Linux 2.6 內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)應用

摘要：在分析Linux2.6內(nèi)核新特性的基礎上,在S3C2410開發(fā)板上移植了2.6內(nèi)核和新的文件系統(tǒng),并成功地對H.264編解碼多媒體系統(tǒng)提供了支持。

關(guān)鍵詞：Linux內(nèi)核 嵌入式系統(tǒng) S3C2410

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)為用戶使用計算機及其外部設備提供最基本的接口程序,管理計算機上的資源。隨著應用領域的擴大,為了適應不同的應用場合,考慮到系統(tǒng)的靈活性、可伸縮性以及可裁剪性,一種以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎、軟硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)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)——嵌入式操作系統(tǒng)隨之延生。

Linux操作系統(tǒng)是一種性能優(yōu)良、源碼公開且被廣泛應用的免費操作系統(tǒng),由于其體積小、可裁減、運行速度高、良好的網(wǎng)絡性能等優(yōu)點,可以作為嵌入式操作系統(tǒng)。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)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)。

Linux的低成本和開放性,為其在嵌入式系統(tǒng)領域的應用營造了肥沃的土壤。本文著重介紹Linux2.6內(nèi)核的新特性及其嵌入式應用中的優(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)。

1Linux2.6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用較為普遍的要求,盡管Linux2.6并不是一個真正的實時操作系統(tǒng),但其改進的特性能夠滿足響應需求。Linux2.6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)服務器以及嵌入式系統(tǒng)應用領域,Linux2.6都是一個巨大的進步。在嵌入式領域,Linux2.6除了提高其實時性能,系統(tǒng)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)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),增添更多的多媒體應用功能[4]。

1.1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(包括通過系統(tǒng)調(diào)用進入內(nèi)核模式的用戶任務),只能等待它們自己主動釋放CPU。這樣必然導致一些重要任務延時以等待系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束。

一個內(nèi)核任務可以被搶占,為的是讓重要的用戶應用程序可以繼續(xù)運行。這樣做最主要的優(yōu)勢是極大地增強系統(tǒng)的用戶交互性。

2.6內(nèi)核并不是真正的RTOS(RealTimeOperationSystem),其在內(nèi)核代碼中插入了搶占點,允許調(diào)度程序中止當前進程而調(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)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)的實時響應性,而2.6內(nèi)核可以編譯無虛擬內(nèi)存系統(tǒng)避免這個問題,這是解決問題的關(guān)鍵,但要求軟件設計者有足夠的內(nèi)存來保證任務的執(zhí)行。

1.2有效的調(diào)度程序

2.6版本的Linux內(nèi)核使用了由IngoMolnar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readytask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,當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。任務運行時分配一個時間片,當時間片結(jié)束,該任務將放棄處理器并根據(jù)其優(yōu)先級轉(zhuǎn)到過期隊列中。活動隊列中任務全部調(diào)度結(jié)束后,兩個隊列指針互換,過期隊列成為當前隊列,調(diào)度程序繼續(xù)以簡單的算法調(diào)度當前隊列中的任務。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。

圖1O(1)調(diào)度算法

1.3同步原型與共享內(nèi)存

多進程應用程序需要共享內(nèi)存和外設資源,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訪問。Linux內(nèi)核用一個系統(tǒng)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)調(diào)用就沒有必要了。Linux2.6所支持的FastUser-SpaceMutexes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)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)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)的可量測性和處理效率。Linux2.6則提供了新的管理方法——NUMA(NonUniformMemoryAccess)。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。

1.4POSIX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)核線程對應一個用戶線程),包括內(nèi)核對新的NPTL(NativePOSIXThreadingLibrary)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POSIXsignals和POSIXhigh-resolutiontimers。POSIXsignals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)要求系統(tǒng)按時間表執(zhí)行任務,POSIXtimer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。

1.5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、HitachiH8/300。Linux在無MMU控制器上仍舊支持多任務處理,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。

1.6面向應用

嵌入式應用有用戶定制的特點,硬件設計都針對特定應用開發(fā),這給系統(tǒng)帶來對非標準化設計支持的問題(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)。Linux2.6采用的子系統(tǒng)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)各種應用開發(fā),如AdvancedLinuxSoundArchitecture(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)。

2應用研究

在S3C2410開發(fā)板上移植嵌入式Linux2.6.11.7內(nèi)核系統(tǒng),應用于構(gòu)建H.264多媒體系統(tǒng)。

2.1建立交叉編譯環(huán)境

在RedHat9的主機上進行內(nèi)核移植開發(fā),首先需要建立交叉編譯環(huán)境。由于2.6內(nèi)核中采用了一些新的特性和指令,需要采用較新的工具集,采用binutils-2.15、gcc-3.4.2、glibc-2.2.5、linux-2.6.8、glibc-linuxthreads-2.2.5來建立交叉編譯工具鏈,建立之后將工具鏈路徑加入系統(tǒng)路徑$PATH中。

2.2內(nèi)核修改

Linux2.6.11.7內(nèi)核加入了對S3C2410芯片的支持,不再需要任何補丁文件。修改內(nèi)核源碼中Makefile的交叉編譯選項ARCH=arm,CROSS_COMPILE=arm-linux-。針對硬件配置,需要在arch/arm/mach-s3c2410/devs.c或者smdk2410.c中添加FLASH的分區(qū)信息s3c_nand_info,如表1。

表1NANDFLASH分區(qū)表

分區(qū)名起始地址大小

Vivi0x000000000x00020000

Param0x000200000x00010000

Kernel0x000300000x001c0000

Root0x002000000x00200000

Usr0x004000000x03c00000

然后在s3c_device_nand中增加.dev={.platform_data=&s3c_nand_info},在arch/arm/mach-s3c2410/mach-smdk2410.c中的__initdata部分增加&s3c_device_nand,使內(nèi)核在啟動時初始化NANDFLASH信息。

2.3內(nèi)核編譯加載

對內(nèi)核進行適當?shù)呐渲檬且粋€量體裁衣的過程。由于2.6內(nèi)核會根據(jù)本地系統(tǒng)配置進行初始設置,可以導入內(nèi)核源碼默認s3c2410的配置文件,方便加載內(nèi)核基本配置,然后再選擇所需選項。對MTD配置選擇支持MTD設備驅(qū)動以及NANDFLASH驅(qū)動;選擇支持要用到的各類文件系統(tǒng)(DEVFS、TMPFS、CRAMFS、YAFFS、EXT2、NFS)以及網(wǎng)絡設備和協(xié)議,本系統(tǒng)加載了網(wǎng)絡芯片CS8900以及USB支持;在H.264多媒體系統(tǒng)中還需要加載Framebuffer以支持LCD顯示功能。使用交叉編譯工具編譯內(nèi)核源碼后,會在arch/arm/boot/下生成名為zImage的內(nèi)核映像,在Bootloader的命令提示模式下使用下載命令完成內(nèi)核加載到開發(fā)板的存儲設備FLASH中。編譯過程(相對以前版本的編譯過程,2.6內(nèi)核編譯有所簡化):

makemrproper

makemenuconfig(字符界面,或者用makexconfig圖形界面,但需要Qt庫的支持,而makegconfig則需要GTK庫的支持)

make

makebzImage

2.4文件系統(tǒng)

Linux采用文件系統(tǒng)組織系統(tǒng)中的文件和設備,為設備和用戶程序提供統(tǒng)一接口。Linux支持多種文件系統(tǒng),本系統(tǒng)使用CRAMFS格式的只讀根文件系統(tǒng),而將FLASH中的USER區(qū)使用支持可讀寫的YAFFS文件系統(tǒng)格式,方便添加自己的應用程序。

在根文件系統(tǒng)中,為保護系統(tǒng)的基本設置不被更改,采用CRAMFS格式。采用DEVFS來實現(xiàn)基本設備的建立掛載,同時使用BusyBox也是一個縮小根文件系統(tǒng)的辦法,提供了系統(tǒng)的基本指令;還需要建立一些必備的目錄,添加所需配置文件,如fstab、inittab等;還有一個重要的工作就是添加系統(tǒng)應用必備的動態(tài)函數(shù)庫。使用生成工具mkcramfs將整個根文件目錄里的內(nèi)容制作成映像文件。

mkcramfsrootfsrootfs.ramfs

YAFFS文件系統(tǒng)格式的支持需要將驅(qū)動加入到內(nèi)核代碼樹下fs/yaffs/,修改內(nèi)核配置文件,就可以在內(nèi)核編譯中加載對該文件系統(tǒng)的支持。使用mkyaffs工具將NANDFLASH分區(qū)格式化為YAFFS分區(qū),將mkyaffsimage生成的應用程序鏡像燒寫進YAFFS分區(qū),在啟動時通過寫入fstab自動加載YAFFS分區(qū)即可。

2.5網(wǎng)絡設備驅(qū)動

系統(tǒng)中采用CS8900A的10M網(wǎng)絡芯片,它使用S3C2410的nGCS3和IRQ_EINT9,相應修改linux/arch/arm/mach-s3c2410/irq.c,并在mach-smdk2410.c的smdk2410_iodesc[]中增加{SMDK2410_ETH_IO,S3C2410_CS2,SZ_1M,MT_DEVICE},內(nèi)核源碼中加入芯片的驅(qū)動程序drivers/net/arm/cs8900.h和cs8900.c,并且配置網(wǎng)絡設備驅(qū)動的Makefile和Kconfig文件,加入CS8900A的配置選項,這樣可以在內(nèi)核編譯時加載網(wǎng)絡設備的驅(qū)動。

在Linux2.6應用的同時,也要看到其與以前版本內(nèi)核比較存在的一些問題。在內(nèi)核的編譯時間、內(nèi)核鏡像大小、內(nèi)核占用RAM空間大小、系統(tǒng)啟動時間相對Linux2.4而言都存在不同程度的不足,但在硬件條件日益進步的現(xiàn)今可以接受,而且一部分也是由于功能加強必然帶來的。雖然Linux并非一個真正的實時操作系統(tǒng),但2.6內(nèi)核的改進能夠滿足大部分的應用需求,所以Linux2.6內(nèi)核將會在嵌入式系統(tǒng)領域大展身手。