實時操作系統從RTOS移植到實時Linux

　　在過去的10年中，Linux成功地取代了一些最主要的傳統RTOS平臺，成為了各種各樣的嵌入式設備和應用中首選的新的嵌入式操作系統。盡管一度曾被認為是不重要的平臺，但今天嵌入式Linux已經成為主流，并引領著如下重要應用領域的市場和設計份額：消費電子、移動和無線設備、數據聯網以及電信設備。

　　設計團隊越來越多地期望使用Linux作為標準的嵌入式操作系統。考慮Linux的種種原因包括：廣泛的硬件支持、更高的可靠性、更優異的性能、可擴展性以及更快的響應速度。不過，工程師在將基于傳統RTOS的設計移植到嵌入式Linux時會遇到幾大難題，因為Linux的架構和傳統RTOS有很大的不同。

　　移植的時機

　　隨著應用開發步伐的不斷加快和產品生命周期的不斷縮短，對于設計團隊而言，能夠將傳統軟件移植到這些新平臺上并重新使用是十分重要的。盡管嵌入式Linux有許多優勢，但是設計團隊在選擇從傳統的RTOS進行移植之前，必須考慮如下幾項因素：

　　● 內存占用量。嵌入式Linux沒有傳統RTOS那樣緊湊。因此，工程師必須確保設備有足夠的內存和閃存來應對Linux更大的內存占用量。

　　● 實時性考慮。嵌入式Linux可以實現50μs以下的響應時間。不過，這不一定能夠滿足項目需求，這一點有助于確定是否需要RTOS。

　　● 認證需求。期望轉換到嵌入式Linux的設計團隊應確保項目將仍然滿足業界特有的認證需求，例如安全認證或美國國防部認證。

　　移植路徑選擇

　　盡管移植過程中存在固有的難題，但從傳統RTOS到Linux的移植不需要轉彎抹角。工程師可以采用以下三種路徑將應用從傳統的RTOS移植到Linux。

　　仿真RTOS的API

　　第一種移植路徑是仿真傳統RTOS的API。為了使傳統RTOS應用能夠駐留并運行在Linux上，必須具備基于Linux的運行時服務于RTOS系統調用和其他API。許多（但并非全部）RTOS入口點和獨立編譯器庫例行程序都在Linux和glibc運行時庫中有原樣的類似程序。如果不存在類似程序，就必須有新的代碼介入來仿真缺失的功能。即使存在類似的API，可能也會出現參數類型和數量不同的情況。

圖1 在Linux上仿真RTOS

　　傳統RTOS可以實現數百種系統調用和庫API。例如，VxWorks文檔描述了超過一千種獨特的函數和子例程。實際應用只使用數十個獨特的RTOS API，而它們其余的操作都使用來自標準C/C++庫的調用函數。

　　為了仿真這些接口以用于移植，開發人員只需要RTOS調用的核心子集。許多OEM選擇自己建立和維護仿真輕量級庫，而其他OEM則使用來自供應商的更全面的商用庫。除了商用庫和自主開發之外，另一種選擇是一個叫做v2lin的開源項目，它可以仿真數十種常用的VxWorks API。此外，v2lin項目經過架構改造之后，可用于較新的兼容于POSIX的glibc版本。

　　使用虛擬化進行運行時劃分

　　對于期望采用Linux的工程師而言，虛擬化是另一種可行的移植路徑。虛擬化包括操作系統的駐留或者作為一個應用程序運行在另一個虛擬平臺之上，其中一部分系統軟件（運行在“裸機”之上或作為駐留的應用程序）可實現一個或多個“客戶”OS實例的執行。在企業級計算中，基于Linux的虛擬化技術是數據中心的主流功能，而且虛擬化也在嵌入式系統中找到了許多的應用。

　　嵌入式虛擬化要求將CPU、內存和其他資源進行劃分，以駐留RTOS以及一個或多個客戶“應用程序”操作系統（通常是Linux）來運行更高層次的軟件。

圖2 采用虛擬化劃分開的運行時

　　虛擬化可以通過允許RTOS應用程序和RTOS自身幾乎原樣地運行在新設計之中，而Linux則運行在自己的分區之中，以支持移植。這種方案適用于遺留代碼依賴于RTOS的API和RTOS的性能特點的情況，例如實時性能或協議棧的具體實現。

　　工程師可以使用虛擬化作為從遺留代碼向基于Linux的新設計過渡的簡短且可靠的橋梁。不過，這種策略可能需要成本。OEM需要支付傳統RTOS運行時的使用費，還需要與VM供應商談判商用許可證。

圖3 RTOS的本地端口

　　逐步將應用移植到Linux

　　仿真和虛擬化可以提供直接明了的移植路徑來進行原型制作、開發、甚至是對運行在Linux上的傳統RTOS應用進行部署。但是，它們的缺點是需要額外的代碼，并會涉及基礎設施和許可費用。相反，在Linux實現“本地化”就能降低復雜度，簡化許可程序，并增強可移植性和性能。

圖4 將RTOS任務映射為Linux線程

　　當設計團隊首次動手處理移植項目時，他們往往會選擇仿真和虛擬化技術。隨著他們不斷學習并更加熟悉Linux的開發工具和運行時屬性，OEM可以逐步地重新建造傳統應用，以實現本地Linux執行。

　　一種方法是選擇單個傳統程序進行本地移植，并將它們駐留在獨立的Linux進程中。在軟件顯示出其對其他子系統有著極小或者正常依賴性的情況下，這種技術最為適用。另一種明智的做法是，即使在部署仿真或虛擬化的時候也只將新的功能以本地代碼的形式來實現。

　　重要的一點是，要注意到這種選擇并不一定是相互排斥的。例如，設計團隊可以每次選擇一個關鍵的傳統程序，逐步地將傳統應用改造為本地Linux執行，然后將它們放入單獨的Linux進程中，而新功能只以本地代碼方式來實現。