嵌入式操作系统和Linux

本文分析了Linux的特点，稳健性和局限性以及最重要的实时领域的应用。过去，因为非PC的嵌入式硬件平台价格昂贵，使得许多高性能要求的嵌入式系统不能实现。现在，因为廉价的PC硬件大力发展和广泛的应用，使得那些高性能要求的嵌入式系统有了实现的可能。但是，嵌入式PC平台的系统软件却不那么具有吸引力。当然你可以选择DOS，不过它先天不足。你也可以选择WINDOWS，但是经过仔细的研究，你会发现它的实时性能很差。很多高级实时操作系统价格不菲，可移植性不好。从1991年以来，在网络下发展的Linux操作系统，在服务器和PC桌面机上，已经是Microsoft 的DOS和WINDOWS95/98的强劲对手。而且它的性能比WINDOWS好得多。如果你有兴趣 ，你可以从网上自由下载，或掏比CD本身贵一点的价格买到。最近有人把实时性的部件加入Linux操作系统，使得它成为嵌入式系统设计师的一个极其有价值工具。尽管它的实时部件不如其他的RTOS那么复杂，使用的内存不能太小，但是它的其他优点足以超越和弥补它的不足。

在嵌入式系统中使用PC硬件的好处显而易见，生产量大，容易购买，价钱比较便宜。而且还很容易搞到数模转换板、网络接口板、图象采集和处理板等专用板。再加上采用PCI总线，系统性能将极大提高。在操作系统领域却没有相应的变化。

高级嵌入式系统不仅需要价格低廉的硬件，同时也需要很多复杂的功能，比如图形用户接口、网络传输。在操作系统方面，我们也需要价格便宜、性能成熟、同时又能够满足高级嵌入式系统的需求。

如今的Linux已经引起了计算机世界的高度重视。许多计算机使用者和厂商都被它的稳定性、易得性等特点吸引。它几乎完全兼容UNIX系统中的功能和开发工具、应用程序。它提供了TCP/IP通讯功能、Internet的Client & Server 功能，以及C、C++、JAVA等语言的编译工具，这些工具和功能都比MS WINDOWS成熟、完善、易用很多。当你在使用和编程中遇到问题时，通过Internet你会得到成千上万的专家和热心人的帮助。我认为，在解决问题时，通过Internet的帮助会比单纯依靠RTOS厂商快捷有效。在厂商帮助下解 决问题，一次只会得到一种方案，如果不行，你必须重新开始;在Internet上，你会得到很多答案。今天的Linux已经得到了一些厂商的支持，你也可以从它们那得到技术支持。但是，最重要的是你拥有源代码，你可以对问题进行深入的研究，甚至可以扩展功能 。

Linux是MS WINDOWS 和DOS之外所绝佳的选择。很多嵌入式系统工程师也已经开发了Linux在嵌入式系统方面使用的价值，尤其在专用硬件环境和多处理器方面。现在的问题是如何使使Linux系统具有实时性。当前有两种方案来解决这个问题：一个是POSIX方法，另外一个是底层解决。

POSIX是类UNIX操作系统的标准化方案，目的是提高软件的可移植性，加速软件设计师的工作。POSIX.1b已有实时性扩展，包括信号、内存锁定、时钟和计数、消息队列以及抢先调度策略。不过这种办法比较适合工作站系统，对基于PC的嵌入式系统并不是很好。

其次是类UNIX的系统调用比较繁复，不如pSOS+等的明了。但是仍然有一批开发者在优化Linux，当然也取得了一些成功，譬如内存锁定方法和任务调度算法有了改进。这其中最主要的成果是POSIX线程(定义于POSIX.1c)。这个功能对嵌入式系统来说很好。

另一个方案从底层来提高Linux的实时性，即所谓的“硬”实时性。在这个方面做得最为成功的是New Mexico institute of Mining and Technology，他们在Linux系统下加入实时性的kernel(核心)，让Linux本身运行在优先级较低的层面上。这种设计方法对Linux 系统的修改减少到最低，同时增加必需的实时功能。这样使得在Linux本身的升级后，可以进行很少的修改就可以把RT-linux引进新版的Linux核心。RT-Linux和Linux的结合提供所有的实时功能，包括底层任务的创建、中断任务的安装、底层任务队列管理、中断任务的运行等。这种设计使得在系统中有两种域：实时域和非实时域。实时域的函数满足实时性要求;不过，任务必须简单，因为分批给它们的资源比较少。非实时域的函数可以享用系统全部资源，但是它们的实时性比较差。两个域之间的通讯方法也提供了。在所有RT-Linux时，必须保证需要的函数在各自的运行域是合适的，不要以为先前的非实时函数在安装安装了RT-Linux后就具有了实时性，对实时性要求有关的函数必须放到实时域中去运行。

RT-Linux中任务处理也比较简单，所有rt-task-init()创建和启动实时任务。实时域和非实时域的函数通讯方法是通过FIFO进行。所有FIFO的明显好处是方便数据的传输，如果设定其长度为零，又可以当成信号所有。目前的不足是没有提供优先级继承机制(为了防治优先级的逆转)和任务的安全删除，但是在设计过程中却可以依靠仔细设计来避免这种错误发生。当然使用零长的FIFO来挂起程序的运行的方法有一点麻烦，不过它总算是一种办法。新设计的方法是设定超时功能。

RT-Linux作为简单、开放的软件，使用者可以可以根据你们的需要来更新这些功能，设计出更好的方案，并公布给大家。

RT- Linux中最为引人注意的特色是它使得Linux的核心能够被抢先。Linux以及其他类UN IX操作系统的核心都不能被长期打断。正是因为这一点，使得Linux不能是一个完全合格的实时操作系统。不过，使用上面介绍的两种方法都可以提高 Linux的实时性。第一种方法重新设计核心，当然能够达到要求。然而Linux的核心大且复杂，还经常修正;它的设计者并不关心其实时性能。因此强加入实时的功能于现成代码并不合适。即使这样，当Linux的核心升级，就不免要重新设计程序。RT-Linux采用的另外的方法使得Linux的核心可以被中断;它把中断分为两类：Linux控制的中断和RT-Linux控制下的中断。RT-Linux严格限制任务和中断的内容;它们不能调用Linux的核心，所以它们可以中断核心的工作。如果它们不改变核心的东西，那么它们将不会干扰核心的运行。其次，Linux的中断也不能够打断核心的运行。于是RT- Linux采用了虚拟的中断结构，使得Linux的核心不能禁止中断。在标准的Linux系统中，使用了“sti”和“cli”宏，然后运行X86的相应指令。RT-Linux修改了这两条指令的运行方式;执行“cli”，它不禁止中断，而是重新指向RT-Linux的代码，进行判断;如果是RT- Linux的则让中断继续执行，如果是标准Li nux的中断，则设置标志。运行“sti”时，挂起的任何中断继续执行。如此这般，Linux不能中断它自身，RT-Linux就可以了。