如何選擇一個(gè)合適的嵌入式操作系統(tǒng)

選擇一個(gè)合適的嵌入式操作系統(tǒng)，可以考慮以下幾個(gè)因素：

第一是應(yīng)用。如果你想開發(fā)的嵌入式設(shè)備是一個(gè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用密切相關(guān)或者就是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，那么你應(yīng)該選擇用嵌入式Linux或者uCLinux，而不是uC/OS-II。

第二是實(shí)時(shí)性。沒有一個(gè)絕對(duì)的數(shù)字可以告訴你什么是硬實(shí)時(shí)，什么是軟實(shí)時(shí)，他們之間的界限也是十分模糊的，這與你選擇什么樣的CPU，它的主頻、內(nèi)存等參數(shù)有一定關(guān)系。如果你使用加入實(shí)時(shí)補(bǔ)丁等技術(shù)的嵌入式Linux，如Monta Vista Linux(2.4.17版本)，最壞的情況只有436微秒，而99.9%的情況是195微秒以內(nèi)?？紤]到最新的Linux在實(shí)時(shí)性方面的改進(jìn)，它可以適合于90~95%的各種嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。當(dāng)然，你如果希望更快的實(shí)時(shí)響應(yīng)，如高速A/D轉(zhuǎn)換需要幾個(gè)微秒以內(nèi)的中斷延時(shí)，可能采用uC/OS-II是合適的。當(dāng)然，采用像Vxworks這樣傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)也可以滿足這樣的強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求。

Linux系統(tǒng)作為一個(gè)GPOS(通用操作系統(tǒng))發(fā)展至今已經(jīng)非常成熟可靠了，并且由于遵循GPL協(xié)議，開放所有系統(tǒng)源代碼，非常易于裁剪。更重要的是，與其他開源的GPOS或RTOS相比，Linux系統(tǒng)支持多種處理器、開發(fā)板，提供多種軟件開發(fā)工具，同時(shí)Linux系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)和圖形界面的支持非常出色。顯然，選擇Linux操作系統(tǒng)在產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本控制方面都有巨大優(yōu)勢。

Linux支持的硬件設(shè)備種類繁多。Linux支持非常多的應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。Linux的擴(kuò)展性很好，從小型的消費(fèi)電子產(chǎn)品到大型、笨重的電信級(jí)交換機(jī)和路由器都可以采用Linux。和傳統(tǒng)的專有嵌入式操作系統(tǒng)不同，部署Linux不需要繳納專利費(fèi)。Linux吸引了為數(shù)眾多的活躍的開發(fā)者，能很快支持新的硬件架構(gòu)、平臺(tái)和設(shè)備。越來越多的硬件和軟件廠商，包括幾乎所有的頂級(jí)芯片制造商和獨(dú)立軟件開發(fā)商，現(xiàn)在都支持Linux。

實(shí)時(shí)系統(tǒng)的典型定義如下：“所謂實(shí)時(shí)系統(tǒng)，就是系統(tǒng)中計(jì)算結(jié)果的正確性不僅取決于計(jì)算邏輯的正確性，還取決于產(chǎn)生結(jié)果的時(shí)間。如果完成時(shí)間不符合要求，則可以說系統(tǒng)發(fā)生了問題。”也就是說，不管實(shí)時(shí)應(yīng)用程序進(jìn)行的是何種任務(wù)，它不僅需要正確進(jìn)行該任務(wù)而且還必須及時(shí)完成它。

人們很容易對(duì)實(shí)時(shí)產(chǎn)生誤解，認(rèn)為實(shí)時(shí)即速度足夠快，實(shí)際上，實(shí)時(shí)并不意味著速度快。實(shí)時(shí)的關(guān)鍵在于保證完成時(shí)間，而不在于原始速度，因?yàn)樗俣刃阅芘c硬件相關(guān)，可以通過搭建快速硬件平臺(tái)(處理器、存儲(chǔ)器子系統(tǒng)等)來獲得所需的性能。而實(shí)時(shí)的行為是一個(gè)軟件問題，其目標(biāo)是讓關(guān)鍵的操作能夠在所保證的時(shí)間之內(nèi)完成。

實(shí)時(shí)進(jìn)程不會(huì)影響自己在執(zhí)行環(huán)境中的調(diào)度，反而是環(huán)境影響實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的調(diào)度。也就是說，實(shí)時(shí)進(jìn)程通常和某個(gè)物理事件相關(guān)聯(lián)，比如外圍設(shè)備的中斷。那么顯然，影響實(shí)時(shí)的原因在于中斷響應(yīng)延時(shí)，在Linux系統(tǒng)中可細(xì)分為中斷延時(shí)、中斷處理、調(diào)度延時(shí)。一般來說，針對(duì)用戶對(duì)超出時(shí)間限制所造成的影響的可接受程度，實(shí)時(shí)又可分為軟實(shí)時(shí)和硬實(shí)時(shí)。

大多數(shù)人都同意軟實(shí)時(shí)意味著操作有時(shí)間限制。如果超過了時(shí)間限制后操作還沒有完成的話，體驗(yàn)的質(zhì)量就會(huì)下降，但不會(huì)帶來致命后果。桌面工作站就是一個(gè)需要軟實(shí)時(shí)功能的絕好例子。編輯文檔時(shí)，你期望在按鍵之后立刻在屏幕上看到結(jié)果。在播放MP3文件時(shí)，你期望聽到?jīng)]有任何雜音、爆音或中斷的高品質(zhì)音樂。如果這些所謂的軟實(shí)時(shí)事件錯(cuò)過了時(shí)限，結(jié)果可能不盡如人意，并導(dǎo)致體驗(yàn)的質(zhì)量有所下降，但這并不是災(zāi)難性的。

硬實(shí)時(shí)的特點(diǎn)是錯(cuò)過時(shí)限會(huì)造成嚴(yán)重結(jié)果。在一個(gè)硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，如果錯(cuò)過了時(shí)限，后果往往是災(zāi)難性的。當(dāng)然，“災(zāi)難”是相對(duì)而言的。但如果你的嵌入式設(shè)備正在控制噴氣式飛機(jī)引擎的燃料流，而它沒有能夠及時(shí)響應(yīng)飛行員輸入的命令或操作特性的變化，致命后果就不可避免了。

這里，我們總結(jié)一下軟實(shí)時(shí)和硬實(shí)時(shí)的定義。對(duì)于軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)，如果錯(cuò)過了時(shí)限，系統(tǒng)的計(jì)算值或結(jié)果會(huì)不太理想。然而，對(duì)于硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)，如果錯(cuò)過了某個(gè)時(shí)限，系統(tǒng)就是失敗的，而且可能會(huì)造成災(zāi)難性的后果。

雖然Linux系統(tǒng)功能強(qiáng)大、實(shí)用性強(qiáng)、易于軟件的二次開發(fā)，并且提供編程人員熟悉的標(biāo)準(zhǔn)API。但是由于Linux系統(tǒng)一開始就被設(shè)計(jì)成GPOS(通用操作系統(tǒng))，它的目的是構(gòu)建一個(gè)完整、穩(wěn)定的開源操作系統(tǒng)，盡量縮短系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間，提高吞吐量，注重操作系統(tǒng)的整體功能需求，達(dá)到更好地平均性能。(在操作系統(tǒng)中，我們可以把吞吐量簡單的理解為在單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)能夠處理的事件總數(shù)。)

因此在設(shè)計(jì)Linux的進(jìn)程調(diào)度算法時(shí)主要考慮的是公平性，也就是說，調(diào)度器盡可能將可用的資源平均分配給所有需要處理器的進(jìn)程，并保證每個(gè)進(jìn)程都得以運(yùn)行。但這個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)是和實(shí)時(shí)進(jìn)程的需求背道而馳的，所以標(biāo)準(zhǔn)Linux并不提供強(qiáng)實(shí)時(shí)性。

Linux的系統(tǒng)進(jìn)程運(yùn)行分為用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)兩種模式。當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行在用戶態(tài)時(shí)，具有高的優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程可以搶占進(jìn)程，可以較好地完成任務(wù);但是當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)時(shí)，即使其他高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程也不能搶占該進(jìn)程。當(dāng)進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核態(tài)運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)任務(wù)必須等待系統(tǒng)調(diào)用返回后才能獲得系統(tǒng)資源。這和實(shí)時(shí)系統(tǒng)所要求的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)運(yùn)行是相互矛盾的。

當(dāng)然，這種情況在Linux2.6版本的內(nèi)核發(fā)布以來有了顯著改進(jìn)，Linux2.6版本后的內(nèi)核是搶占式的，這意味著進(jìn)程無論在處于內(nèi)核態(tài)還是用戶態(tài)，都可能被搶占。Linux2.6以后的內(nèi)核提供以下3種搶占模式供用戶選擇。

PREEMPT_NONE——沒有強(qiáng)制性的搶占。整體的平均延時(shí)較低，但偶爾也會(huì)出現(xiàn)一些較長的延時(shí)。它最適合那些以整體吞吐率為首要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的應(yīng)用。PREEMPT_VOLUNTARY——降低延時(shí)的第一階段。它會(huì)在內(nèi)核代碼的一些關(guān)鍵位置上放置額外的顯示搶占點(diǎn)，以降低延時(shí)。但這是以犧牲整體吞吐率為代價(jià)的。PREEMPT/PREEMPT_DESKTOP——這種模式使內(nèi)核在任何地方都是可搶占的，臨界區(qū)除外。這種模式適用于那些需要軟實(shí)時(shí)性能的應(yīng)用程序，比如音頻和多媒體。這也是以犧牲整體吞吐率為代價(jià)的。

Linux在進(jìn)行中斷處理時(shí)都會(huì)關(guān)閉中斷，這樣可以更快、更安全地完成自己的任務(wù)，但是在此期間，即使有更高優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)進(jìn)程發(fā)生中斷，系統(tǒng)也無法響應(yīng)，必須等到當(dāng)前中斷任務(wù)處理完畢。這種狀況下會(huì)導(dǎo)致中斷延時(shí)和調(diào)度延時(shí)增大，降低Linux系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

時(shí)鐘系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的重要組成部分，相當(dāng)于整個(gè)操作系統(tǒng)的脈搏。系統(tǒng)所能提供的最小時(shí)間間隔稱為時(shí)鐘粒度，時(shí)鐘粒度與進(jìn)程響應(yīng)的延遲性是正比關(guān)系，即粒度越粗糙，延遲性越長。但時(shí)鐘粒度并不是越小越好，就同等硬件環(huán)境而言，較小的時(shí)間粒度會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)開銷增大，降低整體吞吐率。在Linux2.6內(nèi)核中，時(shí)鐘中斷發(fā)生頻率范圍是50~1200Hz，周期不小于0.8ms，對(duì)于需要幾十微秒的響應(yīng)精度的應(yīng)用來說顯然不滿足要求。而在嵌入式Linux系統(tǒng)中，為了提高整體吞吐率，時(shí)鐘頻率一般設(shè)置為100HZ或250HZ。

Linux采用虛擬內(nèi)存技術(shù)，進(jìn)程可以運(yùn)行在比實(shí)際空間大得多的虛擬空間中。在分時(shí)系統(tǒng)中，虛擬內(nèi)存機(jī)制非常適用，然而對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)這是難以忍受的，頻繁的頁面換進(jìn)換出會(huì)使得系統(tǒng)進(jìn)程運(yùn)行無法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成。對(duì)于此問題，Linux系統(tǒng)提供內(nèi)存鎖定功能，以避免在實(shí)時(shí)處理中存儲(chǔ)頁被換出。

多個(gè)任務(wù)互斥地訪問同一共享資源時(shí)，需要防止數(shù)據(jù)遭到破壞，系統(tǒng)通常采用信號(hào)量機(jī)制解決互斥問題。然而，在采取基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，信號(hào)量機(jī)制容易造成優(yōu)先級(jí)倒置，即低優(yōu)先級(jí)任務(wù)占用高優(yōu)先級(jí)任務(wù)資源，導(dǎo)致高優(yōu)先級(jí)任務(wù)無法運(yùn)行。

雖然從2.6.12版本之后，Linux內(nèi)核已經(jīng)可以在較快的x86處理器上實(shí)現(xiàn)10毫秒以內(nèi)的軟實(shí)時(shí)性能。但如果想實(shí)現(xiàn)可預(yù)測、可重復(fù)的微秒級(jí)的延時(shí)，使Linux系統(tǒng)更好地應(yīng)用于嵌入式實(shí)時(shí)環(huán)境，則需要在保證Linux系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改造。下一節(jié)將介紹通過實(shí)時(shí)補(bǔ)丁來提高Linux實(shí)時(shí)性的方法。

對(duì)Linux內(nèi)核代碼進(jìn)行細(xì)微修改并不對(duì)內(nèi)核作大規(guī)模的變動(dòng)，在遵循GPL協(xié)議的情況下，直接修改內(nèi)核源代碼將Linux改造成一個(gè)完全可搶占的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。核心修改面向局部，不會(huì)從根本上改變Linux內(nèi)核，并且一些改動(dòng)還可以通過Linux的模塊加載來完成，即系統(tǒng)需要處理實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)加載該功能模塊，不需要時(shí)動(dòng)態(tài)卸載該模塊。

在配置已經(jīng)打過實(shí)時(shí)補(bǔ)丁的內(nèi)核代碼時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)丁添加了第4種搶占模式，稱為PREEMPT_RT(實(shí)時(shí)搶占)。實(shí)時(shí)補(bǔ)丁在Linux內(nèi)核中添加了幾個(gè)重要特性，包括使用可搶占的互斥量來替代自旋鎖;除了使用preempt_disable()保護(hù)的區(qū)域以外，內(nèi)核中的所有地方都開啟了非自愿式搶占(involuntary preemption)功能。這種模式能夠顯著降低抖動(dòng)(延時(shí)的變化)，并且使那些對(duì)延時(shí)要求很高的實(shí)時(shí)應(yīng)用具有可預(yù)測的較低延時(shí)。

這種方法存在的問題是：很難百分之百保證，在任何情況下，GPOS程序代碼絕不會(huì)阻礙RTOS的實(shí)時(shí)行為。也就是說，通過修改Linux內(nèi)核，難以保證實(shí)時(shí)進(jìn)程的執(zhí)行不會(huì)遭到非實(shí)時(shí)進(jìn)程所進(jìn)行的不可預(yù)測活動(dòng)的干擾。

實(shí)際上，雙內(nèi)核的設(shè)計(jì)緣由在于，人們不相信標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核可以在任何情況下兌現(xiàn)它的實(shí)時(shí)承諾，因?yàn)镚POS內(nèi)核本身就很復(fù)雜，更多的程序代碼通常會(huì)導(dǎo)致更多的不確定性，這樣將無法符合可預(yù)測性的要求。更何況Linux內(nèi)核極快的發(fā)展速度，使其會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)帶來很大的變化，直接修改Linux內(nèi)核源代碼的方法將難以保持同步。

雙內(nèi)核法是在同一硬件平臺(tái)上采用兩個(gè)相互配合，共同工作的系統(tǒng)核心，通過在Linux系統(tǒng)的最底層增加一層實(shí)時(shí)核心來實(shí)現(xiàn)。其中的一個(gè)核心提供精確的實(shí)時(shí)多任務(wù)處理，另一個(gè)核心提供復(fù)雜的非實(shí)時(shí)通用功能。

雙內(nèi)核方法的實(shí)質(zhì)是把標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核作為一個(gè)普通進(jìn)程在另一個(gè)內(nèi)核上運(yùn)行。關(guān)鍵的改造部分是在Linux和中斷控制器之間加一個(gè)中斷控制的仿真層，成為其實(shí)時(shí)內(nèi)核的一部分。該中斷仿真機(jī)制提供了一個(gè)標(biāo)志用來記錄Linux的關(guān)開中斷情況。一般只在修改核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵代碼時(shí)才關(guān)中斷，所以其中斷響應(yīng)很小。其優(yōu)點(diǎn)是可以做到硬實(shí)時(shí)，并且能很方便地實(shí)現(xiàn)一種新的調(diào)度策略。

為方便使用，實(shí)時(shí)內(nèi)核通常由一套可動(dòng)態(tài)載入的模塊提供，也可以像編譯任何一般的子系統(tǒng)那樣在Linux源碼樹中直接編譯。常用的雙內(nèi)核法實(shí)時(shí)補(bǔ)丁有RTLinux/GPL、RTAI 和 Xenomai，其中RTLinux/GPL只允許以內(nèi)核模塊的形式提供實(shí)時(shí)應(yīng)用;而RTAI和Xenomai支持在具有MMU保護(hù)的用戶空間中執(zhí)行實(shí)時(shí)程序。下面，我們將對(duì)RTAI與Xenomai進(jìn)行分析。

RTAI(Real-Time Linux Application interface)雖然實(shí)時(shí)性能較好，但對(duì)ARM支持不夠，更新速度極慢，造成項(xiàng)目開發(fā)周期長，研發(fā)成本高。與RTAI相比，Xenomai更加專注于用戶態(tài)下的實(shí)時(shí)性、提供多套與主流商業(yè)RTOS兼容的API以及對(duì)硬件的廣泛支持，在其之上構(gòu)建的應(yīng)用系統(tǒng)能保持較高實(shí)時(shí)性，而且穩(wěn)定性和兼容性更好;此外，Xenomai社區(qū)活躍，緊跟主流內(nèi)核更新，支持多種架構(gòu)，對(duì)ARM的支持很好。