嵌入式實時Linux的技術(shù)研究

PC硬件使用的增加是近年來高端嵌入式系統(tǒng)的一個最重要的發(fā)展。由于這個趨勢，嵌入式系統(tǒng)的硬件成本大大地下降了，然而應(yīng)用于嵌入式PC平臺的軟件系統(tǒng)卻沒有太多的選擇。

目前嵌入式操作系統(tǒng)主要有Palm OS，WindowsCE，EPOC，LinuxCE，QNX.ECOS，LYNX等，但這些系統(tǒng)一般都價格昂貴、不具有良好的可移植性。由于linux具有適應(yīng)于多種CPU和多種硬件平臺、性能穩(wěn)定、裁剪性能好，開發(fā)和使用都很容易等特點，越來越多的人傾向于將Linux嵌入到移動計算平臺、信息家電、媒體手機及其它產(chǎn)品中去。這同時也對Linux的實時性提出了更高的要求。

我們參加開發(fā)的上海數(shù)字技術(shù)中心的電子警察系統(tǒng)就是這樣一個基于PC平臺的嵌入式系統(tǒng)。它的主要功能是安裝在十字路口上監(jiān)視闖紅燈的汽車，錄制這些鏡頭，并適時通過網(wǎng)絡(luò)傳回總監(jiān)控中心。該系統(tǒng)原來采用Vxworks作為運作平臺，然而由于Vxworks的昂貴，且只能安裝一臺機器，因此將Linux改制成嵌入式的、具有一定實時性的系統(tǒng)平臺。

1 硬件需求

考慮到實際的系統(tǒng)功能和系統(tǒng)開發(fā)的難度，我們決定選擇X86體系作為平臺，底板采PCM-5864/L板，CPU選擇Intel的P55C系列，同時它也支持PC104接口。I/O方面，PCM-5864/L支持EIDE、FDD、Keyboard、Mouse、RS-232、USB等接口，同時也集成了10Mbps/l00Mbps網(wǎng)卡。另外PCM-5864/L還集成了顯卡，并提供36位TTL的LCD接口、LVDS接口和Video-in/TV-out接口。由于電子磁盤體積小、抗震性能也較好的特點，我們選用M-Systems公司的DiskOnChip2000作為存儲設(shè)備，這樣比較適合該系統(tǒng)戶外作業(yè)的特性。Doc2000還提供了安裝的工具包、Linux下的驅(qū)動程序和對不同版本Linux內(nèi)核的Patch。安裝時只需對Linux內(nèi)核和Lilo進行相應(yīng)修改即可。這樣的硬件選擇使系統(tǒng)開發(fā)的難度大大降低了。

2 嵌入Linux主要解決的幾個問題

由于采用X86體系作為平臺，大大降低了嵌入化Linux的難度，主要要考慮的問題可分為以下幾個方面：

2.1 非虛擬內(nèi)存

Linux采用虛擬內(nèi)存技術(shù)，當數(shù)據(jù)溢出內(nèi)存時,可以將其交換到磁盤交換空間巾去，這對程序員來說是不可見的。然而，普通的嵌入式系統(tǒng)不需要這種強大的功能。實際上，可能不希望它在實時的關(guān)鍵系統(tǒng)里，因為它會帶來無法控制的時問因素。因此，考慮將虛擬內(nèi)存的功能去掉。然而，清除Linux的虛擬內(nèi)存代碼非常費事，我們采用一種迂回的方法，即將交換空間的大小設(shè)置為零。這樣，如果你寫的程序比實際的內(nèi)存大，系統(tǒng)就會當作你的運行用盡了交換空間來處理;這個程序?qū)⒉粫\行，或者malloc將會失靈。這只是一種臨時的解決方案，系統(tǒng)中存在許多冗余未清除的代碼，如果進一步改進可以縮小系統(tǒng)體積。

2.2 處理文件系統(tǒng)

許多嵌入式系統(tǒng)沒有磁盤或者文件系統(tǒng)，Linux不需要它們也能運行，這樣可以在系統(tǒng)啟動時就將操作系統(tǒng)和預(yù)先編好的應(yīng)用程序全都加載到內(nèi)存中去。然而.考慮到以后的擴展，我們分析了Linux當前的文件系統(tǒng)，將與系統(tǒng)和程序運行相關(guān)的文件析取出來，移植到Doc上面.這樣就能為應(yīng)用程序的開發(fā)人員提供更方便的接口。

2.3 設(shè)置啟動(Lilo和BIOS)

當PC系統(tǒng)啟動時，由BIOS執(zhí)行了一些低水平的CPU初始化和其它硬件的配置，然后辨認哪個磁盤里有操作系統(tǒng)，把操作系統(tǒng)復(fù)制到RAM并且轉(zhuǎn)向它。在PC上運行的Linux依靠PC的BIOS來提供這些配置和OS加戟功能。由于選擇了X86系列作為平臺，同樣可以通過設(shè)置BIOS來設(shè)定由Doc啟動。我們將內(nèi)核安裝在Doc上。同時修改目錄/etc下的lilo.config文件，使Lilo記錄內(nèi)核代碼在存儲設(shè)備上的位置，然后將Lilo安裝在Doc上。這樣當系統(tǒng)啟動時.BIOS指定Doc為啟動設(shè)備，這時Lilo被執(zhí)行。它指出Linux內(nèi)核的位置，加載內(nèi)核。

2.4 設(shè)備驅(qū)動程序的編寫

由于采用通用PC平臺，有許多驅(qū)動程序都不需要自己再編寫了。系統(tǒng)中，唯一需要編寫驅(qū)動程序的設(shè)備是上海數(shù)字中心的數(shù)據(jù)采集卡.該卡采用的是Bt848芯片。Bt848是一塊很常用的芯片.許多驅(qū)動程序都非常相近，因此編寫它的驅(qū)動程序有很好的例子可以參考，相應(yīng)的，編寫應(yīng)用程序只需調(diào)用驅(qū)動程序提供的接口即可，如同操作文件一樣。

3 Linux的實時性分析

以上簡要介紹了實現(xiàn)Linux的嵌入化過程，在嵌入化Linux的同時，還考慮提高它的實時性。于是著手分析Linux的實時性能和存在的不足。

概括來講，影響操作系統(tǒng)實時性能的主要有3個方面：

(1)外部中斷管理

我們知道，外部中斷發(fā)生時，操作系統(tǒng)調(diào)用中斷處理程序.進入核心態(tài)。為了保證系統(tǒng)執(zhí)行的正確性，要求內(nèi)核狀態(tài)不重入，也即保證這部分關(guān)鍵代碼執(zhí)行結(jié)束之前不被打斷。因此，這時進入關(guān)中模式，這是外部中斷管理中影響Linux性能的一個關(guān)鍵的地方。在這段時間內(nèi)，操作系統(tǒng)負責(zé)將中斷發(fā)送到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序去處理，系統(tǒng)不能進行其它任何工作，為了減少這個過程損耗的時間，Linux內(nèi)核利用底半處理過程(bottom-half-handler)幫助實現(xiàn)中斷的快速處理。在Linux設(shè)備驅(qū)動程序中，往往將最關(guān)鍵最迅速的部分處理完成之后，將剩余部分任務(wù)放置到隊列中。當中斷響應(yīng)完成后.再執(zhí)行剩余部分的任務(wù)。在Linux中，主要設(shè)置了以下幾個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來標志未完成的任務(wù)。

enum{

TIMER_BH=0,CONSOLE_BH,TQUEUE_BH,DIGI_BH,SERIAL_BH,RISCOM8_BH,SPECIALIX_BH,

ESP_BH,NET_BH,SCSI_BH,IMMEDIATE_BH,KEYBOARD_BH,CYCLADES_BH,CM206_BH,

JS_BH,MACSERIAL_BHISICOM_BH

};

上面每一項標識未完成任務(wù)的隊列類型，不同隊列的任務(wù)輕重緩急不同。

extern unsigned long bh_active;

extern unsigned long bh_mask;

extern void(*bh_base[32])(void);

bh_base代表的指針數(shù)組中可包含32個不同的底半處理過程。bh_mask和札bh_active的數(shù)據(jù)位分別代表對應(yīng)的底半處理過程是否安裝和激活。如果bh_mask的第N位為1.則說明bh_base數(shù)組的第N個元素包含某個底半處理過程的地址;如果bh_active的第N位為1.則說明必須由調(diào)度程序在適當?shù)臅r候調(diào)用第N個底半處理過程。這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)置一般是在外部設(shè)備初始化和中斷處理函數(shù)運行時進行的。如：在serialc中進行serial設(shè)備的初始化，它調(diào)用語句init_bh(SERIAL_BH,do_serial_bh);來設(shè)置bh_base[]數(shù)組中相應(yīng)于SERIAL_BH的那一項。又如：在serial設(shè)備的處理程序中通過語句queue_task(info->tqueue,tq_serial);將不是很緊急的任務(wù)放入tq_serial隊列中，等中斷處理函數(shù)結(jié)束，由bh_base中注冊的底半處理程序處理隊列中的任務(wù)。