嵌入式Linux的技術(shù)分析
PC硬件使用的增加是近年來高端嵌入式系統(tǒng)的一個最重要的發(fā)展。由于這個趨勢,嵌入式系統(tǒng)的硬件成本大大地下降了,然而應(yīng)用于嵌入式PC平臺的軟件系統(tǒng)卻沒有太多的選擇。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/235351.htmlinux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解(linux不再難懂)
目前嵌入式操作系統(tǒng)主要有Palm OS,WindowsCE,EPOC,LinuxCE,QNX.ECOS,LYNX等,但這些系統(tǒng)一般都價格昂貴、不具有良好的可移植性。由于linux具有適應(yīng)于多種CPU和多種硬件平臺、性能穩(wěn)定、裁剪性能好,開發(fā)和使用都很容易等特點,越來越多的人傾向于將Linux嵌入到移動計算平臺、信息家電、媒體手機及其它產(chǎn)品中去。這同時也對Linux的實時性提出了更高的要求。
我們參加開發(fā)的上海數(shù)字技術(shù)中心的電子警察系統(tǒng)就是這樣一個基于PC平臺的嵌入式系統(tǒng)。它的主要功能是安裝在十字路口上監(jiān)視闖紅燈的汽車,錄制這些鏡頭,并適時通過網(wǎng)絡(luò)傳回總監(jiān)控中心。該系統(tǒng)原來采用Vxworks作為運作平臺,然而由于Vxworks的昂貴,且只能安裝一臺機器,因此將Linux改制成嵌入式的、具有一定實時性的系統(tǒng)平臺。
1 硬件需求
考慮到實際的系統(tǒng)功能和系統(tǒng)開發(fā)的難度,我們決定選擇X86體系作為平臺,底板采PCM-5864/L板,CPU選擇Intel的P55C系列,同時它也支持PC104接口。I/O方面,PCM-5864/L支持EIDE、FDD、Keyboard、Mouse、RS-232、USB等接口,同時也集成了10Mbps/l00Mbps網(wǎng)卡。另外PCM-5864/L還集成了顯卡,并提供36位TTL的LCD接口、LVDS接口和Video-in/TV-out接口。由于電子磁盤體積小、抗震性能也較好的特點,我們選用M-Systems公司的DiskOnChip2000作為存儲設(shè)備,這樣比較適合該系統(tǒng)戶外作業(yè)的特性。Doc2000還提供了安裝的工具包、Linux下的驅(qū)動程序和對不同版本Linux內(nèi)核的Patch。安裝時只需對Linux內(nèi)核和Lilo進行相應(yīng)修改即可。這樣的硬件選擇使系統(tǒng)開發(fā)的難度大大降低了。
2 嵌入Linux主要解決的幾個問題
由于采用X86體系作為平臺,大大降低了嵌入化Linux的難度,主要要考慮的問題可分為以下幾個方面:
2.1 非虛擬內(nèi)存
Linux采用虛擬內(nèi)存技術(shù),當數(shù)據(jù)溢出內(nèi)存時,可以將其交換到磁盤交換空間巾去,這對程序員來說是不可見的。然而,普通的嵌入式系統(tǒng)不需要這種強大的功能。實際上,可能不希望它在實時的關(guān)鍵系統(tǒng)里,因為它會帶來無法控制的時問因素。因此,考慮將虛擬內(nèi)存的功能去掉。然而,清除Linux的虛擬內(nèi)存代碼非常費事,我們采用一種迂回的方法,即將交換空間的大小設(shè)置為零。這樣,如果你寫的程序比實際的內(nèi)存大,系統(tǒng)就會當作你的運行用盡了交換空間來處理;這個程序?qū)⒉粫\行,或者malloc將會失靈。這只是一種臨時的解決方案,系統(tǒng)中存在許多冗余未清除的代碼,如果進一步改進可以縮小系統(tǒng)體積。
2.2 處理文件系統(tǒng)
許多嵌入式系統(tǒng)沒有磁盤或者文件系統(tǒng),Linux不需要它們也能運行,這樣可以在系統(tǒng)啟動時就將操作系統(tǒng)和預(yù)先編好的應(yīng)用程序全都加載到內(nèi)存中去。然而.考慮到以后的擴展,我們分析了Linux當前的文件系統(tǒng),將與系統(tǒng)和程序運行相關(guān)的文件析取出來,移植到Doc上面.這樣就能為應(yīng)用程序的開發(fā)人員提供更方便的接口。
2.3 設(shè)置啟動(Lilo和BIOS)
當PC系統(tǒng)啟動時,由BIOS執(zhí)行了一些低水平的CPU初始化和其它硬件的配置,然后辨認哪個磁盤里有操作系統(tǒng),把操作系統(tǒng)復(fù)制到RAM并且轉(zhuǎn)向它。在PC上運行的Linux依靠PC的BIOS來提供這些配置和OS加戟功能。由于選擇了X86系列作為平臺,同樣可以通過設(shè)置BIOS來設(shè)定由Doc啟動。我們將內(nèi)核安裝在Doc上。同時修改目錄/etc下的lilo.config文件,使Lilo記錄內(nèi)核代碼在存儲設(shè)備上的位置,然后將Lilo安裝在Doc上。這樣當系統(tǒng)啟動時.BIOS指定Doc為啟動設(shè)備,這時Lilo被執(zhí)行。它指出Linux內(nèi)核的位置,加載內(nèi)核。
2.4 設(shè)備驅(qū)動程序的編寫
由于采用通用PC平臺,有許多驅(qū)動程序都不需要自己再編寫了。系統(tǒng)中,唯一需要編寫驅(qū)動程序的設(shè)備是上海數(shù)字中心的數(shù)據(jù)采集卡.該卡采用的是Bt848芯片。Bt848是一塊很常用的芯片.許多驅(qū)動程序都非常相近,因此編寫它的驅(qū)動程序有很好的例子可以參考,相應(yīng)的,編寫應(yīng)用程序只需調(diào)用驅(qū)動程序提供的接口即可,如同操作文件一樣。
3 Linux的實時性分析
以上簡要介紹了實現(xiàn)Linux的嵌入化過程,在嵌入化Linux的同時,還考慮提高它的實時性。于是著手分析Linux的實時性能和存在的不足。
概括來講,影響操作系統(tǒng)實時性能的主要有3個方面:
(1)外部中斷管理
我們知道,外部中斷發(fā)生時,操作系統(tǒng)調(diào)用中斷處理程序.進入核心態(tài)。為了保證系統(tǒng)執(zhí)行的正確性,要求內(nèi)核狀態(tài)不重入,也即保證這部分關(guān)鍵代碼執(zhí)行結(jié)束之前不被打斷。因此,這時進入關(guān)中模式,這是外部中斷管理中影響Linux性能的一個關(guān)鍵的地方。在這段時間內(nèi),操作系統(tǒng)負責將中斷發(fā)送到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序去處理,系統(tǒng)不能進行其它任何工作,為了減少這個過程損耗的時間,Linux內(nèi)核利用底半處理過程(bottom-half-handler)幫助實現(xiàn)中斷的快速處理。在Linux設(shè)備驅(qū)動程序中,往往將最關(guān)鍵最迅速的部分處理完成之后,將剩余部分任務(wù)放置到隊列中。當中斷響應(yīng)完成后.再執(zhí)行剩余部分的任務(wù)。在Linux中,主要設(shè)置了以下幾個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來標志未完成的任務(wù)。
enum{
TIMER_BH=0,CONSOLE_BH,TQUEUE_BH,DIGI_BH,SERIAL_BH,RISCOM8_BH,SPECIALIX_BH,
ESP_BH,NET_BH,SCSI_BH,IMMEDIATE_BH,KEYBOARD_BH,CYCLADES_BH,CM206_BH,
JS_BH,MACSERIAL_BHISICOM_BH
};
上面每一項標識未完成任務(wù)的隊列類型,不同隊列的任務(wù)輕重緩急不同。
extern unsigned long bh_active;
extern unsigned long bh_mask;
extern void(*bh_base[32])(void);
bh_base代表的指針數(shù)組中可包含32個不同的底半處理過程。bh_mask和札bh_active的數(shù)據(jù)位分別代表對應(yīng)的底半處理過程是否安裝和激活。如果bh_mask的第N位為1.則說明bh_base數(shù)組的第N個元素包含某個底半處理過程的地址;如果bh_active的第N位為1.則說明必須由調(diào)度程序在適當?shù)臅r候調(diào)用第N個底半處理過程。這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)置一般是在外部設(shè)備初始化和中斷處理函數(shù)運行時進行的。如:在serialc中進行serial設(shè)備的初始化,它調(diào)用語句init_bh(SERIAL_BH,do_serial_bh);來設(shè)置bh_base[]數(shù)組中相應(yīng)于SERIAL_BH的那一項。又如:在serial設(shè)備的處理程序中通過語句queue_task(&info->tqueue,&tq_serial);將不是很緊急的任務(wù)放入tq_serial隊列中,等中斷處理函數(shù)結(jié)束,由bh_base中注冊的底半處理程序處理隊列中的任務(wù)。
中斷管理的第二個關(guān)鍵部分即是系統(tǒng)是否允許中斷嵌套的能力,也就是說,當響應(yīng)一個中斷時,是否允許其它更高優(yōu)先級的中斷打斷,等更高優(yōu)先級的中斷處理完畢,是否還能恢復(fù)原來中斷處理的現(xiàn)場。通過這項功能,系統(tǒng)設(shè)計者可以指示外部中斷的優(yōu)先級,從而確保高優(yōu)先級的任務(wù)能及時處理。Linux允許中斷嵌套,它是利用外部中斷管理器來設(shè)置中斷的優(yōu)先級的。在Linux的中斷處理程序的啟動過程中,它一般調(diào)用語句mask_and_ack_8259A(irq);來設(shè)置8259中的int_mask寄存器.使優(yōu)先級比此中斷低的中斷不能發(fā)生。在中斷處理程序離開時,調(diào)用enable_8259A_irq(irq)來改回8259中int_mask寄存器原來的值。因此,intr類中斷的優(yōu)先級由硬件8259來決定.
由此可見,Linux的中斷管理部分具有高效的特點,已經(jīng)可以滿足許多軟實時任務(wù)的要求。
(2)進程搶先調(diào)度
在許多控制系統(tǒng)中,實時控制軟件是非常簡單的,可以直接寫入中斷處理程序中與一個特定的中斷聯(lián)系起來。還有一些就不那么簡單了,必須開啟專門的用戶進程為它服務(wù)。
這時當這個高優(yōu)先級的進程提交時,如有其它進程正在運行,它就必須打斷正在運行的進程。若正在運行的進程運行在用戶態(tài),系統(tǒng)一般允許它被打斷且執(zhí)行其它優(yōu)先權(quán)高的進程,若正在運行的進程運行在系統(tǒng)態(tài),則此時是否允許被打斷決定了系統(tǒng)是搶先式的還是非搶先式的。
Linux就是一個非搶先式的操作系統(tǒng),在用戶執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用時,不允許其它進程的調(diào)度,這樣就影響了系統(tǒng)的響應(yīng)度。一個真正的搶先式的操作系統(tǒng)允許正在系統(tǒng)狀態(tài)下的當前進程被打斷,然后進程切換回來時還能繼續(xù)從剛才的執(zhí)行點繼續(xù)下去。但某些關(guān)鍵部分的代碼段。系統(tǒng)必須保證其原子性,并防止重入。通常有如下幾種方法:
在關(guān)鍵代碼斷前關(guān)閉中斷,等其執(zhí)行完畢之后再將中斷打開; 設(shè)計一個信號量.在關(guān)鍵代碼段之前加鎖,在其后解鎖;
在系統(tǒng)代碼中保證安全的地方加入切換進程的代碼switch(),防止該進程長久占用CPU,允許調(diào)度其它進程; 在關(guān)鍵代碼段加入一個switchaccept標志,開始該代碼段時。將此標志置為否.離開時再置回原來的值.這樣在執(zhí)行該段代碼時,即使進程調(diào)度器被激活,它也會先檢查此標志。若為否,則返回,并不進行進程切換。
(3)進程調(diào)度策略
第三個影響系統(tǒng)響應(yīng)速度的關(guān)鍵部分就是進程調(diào)度的策略。對于一個實時性能強的操作系統(tǒng)來說,系統(tǒng)必須規(guī)定不同進程的優(yōu)先級,并把優(yōu)先級作為唯一的進程選擇的標準。Linux的后期版本參照Posixl.b標準,在某些方面已經(jīng)具備了一些實時操作系統(tǒng)的特性。Linux有兩種類型的進程:一般進程和實時進程,它可以通過sched_setscheduler系統(tǒng)調(diào)用設(shè)置實時進程。實時進程比所有一般進程的優(yōu)先級高,Linux設(shè)置實對進程的權(quán)重為它的counter值加1000;設(shè)置一般進程的權(quán)重為counter。因此,實時進程總會被認為是最值得運行的進程。
然而,Linux核心的設(shè)計主要集中在應(yīng)用程序的吞吐量上。追求吞吐量的必然結(jié)果,就是Linux調(diào)度器運用一種"公平共享"的策略保證所有的進程得到平均的CPU資源。而且,Linux的進程調(diào)度器只是簡單地將標有實時標志的進程的權(quán)重加1000,至于實時進程間的輕重緩急還沒有周密的完整的設(shè)計。因此,Linux的進程調(diào)度器還遠不能稱作是一個真正的實時進程凋度器。
4 擬采用的策略
根據(jù)以上分析的特點,我們決定主要從以下4個方面來修改Linux的核心代碼。
(1)在內(nèi)核中插入搶先點 由于Linux是一個非搶先式的操作系統(tǒng)。因此當一個實時進程提交時,很可能因為當前的進程正處于核心態(tài)不能被打斷而不能得到及時的處理。因此有必要在Linux內(nèi)核中插入搶先點,使實時進程得到處理。根據(jù)上一節(jié)分析的特點,太體有4種方法可供選擇。權(quán)衡這4種方法的利弊,我們決定采用第4種方法,即在關(guān)鍵代碼段加入一個switchaccept標志,開始該代碼段時,將此標志置為否.離開時再置回原來的值。這種方法比采甩semaphore的好處是,如果采用許多種semaphore的話.要考慮是否會產(chǎn)生死鎖的問題。比采用鎖中斷的好處是.將中斷鎖住將丟失中斷,而這樣不會。而以固定的周期加switch語句顯然有失靈活性。這樣.采用這種方法,需要我們分析Linux所有系統(tǒng)調(diào)用的代碼,畫出其結(jié)構(gòu)流程圖。分析出哪些部分是關(guān)鍵部分,也即不允許置入的部分。在關(guān)鍵代碼前后更改switchaccept標志。這項工作比較艱巨。同時修改進程調(diào)度器,使其判斷switchaccept標志來決定是否執(zhí)行進程切換。
(2)修改進程調(diào)度器Linux的進程調(diào)度器雖然已經(jīng)具有一定的實時性能,但還遠遠達不到真正實時調(diào)度器的標準,因此需要修改其進程調(diào)度器,必要的話可讓Linux運行在兩種模式下,實時模式和分時模式??稍O(shè)計一些相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用,并在實時進程提交時,將系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為實時模式,當實時進程結(jié)束時,再轉(zhuǎn)化為分時模式。
(3)Linux的中斷管理根據(jù)前面分析過的,Linux的中斷管理及時地將緊要的任務(wù)完成后,將其余不重要的緩慢的任務(wù)放置在任務(wù)隊列中,等到系統(tǒng)空閑(cpu idle())或系統(tǒng)調(diào)用等返回時再完成這些任務(wù),這樣就提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度,同時,Linux還支持中斷嵌套。因此,不再對其作太大改動。
(4)鎖定內(nèi)存 在本項目的規(guī)劃中本打算實現(xiàn)Linux鎖內(nèi)存的功能,使優(yōu)先權(quán)高的進程在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)不被換出,從而提高實時進程的運行速度。然而,在分析了Linux代碼后,發(fā)現(xiàn)后來版本的Linux已通過系統(tǒng)調(diào)用sys mlock實現(xiàn)了此項功能。
5 結(jié)束語
采用上述方法修改了內(nèi)核代碼后,由于每個修改方案都是有一定的代價的,它在增加了系統(tǒng)響應(yīng)速度的同時也在某種程度上降低了系統(tǒng)的整體效率,比如說將內(nèi)核設(shè)置成可搶先的,在進程頻繁的切換過程中也要消耗一定的cpu處理時間。因此,還需要對各種解決方案進行測試、比較。另外,為了減少嵌入式Linux自身的長度,在存儲管理部分對虛擬內(nèi)存也應(yīng)作進一步的處理。
linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解(linux不再難懂)linux相關(guān)文章:linux教程
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