Linux 2.6 內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用

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(yīng)用,pc 時(shí)代也過(guò)渡到了后pc時(shí)代。在數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的后pc時(shí)代,嵌入式技術(shù)越來(lái)越與人們的生活緊密結(jié)合。

操作系統(tǒng)為用戶使用計(jì)算機(jī)及其外部設(shè)備提供最基本的接口程序,管理計(jì)算機(jī)上的資源。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大,為了適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)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(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗要求嚴(yán)格的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)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(kāi)且被廣泛應(yīng)用的免費(fèi)操作系統(tǒng),由于其體積小、可裁減、運(yùn)行速度高、良好的網(wǎng)絡(luò)性能等優(yōu)點(diǎn),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(chǎng)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(kāi)放性,為其在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用營(yíng)造了肥沃的土壤。本文著重介紹linux 2.6內(nèi)核的新特性及其嵌入式應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì),并將其移植到嵌入式平臺(tái)中,成功支持h.264編解碼多媒體系統(tǒng)。

1 linux 2.6內(nèi)核針對(duì)嵌入式開(kāi)發(fā)顯著特點(diǎn)

實(shí)時(shí)可靠性是嵌入式應(yīng)用較為普遍的要求,盡管linux 2.6 并不是一個(gè)真正的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),但其改進(jìn)的特性能夠滿足響應(yīng)需求。linux 2.6 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(yīng)時(shí)間的改進(jìn),其中有三個(gè)最顯著的改進(jìn):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(wù)器以及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域,linux 2.6 都是一個(gè)巨大的進(jìn)步。在嵌入式領(lǐng)域,linux 2.6 除了提高其實(shí)時(shí)性能,系統(tǒng)的移植更加方便,同時(shí)添加了新的體系結(jié)構(gòu)和處理器類(lèi)型——包括對(duì)沒(méi)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?jī)?nèi)存模型、微控制器,同時(shí)還改善了i/o子系統(tǒng),增添更多的多媒體應(yīng)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(yùn)行的任務(wù)(包括通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核模式的用戶任務(wù)),只能等待它們自己主動(dòng)釋放cpu。這樣必然導(dǎo)致一些重要任務(wù)延時(shí)以等待系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束。

一個(gè)內(nèi)核任務(wù)可以被搶占,為的是讓重要的用戶應(yīng)用程序可以繼續(xù)運(yùn)行。這樣做最主要的優(yōu)勢(shì)是極大地增強(qiáng)系統(tǒng)的用戶交互性。

2.6內(nèi)核并不是真正的rtos(real time operation system),其在內(nèi)核代碼中插入了搶占點(diǎn),允許調(diào)度程序中止當(dāng)前進(jìn)程而調(diào)用更高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程,通過(guò)對(duì)搶占點(diǎn)的測(cè)試避免不合理的系統(tǒng)調(diào)用延時(shí)。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(yīng)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(hù)而不被搶占。

軟件需要滿足最終時(shí)間限制與虛擬內(nèi)存請(qǐng)求頁(yè)面調(diào)度之間是相互矛盾的。慢速的頁(yè)錯(cuò)誤處理將會(huì)破壞系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性,而2.6內(nèi)核可以編譯無(wú)虛擬內(nèi)存系統(tǒng)避免這個(gè)問(wèn)題,這是解決問(wèn)題的關(guān)鍵,但要求軟件設(shè)計(jì)者有足夠的內(nèi)存來(lái)保證任務(wù)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 ingo molnar開(kāi)發(fā)的新的調(diào)度器算法,稱(chēng)為o(1)算法,如圖1所示。它在高負(fù)載情況下執(zhí)行得極其出色,并且當(dāng)有很多處理器并行時(shí)也可以很好地?cái)U(kuò)展[2]。過(guò)去的調(diào)度程序需要查找整個(gè)ready task隊(duì)列,并且計(jì)算它們的重要性以決定下一步調(diào)用的task,需要的時(shí)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(wù),當(dāng)task就緒時(shí)被放入一個(gè)活動(dòng)隊(duì)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(gè)固定的時(shí)間。任務(wù)運(yùn)行時(shí)分配一個(gè)時(shí)間片,當(dāng)時(shí)間片結(jié)束,該任務(wù)將放棄處理器并根據(jù)其優(yōu)先級(jí)轉(zhuǎn)到過(guò)期隊(duì)列中。活動(dòng)隊(duì)列中任務(wù)全部調(diào)度結(jié)束后,兩個(gè)隊(duì)列指針互換,過(guò)期隊(duì)列成為當(dāng)前隊(duì)列,調(diào)度程序繼續(xù)以簡(jiǎn)單的算法調(diào)度當(dāng)前隊(duì)列中的任務(wù)。這在多處理器的情況更能提高smp的效率,平衡處理器的負(fù)載,避免進(jìn)程在處理器間的跳躍。

1.3 同步原型與共享內(nèi)存

多進(jìn)程應(yīng)用程序需要共享內(nèi)存和外設(shè)資源,為避免競(jìng)爭(zhēng)采用了互斥的方法保證資源在同一時(shí)刻只被一個(gè)任務(wù)訪問(wèn)。linux內(nèi)核用一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)決定一個(gè)線程阻塞或是繼續(xù)執(zhí)行來(lái)實(shí)現(xiàn)互斥,在線程繼續(xù)執(zhí)行時(shí),這個(gè)費(fèi)時(shí)的系統(tǒng)調(diào)用就沒(méi)有必要了。linux2.6所支持的fast user-space mutexes 可以從用戶空間檢測(cè)是不是需要阻塞線程,只在需要時(shí)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(jí)來(lái)確定將要執(zhí)行的進(jìn)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(duì)稱(chēng)多處理技術(shù)對(duì)內(nèi)存訪問(wèn)采用同等優(yōu)先級(jí),在很大程度上限制了系統(tǒng)的可量測(cè)性和處理效率。linux2.6則提供了新的管理方法——numa(non uniform memory access)。numa根據(jù)處理器和內(nèi)存的拓?fù)洳季?在發(fā)生內(nèi)存競(jìng)爭(zhēng)時(shí),給予不同處理器不同級(jí)別權(quán)限以解決內(nèi)存搶占瓶頸,提高吞吐量。

1.4 posix線程及nptl

新的線程模型基于一個(gè)1:1的線程模型(一個(gè)內(nèi)核線程對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶線程),包括內(nèi)核對(duì)新的 nptl(native posix threading library)的支持,這是對(duì)以前內(nèi)核線程方法的明顯改進(jìn)。2.6內(nèi)核同時(shí)還提供posix signals和posix high-resolution timers。posix signals不會(huì)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(shí)間表執(zhí)行任務(wù),posix timer可以提供1khz的觸發(fā)器使這一切變得簡(jiǎn)單,從而可以有效地控制進(jìn)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(wú)mmu的處理器以前只能利用一些改進(jìn)的分支版本,如uclinux,而2.6內(nèi)核已經(jīng)將其整合進(jìn)了新的內(nèi)核中,開(kāi)始支持多種流行的無(wú)mmu微控制器,如dragonball、coldfire、hitachi h8/300。linux在無(wú)mmu控制器上仍舊支持多任務(wù)處理,但沒(méi)有內(nèi)存保護(hù)功能。同時(shí)也加入了許多流行的控制器的支持,如s3c2410等。

1.6 面向應(yīng)用

嵌入式應(yīng)用有用戶定制的特點(diǎn),硬件設(shè)計(jì)都針對(duì)特定應(yīng)用開(kāi)發(fā),這給系統(tǒng)帶來(lái)對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)支持的問(wèn)題(如irq的管理)。為了更好地實(shí)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(duì)其他部分影響最小。同時(shí)linux2.6提供了多種新技術(shù)的支持以實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用開(kāi)發(fā),如advanced linux sound architecture(alsa)和video4linux等,對(duì)多媒體信息處理更加方便;對(duì)usb2.0的支持,提供更高速的傳輸,增加藍(lán)牙無(wú)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(wú)線連接的需要;而且在2.6內(nèi)核中還可以配置成無(wú)輸入和顯示的純粹無(wú)用戶接口系統(tǒng)。
2 應(yīng)用研究

在s3c2410開(kāi)發(fā)板上移植嵌入式linux 2.6.11.7內(nèi)核系統(tǒng),應(yīng)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(jī)上進(jìn)行內(nèi)核移植開(kāi)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(lái)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

linux 2.6.11.7內(nèi)核加入了對(duì)s3c2410芯片的支持,不再需要任何補(bǔ)丁文件。修改內(nèi)核源碼中makefile的交叉編譯選項(xiàng)arch=arm,cross_compile=arm-linux-。針對(duì)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。

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(dòng)時(shí)初始化nand flash信息。

2.3 內(nèi)核編譯加載

對(duì)內(nèi)核進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲檬且粋€(gè)量體裁衣的過(guò)程。由于2.6內(nèi)核會(huì)根據(jù)本地系統(tǒng)配置進(jìn)行初始設(shè)置,可以導(dǎo)入內(nèi)核源碼默認(rèn)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(xiàng)。對(duì)mtd配置選擇支持mtd設(shè)備驅(qū)動(dòng)以及nand flash驅(qū)動(dòng);選擇支持要用到的各類(lèi)文件系統(tǒng)(devfs、tmpfs、cramfs、yaffs、ext2、nfs)以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和協(xié)議,本系統(tǒng)加載了網(wǎng)絡(luò)芯片cs8900以及usb支持;在h.264多媒體系統(tǒng)中還需要加載frame buffer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(huì)在arch/arm/boot/下生成名為zimage的內(nèi)核映像,在boot loader的命令提示模式下使用下載命令完成內(nèi)核加載到開(kāi)發(fā)板的存儲(chǔ)設(shè)備flash中。編譯過(guò)程(相對(duì)以前版本的編譯過(guò)程,2.6內(nèi)核編譯有所簡(jiǎn)化):

　　make mrproper
　　make menuconfig(字符界面,或者用make xconfig圖形界面,但需要qt庫(kù)的支持,而make gconfig則需要gtk庫(kù)的支持)
　　make
　　make bzimage

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(shè)備,為設(shè)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(xiě)的ya ffs文件系統(tǒng)格式,方便添加自己的應(yīng)用程序。

在根文件系統(tǒng)中,為保護(hù)系統(tǒng)的基本設(shè)置不被更改,采用cramfs格式。采用devfs來(lái)實(shí)現(xiàn)基本設(shè)備的建立掛載,同時(shí)使用busybox也是一個(gè)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(gè)重要的工作就是添加系統(tǒng)應(yīng)用必備的動(dòng)態(tài)函數(shù)庫(kù)。使用生成工具mkcramfs 將整個(gè)根文件目錄里的內(nèi)容制作成映像文件。

mkcramfs rootfs rootfs.ramfs

yaffs文件系統(tǒng)格式的支持需要將驅(qū)動(dòng)加入到內(nèi)核代碼樹(shù)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(duì)該文件系統(tǒng)的支持。使用mkyaffs工具將nand flash分區(qū)格式化為yaffs分區(qū),將mkyaffsimage生成的應(yīng)用程序鏡像燒寫(xiě)進(jìn)yaffs分區(qū),在啟動(dòng)時(shí)通過(guò)寫(xiě)入fstab自動(dòng)加載yaffs分區(qū)即可。
2.5 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)

系統(tǒng)中采用cs8900a的10m網(wǎng)絡(luò)芯片,它使用s3c2410的ngcs3和irq_eint9,相應(yīng)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(dòng)程序drivers/net/arm/cs8900.h和cs8900.c,并且配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的makefile和kconfig文件,加入cs8900a的配置選項(xiàng),這樣可以在內(nèi)核編譯時(shí)加載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。

在linux2.6應(yīng)用的同時(shí),也要看到其與以前版本內(nèi)核比較存在的一些問(wèn)題。在內(nèi)核的編譯時(shí)間、內(nèi)核鏡像大小、內(nèi)核占用ram空間大小、系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)linux2.4而言都存在不同程度的不足,但在硬件條件日益進(jìn)步的現(xiàn)今可以接受,而且一部分也是由于功能加強(qiáng)必然帶來(lái)的。雖然linux并非一個(gè)真正的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),但2.6內(nèi)核的改進(jìn)能夠滿足大部分的應(yīng)用需求,所以linux2.6內(nèi)核將會(huì)在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域大展身手。