嵌入式Linux操作系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用分析

硬件平臺選項

挑選最佳硬件的過程會相當(dāng)復(fù)雜，問題起源于公司內(nèi)部政策、成見、其它方案的遺留問題、缺乏全面的或者精確的信息以及成本 — 需考慮總的產(chǎn)品成本，而不僅僅是 CPU 本身。有時，一旦把 CPU 使用其它外圍設(shè)備所必需的總線邏輯和延遲時間考慮在內(nèi)，那么快速而廉價的 CPU 也可能變得昂貴。要計算任意給定的項目所需的 CPU 速度，首先要現(xiàn)實地看看為了完成一個給定的任務(wù) CPU 得運(yùn)行多快然后再乘以三。還要確定總線需要運(yùn)行多快。如果還有二級總線，比如 PCI 總線，那么將它們也考慮在內(nèi)。一條慢的總線（即一條被 DMA 通信阻塞的總線）將會顯著降低高速 CPU 的速度。下面是一些嵌入式 Linux 應(yīng)用的最佳硬件解決方案。

Bright Star Engineering：Bright Star Engineering 的 ipEngine-1 是支持嵌入式 Linux 的信用卡大小的單片機(jī)。它利用了基于 PowerPC 的 CPU，并提供了一組板上外設(shè)，有 Ethernet、LCD／視頻控制器、USB、串口 I/O 以及一個 16K 門的可由用戶配置的 FPGA。BSE 的嵌入式 Linux 配置允許 Linux 從 ipEngine 的板上 4MB 閃存中引導(dǎo)。

Calibri：CalibriTM-133 是將嵌入式 Linux 作為其操作系統(tǒng)來使用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它方便使用、緊湊，并且可以用于多種用途。它為防火墻、VPN 和路由要求提供了一種高效、低成本的解決方案。

EmbeddedPlanet： EmbeddedPlanet 創(chuàng)造了后 PC 時代的計算機(jī)，它出現(xiàn)時就裝有 MontaVista 的 HardHat Linux。由基于 PowerPC 的計算引擎和匹配的 I/O 卡驅(qū)動，Linux Planet 裝在一個彩色的透明盒子里并且?guī)в杏|摸屏，還可以訪問數(shù)字及模擬 I/O。

Eurotech：Eurotech 提供了嵌入式 PC SBC 并資助了 ET-Linux，一個為在小型工業(yè)計算機(jī)上運(yùn)行而專門設(shè)計的基于 glibc 2.1.2 的完全的 Linux 系統(tǒng)。

Microprocess Ingenierie：Microprocess 為產(chǎn)業(yè)和嵌入式市場開發(fā)、生產(chǎn)以及銷售標(biāo)準(zhǔn)的和定制的產(chǎn)品。Microprocess 在實時軟件方面活動范圍遍及全球，并具有系統(tǒng)集成的專業(yè)知識。它的產(chǎn)品，比如 740 PowerPC compactPCI 板可以與標(biāo)準(zhǔn)的 Linux 分發(fā)版或者嵌入式 Linux 版本一起訂購。

Moreton Bay：Moreton Bay 發(fā)布基于 Linux 的 Internet 路由器，其范圍在 NETtel 2520 和 NETtel 2500 之間。這些小型的、易于連接的智能路由器解決方案設(shè)計旨在為平面網(wǎng)絡(luò)提供簡便、安全和價格適中的外部網(wǎng)友好的虛擬私有網(wǎng)絡(luò)（VPN）。NETtel 路由器系列運(yùn)行的是嵌入式 Linux 內(nèi)核?，F(xiàn)有一套開發(fā)工具能夠把定制代碼存在閃存中并在 NETtel 內(nèi)部執(zhí)行。代碼可能含有特定的加密或者身份驗證協(xié)議，或者在 NETtel 被用作遠(yuǎn)程控制設(shè)備代碼時，會含有一些本地監(jiān)視腳本。

Matrix Orbital：這是個可選的、但不是推薦的附加項。Matrix Orbital 生產(chǎn)的一系列串行 LCD 和 VFD 被許多 Linux 用戶添加到了他們的嵌入式系統(tǒng)中。這條生產(chǎn)線的范圍包括了 8x2 到 40x4 的字符 LCDs、20x2 和 20x4 的 VFD 加上 240x64 圖形 LC（128x128 還在生產(chǎn)之中）。運(yùn)用顯示器的通信不是通過 RS232 就是通過 I2C 實現(xiàn)的，兩者都是其所有模塊上的標(biāo)準(zhǔn)。模塊的 BIOS 中包含一個全面的命令集。

實時嵌入式 Linux 應(yīng)用

有關(guān)嵌入式系統(tǒng)最重要的事務(wù)之一就是要求有一個實時操作系統(tǒng)。這里實時有好幾種定義。對有些人來說，實時意味著在 1 微秒的時間內(nèi)對事件作出反應(yīng)，但對另外一些人來說，那就可能是 50 毫秒了。實時的硬度也各不相同。一些系統(tǒng)需要硬實時響應(yīng)，在很短的時間內(nèi)對事件作出確定性響應(yīng)。但是，當(dāng)我們對許多系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)分析時，我們發(fā)現(xiàn)事實上對響應(yīng)時間的要求只是接近實時。實時的要求常常是時間和緩沖空間的折衷。隨著內(nèi)存越來越便宜，CPU 速度越來越快，現(xiàn)在接近實時比硬實時更加常見，許多商用的所謂實時操作系統(tǒng)遠(yuǎn)非硬實時。通常情況下，當(dāng)您進(jìn)入這些系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計部分時，就需提高警惕必須非常仔細(xì)地設(shè)計驅(qū)動器的中斷和應(yīng)用以滿足實時要求。

RT-Linux（實時擴(kuò)展的 Linux 系統(tǒng)）里含有時間緊要的函數(shù)可以用中斷管理器來精確控制中斷處理，從而很好地確保了關(guān)鍵性中斷可以在需要時得到執(zhí)行。這種方法的硬度主要取決于 CPU 中斷結(jié)構(gòu)和環(huán)境轉(zhuǎn)換的硬件支持。這種方法可以滿足廣泛范圍內(nèi)的實時要求。即使沒有實時擴(kuò)展，Linux 也能很好地處理多個事件流。例如，運(yùn)行于低端 Pentium 上的 Linux PC 系統(tǒng)能讓多個 10BaseT 接口有效地執(zhí)行，同時又以全速的 56KBPS 運(yùn)行字符級串口，而不會丟失任何數(shù)據(jù)。

值得考慮的實時硬件和軟件 Linux API 有 RTLinux、RTAI、EL 和 Linux-SRT。RTLinux 是一個最初在新墨西哥理工學(xué)院開發(fā)的硬實時 Linux API。RTAI（DIAPM）是由 Polytechnic Politecnico di Milano（DIAPM）航天工程部的程序員們開發(fā)的 RTLinux 實時 API 的副產(chǎn)品。EL/IX 是一個計劃中的基于 POSIX 硬實時 Linux API，由 Red Hat 發(fā)起。Linux-SRT 是個實時 API 的軟實時替代品，它可以使所有的 Linux 程序無需修改或者重新編譯即可增強(qiáng)性能。

請參閱本文后面的參考資料部分，查找有關(guān)前面內(nèi)容的資料和一些 Web 站點(diǎn)，那里提供了用于不同類型的標(biāo)準(zhǔn) Linux 操作系統(tǒng)的軟件擴(kuò)展、開發(fā)工具、支持以及培訓(xùn)課程。

短暫的確定性響應(yīng)時間

某些實時嵌入式系統(tǒng)需要迅速對外部事件作出響應(yīng)，以完成一項特定任務(wù)。比如，嵌入一枚導(dǎo)彈的一個定制的微控制器在指引導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)它周圍環(huán)境的一個特定目標(biāo)之前，需要迅速對諸如移動目標(biāo)、天氣和人等的外部事件作出迅速響應(yīng)。短暫的確定性響應(yīng)時間是指嵌入式系統(tǒng)可以確定它對外部事件作出響應(yīng)的時間。

配置步驟

現(xiàn)在讓我們來看一下如何 make LEM，它是一個小型的可嵌入 Linux 分發(fā)版，既提供網(wǎng)絡(luò)又提供 X 服務(wù)器。您可以下載該分發(fā)版，盡管它并非必需。您需要一個完全的 Linux 分發(fā)版來建立自己的嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)，其中將包括您所需要的一切（實用程序、源代碼、編譯器、調(diào)試器和文檔）。下面是能用來 make LEM 的軟件列表：

TinyLogin： TinyLogin 是一套 tiny UNIX 實用程序，它用于登錄嵌入式系統(tǒng)、接受其驗證身份、為其修改密碼，并能維護(hù)其用戶和用戶組。為了增強(qiáng)系統(tǒng)安全性它還支持影子口令。正如它的名字所暗示的， TinyLogin 非常小，對嵌入式系統(tǒng)上的 BusyBox 是極好的補(bǔ)充。

BusyBox：BusyBox 是一個多調(diào)用的二進(jìn)制文件，它提供了 POSIX 式的命令和專用函數(shù)的最小子集。它適合于非常小的嵌入式系統(tǒng)，比如引導(dǎo)磁盤等等。特別用于 Debian 拯救／安裝系統(tǒng)（它激發(fā)了對最初的 BusyBox 的開發(fā)）、Linux Routeur 方案、LEM、lineo 及其它地方。Busybox 是由 Erik Andersen 維護(hù)的。

Ash：Ash 是個非常小的 Bourne shell。

Sysvinit：Sysvinit 是 Linux 最常用的 init 包。我們將會用到 init 和 C 語言版 start-stop-daemon。

總結(jié)

在嵌入式應(yīng)用的領(lǐng)域里，從因特網(wǎng)設(shè)備到專用的控制系統(tǒng)，Linux 操作系統(tǒng)的前景都很光明。所有新造的微型計算機(jī)芯片中大約有 95% 都是用于嵌入式應(yīng)用的。由于 Linux 功能強(qiáng)大、可靠、靈活而且具有伸縮性，再加上它支持大量的微處理器體系結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)備、圖形支持和通信協(xié)議，這些都使它作為許多方案和產(chǎn)品的軟件平臺越來越流行。

由于可以公開免費(fèi)得到 Linux 源代碼，因此對 Linux 和它支持的軟件組件的許多修改和配置也得到了不斷改進(jìn)，以滿足采用 Linux 的市場和應(yīng)用的多種需求。另外還有小型版本和實時增強(qiáng)版本。盡管 Linux 開始是作為 PC 體系結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)，但是現(xiàn)在已經(jīng)有了非 X86 CPU 的版本（帶或不帶內(nèi)存控制單元），包括 PowerPC、ARM、MIPS、68K 甚至是微控制器。但是，請注意，在不久的將來，在許多其它的信息技術(shù)（IT）領(lǐng)域會出現(xiàn)更多！