實(shí)時操作系統(tǒng)從RTOS移植到實(shí)時Linux

在過去的10年中，Linux成功地取代了一些最主要的傳統(tǒng)RTOS平臺，成為了各種各樣的嵌入式設(shè)備和應(yīng)用中首選的新的嵌入式操作系統(tǒng)。盡管一度曾被認(rèn)為是不重要的平臺，但今天嵌入式Linux已經(jīng)成為主流，并引領(lǐng)著如下重要應(yīng)用領(lǐng)域的市場和設(shè)計(jì)份額：消費(fèi)電子、移動和無線設(shè)備、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)以及電信設(shè)備。

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)越來越多地期望使用Linux作為標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式操作系統(tǒng)。考慮Linux的種種原因包括：廣泛的硬件支持、更高的可靠性、更優(yōu)異的性能、可擴(kuò)展性以及更快的響應(yīng)速度。不過，工程師在將基于傳統(tǒng)RTOS的設(shè)計(jì)移植到嵌入式Linux時會遇到幾大難題，因?yàn)長inux的架構(gòu)和傳統(tǒng)RTOS有很大的不同。

移植的時機(jī)

隨著應(yīng)用開發(fā)步伐的不斷加快和產(chǎn)品生命周期的不斷縮短，對于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)而言，能夠?qū)鹘y(tǒng)軟件移植到這些新平臺上并重新使用是十分重要的。盡管嵌入式Linux有許多優(yōu)勢，但是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在選擇從傳統(tǒng)的RTOS進(jìn)行移植之前，必須考慮如下幾項(xiàng)因素：

● 內(nèi)存占用量。嵌入式Linux沒有傳統(tǒng)RTOS那樣緊湊。因此，工程師必須確保設(shè)備有足夠的內(nèi)存和閃存來應(yīng)對Linux更大的內(nèi)存占用量。

● 實(shí)時性考慮。嵌入式Linux可以實(shí)現(xiàn)50μs以下的響應(yīng)時間。不過，這不一定能夠滿足項(xiàng)目需求，這一點(diǎn)有助于確定是否需要RTOS。

● 認(rèn)證需求。期望轉(zhuǎn)換到嵌入式Linux的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)確保項(xiàng)目將仍然滿足業(yè)界特有的認(rèn)證需求，例如安全認(rèn)證或美國國防部認(rèn)證。

移植路徑選擇

盡管移植過程中存在固有的難題，但從傳統(tǒng)RTOS到Linux的移植不需要轉(zhuǎn)彎抹角。工程師可以采用以下三種路徑將應(yīng)用從傳統(tǒng)的RTOS移植到Linux。

仿真RTOS的API

第一種移植路徑是仿真?zhèn)鹘y(tǒng)RTOS的API。為了使傳統(tǒng)RTOS應(yīng)用能夠駐留并運(yùn)行在Linux上，必須具備基于Linux的運(yùn)行時服務(wù)于 RTOS系統(tǒng)調(diào)用和其他API。許多(但并非全部)RTOS入口點(diǎn)和獨(dú)立編譯器庫例行程序都在Linux和glibc運(yùn)行時庫中有原樣的類似程序。如果不存在類似程序，就必須有新的代碼介入來仿真缺失的功能。即使存在類似的API，可能也會出現(xiàn)參數(shù)類型和數(shù)量不同的情況。

圖1 在Linux上仿真RTOS

傳統(tǒng)RTOS可以實(shí)現(xiàn)數(shù)百種系統(tǒng)調(diào)用和庫API。例如，VxWorks文檔描述了超過一千種獨(dú)特的函數(shù)和子例程。實(shí)際應(yīng)用只使用數(shù)十個獨(dú)特的RTOS API，而它們其余的操作都使用來自標(biāo)準(zhǔn)C/C++庫的調(diào)用函數(shù)。

為了仿真這些接口以用于移植，開發(fā)人員只需要RTOS調(diào)用的核心子集。許多OEM選擇自己建立和維護(hù)仿真輕量級庫，而其他OEM則使用來自供應(yīng)商的更全面的商用庫。除了商用庫和自主開發(fā)之外，另一種選擇是一個叫做v2lin的開源項(xiàng)目，它可以仿真數(shù)十種常用的VxWorks API。此外，v2lin項(xiàng)目經(jīng)過架構(gòu)改造之后，可用于較新的兼容于POSIX的glibc版本。

使用虛擬化進(jìn)行運(yùn)行時劃分

對于期望采用Linux的工程師而言，虛擬化是另一種可行的移植路徑。虛擬化包括操作系統(tǒng)的駐留或者作為一個應(yīng)用程序運(yùn)行在另一個虛擬平臺之上，其中一部分系統(tǒng)軟件(運(yùn)行在“裸機(jī)”之上或作為駐留的應(yīng)用程序)可實(shí)現(xiàn)一個或多個“客戶”OS實(shí)例的執(zhí)行。在企業(yè)級計(jì)算中，基于Linux的虛擬化技術(shù)是數(shù)據(jù)中心的主流功能，而且虛擬化也在嵌入式系統(tǒng)中找到了許多的應(yīng)用。

嵌入式虛擬化要求將CPU、內(nèi)存和其他資源進(jìn)行劃分，以駐留RTOS以及一個或多個客戶“應(yīng)用程序”操作系統(tǒng)(通常是Linux)來運(yùn)行更高層次的軟件。

圖2 采用虛擬化劃分開的運(yùn)行時

虛擬化可以通過允許RTOS應(yīng)用程序和RTOS自身幾乎原樣地運(yùn)行在新設(shè)計(jì)之中，而Linux則運(yùn)行在自己的分區(qū)之中，以支持移植。這種方案適用于遺留代碼依賴于RTOS的API和RTOS的性能特點(diǎn)的情況，例如實(shí)時性能或協(xié)議棧的具體實(shí)現(xiàn)。

工程師可以使用虛擬化作為從遺留代碼向基于Linux的新設(shè)計(jì)過渡的簡短且可靠的橋梁。不過，這種策略可能需要成本。OEM需要支付傳統(tǒng)RTOS運(yùn)行時的使用費(fèi)，還需要與VM供應(yīng)商談判商用許可證。

圖3 RTOS的本地端口

逐步將應(yīng)用移植到Linux

仿真和虛擬化可以提供直接明了的移植路徑來進(jìn)行原型制作、開發(fā)、甚至是對運(yùn)行在Linux上的傳統(tǒng)RTOS應(yīng)用進(jìn)行部署。但是，它們的缺點(diǎn)是需要額外的代碼，并會涉及基礎(chǔ)設(shè)施和許可費(fèi)用。相反，在Linux實(shí)現(xiàn)“本地化”就能降低復(fù)雜度，簡化許可程序，并增強(qiáng)可移植性和性能。

圖4 將RTOS任務(wù)映射為Linux線程

當(dāng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)首次動手處理移植項(xiàng)目時，他們往往會選擇仿真和虛擬化技術(shù)。隨著他們不斷學(xué)習(xí)并更加熟悉Linux的開發(fā)工具和運(yùn)行時屬性，OEM可以逐步地重新建造傳統(tǒng)應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)本地Linux執(zhí)行。

一種方法是選擇單個傳統(tǒng)程序進(jìn)行本地移植，并將它們駐留在獨(dú)立的Linux進(jìn)程中。在軟件顯示出其對其他子系統(tǒng)有著極小或者正常依賴性的情況下，這種技術(shù)最為適用。另一種明智的做法是，即使在部署仿真或虛擬化的時候也只將新的功能以本地代碼的形式來實(shí)現(xiàn)。

重要的一點(diǎn)是，要注意到這種選擇并不一定是相互排斥的。例如，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以每次選擇一個關(guān)鍵的傳統(tǒng)程序，逐步地將傳統(tǒng)應(yīng)用改造為本地Linux執(zhí)行，然后將它們放入單獨(dú)的Linux進(jìn)程中，而新功能只以本地代碼方式來實(shí)現(xiàn)。