Linux操作系統的嵌入式領(lǐng)域面臨新挑戰

與在服務(wù)器和桌面系統的風(fēng)風(fēng)火火比較起來(lái)，Linux在嵌入式領(lǐng)域似乎總是不溫不火，是生不逢時(shí)，還是另有隱情？

最近幾年，Linux操作系統在桌面和服務(wù)器系統等領(lǐng)域的應用取得了很大的成功。它的存在已經(jīng)對這些領(lǐng)域中的傳統霸主，例如微軟的Windows和Sun公司的SunOS/Solaris操作系統等造成了極大的威脅。這主要得益于其較低的使用開(kāi)銷(xiāo)和更高的應用性能：現在，Linux操作系統加高端奔騰處理器構成的計算機系統在性能上已經(jīng)遠遠超過(guò)了同等價(jià)位的運行著(zhù)Solaris的基于SPARC處理器的計算機系統;Linux能夠取得成功的另一個(gè)主要原因在于它是一個(gè)開(kāi)放源碼的系統軟件，Linux用戶(hù)可以享受到世界各地Linux愛(ài)好者提供的支持。

就在Linux系統在桌面和服務(wù)器領(lǐng)域應用風(fēng)頭正勁的時(shí)候，業(yè)界內外普遍地認為L(cháng)inux也會(huì )成功打入到嵌入式系統中，成為主流操作系統之一。但是，事與愿違，現實(shí)中的情形遠沒(méi)有那么樂(lè )觀(guān)。那些為桌面和服務(wù)器系統提供Linux操作系統軟件的開(kāi)發(fā)商們并不熱衷于將Linux引入到嵌入式系統領(lǐng)域。而其他的一些已經(jīng)在嵌入式Linux領(lǐng)域開(kāi)拓市場(chǎng)的公司，比如Lineo和MontaVista，也一直沒(méi)有獲得穩定的收益。為什么Linux沒(méi)有能夠在嵌入式領(lǐng)域中獲得它在桌面系統中同樣的輝煌呢？原因就是桌面系統和嵌入式系統對操作系統的需求有所差異。

桌面系統和嵌入式系統對操作系統的需求有很多差異，而且都很關(guān)鍵。我們在這里先討論幾個(gè)最重要的問(wèn)題，這些問(wèn)題已經(jīng)足夠體現出Linux系統在嵌入式系統領(lǐng)域所面臨的挑戰。這些挑戰都是在之前的桌面系統應用中未曾遇到的，主要包括：

●中斷延遲(interruptlatency）

●線(xiàn)程響應時(shí)間(threadresponsetime)

●調度策略（scheduling）

●設備驅動(dòng)程序

●可靠性和安全性

以上這些都是技術(shù)層面上的挑戰。而在將Linux系統引入嵌入式領(lǐng)域時(shí)，還有很多的非技術(shù)性層面上的挑戰也是必須要考慮的。

技術(shù)挑戰

中斷延遲

實(shí)時(shí)系統（Real-TimeSystem）是指能夠在限定的時(shí)間（一般是很短的時(shí)間范圍）內對系統中發(fā)生的某類(lèi)事件（比如從某個(gè)外圍設備傳來(lái)的中斷請求）進(jìn)行處理的系統。如果系統對這些事件的響應出現了問(wèn)題，比如未能在限定時(shí)間內對其做出相應處理，就會(huì )導致系統出現故障。絕大多數嵌入式系統都有很高的實(shí)時(shí)性需求，而桌面系統卻不一定。在嵌入式系統測試中，衡量系統實(shí)時(shí)性的最主要參數有兩個(gè)：一個(gè)是中斷延遲時(shí)間的長(cháng)短，另一個(gè)是線(xiàn)程上下文切換時(shí)間的長(cháng)短。

中斷延遲是指從產(chǎn)生中斷請求到相應中斷服務(wù)程序的第一條指令被執行之間的這段時(shí)間。由于中斷具備有優(yōu)先級而且可以嵌套產(chǎn)生，因此可以測知優(yōu)先級最高的中斷在執行時(shí)的延遲時(shí)間。測試表明，產(chǎn)生中斷延遲的原因除了處理器響應時(shí)間外，更重要的是操作系統往往會(huì )大大增加中斷被延遲的時(shí)間。在操作系統運行過(guò)程中，存在著(zhù)一些關(guān)鍵的操作。這些操作在執行時(shí)，操作系統會(huì )禁止在其間插入任何中斷。因此如果一個(gè)中斷請求在操作系統禁止中斷的這段時(shí)間里產(chǎn)生，那么對它的處理就會(huì )始終保持在掛起狀態(tài)，直到操作系統重新允許中斷插入。最終，中斷延遲在最壞情況下的數值是和操作系統關(guān)鍵操作中的指令序列在中斷請求產(chǎn)生后繼續執行的時(shí)間緊密相關(guān)。

實(shí)時(shí)系統就是要確保系統中的關(guān)鍵事件能夠在限定的時(shí)間段內被處理。操作系統開(kāi)發(fā)商會(huì )提供給用戶(hù)一個(gè)表示中斷延遲的數值以體現產(chǎn)品的實(shí)時(shí)性能。這個(gè)數值是在實(shí)驗室環(huán)境下測得的，它可能是平均值，典型值，或者是在最好情況下的系統中斷延遲。但在實(shí)際應用過(guò)程中，最壞情況下的延遲中斷才是用戶(hù)最需要考慮的。那么如何才能得到這個(gè)數值呢？瑞典的一個(gè)研究小組對操作系統中禁止中斷產(chǎn)生的代碼區域進(jìn)行分析，試圖用這種方法對當前一款商業(yè)化的實(shí)時(shí)操作系統進(jìn)行研究并得到系統中最壞情況下的中斷延遲的大小。

這項研究使用了先進(jìn)的程序流分析方法來(lái)確定操作系統中所有的關(guān)鍵操作（即那些“禁止插入中斷”的代碼）區域的位置和結構。研究人員還利用了周期精確的模型來(lái)測定選定代碼區域的被執行次數。但是研究結果并不讓人感到振奮。因為用于禁止和允許中斷的指令所需的源操作數在執行時(shí)才能確定，所以研究人員不能用靜態(tài)分析的方法得到關(guān)鍵操作的執行情況。還有一些其他的程序流問(wèn)題，比如關(guān)鍵操作序列的嵌套出現等等，也阻礙了研究的進(jìn)展。最終據研究人員估測，大概只有一半數目的“禁止插入中斷”的關(guān)鍵操作區域能夠被確定，而另一半大約有600個(gè)區域會(huì )對中斷響應時(shí)間產(chǎn)生未知的影響。

研究人員評估了他們能夠確定的那些關(guān)鍵操作區域的執行時(shí)間。這些區域的執行情況非常復雜，有很多已經(jīng)不是以簡(jiǎn)單的順序結構執行了，少數幾個(gè)區域甚至包含了三個(gè)嵌套的循環(huán)，而且還有一些關(guān)鍵操作區域的循環(huán)次數是不定的。在研究人員提供的報告中，可以看到一個(gè)具有嵌套循環(huán)的關(guān)鍵操作區域的執行周期數的估測為26729。試想在一個(gè)主頻為100MHz的微處理器上，僅僅是這樣一個(gè)區域就要消耗大約250微秒的時(shí)間。相信沒(méi)有任何一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統的開(kāi)發(fā)商會(huì )愿意公開(kāi)這個(gè)量級上的中斷延遲。