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size=4>嵌入式操作系統和Linux<BR>譯者：陳德勇</FONT></B></FONT><FONT color=#ff0000 size=2>
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<DIV>摘要：Linux系統可以應用到嵌入式系統中，本文分析了Linux的特點，穩健性和局限性以及最重要的實時領域的應用。</DIV>
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<DIV>過去，因為非PC的嵌入式硬件平臺價格昂貴，使得許多高性能要求的嵌入式系統不能實現。現在，因為廉價的PC硬件大力發展和廣泛的應用，使得那些高性能要求的嵌入式系統有了實現的可能。但是，嵌入式PC平臺的系統軟件卻不那么具有吸引力。當然你可以選擇DOS，不過它先天不足。你也可以選擇WINDOWS，但是經過仔細的研究，你會發現它的實時性能很差。很多高級實時操作系統價格不菲，可移植性不好。<BR>從1991年以來，在網絡下發展的Linux操作系統，在服務器和PC桌面機上，已經是Microsoft
的DOS和WINDOWS95/98的強勁對手。而且它的性能比WINDOWS好得多。如果你有興趣，你可以從網上自由下載，或掏比CD本身貴一點的價格買到。最近有人把實時性的部件加入Linux操作系統，使得它成為嵌入式系統設計師的一個極其有價值工具。盡管它的實時部件不如其他的RTOS那么復雜，使用的內存不能太小，但是它的其他優點足以超越和彌補它的不足。<BR>在嵌入式系統中使用PC硬件的好處顯而易見，生產量大，容易購買，價錢比較便宜。而且還很容易搞到數模轉換板、網絡接口板、圖象采集和處理板等專用板。再加上采用PCI總線，系統性能將極大提高。在操作系統領域卻沒有相應的變化。<BR>高級嵌入式系統不僅需要價格低廉的硬件，同時也需要很多復雜的功能，比如圖形用戶接口、網絡傳輸等。在操作系統方面，我們也需要價格便宜、性能成熟、同時又能夠滿足高級嵌入式系統的需求。<BR>如今的Linux已經引起了計算機世界的高度重視。許多計算機使用者和廠商都被它的穩定性、易得性等特點吸引。它幾乎完全兼容UNIX系統中的功能和開發工具、應用程序。它提供了TCP/IP通訊功能、Internet的Client
& Server 功能，以及C、C＋＋、JAVA等語言的編譯工具，這些工具和功能都比MS
WINDOWS成熟、完善、易用很多。當你在使用和編程中遇到問題時，通過Internet你會得到成千上萬的專家和熱心人的幫助。我認為，在解決問題時，通過Internet的幫助會比單純依靠RTOS廠商快捷有效。在廠商幫助下解決問題，一次只會得到一種方案，如果不行，你必須重新開始；在Internet上，你會得到很多答案。今天的Linux已經得到了一些廠商的支持，你也可以從它們那得到技術支持。但是，最重要的是你擁有源代碼，你可以對問題進行深入的研究，甚至可以擴展功能。<BR>Linux是MS
WINDOWS
和DOS之外所絕佳的選擇。很多嵌入式系統工程師也已經開發了Linux在嵌入式系統方面使用的價值，尤其在專用硬件環境和多處理器方面。現在的問題是如何使使Linux系統具有實時性。當前有兩種方案來解決這個問題：一個是POSIX方法，另外一個是底層解決。<BR>POSIX是類UNIX操作系統的標準化方案，目的是提高軟件的可移植性，加速軟件設計師的工作。POSIX.1b已有實時性擴展，包括信號、內存鎖定、時鐘和計數、消息隊列以及搶先調度策略。不過這種辦法比較適合工作站系統，對基于PC的嵌入式系統并不是很好；其次是類UNIX的系統調用比較繁復，不如pSOS＋等的明了。但是仍然有一批開發者在優化Linux，當然也取得了一些成功，譬如內存鎖定方法和任務調度算法有了改進。這其中最主要的成果是POSIX線程（定義于POSIX.1c）。這個功能對嵌入式系統來說很好。<BR>另一個方案從底層來提高Linux的實時性，即所謂的“硬”實時性。在這個方面做得最為成功的是New
Mexico institute of Mining and
Technology，他們在Linux系統下加入實時性的kernel(核心)，讓Linux本身運行在優先級較低的層面上。這種設計方法對Linux系統的修改減少到最低，同時增加必需的實時功能。這樣使得在Linux本身的升級后，可以進行很少的修改就可以把RT－linux引進新版的Linux核心。RT-Linux和Linux的結合提供所有的實時功能，包括底層任務的創建、中斷任務的安裝、底層任務隊列管理、中斷任務的運行等。這種設計使得在系統中有兩種域：實時域和非實時域。實時域的函數滿足實時性要求；不過，任務必須簡單，因為分批給它們的資源比較少。非實時域的函數可以享用系統全部資源，但是它們的實時性比較差。兩個域之間的通訊方法也提供了。在所有RT-Linux時，必須保證需要的函數在各自的運行域是合適的，不要以為先前的非實時函數在安裝安裝了RT-Linux后就具有了實時性，對實時性要求有關的函數必須放到實時域中去運行。<BR>RT-Linux中任務處理也比較簡單，所有rt-task-init()創建和啟動實時任務。實時域和非實時域的函數通訊方法是通過FIFO進行。所有FIFO的明顯好處是方便數據的傳輸，如果設定其長度為零，又可以當成信號所有。目前的不足是沒有提供優先級繼承機制（為了防治優先級的逆轉）和任務的安全刪除，但是在設計過程中卻可以依靠仔細設計來避免這種錯誤發生。當然使用零長的FIFO來掛起程序的運行的方法有一點麻煩，不過它總算是一種辦法。新設計的方法是設定超時功能。<BR>RT-Linux作為簡單、開放的軟件，使用者可以可以根據你們的需要來更新這些功能，設計出更好的方案，并公布給大家。<BR>RT-Linux中最為引人注意的特色是它使得Linux的核心能夠被搶先。Linux以及其他類UNIX操作系統的核心都不能被長期打斷。正是因為這一點，使得Linux不能是一個完全合格的實時操作系統。不過，使用上面介紹的兩種方法都可以提高Linux的實時性。第一種方法重新設計核心，當然能夠達到要求。然而Linux的核心大且復雜，還經常修正；它的設計者并不關心其實時性能。因此強加入實時的功能于現成代碼并不合適。即使這樣，當Linux的核心升級，就不免要重新設計程序。RT-Linux采用的另外的方法使得Linux的核心可以被中斷；它把中斷分為兩類：Linux控制的中斷和RT-Linux控制下的中斷。RT-Linux嚴格限制任務和中斷的內容；它們不能調用Linux的核心，所以它們可以中斷核心的工作。如果它們不改變核心的東西，那么它們將不會干擾核心的運行。其次，Linux的中斷也不能夠打斷核心的運行。于是RT-Linux采用了虛擬的中斷結構，使得Linux的核心不能禁止中斷。在標準的Linux系統中，使用了“sti”和“cli”宏，然后運行X86的相應指令。RT-Linux修改了這兩條指令的運行方式；執行“cli”，它不禁止中斷，而是重新指向RT-Linux的代碼，進行判斷；如果是RT-Linux的則讓中斷繼續執行，如果是標準Linux的中斷，則設置標志。運行“sti”時，掛起的任何中斷繼續執行。如此這般，Linux不能中斷它自身，RT-Linux就可以了。<BR>RT-Linux簡單有效地提供了實時性的需求，對系統設計人員來說這種簡單只是相對于其他的功能。Linux本身是健壯、穩定，在PC桌面設計人員中很流行，一旦你有困難，你可以獲得很多的幫助，因此你可以用它了建造大型系統。RT-Linux的實時任務只是在實時輸入和輸出以及在Linux進程之間傳輸數據時需要。所以簡單的實時RT-Linux有兩大優點：首先是因為簡單所以少bug（錯誤）；其次如果你發現了缺陷，你可以很容易的找到和修改。這一點很重要，因為使用實時系統的人員比較少，因此在應用RT-Linux時能夠獲得的幫助自然比較少。復雜功能的RT-Linux并不是非常需要，目前它的功能可以滿足絕大部分的實時系統的要求。<BR>當然，Linux并不是很適合所有的嵌入式系統。因為使用GUI，系統必需磁盤或可以啟動的網絡。然而，現在的許多嵌入式系統應用程序都需要磁盤來運行，同時也需要GUI和網絡功能。例如醫療設備需要有吸引力的用戶界面；工業控制機器需要GUI和網絡功能。在這種情形下使用DOS和低級RTOS又不實際；花大錢買高級RTOS顯然不合算。Linux中免費包含這些功能，它不僅免費，而且提供的功能比商用的RTOS更新速度快。<BR>最近的發展使得Linux可以在無盤的嵌入式系統上工作，它可以在EPROM中啟動。在很多無盤情況下，集合需要的功能在應用系統中，也能夠很好地發揮Linux的優點。有一個例子是不包括X
WINDOWS只是集合了網絡系統的功能的Linux僅占用2.7M的EPROM。因此我們可以發展無盤的Linux系統。另外，Linux可以從網絡啟動，因此從網絡的某個地方我們可以啟動這個網絡系統，同時可以使用X
WINDOWS。<BR>Linux隨著GNU的發展而發展，GNU和Linux都是成千上萬的程序員的結晶。GNU有具有世界知名度的gcc和g++編譯器,它的優越性可以和世界的其他任何商用的編譯器媲美。甚至Vxwork和LynxOS都使用它。基于Linux的RTOS肯定會出現。這正是嵌入式系統開放人員的福氣：使用開放環境；不僅功能卓越，而且價格低廉。<BR>讓我們大家都來使用和發展Linux系統，開發它在嵌入式系統方面的應用。<BR><FONT
size=2></FONT></DIV></TD></TR></TBODY></TABLE></DIV></BODY></HTML>
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