高手進(jìn)階2.6內核的Linux嵌入式系統應用

操作系統為用戶(hù)使用計算機及其外部設備提供最基本的接口程序,管理計算機上的資源。隨著(zhù)應用領(lǐng)域的擴大,為了適應不同的應用場(chǎng)合,考慮到系統的靈活性、可伸縮性以及可裁剪性,一種以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎、軟硬件可裁剪、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗要求嚴格的專(zhuān)用計算機系統——嵌入式操作系統隨之延生。

Linux 操作系統是一種性能優(yōu)良、源碼公開(kāi)且被廣泛應用的免費操作系統,由于其體積小、可裁減、運行速度高、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。隨著(zhù)2.6內核的發(fā)布,Linux向現有主流的RTOS提供商在嵌入式系統市場(chǎng)提出了巨大挑戰,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。

Linux的低成本和開(kāi)放性,為其在嵌入式系統領(lǐng)域的應用營(yíng)造了肥沃的土壤。本文著(zhù)重介紹Linux 2.6內核的新特性及其嵌入式應用中的優(yōu)勢,并將其移植到嵌入式平臺中,成功支持H.264編解碼多媒體系統。

1 Linux 2.6內核針對嵌入式開(kāi)發(fā)顯著(zhù)特點(diǎn)

實(shí)時(shí)可靠性是嵌入式應用較為普遍的要求,盡管Linux 2.6 并不是一個(gè)真正的實(shí)時(shí)操作系統,但其改進(jìn)的特性能夠滿(mǎn)足響應需求。Linux 2.6 已經(jīng)在內核主體中加入了提高中斷性能和調度響應時(shí)間的改進(jìn),其中有三個(gè)最顯著(zhù)的改進(jìn):采用可搶占內核、更加有效的調度算法以及同步性的提高4>。在企業(yè)服務(wù)器以及嵌入式系統應用領(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,系統的移植更加方便,同時(shí)添加了新的體系結構和處理器類(lèi)型——包括對沒(méi)有硬件控制內存管理方案的 MMU-less系統的支持,可以支持大容量?jì)却婺Ｐ?、微控制?同時(shí)還改善了I/O子系統,增添更多的多媒體應用功能＜4＞。

1.1 可搶占內核

在先前的內核版本中(包括2.4內核)不允許搶占以核心態(tài)運行的任務(wù)(包括通過(guò)系統調用進(jìn)入內核模式的用戶(hù)任務(wù)),只能等待它們自己主動(dòng)釋放CPU。這樣必然導致一些重要任務(wù)延時(shí)以等待系統調用結束。

一個(gè)內核任務(wù)可以被搶占,為的是讓重要的用戶(hù)應用程序可以繼續運行。這樣做最主要的優(yōu)勢是極大地增強系統的用戶(hù)交互性。

2.6內核并不是真正的RTOS(Real Time Operation System),其在內核代碼中插入了搶占點(diǎn),允許調度程序中止當前進(jìn)程而調用更高優(yōu)先級的進(jìn)程,通過(guò)對搶占點(diǎn)的測試避免不合理的系統調用延時(shí)。2.6內核在一定程度上是可搶占的,比2.4內核具備更好的響應性。但也不是所有的內核代碼段都可以被搶占,可以鎖定內核代碼的關(guān)鍵部分,確保CPU的數據結構和狀態(tài)始終受到保護而不被搶占。

軟件需要滿(mǎn)足最終時(shí)間限制與虛擬內存請求頁(yè)面調度之間是相互矛盾的。慢速的頁(yè)錯誤處理將會(huì )破壞系統的實(shí)時(shí)響應性,而2.6內核可以編譯無(wú)虛擬內存系統避免這個(gè)問(wèn)題,這是解決問(wèn)題的關(guān)鍵,但要求軟件設計者有足夠的內存來(lái)保證任務(wù)的執行。

1.2 有效的調度程序

版本是2.6的 Linux內核使用了由 Ingo Molnar開(kāi)發(fā)的新的調度器算法,稱(chēng)為O(1)算法,如圖1所示。它在高負載情況下執行得極其出色,并且當有很多處理器并行時(shí)也可以很好地擴展2>。過(guò)去的調度程序需要查找整個(gè)ready task隊列,并且計算它們的重要性以決定下一步調用的task,需要的時(shí)間隨task數量而改變。O(1)算法則不再每次掃描所有的任務(wù),當task就緒時(shí)被放入一個(gè)活動(dòng)隊列中,調度程序每次從中調度適合的task,因而每次調度都是一個(gè)固定的時(shí)間。任務(wù)運行時(shí)分配一個(gè)時(shí)間片,當時(shí)間片結束,該任務(wù)將放棄處理器并根據其優(yōu)先級轉到過(guò)期隊列中?；顒?dòng)隊列中任務(wù)全部調度結束后,兩個(gè)隊列指針互換,過(guò)期隊列成為當前隊列,調度程序繼續以簡(jiǎn)單的算法調度當前隊列中的任務(wù)。這在多處理器的情況更能提高SMP的效率,平衡處理器的負載,避免進(jìn)程在處理器間的跳躍。

1.3 同步原型與共享內存

多進(jìn)程應用程序需要共享內存和外設資源,為避免競爭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(fǎng)問(wèn)。Linux內核用一個(gè)系統調用來(lái)決定一個(gè)線(xiàn)程阻塞或是繼續執行來(lái)實(shí)現互斥,在線(xiàn)程繼續執行時(shí),這個(gè)費時(shí)的系統調用就沒(méi)有必要了。Linux2.6所支持的Fast User-Space Mutexes 可以從用戶(hù)空間檢測是不是需要阻塞線(xiàn)程,只在需要時(shí)執行系統調用終止線(xiàn)程。它同樣采用調度優(yōu)先級來(lái)確定將要執行的進(jìn)程4>。 多處理器嵌入式系統各處理器之間需要共享內存,對稱(chēng)多處理技術(shù)對內存訪(fǎng)問(wèn)采用同等優(yōu)先級,在很大程度上限制了系統的可量測性和處理效率。Linux2.6則提供了新的管理方法——NUMA(Non Uniform Memory Access)。NUMA根據處理器和內存的拓撲布局,在發(fā)生內存競爭時(shí),給予不同處理器不同級別權限以解決內存搶占瓶頸,提高吞吐量。

1.4 POSIX線(xiàn)程及NPTL

新的線(xiàn)程模型基于一個(gè)1:1的線(xiàn)程模型(一個(gè)內核線(xiàn)程對應一個(gè)用戶(hù)線(xiàn)程),包括內核對新的 NPTL(Native POSIX Threading Library)的支持,這是對以前內核線(xiàn)程方法的明顯改進(jìn)。2.6內核同時(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(xiàn)程間或處理器間的通信信息。嵌入式系統要求系統按時(shí)間表執行任務(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內核已經(jīng)將其整合進(jìn)了新的內核中,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)有內存保護功能。同時(shí)也加入了許多流行的控制器的支持,如S3C2410等。