如何以低成本將Linux 內核移植到嵌入式處理系統
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隨著(zhù)基于 Linux 的嵌入式系統得到日益廣泛的應用，人們不禁要問(wèn)，類(lèi)似 Linux 這樣的免費開(kāi)放源代碼操作系統的真正成本到底是多少？要將 Linux 內核移植到定制嵌入式處理系統，您必須對產(chǎn)品所需要的內核功能、這些功能對其他內核服務(wù)的依賴(lài)程度以及您的工程團隊的技能都有深入的了解。
我們很多人都看過(guò)為如何使用 Linux 源代碼提供指導的 GNU 通用公共許可證 (GPL)。要確定在系統中使用 Linux 的成本，一般來(lái)說(shuō)，第一步是了解 Linux 的哪些部分是真正免費且不受法律約束的，哪些部分是需要小心保護的。這有點(diǎn)類(lèi)似于通過(guò)評估商業(yè)操作系統或 RTOS（實(shí)時(shí)操作系統）提供商來(lái)確定其產(chǎn)品中所包含的功能和費用。
顯然，需要做出的一個(gè)決定,是購買(mǎi)商業(yè) Linux 發(fā)行版,還是設法解決免費 Linux 發(fā)行版移植的問(wèn)題。很多工程師使用 Linux 只是為了利用其現有服務(wù)的一小部分，如文件系統、TCP/IP 和 HTTP 或 THTTP 等網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。如果您只需要很少的服務(wù)，移植自己的 Linux 內核可能不那么耗時(shí)，價(jià)格也不那么昂貴。
商用操作系統 已將其產(chǎn)品移植到許多最常用的處理器中，并提供可在各種標準硬件平臺上運行的板支持包 (board support package, BSP)，這正是商業(yè)操作系統的優(yōu)勢所在。遺憾的是，如果要設計定制嵌入式處理系統，商業(yè)操作系統可能產(chǎn)生為嵌入式硬件系統創(chuàng )建定制 BSP 服務(wù)的其它費用，除非能將BSP 的生成自動(dòng)化。而這就是榮獲大獎的 Xilinx Platform Studio (XPS) 工具套件的眾多功能之一：在賽靈思 嵌入式處理設計中，BSP 和庫的生成都實(shí)現了自動(dòng)化。
為了更好地了解這一過(guò)程，讓我們來(lái)看看構建一個(gè)完整的操作系統所需要的各種軟件和硬件層。圖 1 是對 Linux 系統中多個(gè)層次的圖解。最底層是微處理器及其外設，這代表硬件層。要與這些外設進(jìn)行通訊，需要能與 Linux 內核兼容的軟件驅動(dòng)程序。該內核還包括啟動(dòng)功能和中斷處理等非常重要的服務(wù)，這些功能高度依賴(lài)于系統的架構，通常針對特定處理器和系統架構進(jìn)行定制。
圖1： Linux 系統軟件和硬件層分布
當底層的硬件平臺發(fā)生變化時(shí)（通常是為了容納新的應用程序功能），內核也就必須隨之而改變，而這需要時(shí)間，并會(huì )增加設計成本。對于為特定應用程序量身打造的高度定制的處理平臺，這種情況已是司空見(jiàn)慣。設計人員通常使用基于 FPGA 的嵌入式系統，以便優(yōu)化系統架構，獲得硬件性能和軟件靈活性的最佳平衡。此外，如果要設計自己的定制嵌入式平臺，還必須考慮為新外設編寫(xiě)定制驅動(dòng)程序和確定內核配置文件的合理設置所需要的時(shí)間，以及充分測試新內核所需要的驗證時(shí)間。
使操作系統設置自動(dòng)化
利用 XPS，嵌入式系統設計人員可以構建并優(yōu)化系統，使下列任務(wù)的執行自動(dòng)化：分配地址映射、為外設配置驅動(dòng)程序、鏈接所有必需的庫，等等。完成這些設置后，系統即準備就緒，可以開(kāi)始編寫(xiě)首個(gè)應用程序了。但如果要編寫(xiě)的應用程序是一個(gè)完整的操作系統的話(huà)會(huì )怎樣呢？這就是 Xilinx 創(chuàng )新方式的巧妙所在，利用它可以自動(dòng)化類(lèi)似 Linux 的定制操作系統 的生成。
XPS 有一種方法，可以通過(guò)微處理器庫描述 (microprocessor library description, MLD) 文件導出有關(guān)微處理器、外設和系統架構的信息。MLD 文件包含定制軟件庫和為操作系統生成 BSP 的指令。
每個(gè) 操作系統/庫都有 MLD 文件及與其相關(guān)的 Tcl（tool command language，工具命令語(yǔ)言）文件。依據嵌入式設計系統架構，Tcl 文件使用 MLD 文件定制 操作系統/庫。對許多 Xilinx 操作系統合作伙伴來(lái)說(shuō)，這些文件都是現成的。例如，對于 micro;Clinux，只需從菜單中進(jìn)行選擇即可，如圖 2 所示。對嵌入式系統硬件的更改會(huì )自動(dòng)更新庫，并重新生成控制內核構建方式的內核配置文件。
圖2：在 XPS 軟件平臺設置窗口進(jìn)行 μClinux 設置XPS 還會(huì )生成“auto-conf.in”文件，自動(dòng)配置過(guò)程會(huì )使用該文件為 micro;CLinux 內核構建 makefile。無(wú)需重新設計內核配置文件，就可以自動(dòng)重新構建內核；考慮到一個(gè)“auto-config.in”文件的條款內容大約有 380 行之多，這一功能節省的時(shí)間就頗為可觀(guān)。逐個(gè)手動(dòng)更新這些文件既容易出錯，又耗費時(shí)間。此文件的一小部分如圖 3 所示。
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