使它作為許多方案和產品的軟件平臺越來越流行。

由于可以公開免費得到 Linux 源代碼，因此對 Linux 和它支持的軟件組件的許多修改和配置也得到了不斷改進，以滿足采用 Linux 的市場和應用的多種需求。另外還有小型版本和實時增強版本。盡管 Linux 開始是作為 PC 體系結構的操作系統(tǒng)，但是現(xiàn)在已經有了非 X86 CPU 的版本（帶或不帶內存控制單元），包括 PowerPC、ARM、MIPS、68K 甚至是微控制器。但是，請注意，在不久的將來，在許多其它的信息技術（IT）領域會出現(xiàn)更多！