你必須了解的嵌入式Linux特性

如今，Linux正廣泛應(yīng)用于各種嵌入式設(shè)備的開發(fā)中，如數(shù)字電視、視訊轉(zhuǎn)換盒、DVR播放器、xDSL/有線/PON調(diào)制解調(diào)器、家用路由器和網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)。它尤其適合具有先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)功能、大量設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)字家庭和家庭網(wǎng)絡(luò)。除了嵌入式設(shè)備，Linux還支持企業(yè)級(jí)設(shè)備，如服務(wù)器和路由器。

此外，Linux在行動(dòng)設(shè)備中也獲得了青睞。市調(diào)機(jī)構(gòu)In-Stat的報(bào)告顯示，到2012年，中國(guó)基于行動(dòng)Linux的智能手機(jī)出貨量將達(dá)到中國(guó)智能手機(jī)總出貨量的25.4%。

相較其它典型的專有商用OS，Linux蓬勃發(fā)展的原因在于其是開原始碼、成本低、使用快速安全。與其它OS相較，它能夠更好地進(jìn)行‘剪裁’，且只占用較小空間。利用Linux，再加上來(lái)自開放原始碼社群的持續(xù)支持，工程師能夠使用和控制原始程序代碼。開放原始碼社群是由熟悉Linux的工程師組成的大型社群。

不斷改進(jìn)的Linux核心

然 而，在面對(duì)特定嵌入式應(yīng)用時(shí)，Linux仍存在許多挑戰(zhàn)，如內(nèi)存空間有限，或是需要實(shí)時(shí)確定性以及高安全性能的應(yīng)用。而工具鏈的改善、新的除錯(cuò)工具和性 能、不斷演變的標(biāo)準(zhǔn)化努力等，都繼續(xù)提升Linux對(duì)于所有嵌入式應(yīng)用的價(jià)值。在這其中，Linux核心的不斷改進(jìn)異常重要。

Linux 核心是應(yīng)用軟件采用的標(biāo)準(zhǔn)Linux API和處理器系統(tǒng)(應(yīng)用軟件執(zhí)行其上)底層硬件結(jié)構(gòu)之間的接口。該核心是內(nèi)部組件和外部可加載模塊的復(fù)雜組合，為應(yīng)用程序的執(zhí)行提供全面和穩(wěn)定的處理環(huán) 境，提供安全消除軟件缺陷、在某種程度上防止硬件故障的能力。在開機(jī)循環(huán)期間，核心必須及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并正確初始化核心系統(tǒng)處理器、系統(tǒng)內(nèi)存、硬件驅(qū)動(dòng)、視頻卡、USB端口、網(wǎng)絡(luò)卡和音訊處理器，而且要在開機(jī)循環(huán)期間提供是否成功的足夠指示。

維持如此復(fù)雜的程序代碼收集很明顯是一個(gè) 嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。核心原始程序代碼被劃分為標(biāo)準(zhǔn)‘樹’結(jié)構(gòu)，這樣子系統(tǒng)就能夠更好地彼此隔離，有助于實(shí)現(xiàn)幾個(gè)關(guān)鍵核心維護(hù)工作的分布。這種分工可大幅減少核心某 一部份產(chǎn)生重大變化對(duì)其他部份產(chǎn)生的影響。每個(gè)后續(xù)子系統(tǒng)的變更都將傳達(dá)給主要維護(hù)者，最終到達(dá)Linux核心最上游的維護(hù)者。這些變更通常稱為‘外掛程 式’，在標(biāo)準(zhǔn)格式下制作和應(yīng)用。

供貨商和開發(fā)人員將他們的知識(shí)反饋到開放原始碼社群以改進(jìn)核心。Linux開放、分散的本 質(zhì)，再加上背后強(qiáng)大的社群支持，使基于Linux的OS成為培養(yǎng)創(chuàng)新的良好選擇。由于供貨商和開發(fā)人員不斷分享他們所學(xué)到的知識(shí)，因此存在這樣的可能：當(dāng)開發(fā)人員需要實(shí)現(xiàn)某種功能時(shí)，可以在Linux社群生態(tài)系統(tǒng)中找到并予以采用。

商用Linux供貨商做了很多工作使Linux成為嵌入式應(yīng)用中更加可行和吸引人的操作系統(tǒng)。

商用vs.開放原代碼

當(dāng)選擇Linux OS時(shí)，嵌入式Linux開發(fā)人員有兩個(gè)主要選擇：‘免費(fèi)’版本，開發(fā)人員可以下載有開放原代碼授權(quán)的對(duì)象/原始程序代碼;商業(yè)發(fā)行版，由不同公司維護(hù)和支持的商用產(chǎn)品。

目前，大多數(shù)開發(fā)人員使用的都是免費(fèi)發(fā)行版。市場(chǎng)研究公司VDC一份針對(duì)目前Linux使用者的2007年調(diào)查中有這樣一個(gè)問(wèn)題：請(qǐng)問(wèn)您將在下一個(gè)項(xiàng)目中使用哪種Linux OS?結(jié)果高達(dá)71%的嵌入式系統(tǒng)工程師表示，愿意采用免費(fèi)發(fā)行的Linux版本。

圖1：為下一個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃的Linux操作系統(tǒng)。資料來(lái)源：VDC/2007

由 于眾多嵌入式開發(fā)人員將在下一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中選擇Linux，因此，讓他們體認(rèn)到免費(fèi)發(fā)行版本固有的局限性非常重要。這些局限包括：缺乏豐富的Linux工 具;相較競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)時(shí)OS來(lái)說(shuō)占用更多空間;為滿足實(shí)時(shí)要求最佳化Linux所面臨的挑戰(zhàn);支持以及開發(fā)工具有限。也就是說(shuō)，‘免費(fèi)’意味著不花錢使用，但 并非零成本。

‘免費(fèi)’≠‘零’成本

除了決定使用商用或免費(fèi)Linux版本，開發(fā) 人員還必須認(rèn)識(shí)到其除錯(cuò)/開發(fā)工具的能力和局限。嵌入式SoC領(lǐng)域任何有意義的設(shè)計(jì)，都要求針對(duì)嵌入式領(lǐng)域的高度整合的軟件開發(fā)工具。從編譯器到應(yīng)用各個(gè) 環(huán)節(jié)的開放原始碼工具，都期望能創(chuàng)造良好的生產(chǎn)品質(zhì)。開發(fā)人員期望這些工具能與更短的學(xué)習(xí)曲線無(wú)縫結(jié)合。

充分發(fā)揮嵌入式 Linux免費(fèi)發(fā)行版的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為消費(fèi)產(chǎn)品領(lǐng)域被廣泛接收的現(xiàn)實(shí)。在這些市場(chǎng)上，產(chǎn)品執(zhí)行率非常高，對(duì)程序代碼的增加非常頻繁，而且產(chǎn)品的銷售成本至關(guān) 重要，所有這些都使得開放原始碼模式極具吸引力。但是，人們通常希望開放原始碼工具能夠與生產(chǎn)品質(zhì)密切相關(guān)，‘免費(fèi)’和‘商用’并不同義。必須對(duì)核心和 SoC組件互動(dòng)有深刻的了解，才能整合開放原始碼/免費(fèi)軟件，并為處理器核心提供無(wú)縫除錯(cuò)環(huán)境的工具。因此，需要專業(yè)知識(shí)才能使目前的開放原始碼工具順利 工作。

現(xiàn)在有若干種‘免費(fèi)軟件’除錯(cuò)解決方案，設(shè)計(jì)人員必須全面了解其局限性。例如，針對(duì)Linux核心最受歡迎的免費(fèi)軟件除錯(cuò)器是KGDB，但主要缺點(diǎn)是 KGDB會(huì)要求重新編譯核心。這對(duì)產(chǎn)品已經(jīng)部署到現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)并不可行。修補(bǔ)核心還可能導(dǎo)入影響系統(tǒng)性能的程序代碼變化。

GDBServer 是另一個(gè)針對(duì)應(yīng)用除錯(cuò)的頗受歡迎的免費(fèi)軟件除錯(cuò)器，但它也受到了嚴(yán)格限制。主要問(wèn)題是缺乏對(duì)同時(shí)除錯(cuò)大量執(zhí)行緒/進(jìn)程的支持。隨著除錯(cuò)的執(zhí)行緒/進(jìn)程數(shù)不 斷增加，GDBServer性能迅速惡化，導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間太慢，進(jìn)而使目標(biāo)系統(tǒng)出現(xiàn)故障。其它問(wèn)題還涉及到：不能在相同的目標(biāo)連接上除錯(cuò)驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用;除 錯(cuò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和除錯(cuò)共享庫(kù)。了解特定應(yīng)用的除錯(cuò)需求非常重要，應(yīng)據(jù)此選擇相應(yīng)工具。

Linux核心的維護(hù)

在決定將選擇哪種OS時(shí)，開發(fā)人員的重點(diǎn)是選擇一個(gè)完全支持其特定處理器的操作系統(tǒng)，并能降低總成本和縮短上市時(shí)間。這意味著大部份核心維護(hù)已經(jīng)完成，因此 若他們遇到什么問(wèn)題或挑戰(zhàn)，處理器供貨商及其生態(tài)系統(tǒng)支持業(yè)者就能幫助解決這些問(wèn)題。此外，利用供貨商已正式測(cè)試的核心版本，客戶在設(shè)計(jì)過(guò)程中即使不能完 全消除，也可以不斷降低風(fēng)險(xiǎn)。特定處理器Linux生態(tài)系統(tǒng)可以利用一套標(biāo)準(zhǔn)配置和測(cè)試平臺(tái)，快速而準(zhǔn)確地隔離客戶應(yīng)用中的差異。

從處理器供貨商的角度來(lái)看，積極參與與其核心相關(guān)的Linux核心的維護(hù)非常重要。這些供貨商最有能力實(shí)現(xiàn)額外的新功能，以及增加原有核心功能的穩(wěn)定性，因?yàn)樗麄兞私膺@些核心設(shè)計(jì)中的所有‘秘密’細(xì)節(jié)。

以 MIPS為例，作為處理器IP公司，MIPS必須確保其新的處理器核心完全整合在Linux原始程序代碼樹，且所有的變更都透過(guò)對(duì)舊核心和平臺(tái)的回歸測(cè)試進(jìn) 行正確驗(yàn)證。MIPS的核心維護(hù)人員必須‘簽署’(核準(zhǔn))每個(gè)建議的‘外掛程序’。這些外掛程序由MIPS及其客戶提交，可強(qiáng)化核心功能，并改善對(duì)現(xiàn)有核 心的支持和偶爾的錯(cuò)誤修復(fù)。

對(duì)于像MIPS這樣的IP核心供貨商和Linux社群來(lái)說(shuō)，最有益的方式是確保其核心的所有性能 和電源管理特性能夠在Linux核心中完全實(shí)現(xiàn)，以便為采用Linux作為設(shè)計(jì)核心OS的使用者最佳化使用者體驗(yàn)，并讓數(shù)以百計(jì)的Linux核心編程人員 進(jìn)行核心增強(qiáng)的同行審查。

為了實(shí)現(xiàn)最佳單位面積運(yùn)算能力(MIPS/每平方毫米)和最佳單位功耗運(yùn)算能力(MIPS /mW)，許多處理器都利用了多核心技術(shù)，在幾個(gè)以較低時(shí)脈頻率執(zhí)行的核心間分配處理負(fù)載。這些應(yīng)用能夠以對(duì)稱多處理(SMP)的方式進(jìn)行分配，其中一項(xiàng) 任務(wù)是核心間的基本平分;或者采用非對(duì)稱多處理(AMP)，在這里特定任務(wù)被分配給一個(gè)特定核心。不論是哪種方式，Linux核心中必須有適當(dāng)?shù)闹С衷试S 實(shí)現(xiàn)這些編程模型，同時(shí)對(duì)應(yīng)用開發(fā)者盡可能的透明。

另一個(gè)重要的Linux核心最佳化例子是電源管理。在今天的綠色運(yùn)算環(huán)境 中，電源管理日漸重要，不僅展現(xiàn)在要求大幅延長(zhǎng)電池壽命的可攜式設(shè)備方面，而且展現(xiàn)在需要盡量減少能源浪費(fèi)和熱量的AC供電系統(tǒng)中。目前一個(gè)典型的手機(jī)必 須管理20多個(gè)不同的電源層，還不包括應(yīng)用處理器SoC內(nèi)和核心本身的電壓島。

目前Linux核心電源管理支持主要集中在通過(guò)ACPI的標(biāo)準(zhǔn)PC。但是ACPI接口并不適合先進(jìn)的多核心SoC，因?yàn)楹笳弑仨殞⒁恢滦噪娫垂芾矸桨笖U(kuò)展至多個(gè)核心、內(nèi)部SoC外圍設(shè)備以及最后的外部系統(tǒng)外圍設(shè)備(如RF功率放大器)。

在 MIPS，我們執(zhí)行了一個(gè)先進(jìn)的電源管理IP模塊，稱為叢集電源控制器(CPC)，在具體的1004K執(zhí)行中，它允許對(duì)每個(gè)核心的單獨(dú)控制，使核心可以進(jìn) 入或離開一致性作業(yè)，并在需要的情況下徹底關(guān)掉電源。這樣的電源管理模式能夠進(jìn)一步擴(kuò)展，使核心電壓和頻率調(diào)變處于操作系統(tǒng)本身的控制之下。這個(gè)CPC模 組的功能還必須擴(kuò)展至Linux核心。

圖2：叢集電源控制器允許在特定的多核心架構(gòu)中對(duì)每個(gè)核心進(jìn)行單獨(dú)控制

Linux開發(fā)工具

當(dāng)考慮處理器對(duì)OS的支持時(shí)，開發(fā)工具很重要。最新一代Linux開發(fā)工具利用了芯片級(jí)儀器(On-Chip Instrumentation)對(duì)除錯(cuò)器進(jìn)行‘硬件協(xié)助’。這些工具都是特定架構(gòu)的，并非所有處理器都支持這種獨(dú)特的除錯(cuò)方法。例如，目前有的 Linux工具可以剖析Linux核心及加載模塊。這些工具依賴于：處理器能夠以極高的速度對(duì)PC緩存器進(jìn)行透明采樣，并將這些信息傳送到除錯(cuò)器。加上來(lái) 自加載模塊的符號(hào)信息(Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的典型形式)，開發(fā)者能夠迅速剖析Linux核心，并確定設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可能會(huì)將什么要求放在核心上。最佳化 Linux核心性能可能對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生巨大的影響。

備受稱贊的核心評(píng)測(cè)工具是Linux事件分析器，能夠剖析整個(gè)系統(tǒng)。通常這些工具可擷取目標(biāo)內(nèi)產(chǎn)生的使用者選擇的Linux事件，然后根據(jù)時(shí)間透過(guò)圖形顯示這些事件。這些擷取有時(shí)能夠收集高達(dá)20秒的Linux系統(tǒng)活動(dòng)。

不管應(yīng)用如何，開發(fā)者都應(yīng)該確保他們選擇的處理器架構(gòu)包含一個(gè)無(wú)縫的開發(fā)環(huán)境，包括編譯器、除錯(cuò)器、性能和剖析工具。這種性質(zhì)的工具必須滿足上市時(shí)間要求， 并從一個(gè)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中獲取最大的性能。投資在完全整合和經(jīng)過(guò)測(cè)試的廠商提供的工具和環(huán)境，包括完整的文件、支持論壇、呼叫中心、無(wú)證見解、整合、標(biāo) 準(zhǔn)，以及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的連接，都可以縮短目前和未來(lái)設(shè)計(jì)上市時(shí)間。

Linux社群

經(jīng) 過(guò)多年的發(fā)展，Linux核心已經(jīng)成為可擴(kuò)展性最強(qiáng)、最可靠的操作系統(tǒng)之一，能夠支持從低階、單核到高階、多核的嵌入式設(shè)備。隨著穩(wěn)定、極為輕便的 Linux核心、數(shù)百個(gè)支持無(wú)版稅中介軟件組件、數(shù)以千計(jì)的Linux開發(fā)者，以及越來(lái)越多的商用Linux軟件和服務(wù)供貨商的出現(xiàn)，Linux儼然已經(jīng) 是一個(gè)有效的操作系統(tǒng)，不論是上市時(shí)間還是開發(fā)成本都是如此。

我們鼓勵(lì)所有的開發(fā)者在其下一個(gè)RTOS中考慮Linux，并 尋找一個(gè)提供專用Linux支持、龐大的生態(tài)系統(tǒng)和除錯(cuò)/開發(fā)工具的處理器廠商，確保能迅速為市場(chǎng)提供高品質(zhì)的產(chǎn)品。當(dāng)開發(fā)者決定采用Linux時(shí)，我們 鼓勵(lì)他們──不論他們是采用‘免費(fèi)’還是商用版本，一定要對(duì)社群有所回饋。只要我們持續(xù)維護(hù)、關(guān)注和關(guān)心核心，Linux就可以繼續(xù)成長(zhǎng)和發(fā)展，成為下一 代嵌入式設(shè)備RTOS的選擇。(end)