高手進階2.6內核的Linux嵌入式系統(tǒng)應用

操作系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗要求嚴格的專用計算機系統(tǒng)——嵌入式操作系統(tǒng)隨之延生。

Linux 操作系統(tǒng)是一種性能優(yōu)良、源碼公開且被廣泛應用的免費操作系統(tǒng),由于其體積小、可裁減、運行速度高、良好的網(wǎng)絡性能等優(yōu)點,可以作為嵌入式操作系統(tǒng)。隨著2.6內核的發(fā)布,Linux向現(xiàn)有主流的RTOS提供商在嵌入式系統(tǒng)市場提出了巨大挑戰(zhàn),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(tǒng)。

Linux的低成本和開放性,為其在嵌入式系統(tǒng)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(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(tǒng)。

1 Linux 2.6內核針對嵌入式開發(fā)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 并不是一個真正的實時操作系統(tǒng),但其改進的特性能夠滿足響應需求。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(yè)服務器以及嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng),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(包括通過系統(tǒng)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(tǒng)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(xù)運行。這樣做最主要的優(yōu)勢是極大地增強系統(tǒng)的用戶交互性。

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,允許調度程序中止當前進程而調用更高優(yōu)先級的進程,通過對搶占點的測試避免不合理的系統(tǒng)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(shù)據(jù)結構和狀態(tài)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(tǒng)的實時響應性,而2.6內核可以編譯無虛擬內存系統(tǒng)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(zhí)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開發(fā)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(zhí)行得極其出色,并且當有很多處理器并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,并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(shù)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并根據(jù)其優(yōu)先級轉到過期隊列中?；顒雨犃兄腥蝿杖空{度結束后,兩個隊列指針互換,過期隊列成為當前隊列,調度程序繼續(xù)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(tǒng)調用來決定一個線程阻塞或是繼續(xù)執(zhí)行來實現(xiàn)互斥,在線程繼續(xù)執(zhí)行時,這個費時的系統(tǒng)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(zhí)行系統(tǒng)調用終止線程。它同樣采用調度優(yōu)先級來確定將要執(zhí)行的進程4>。 多處理器嵌入式系統(tǒng)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(yōu)先級,在很大程度上限制了系統(tǒng)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(jù)處理器和內存的拓撲布局,在發(fā)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

新的線程模型基于一個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,并且可以攜帶線程間或處理器間的通信信息。嵌入式系統(tǒng)要求系統(tǒng)按時間表執(zhí)行任務,POSIX timer可以提供1kHz的觸發(fā)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(jīng)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。