隨著多媒體技術與通訊技術相結合的信息技術的快速發展和互聯網的廣泛應用,PC 時代也過渡到了後PC時代。在數字信息技術和網絡技術高速發展的後PC時代,嵌入式技術越來越與人們的生活緊密結合。 操作系統為用戶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。隨著應用領域的擴大,為了適應不同的應用場合,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良、源碼公開且被廣泛應用的免費操作系統,由於其體積小、可裁減、運行速度高、良好的網絡性能等優點,可以作為嵌入式操作系統。隨著2.6內核的發布,Linux向現有主流的RTOS提供商在嵌入式系統市場提出了巨大挑戰,例如VxWorks和WinCE,具有許多新特性,將成為更優秀的嵌入式操作系統。 Linux的低成本和開放性,為其在嵌入式系統領域的應用營造了肥沃的土壤。本文著重介紹Linux 2.6內核的新特性及其嵌入式應用中的優勢,並將其移植到嵌入式平台中,成功支持H.264編解碼多媒體系統。
1、Linux 2.6內核針對嵌入式開發顯著特點 實時可靠性是嵌入式應用較為普遍的要求,盡管Linux 2.6 並不是一個真正的實時操作系統,但其改進的特性能夠滿足響應需求。Linux 2.6 已經在內核主體中加入了提高中斷性能和調度響應時間的改進,其中有三個最顯著的改進: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]。在企業服務器以及嵌入式系統應用領域,Linux 2.6 都是一個巨大的進步。在嵌入式領域,Linux 2.6 除了提高其實時性能,系統的移植更加方便,同時添加了新的體系結構和處理器類型——包括對沒有硬件控制內存管理方案的 MMU-less系統的支持,可以支持大容量內存模型、微控制器,同時還改善了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運行的任務(包括通過系統調用進入內核模式的用戶任務),只能等待它們自己主動釋放CPU。這樣必然導致一些重要任務延時以等待系統調用結束。 一個內核任務可以被搶占,為的是讓重要的用戶應用程序可以繼續運行。這樣做最主要的優勢是極大地增強系統的用戶交互性。 2.6內核並不是真正的RTOS(Real Time Operation System),其在內核代碼中插入了搶占點,允許調度程序中止當前進程而調用更高優先級的進程,通過對搶占點的測試避免不合理的系統調用延時。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鍵部分,確保CPU的數據結構和狀態始終受到保護而不被搶占。 軟件需要滿足最終時間限制與虛擬內存請求頁面調度之間是相互矛盾的。慢速的頁錯誤處理將會破壞系統的實時響應性,而2.6內核可以編譯無虛擬內存系統避免這個問題,這是解決問題的關鍵,但要求軟件設計者有足夠的內存來保證任務的執行。 1.2 有效的調度程序 2.6版本的 Linux內核使用了由 Ingo Molnar開發的新的調度器算法,稱為O(1)算法,如圖1所示。它在高負載情況下執行得極其出色,並且當有很多處理器並行時也可以很好地擴展[2]。過去的調度程序需要查找整個ready task隊列,並且計算它們的重要性以決定下一步調用的task,需要的時間隨task數量而改變。O(1)算法則不再每次掃描所有的任務,當task就緒時被放入一個活動隊列中,調度程序每次從中調度適合的task,因而每次調度都是一個固定的時間。任務運行時分配一個時間片,當時間片結束,該任務將放棄處理器並根據其優先級轉到過期隊列中。活動隊列中任務全部調度結束後,兩個隊列指針互換,過期隊列成為當前隊列,調度程序繼續以簡單的算法調度當前隊列中的任務。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,避免進程在處理器間的跳躍。 1.3 同步原型與共享內存 多進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刻只被一個任務訪問。Linux內核用一個系統調用來決定一個線程阻塞或是繼續執行來實現互斥,在線程繼續執行時,這個費時的系統調用就沒有必要了。Linux2.6所支持的Fast User-Space Mutexes 可以從用戶空間檢測是不是需要阻塞線程,只在需要時執行系統調用終止線程。它同樣采用調度優先級來確定將要執行的進程[4]。 多處理器嵌入式系統各處理器之間需要共享內存,對稱多處理技術對內存訪問采用同等優先級,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,在發生內存競爭時,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線程及NPTL 新的線程模型基於一個1:1的線程模型(一個內核線程對應一個用戶線程),包括內核對新的 NPTL(Native POSIX Threading Library)的支持,這是對以前內核線程方法的明顯改進。2.6內核同時還提供POSIX signals和POSIX high-resolution timers。POSIX signals不會丟失,並且可以攜帶線程間或處理器間的通信信息。嵌入式系統要求系統按時間表執行任務,POSIX timer可以提供1kHz的觸發器使這一切變得簡單,從而可以有效地控制進度。 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MMU的處理器以前只能利用一些改進的分支版本,如UClinux,而2.6內核已經將其整合進了新的內核中,開始支持多種流行的無MMU微控制器,如Dragonball、ColdFire、Hitachi H8/300。Linux在無MMU控制器上仍舊支持多任務處理,但沒有內存保護功能。同時也加入了許多流行的控制器的支持,如S3C2410等。 1.6 面向應用 嵌入式應用有用戶定制的特點,硬件設計都針對特定應用開發,這給系統帶來對非標准化設計支持的問題(如IRQ的管理)。為了更好地實現,可以采用部件化的操作系統。Linux2.6采用的子系統架構將功能模塊化,可以定制而對其他部分影響最小。同時Linux2.6提供了多種新技術的支持以實現各種應用開發,如Advanced Linux Sound Architecture(ALSA)和Video4Linux等,對多媒體信息處理更加方便;對USB2.0的支持,提供更高速的傳輸,增加藍牙無線接口、音頻數據鏈接和面向鏈接的數據傳輸L2CAP,滿足短距離的無線連接的需要;而且在2.6內核中還可以配置成無輸入和顯示的純粹無用戶接口系統。
2、應用研究 在S3C2410開發板上移植嵌入式Linux 2.6.11.7內核系統,應用於構建H.264多媒體系統。 2.1 建立交叉編譯環境 在RedHat9的主機上進行內核移植開發,首先需要建立交叉編譯環境。由於2.6內核中采用了一些新的特性和指令,需要采用較新的工具集,采用binutils-2.15、gcc-3.4.2、glibc-2.2.5、linux-2.6.8、glibc-linuxthreads-2.2.5來建立交叉編譯工具鏈,建立之後將工具鏈路徑加入系統路徑$PATH中。 2.2 內核修改 Linux 2.6.11.7內核加入了對S3C2410芯片的支持,不再需要任何補丁文件。修改內核源碼中Makefile的交叉編譯選項ARCH=arm,CROSS_COMPILE=arm-linux-。針對硬件配置,需要在arch/arm/mach-s3c2410/devs.c或者smdk2410.c中添加FLASH的分區信息s3c_nand_info,如表1。 表1 NAND FLASH分區表 分區名 起始地址 大 小 Vivi 0x00000000 0x00020000 Param 0x00020000 0x00010000 Kernel 0x00030000 0x001c0000 Root 0x00200000 0x00200000 Usr 0x00400000 0x03c00000 然後在s3c_device_nand中增加.dev={.platform_data= &s3c_nand_info},在arch/arm/mach-s3c2410/mach-smdk2410.c中的__initdata部分增加&s3c_device_nand,使內核在啟動時初始化NAND FLASH信息。 2.3 內核編譯加載 對內核進行適當的配置是一個量體裁衣的過程。由於2.6內核會根據本地系統配置進行初始設置,可以導入內核源碼默認s3c2410的配置文件,方便加載內核基本配置,然後再選擇所需選項。對MTD配置選擇支持MTD設備驅動以及NAND FLASH驅動;選擇支持要用到的各類文件系統(DEVFS、TMPFS、CRAMFS、YAFFS、EXT2、NFS)以及網絡設備和協議,本系統加載了網絡芯片CS8900以及USB支持;在H.264多媒體系統中還需要加載Frame buffer以支持LCD顯示功能。使用交叉編譯工具編譯內核源碼後, 會在arch/arm/boot/下生成名為zImage的內核映像,在Boot loader的命令提示模式下使用下載命令完成內核加載到開發板的存儲設備FLASH中。編譯過程(相對以前版本的編譯過程,2.6內核編譯有所簡化): make mrproper make menuconfig(字符界面,或者用make xconfig圖形界面,但需要Qt庫的支持,而make gconfig則需要GTK庫的支持) make make bzImage 2.4 文件系統 Linux采用文件系統組織系統中的文件和設備,為設備和用戶程序提供統一接口。Linux 支持多種文件系統,本系統使用CRAMFS格式的只讀根文件系統,而將FLASH中的USER區使用支持可讀寫的YA FFS文件系統格式,方便添加自己的應用程序。 在根文件系統中,為保護系統的基本設置不被更改,采用CRAMFS格式。采用DEVFS來實現基本設備的建立掛載,同時使用BusyBox也是一個縮小根文件系統的辦法,提供了系統的基本指令;還需要建立一些必備的目錄,添加所需配置文件,如fstab、inittab等;還有一個重要的工作就是添加系統應用必備的動態函數庫。使用生成工具mkcramfs 將整個根文件目錄裡的內容制作成映像文件。 mkcramfs rootfs rootfs.ramfs YAFFS文件系統格式的支持需要將驅動加入到內核代碼樹下fs/yaffs/,修改內核配置文件,就可以在內核編譯中加載對該文件系統的支持。使用mkyaffs工具將NAND FLASH分區格式化為YAFFS分區,將mkyaffsimage生成的應用程序鏡像燒寫進YAFFS分區,在啟動時通過寫入fstab自動加載YAFFS分區即可。 2.5 網絡設備驅動 系統中采用CS8900A的10M網絡芯片,它使用S3C2410的nGCS3和IRQ_EINT9,相應修改linux/arch/arm/mach-s3c2410/irq.c,並在mach-smdk2410.c的smdk2410_iodesc[]中增加{SMDK2410_ETH_IO,S3C2410_CS2, SZ_1M, MT_DEVICE},內核源碼中加入芯片的驅動程序drivers/net/arm/cs8900.h和cs8900.c,並且配置網絡設備驅動的Makefile和Kconfig文件,加入CS8900A的配置選項,這樣可以在內核編譯時加載網絡設備的驅動。 在Linux2.6應用的同時,也要看到其與以前版本內核比較存在的一些問題。在內核的編譯時間、內核鏡像大小、內核占用RAM空間大小、系統啟動時間相對Linux2.4而言都存在不同程度的不足,但在硬件條件日益進步的現今可以接受,而且一部分也是由於功能加強必然帶來的。雖然Linux並非一個真正的實時操作系統,但2.6內核的改進能夠滿足大部分的應用需求,所以Linux2.6內核將會在嵌入式系統領域大展身手。
