Linux操作系統的嵌入式領域面臨新挑戰

與在服務器和桌面系統的風風火火比較起來，Linux在嵌入式領域似乎總是不溫不火，是生不逢時，還是另有隱情？

最近幾年，Linux操作系統在桌面和服務器系統等領域的應用取得了很大的成功。它的存在已經對這些領域中的傳統霸主，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銷和更高的應用性能：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遠遠超過了同等價位的運行著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主要原因在于它是一個開放源碼的系統軟件，Linux用戶可以享受到世界各地Linux愛好者提供的支持。

就在Linux系統在桌面和服務器領域應用風頭正勁的時候，業界內外普遍地認為Linux也會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，現實中的情形遠沒有那么樂觀。那些為桌面和服務器系統提供Linux操作系統軟件的開發商們并不熱衷于將Linux引入到嵌入式系統領域。而其他的一些已經在嵌入式Linux領域開拓市場的公司，比如Lineo和MontaVista，也一直沒有獲得穩定的收益。為什么Linux沒有能夠在嵌入式領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，而且都很關鍵。我們在這里先討論幾個最重要的問題，這些問題已經足夠體現出Linux系統在嵌入式系統領域所面臨的挑戰。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）

●線程響應時間(threadresponsetime)

●調度策略（scheduling）

●設備驅動程序

●可靠性和安全性

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

技術挑戰

中斷延遲

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

中斷延遲是指從產生中斷請求到相應中斷服務程序的第一條指令被執行之間的這段時間。由于中斷具備有優先級而且可以嵌套產生，因此可以測知優先級最高的中斷在執行時的延遲時間。測試表明，產生中斷延遲的原因除了處理器響應時間外，更重要的是操作系統往往會大大增加中斷被延遲的時間。在操作系統運行過程中，存在著一些關鍵的操作。這些操作在執行時，操作系統會禁止在其間插入任何中斷。因此如果一個中斷請求在操作系統禁止中斷的這段時間里產生，那么對它的處理就會始終保持在掛起狀態，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鍵操作中的指令序列在中斷請求產生后繼續執行的時間緊密相關。

實時系統就是要確保系統中的關鍵事件能夠在限定的時間段內被處理。操作系統開發商會提供給用戶一個表示中斷延遲的數值以體現產品的實時性能。這個數值是在實驗室環境下測得的，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。但在實際應用過程中，最壞情況下的延遲中斷才是用戶最需要考慮的。那么如何才能得到這個數值呢？瑞典的一個研究小組對操作系統中禁止中斷產生的代碼區域進行分析，試圖用這種方法對當前一款商業化的實時操作系統進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的程序流分析方法來確定操作系統中所有的關鍵操作（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才能確定，所以研究人員不能用靜態分析的方法得到關鍵操作的執行情況。還有一些其他的程序流問題，比如關鍵操作序列的嵌套出現等等，也阻礙了研究的進展。最終據研究人員估測，大概只有一半數目的“禁止插入中斷”的關鍵操作區域能夠被確定，而另一半大約有600個區域會對中斷響應時間產生未知的影響。

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