Linux 2.6 內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用(1)

隨著多媒體技術(shù)與通訊技術(shù)相結(jié)合的信息技術(shù)的快速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，PC 時(shí)代也過渡到了后PC時(shí)代。在數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的后PC時(shí)代，嵌入式技術(shù)越來(lái)越與人們的生活緊密結(jié)合。

操作系統(tǒng)（QQ：小默862693539）為用戶使用計(jì)算機(jī)及其外部設(shè)備提供最基本的接口程序，管理計(jì)算機(jī)上的資源。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，為了適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，考慮到系統(tǒng)（QQ：小默862693539）的靈活性、可伸縮性以及可裁剪性，一種以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)（QQ：小默862693539）對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗要求嚴(yán)格的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（QQ：小默862693539）--嵌入式操作系統(tǒng)（QQ：小默862693539）隨之延生。

Linux 操作系統(tǒng)（QQ：小默862693539）是一種性能優(yōu)良、源碼公開且被廣泛應(yīng)用的免費(fèi)操作系統(tǒng)（QQ：小默862693539），由于其體積小、可裁減、運(yùn)行速度高、良好的網(wǎng)絡(luò)性能等優(yōu)點(diǎn)，可以作為嵌入式操作系統(tǒng)（QQ：小默862693539）。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)（QQ：小默862693539）市場(chǎng)提出了巨大挑戰(zhàn)，例如VxWorks和WinCE,具有許多新特性，將成為更優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)（QQ：小默862693539）。

Linux的低成本和開放性，為其在嵌入式系統(tǒng)（QQ：小默862693539）領(lǐng)域的應(yīng)用營(yíng)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(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，并將其移植到嵌入式平臺(tái)中，成功支持H.264編解碼多媒體系統(tǒng)（QQ：小默862693539）。

一、Linux 2.6內(nèi)核針對(duì)嵌入式開發(fā)顯著特點(diǎn)

實(shí)時(shí)可靠性是嵌入式應(yīng)用較為普遍的要求，盡管Linux 2.6 并不是一個(gè)真正的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（QQ：小默862693539），但其改進(jìn)的特性能夠滿足響應(yīng)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(yīng)時(shí)間的改進(jìn)，其中有三個(gè)最顯著的改進(jìn)：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)（QQ：小默862693539）應(yīng)用領(lǐng)域，Linux 2.6 都是一個(gè)巨大的進(jìn)步。在嵌入式領(lǐng)域，Linux 2.6 除了提高其實(shí)時(shí)性能，系統(tǒng)（QQ：小默862693539）的移植更加方便，同時(shí)添加了新的體系結(jié)構(gòu)和處理器類型--包括對(duì)沒有硬件控制內(nèi)存管理方案的 MMU-less系統(tǒng)（QQ：小默862693539）的支持，可以支持大容量?jī)?nèi)存模型、微控制器，同時(shí)還改善了I/O子系統(tǒng)（QQ：小默862693539），增添更多的多媒體應(yīng)用功能[4].

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(yùn)行的任務(wù)（包括通過系統(tǒng)（QQ：小默862693539）調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核模式的用戶任務(wù)），只能等待它們自己主動(dòng)釋放CPU.這樣必然導(dǎo)致一些重要任務(wù)延時(shí)以等待系統(tǒng)（QQ：小默862693539）調(diào)用結(jié)束。

一個(gè)內(nèi)核任務(wù)可以被搶占，為的是讓重要的用戶應(yīng)用程序可以繼續(xù)運(yùn)行。這樣做最主要的優(yōu)勢(shì)是極大地增強(qiáng)系統(tǒng)（QQ：小默862693539）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(diǎn)，允許調(diào)度程序中止當(dāng)前進(jìn)程而調(diào)用更高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程，通過對(duì)搶占點(diǎn)的測(cè)試避免不合理的系統(tǒng)（QQ：小默862693539）調(diào)用延時(shí)。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(yīng)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(hù)而不被搶占。

軟件需要滿足最終時(shí)間限制與虛擬內(nèi)存請(qǐng)求頁(yè)面調(diào)度之間是相互矛盾的。慢速的頁(yè)錯(cuò)誤處理將會(huì)破壞系統(tǒng)（QQ：小默862693539）的實(shí)時(shí)響應(yīng)性，而2.6內(nèi)核可以編譯無(wú)虛擬內(nèi)存系統(tǒng)（QQ：小默862693539）避免這個(gè)問題，這是解決問題的關(guān)鍵，但要求軟件設(shè)計(jì)者有足夠的內(nèi)存來(lái)保證任務(wù)的執(zhí)行。

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(fù)載情況下執(zhí)行得極其出色，并且當(dāng)有很多處理器并行時(shí)也可以很好地?cái)U(kuò)展[2].過去的調(diào)度程序需要查找整個(gè)ready task隊(duì)列，并且計(jì)算它們的重要性以決定下一步調(diào)用的task,需要的時(shí)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(dāng)task就緒時(shí)被放入一個(gè)活動(dòng)隊(duì)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(gè)固定的時(shí)間。任務(wù)運(yùn)行時(shí)分配一個(gè)時(shí)間片，當(dāng)時(shí)間片結(jié)束，該任務(wù)將放棄處理器并根據(jù)其優(yōu)先級(jí)轉(zhuǎn)到過期隊(duì)列中�；顒�(dòng)隊(duì)列中任務(wù)全部調(diào)度結(jié)束后，兩個(gè)隊(duì)列指針互換，過期隊(duì)列成為當(dāng)前隊(duì)列，調(diào)度程序繼續(xù)以簡(jiǎn)單的算法調(diào)度當(dāng)前隊(duì)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(fù)載，避免進(jìn)程在處理器間的跳躍。

3、同步原型與共享內(nèi)存

多進(jìn)程應(yīng)用程序需要共享內(nèi)存和外設(shè)資源，為避免競(jìng)爭(zhēng)采用了互斥的方法保證資源在同一時(shí)刻只被一個(gè)任務(wù)訪問。Linux內(nèi)核用一個(gè)系統(tǒng)（QQ：小默862693539）調(diào)用來(lái)決定一個(gè)線程阻塞或是繼續(xù)執(zhí)行來(lái)實(shí)現(xiàn)互斥，在線程繼續(xù)執(zhí)行時(shí)，這個(gè)費(fèi)時(shí)的系統(tǒng)（QQ：小默862693539）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(cè)是不是需要阻塞線程，只在需要時(shí)執(zhí)行系統(tǒng)（QQ：小默862693539）調(diào)用終止線程。它同樣采用調(diào)度優(yōu)先級(jí)來(lái)確定將要執(zhí)行的進(jìn)程[4]. 多處理器嵌入式系統(tǒng)（QQ：小默862693539）各處理器之間需要共享內(nèi)存，對(duì)稱多處理技術(shù)對(duì)內(nèi)存訪問采用同等優(yōu)先級(jí)，在很大程度上限制了系統(tǒng)（QQ：小默862693539）的可量測(cè)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?fù)洳季郑�在發(fā)生內(nèi)存競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，給予不同處理器不同級(jí)別權(quán)限以解決內(nèi)存搶占瓶頸，提高吞吐量。

4、POSIX線程及NPTL

新的線程模型基于一個(gè)1:1的線程模型（一個(gè)內(nèi)核線程對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶線程），包括內(nèi)核對(duì)新的 NPTL（Native POSIX Threading Library）的支持，這是對(duì)以前內(nèi)核線程方法的明顯改進(jìn)。2.6內(nèi)核同時(shí)還提供POSIX signals和POSIX high-resolution timers.POSIX signals不會(huì)丟失，并且可以攜帶線程間或處理器間的通信信息。嵌入式系統(tǒng)（QQ：小默862693539）要求系統(tǒng)（QQ：小默862693539）按時(shí)間表執(zhí)行任務(wù)，POSIX timer可以提供1kHz的觸發(fā)器使這一切變得簡(jiǎn)單，從而可以有效地控制進(jìn)度。

5、微控制器的支持

Linux2.6內(nèi)核加入了多種微控制器的支持。無(wú)MMU的處理器以前只能利用一些改進(jìn)的分支版本，如uClinux,而2.6內(nèi)核已經(jīng)將其整合進(jìn)了新的內(nèi)核中，開始支持多種流行的無(wú)MMU微控制器，如Dragonball、ColdFire、Hitachi H8/300.Linux在無(wú)MMU控制器上仍舊支持多任務(wù)處理，但沒有內(nèi)存保護(hù)功能。同時(shí)也加入了許多流行的控制器的支持，如S3C2410等。

6、面向應(yīng)用

嵌入式應(yīng)用有用戶定制的特點(diǎn)，硬件設(shè)計(jì)都針對(duì)特定應(yīng)用開發(fā)，這給系統(tǒng)（QQ：小默862693539）帶來(lái)對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)支持的問題（如IRQ的管理）。為了更好地實(shí)現(xiàn)，可以采用部件化的操作系統(tǒng)（QQ：小默862693539）。Linux2.6采用的子系統(tǒng)（QQ：小默862693539）架構(gòu)將功能模塊化，可以定制而對(duì)其他部分影響最小。同時(shí)Linux2.6提供了多種新技術(shù)的支持以實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用開發(fā)，如Advanced Linux Sound Architecture（ALSA）和Video4Linux等，對(duì)多媒體信息處理更加方便；對(duì)USB2.0的支持，提供更高速的傳輸，增加藍(lán)牙無(wú)線接口、音頻數(shù)據(jù)鏈接和面向鏈接的數(shù)據(jù)傳輸L2CAP,滿足短距離的無(wú)線連接的需要；而且在2.6內(nèi)核中還可以配置成無(wú)輸入和顯示的純粹無(wú)用戶接口系統(tǒng)（QQ：小默862693539）。

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