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 時代也過渡到了后PC時代。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時代，嵌入式技術(shù)越來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(yīng)用領(lǐng)域的擴大，為了適應(yīng)不同的應(yīng)用場合，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、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)（QQ：小默862693539）對功能、可靠性、成本、體積、功耗要求嚴格的專用計算機系統(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)用的免費操作系統(tǒng)（QQ：小默862693539），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)（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，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)（QQ：小默862693539）。

一、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(yīng)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)（QQ：小默862693539），但其改進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)（QQ：小默862693539）應(yīng)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)（QQ：小默862693539）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)（QQ：小默862693539）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)（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)運行的任務(wù)（包括通過系統(tǒng)（QQ：小默862693539）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(dǎo)致一些重要任務(wù)延時以等待系統(tǒng)（QQ：小默862693539）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(yīng)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)（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，允許調(diào)度程序中止當(dāng)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)（QQ：小默862693539）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(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)（QQ：小默862693539）的實時響應(yīng)性，而2.6內(nèi)核可以編譯無虛擬內(nèi)存系統(tǒng)（QQ：小默862693539）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。

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(dāng)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(dāng)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(dāng)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�；顒雨犃兄腥蝿�(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(dāng)前隊列，調(diào)度程序繼續(xù)以簡單的算法調(diào)度當(dāng)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。

3、同步原型與共享內(nèi)存

多進程應(yīng)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)（QQ：小默862693539）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)（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是不是需要阻塞線程，只在需要時執(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)先級來確定將要執(zhí)行的進程[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)（QQ：小默862693539）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。

4、POSIX線程及NPTL

新的線程模型基于一個1:1的線程模型（一個內(nèi)核線程對應(yīng)一個用戶線程），包括內(nèi)核對新的 NPTL（Native POSIX Threading Library）的支持，這是對以前內(nèi)核線程方法的明顯改進。2.6內(nèi)核同時還提供POSIX signals和POSIX high-resolution timers.POSIX signals不會丟失，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)器使這一切變得簡單，從而可以有效地控制進度。

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MMU的處理器以前只能利用一些改進的分支版本，如uClinux,而2.6內(nèi)核已經(jīng)將其整合進了新的內(nèi)核中，開始支持多種流行的無MMU微控制器，如Dragonball、ColdFire、Hitachi H8/300.Linux在無MMU控制器上仍舊支持多任務(wù)處理，但沒有內(nèi)存保護功能。同時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，硬件設(shè)計都針對特定應(yīng)用開發(fā)，這給系統(tǒng)（QQ：小默862693539）帶來對非標準化設(shè)計支持的問題（如IRQ的管理）。為了更好地實現(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，可以定制而對其他部分影響最小。同時Linux2.6提供了多種新技術(shù)的支持以實現(xiàn)各種應(yīng)用開發(fā)，如Advanced Linux Sound Architecture（ALSA）和Video4Linux等，對多媒體信息處理更加方便；對USB2.0的支持，提供更高速的傳輸，增加藍牙無線接口、音頻數(shù)據(jù)鏈接和面向鏈接的數(shù)據(jù)傳輸L2CAP,滿足短距離的無線連接的需要；而且在2.6內(nèi)核中還可以配置成無輸入和顯示的純粹無用戶接口系統(tǒng)（QQ：小默862693539）。

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