嵌入式Linux設(shè)計(jì):內(nèi)核分析

Linux 內(nèi)核提供對(duì)內(nèi)存管理、進(jìn)程間通信機(jī)制、中斷管理和 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)的支持。目錄結(jié)構(gòu)將依賴(lài)于架構(gòu)的代碼分開(kāi)，允許使用基本算法和特定平臺(tái)的特定代碼調(diào)用具有更高的可靠性。它允許以相當(dāng)直接的方式添加對(duì)特定于設(shè)備的功能的支持。大多數(shù)桌面 Linux 供應(yīng)商都將內(nèi)核作為其發(fā)行版的一部分提供。此類(lèi)內(nèi)核包括對(duì)現(xiàn)代計(jì)算系統(tǒng)中可用的各種硬件設(shè)備的支持。許多這些功能都內(nèi)置在運(yùn)行時(shí)可加載模塊中，這是用于檢測(cè)硬件設(shè)備的各種自動(dòng)化工具所必需的。這種方法允許 Linux 供應(yīng)商使用單個(gè)預(yù)編譯內(nèi)核包來(lái)支持廣泛的系統(tǒng)。與臺(tái)式機(jī)、服務(wù)器或企業(yè)對(duì)應(yīng)物不同，嵌入式 Linux 系統(tǒng)通常沒(méi)有默認(rèn)內(nèi)核。造成這種情況的原因是多方面的，例如通用內(nèi)核無(wú)法管理一些定制的嵌入式系統(tǒng)，以及使內(nèi)核配置盡可能簡(jiǎn)單。更簡(jiǎn)單的配置更容易定義，并且通常需要更小的資源占用。像任何開(kāi)源項(xiàng)目一樣，內(nèi)核不斷發(fā)展，新硬件的模塊更新是主要變化。Linux 系統(tǒng)支持目前市場(chǎng)上的大部分 PC 硬件，其靈活的開(kāi)放代碼使其可編輯并適應(yīng)各種定制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的靈活性非常適合工業(yè)管理和控制各個(gè)領(lǐng)域的嵌入式技術(shù)。或企業(yè)同行，嵌入式 Linux 系統(tǒng)通常沒(méi)有默認(rèn)內(nèi)核。造成這種情況的原因是多方面的，例如通用內(nèi)核無(wú)法管理一些定制的嵌入式系統(tǒng)，以及使內(nèi)核配置盡可能簡(jiǎn)單。更簡(jiǎn)單的配置更容易定義，并且通常需要更小的資源占用。像任何開(kāi)源項(xiàng)目一樣，內(nèi)核不斷發(fā)展，新硬件的模塊更新是主要變化。Linux 系統(tǒng)支持目前市場(chǎng)上的大部分 PC 硬件，其靈活的開(kāi)放代碼使其可編輯并適應(yīng)各種定制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的靈活性非常適合工業(yè)管理和控制各個(gè)領(lǐng)域的嵌入式技術(shù)。或企業(yè)同行，嵌入式 Linux 系統(tǒng)通常沒(méi)有默認(rèn)內(nèi)核。造成這種情況的原因是多方面的，例如通用內(nèi)核無(wú)法管理一些定制的嵌入式系統(tǒng)，以及使內(nèi)核配置盡可能簡(jiǎn)單。更簡(jiǎn)單的配置更容易定義，并且通常需要更小的資源占用。像任何開(kāi)源項(xiàng)目一樣，內(nèi)核不斷發(fā)展，新硬件的模塊更新是主要變化。Linux 系統(tǒng)支持目前市場(chǎng)上的大部分 PC 硬件，其靈活的開(kāi)放代碼使其可編輯并適應(yīng)各種定制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的靈活性非常適合工業(yè)管理和控制各個(gè)領(lǐng)域的嵌入式技術(shù)。造成這種情況的原因是多方面的，例如通用內(nèi)核無(wú)法管理一些定制的嵌入式系統(tǒng)，以及使內(nèi)核配置盡可能簡(jiǎn)單。更簡(jiǎn)單的配置更容易定義，并且通常需要更小的資源占用。像任何開(kāi)源項(xiàng)目一樣，內(nèi)核不斷發(fā)展，新硬件的模塊更新是主要變化。Linux 系統(tǒng)支持目前市場(chǎng)上的大部分 PC 硬件，其靈活的開(kāi)放代碼使其可編輯并適應(yīng)各種定制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的靈活性非常適合工業(yè)管理和控制各個(gè)領(lǐng)域的嵌入式技術(shù)。造成這種情況的原因是多方面的，例如通用內(nèi)核無(wú)法管理一些定制的嵌入式系統(tǒng)，以及使內(nèi)核配置盡可能簡(jiǎn)單。更簡(jiǎn)單的配置更容易定義，并且通常需要更小的資源占用。像任何開(kāi)源項(xiàng)目一樣，內(nèi)核不斷發(fā)展，新硬件的模塊更新是主要變化。Linux 系統(tǒng)支持目前市場(chǎng)上的大部分 PC 硬件，其靈活的開(kāi)放代碼使其可編輯并適應(yīng)各種定制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的靈活性非常適合工業(yè)管理和控制各個(gè)領(lǐng)域的嵌入式技術(shù)。以及使內(nèi)核配置盡可能簡(jiǎn)單。更簡(jiǎn)單的配置更容易定義，并且通常需要更小的資源占用。像任何開(kāi)源項(xiàng)目一樣，內(nèi)核不斷發(fā)展，新硬件的模塊更新是主要變化。Linux 系統(tǒng)支持目前市場(chǎng)上的大部分 PC 硬件，其靈活的開(kāi)放代碼使其可編輯并適應(yīng)各種定制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的靈活性非常適合工業(yè)管理和控制各個(gè)領(lǐng)域的嵌入式技術(shù)。以及使內(nèi)核配置盡可能簡(jiǎn)單。更簡(jiǎn)單的配置更容易定義，并且通常需要更小的資源占用。像任何開(kāi)源項(xiàng)目一樣，內(nèi)核不斷發(fā)展，新硬件的模塊更新是主要變化。Linux 系統(tǒng)支持目前市場(chǎng)上的大部分 PC 硬件，其靈活的開(kāi)放代碼使其可編輯并適應(yīng)各種定制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的靈活性非常適合工業(yè)管理和控制各個(gè)領(lǐng)域的嵌入式技術(shù)。Linux 系統(tǒng)支持目前市場(chǎng)上的大部分 PC 硬件，其靈活的開(kāi)放代碼使其可編輯并適應(yīng)各種定制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的靈活性非常適合工業(yè)管理和控制各個(gè)領(lǐng)域的嵌入式技術(shù)。Linux 系統(tǒng)支持目前市場(chǎng)上的大部分 PC 硬件，其靈活的開(kāi)放代碼使其可編輯并適應(yīng)各種定制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的靈活性非常適合工業(yè)管理和控制各個(gè)領(lǐng)域的嵌入式技術(shù)。

內(nèi)核選擇

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要與所選操作系統(tǒng)兼容的硬件——在這種情況下是 Linux。分發(fā)的選擇涉及各種修改和基本配置，以使其適應(yīng)所需的功能。當(dāng)您開(kāi)始使用 Linux 時(shí)，可以從官方網(wǎng)站http://www.kernel.org/（內(nèi)核上游）下載多個(gè)內(nèi)核。有各種適當(dāng)日期的版本旨在用于 Linux 系統(tǒng)的各種發(fā)行版。較舊的系列（例如 2.4 版本）仍在許多設(shè)備中使用，并且有時(shí)會(huì)使用維護(hù)版本進(jìn)行更新。

嵌入式設(shè)備的 Linux 內(nèi)核開(kāi)發(fā)傾向于根據(jù)所討論的處理器架構(gòu)進(jìn)行劃分。例如，Russell King 帶領(lǐng)一群開(kāi)發(fā)人員積極為基于 ARM 的設(shè)備開(kāi)發(fā) Linux（通過(guò)網(wǎng)站 http://www.arm.linux.org.uk）。ARM 開(kāi)發(fā)人員將他們的工作基于原始 Linux 內(nèi)核并為 ARM 開(kāi)發(fā)特定補(bǔ)丁。這些源代碼補(bǔ)丁允許新的硬件支持并修復(fù)影響上游內(nèi)核中 ARM 架構(gòu)的現(xiàn)有錯(cuò)誤。有時(shí)，這些補(bǔ)丁會(huì)通過(guò)自動(dòng)化過(guò)程包含在各種內(nèi)核中。
Linux 2.4 內(nèi)核無(wú)疑不再與新的嵌入式項(xiàng)目相關(guān)，因?yàn)樗缫驯?a href="http://www.ttokpm.com/article/bbs/" target="_blank">最新版本 2.6 所取代。雖然 2.6 系列內(nèi)核以其對(duì)大型服務(wù)器的增強(qiáng)而聞名，但它還為資源受限的嵌入式設(shè)備添加了一組豐富的配置選項(xiàng)。

盡管使用 2.6 內(nèi)核有很多好處，但它還是花了很長(zhǎng)時(shí)間才成為新嵌入式系統(tǒng)的主要內(nèi)容。目前使用的是2.6以后的新版本，內(nèi)核版本的選擇取決于應(yīng)用、硬件和成本等諸多因素。新版本可能并不總是一個(gè)好的選擇。

Linux 內(nèi)核的主流 2.6 系列一般可從 kernel.org 獲得。有兩種方法可以獲取此內(nèi)核的源代碼：

• 作為存檔，可以從中解壓縮特定的內(nèi)核版本。這些版本是獨(dú)立的并發(fā)布用于開(kāi)發(fā)。例如，您可以在名為 linux-2.6.20.tar.bz2 的文件中獲取 2.6.20 內(nèi)核版本。
• 使用軟件配置管理 (SCM) 工具，跟蹤開(kāi)發(fā)以及其他官方版本。您還可以使用各種工具查看內(nèi)核更改，例如 gtik 圖形變更集監(jiān)控工具，可讓您跟蹤每天的開(kāi)發(fā)。

對(duì)于新的嵌入式項(xiàng)目，通常首選官方內(nèi)核版本；所有開(kāi)發(fā)人員的總體目標(biāo)是在更高版本的官方內(nèi)核中進(jìn)行更改，以便它們可以立即用于未來(lái)的項(xiàng)目。傳統(tǒng)上，嵌入式開(kāi)發(fā)人員會(huì)選擇特定版本的 Linux 內(nèi)核并堅(jiān)持使用它，直到需要進(jìn)行極端更改。
Linux 內(nèi)核是搶占式多任務(wù)處理。這意味著內(nèi)核會(huì)暫停一些任務(wù)，以確保每個(gè)應(yīng)用程序都可以使用 CPU。例如，如果一個(gè)應(yīng)用程序正在運(yùn)行但正在等待一些數(shù)據(jù)，內(nèi)核將暫停該應(yīng)用程序以允許另一個(gè)程序使用 CPU 資源。否則，系統(tǒng)可能會(huì)在等待數(shù)據(jù)或其他程序運(yùn)行的任務(wù)上浪費(fèi)資源。然后內(nèi)核將強(qiáng)制程序等待或停止使用 CPU。

Linux 內(nèi)核是可移植的。可移植性是使 Linux 流行并適用于各種處理器和系統(tǒng)的最佳特性之一。一些受支持的處理器類(lèi)型包括 AMD、ARM、Intel 等。

Linux 內(nèi)核架構(gòu)

盡管版本不同，Linux 內(nèi)核的基本架構(gòu)（圖 1 和圖 2）仍然保持不變。它基于兩個(gè)級(jí)別的區(qū)別：內(nèi)核空間和用戶(hù)空間。程序駐留在用戶(hù)空間中，而內(nèi)核駐留在內(nèi)核空間中。Kernel可以分為三個(gè)子層次：系統(tǒng)調(diào)用（讀、寫(xiě)）、不依賴(lài)于架構(gòu)的內(nèi)核代碼和依賴(lài)于系統(tǒng)架構(gòu)的代碼（Board Support Package，BSP）。其架構(gòu)可分為以下子系統(tǒng)：

• 硬件抽象層 (HAL)
• 內(nèi)存管理器
• 調(diào)度器
• 文件系統(tǒng)
• I/O 子系統(tǒng)（輸入/輸出）
• 網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)
• 工業(yè)PC

硬件抽象層 (HAL) 將平臺(tái)的硬件虛擬化，以便可以輕松地將不同的驅(qū)動(dòng)程序移植到任何硬件上。HAL 等效于大多數(shù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS) 上可用的 BSP，除了商業(yè) RTOS 上的 BSP 通常具有允許輕松移植的標(biāo)準(zhǔn) API。HAL 支持以下硬件組件：處理器、緩存和 MMU、內(nèi)存映射設(shè)置、中斷處理、DMA 支持、總線(xiàn)管理和電源管理。

圖 1：系統(tǒng)中的 Linux 內(nèi)核

圖 2：Linux 內(nèi)核，一般布局

在嵌入式系統(tǒng)中，板卡支持包 (BSP) 是用于為給定板卡實(shí)現(xiàn)特定功能的代碼，符合給定操作系統(tǒng)。它通常使用引導(dǎo)加載程序構(gòu)建，其中包含對(duì)加載板上所有設(shè)備的操作系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的最低支持。

內(nèi)存管理器負(fù)責(zé)控制對(duì)硬件內(nèi)存資源的訪問(wèn)，并為內(nèi)核子系統(tǒng)（如驅(qū)動(dòng)程序、文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)堆棧）提供動(dòng)態(tài)內(nèi)存。

Linux 調(diào)度程序提供多任務(wù)處理能力，并隨著內(nèi)核版本的發(fā)展而發(fā)展，目標(biāo)是提供確定性的進(jìn)程調(diào)度策略。在 Linux 上，各種文件系統(tǒng)由稱(chēng)為 VFS 或虛擬文件系統(tǒng)的層管理，它為存儲(chǔ)在系統(tǒng)中各種設(shè)備上的數(shù)據(jù)提供一致的視圖。

任何 Linux 設(shè)備，無(wú)論是嵌入式系統(tǒng)還是服務(wù)器，都需要至少一個(gè)文件系統(tǒng)。對(duì)文件系統(tǒng)的需求源于所有低級(jí)設(shè)備都可以作為文件訪問(wèn)的事實(shí)。

Linux I/O 子系統(tǒng)為設(shè)備提供了一個(gè)簡(jiǎn)單而統(tǒng)一的接口。支持三種類(lèi)型的設(shè)備：

• 字符設(shè)備
• 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備
• 塊設(shè)備

Linux 最大的優(yōu)勢(shì)之一是它對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的強(qiáng)大支持。Linux 上的進(jìn)程間通信包括信號(hào)（用于異步通信）、管道、套接字以及 System V IPC 機(jī)制，例如共享內(nèi)存和消息隊(duì)列。

直接訪問(wèn)硬件通常非常復(fù)雜，內(nèi)核實(shí)現(xiàn)硬件抽象，例如上述硬件抽象層。這些抽象的目標(biāo)是提供統(tǒng)一的接口，以簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)人員的工作。作為 HAL 的一個(gè)功能，內(nèi)核可以分為三大類(lèi)：

• 單片內(nèi)核：直接實(shí)現(xiàn)完整的硬件抽象。
• 微內(nèi)核：為更強(qiáng)大的功能提供一組狹窄的抽象和實(shí)現(xiàn)軟件。
• 混合內(nèi)核：類(lèi)似于微內(nèi)核，增加了一些特性來(lái)提高性能。

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?　　審核編輯：湯梓紅