術(shù)語(yǔ)“嵌入式 Linux”屬于嵌入式系統(tǒng)中使用的發(fā)行版類別，即專門的電子設(shè)備，它們是要控制的更大系統(tǒng)的一部分，為特定應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，并由定制的硬件平臺(tái)支持。這些系統(tǒng)的主要特性在閃存、主存儲(chǔ)器和引導(dǎo)時(shí)間方面對(duì)操作系統(tǒng)施加了限制。在第一篇文章中，我們將通過對(duì)商業(yè)發(fā)行版的概述來分解一般特性；在接下來的文章中，我們將專注于設(shè)計(jì)和測(cè)試的技術(shù)方面，最終目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)真正的嵌入式發(fā)行版。

嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)代表集成到更復(fù)雜系統(tǒng)中的信息處理子系統(tǒng)；其中一些包括操作系統(tǒng)，而另一些則高度專業(yè)化，可以作為單個(gè)程序?qū)崿F(xiàn)，并且可能包括實(shí)時(shí)軟件。一個(gè)典型的嵌入式系統(tǒng)如圖 1 所示。

圖 1：典型的嵌入式系統(tǒng)

圖 2：嵌入式系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器

嵌入式系統(tǒng)提供多種功能（圖 2），包括：

從輸入傳感器讀取數(shù)據(jù)

生成命令并將其傳輸?shù)綀?zhí)行器

通過執(zhí)行數(shù)據(jù)壓縮或解壓縮將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為特定格式

此外，嵌入式系統(tǒng)可以概括為三個(gè)層次：

軟件應(yīng)用層（包含所有用戶程序）

軟件系統(tǒng)級(jí)別（包含操作系統(tǒng)和所有應(yīng)用程序，以便能夠與外圍設(shè)備進(jìn)行查詢和通信）

硬件級(jí)別（代表系統(tǒng)的物理部分）

嵌入式 Linux 發(fā)行版的特點(diǎn)

Linux 是一種兼容 Unix 的開源操作系統(tǒng)，在嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)上非常流行。它具有多任務(wù)處理能力和先進(jìn)的編程接口。基本上，嵌入式 Linux 由三個(gè)主要模塊組成：引導(dǎo)加載程序、內(nèi)核和根文件系統(tǒng)。

Linux 簡(jiǎn)潔優(yōu)雅的設(shè)計(jì)提供了耐用性和良好的性能，而其開源許可證允許您根據(jù)需要修改源代碼。Linux 帶來了一些有用的優(yōu)勢(shì)：

免費(fèi)源代碼和開發(fā)工具的可用性

POSIX 標(biāo)準(zhǔn)支持以提高不同系統(tǒng)之間的可移植性

廣泛的操作系統(tǒng)服務(wù)，包括網(wǎng)絡(luò)支持

構(gòu)成嵌入式 Linux 系統(tǒng)的組件如下：

引導(dǎo)加載程序，將內(nèi)核從非易失性存儲(chǔ)器加載到 RAM 中并運(yùn)行它

內(nèi)核，控制硬件和進(jìn)程的軟件

根文件系統(tǒng)，包含內(nèi)核執(zhí)行的程序的文件夾，存在于所有 Linux 發(fā)行版中

由用戶創(chuàng)建并由系統(tǒng)運(yùn)行的應(yīng)用程序；所有這些組件相互作用以執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)行所需的任務(wù)

Linux中的系統(tǒng)內(nèi)存可以分為兩個(gè)區(qū)域：用戶空間和內(nèi)核。用戶空間是用戶可以運(yùn)行應(yīng)用程序的地方（由不屬于內(nèi)核的進(jìn)程組成，例如文字處理器、游戲等），并按照時(shí)分機(jī)制進(jìn)行組織。每個(gè)活動(dòng)都分配給與要執(zhí)行的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)相關(guān)的時(shí)間量。另一方面，內(nèi)核空間是內(nèi)核（操作系統(tǒng)的核心）運(yùn)行并提供服務(wù)的地方。

除了時(shí)分機(jī)制之外，Linux 還附帶了兩種用于實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的額外調(diào)度算法：FIFO 和循環(huán)。循環(huán)是進(jìn)程和網(wǎng)絡(luò)調(diào)度程序使用的算法之一。另一方面，F(xiàn)IFO 方法按順序安排任務(wù)，其中請(qǐng)求在內(nèi)核中執(zhí)行。如果在執(zhí)行過程中發(fā)生中斷，內(nèi)核將被迫停止 FIFO 執(zhí)行并啟動(dòng)中斷服務(wù)程序。

嵌入式設(shè)備一直用于工業(yè)應(yīng)用，隨著時(shí)間的推移，開發(fā)工具不斷演變，從匯編編程轉(zhuǎn)向 C 編程。

在嵌入式系統(tǒng)中使用 Linux 既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。顯然，這取決于您要開發(fā)的應(yīng)用程序的類型，最重要的是，取決于所需的功能。我們來分析幾點(diǎn)：

標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)：Linux 設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)可以很容易地導(dǎo)出到嵌入式環(huán)境中。

多任務(wù)系統(tǒng)：這允許您在一臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行多個(gè)程序，確保更高的代碼清潔度和易于維護(hù)。

開發(fā)工具：在進(jìn)入嵌入式環(huán)境之前可以進(jìn)行許多測(cè)試和檢查，調(diào)試的可能性更大。

驅(qū)動(dòng)程序：有許多可訪問的驅(qū)動(dòng)程序可顯著節(jié)省軟件開發(fā)時(shí)間。

硬件資源：操作系統(tǒng)需要的資源比為其量身定制的系統(tǒng)所需的資源要多得多，但隨著市場(chǎng)趨勢(shì)，這些資源可以輕松且經(jīng)濟(jì)地獲取。

實(shí)時(shí)：應(yīng)用程序需要管理實(shí)時(shí)事件。Linux 系統(tǒng)需要更改，我們將在下一段中分析。

在為嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)建 Linux 發(fā)行版時(shí)，一個(gè)反復(fù)出現(xiàn)的問題是您正在使用的 CPU 系列，與普通個(gè)人計(jì)算機(jī)不同，這些 CPU 通常不是 x86。為了克服這個(gè)問題，使用了所謂的交叉編譯；即用交叉編譯器編譯程序，在與編譯所在機(jī)器不同架構(gòu)的計(jì)算機(jī)上獲得可執(zhí)行文件。

Linux 和實(shí)時(shí)

實(shí)時(shí)系統(tǒng)旨在滿足時(shí)間限制，以避免嚴(yán)重的操作后果。可以定義兩種類型的實(shí)時(shí)系統(tǒng)：

軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)：不太嚴(yán)格的時(shí)間限制（網(wǎng)絡(luò)上計(jì)算機(jī)時(shí)間的調(diào)節(jié)）

硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)：非常嚴(yán)格的時(shí)間限制；如果不尊重，控制系統(tǒng)可能會(huì)變得危險(xiǎn)（干預(yù)醫(yī)院的患者管理系統(tǒng)）

Linux 標(biāo)準(zhǔn)的當(dāng)前開發(fā)版本可用于軟實(shí)時(shí)應(yīng)用程序。

硬實(shí)時(shí)應(yīng)用需要嚴(yán)格的確定性和快速的時(shí)序。適用于此類應(yīng)用程序的 Linux 實(shí)時(shí)變體自 1997 年以來就出現(xiàn)了，新墨西哥理工大學(xué)、米蘭理工大學(xué)和堪薩斯大學(xué)的研究小組已經(jīng)制作了廣泛分布的開源版本，并已成功實(shí)施。

有兩種基本方法可以修改標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核以提供實(shí)時(shí)響應(yīng)。這些中的每一個(gè)都作為標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核的補(bǔ)丁分發(fā)：

微內(nèi)核：這種方法需要在硬件和標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核之間插入一個(gè)新的、高效的代碼層。額外的代碼層，即微內(nèi)核，負(fù)責(zé)所有實(shí)時(shí)功能，包括中斷和調(diào)度。這個(gè)微內(nèi)核將標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核作為后臺(tái)任務(wù)處理。另一個(gè)代碼層納米內(nèi)核 (ADEOS) 僅處理中斷。

IEEE 1003.1d 內(nèi)核：第二種方法是在標(biāo)準(zhǔn) Linux 內(nèi)核框架內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì) POSIX 的實(shí)時(shí)擴(kuò)展。這些擴(kuò)展將計(jì)時(shí)器、編程和搶占式邏輯直接添加到單個(gè)單片內(nèi)核中。

最新開發(fā)版本中的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核顯示延遲（輸入到達(dá)系統(tǒng)與其輸出可用時(shí)刻之間的時(shí)間）和抖動(dòng)（信號(hào)的噪聲變化）約為 1 ms。Linux 的實(shí)時(shí)版本在數(shù)百兆赫的處理器上運(yùn)行時(shí)具有大約幾微秒的延遲和抖動(dòng)。

憑借這些性能水平，以及開放源代碼分發(fā)帶來的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性優(yōu)勢(shì)，Linux 的實(shí)時(shí)版本越來越受到政府和行業(yè)以及大學(xué)的歡迎。

　　審核編輯：湯梓紅