Linux內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)應用
加入技術(shù)交流群
操作系統(tǒng)為用戶使用計算機及其外部設(shè)備提供最基本的接口程序,管理計算機上的資源。隨著應用領(lǐng)域的擴大,為了適應不同的應用場合,考慮到系統(tǒng)的靈活性、可伸縮性以及可裁剪性,一種以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗要求嚴格的專用計算機系統(tǒng)—— 嵌入式操作系統(tǒng)隨之延生。
Linux 操作系統(tǒng)是一種性能優(yōu)良、源碼公開且被廣泛應用的免費操作系統(tǒng),由于其體積小、可裁減、運行速度高、良好的網(wǎng)絡(luò)性能等優(yōu)點,可以作為嵌入式操作系統(tǒng)。隨著 2.6內(nèi)核的發(fā)布,Linux向現(xiàn)有主流的RTOS提供商在嵌入式系統(tǒng)市場提出了巨大挑戰(zhàn),例如VxWorks和Wi
nCE,具有許多新特性,將成為更優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)。
Linux的低成本和開放性,為其在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的應用營造了肥沃的土壤。本文著重介紹Linux 2.6內(nèi)核的新特性及其嵌入式應用中的優(yōu)勢,并將其移植到嵌入式平臺中,成功支持H.264編解碼多媒體系統(tǒng)。
1 Linux 2.6內(nèi)核針對嵌入式開發(fā)顯著特點
實時可靠性是嵌入式應用較為普遍的要求,盡管Linux 2.6 并不是一個真正的實時操作系統(tǒng),但其改進的特性能夠滿足響應需求。Linux 2.6 已經(jīng)在內(nèi)核主體中加入了提高中斷性能和調(diào)度響應時間的改進,其中有三個最顯著的改進:采用可搶占內(nèi)核、更加有效的調(diào)度算法以及同步性的提高[4]。在企業(yè)服務(wù)器以及嵌入式系統(tǒng)應用領(lǐng)域,Linux 2.6 都是一個巨大的進步。在嵌入式領(lǐng)域,Linux 2.6 除了提高其實時性能,系統(tǒng)的移植更加方便,同時添加了新的體系結(jié)構(gòu)和處理器類型——包括對沒有硬件控制內(nèi)存管理方案的 MMU-less系統(tǒng)的支持,可以支持大容量內(nèi)存模型、微控制器,同時還改善了I/O子系統(tǒng),增添更多的多媒體應用功能[4]。
1.1 可搶占內(nèi)核
在先前的內(nèi)核版本中(包括2.4內(nèi)核)不允許搶占以核心態(tài)運行的任務(wù)(包括通過系統(tǒng)調(diào)用進入內(nèi)核模式的用戶任務(wù)),只能等待它們自己主動釋放CPU。這樣必然導致一些重要任務(wù)延時以等待系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束。
一個內(nèi)核任務(wù)可以被搶占,為的是讓重要的用戶應用程序可以繼續(xù)運行。這樣做最主要的優(yōu)勢是極大地增強系統(tǒng)的用戶交互性。
2.6內(nèi)核并不是真正的RTOS(Real Time Operation System),其在內(nèi)核代碼中插入了搶占點,允許調(diào)度程序中止當前進程而調(diào)用更高優(yōu)先級的進程,通過對搶占點的測試避免不合理的系統(tǒng)調(diào)用延時。2.6內(nèi)核在一定程度上是可搶占的,比2.4內(nèi)核具備更好的響應性。但也不是所有的內(nèi)核代碼段都可以被搶占,可以鎖定內(nèi)核代碼的關(guān)鍵部分,確保CPU的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和狀態(tài)始終受到保護而不被搶占。
軟件需要滿足最終時間限制與虛擬內(nèi)存請求頁面調(diào)度之間是相互矛盾的。慢速的頁錯誤處理將會破壞系統(tǒng)的實時響應性,而2.6內(nèi)核可以編譯無虛擬內(nèi)存系統(tǒng)避免這個問題,這是解決問題的關(guān)鍵,但要求軟件設(shè)計者有足夠的內(nèi)存來保證任務(wù)的執(zhí)行。
1.2 有效的調(diào)度程序
2.6版本的 Linux內(nèi)核使用了由 Ingo Molnar開發(fā)的新的調(diào)度器算法,稱為O(1)算法,如圖1所示。它在高負載情況下執(zhí)行得極其出色,并且當有很多處理器并行時也可以很好地擴展[2]。過去的調(diào)度程序需要查找整個ready task隊列,并且計算它們的重要性以決定下一步調(diào)用的task,需要的時間隨task數(shù)量而改變。O(1)算法則不再每次掃描所有的任務(wù),當task就緒時被放入一個活動隊列中,調(diào)度程序每次從中調(diào)度適合的task,因而每次調(diào)度都是一個固定的時間。任務(wù)運行時分配一個時間片,當時間片結(jié)束,該任務(wù)將放棄處理器并根據(jù)其優(yōu)先級轉(zhuǎn)到過期隊列中。活動隊列中任務(wù)全部調(diào)度結(jié)束后,兩個隊列指針互換,過期隊列成為當前隊列,調(diào)度程序繼續(xù)以簡單的算法調(diào)度當前隊列中的任務(wù)。這在多處理器的情況更能提高SMP的效率,平衡處理器的負載,避免進程在處理器間的跳躍。
圖1 O(1)調(diào)度算法
1.3 同步原型與共享內(nèi)存
多進程應用程序需要共享內(nèi)存和外設(shè)資源,為避免競爭采用了互斥的方法保證資源在同一時刻只被一個任務(wù)訪問。Linux內(nèi)核用一個系統(tǒng)調(diào)用來決定一個線程阻塞或是繼續(xù)執(zhí)行來實現(xiàn)互斥,在線程繼續(xù)執(zhí)行時,這個費時的系統(tǒng)調(diào)用就沒有必要了。Linux2.6所支持的Fast User-Space Mutexes 可以從用戶空間檢測是不是需要阻塞線程,只在需要時執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用終止線程。它同樣采用調(diào)度優(yōu)先級來確定將要執(zhí)行的進程[4]。多處理器嵌入式系統(tǒng)各處理器之間需要共享內(nèi)存,對稱多處理技術(shù)對內(nèi)存訪問采用同等優(yōu)先級,在很大程度上限制了系統(tǒng)的可量測性和處理效率。Linux2.6 則提供了新的管理方法——NUMA(Non Uniform Memory Access)。NUMA根據(jù)處理器和內(nèi)存的拓撲布局,在發(fā)生內(nèi)存競爭時,給予不同處理器不同級別權(quán)限以解決內(nèi)存搶占瓶頸,提高吞吐量。
評論