PC硬件使用的增加是近年來(lái)高端嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)最重要的發(fā)展。由于這個(gè)趨勢(shì)，嵌入式系統(tǒng)的硬件成本大大地下降了，然而應(yīng)用于嵌入式PC平臺(tái)的軟件系統(tǒng)卻沒(méi)有太多的選擇。

　　目前嵌入式操作系統(tǒng)主要有Palm OS，WindowsCE，EPOC，LinuxCE，QNX．ECOS，LYNX等，但這些系統(tǒng)一般都價(jià)格昂貴、不具有良好的可移植性。由于linux具有適應(yīng)于多種CPU和多種硬件平臺(tái)、性能穩(wěn)定、裁剪性能好，開(kāi)發(fā)和使用都很容易等特點(diǎn)，越來(lái)越多的人傾向于將Linux嵌入到移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)、信息家電、媒體手機(jī)及其它產(chǎn)品中去。這同時(shí)也對(duì)Linux的實(shí)時(shí)性提出了更高的要求。

　　我們參加開(kāi)發(fā)的上海數(shù)字技術(shù)中心的電子警察系統(tǒng)就是這樣一個(gè)基于PC平臺(tái)的嵌入式系統(tǒng)。它的主要功能是安裝在十字路口上監(jiān)視闖紅燈的汽車(chē)，錄制這些鏡頭，并適時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳回總監(jiān)控中心。該系統(tǒng)原來(lái)采用Vxworks作為運(yùn)作平臺(tái)，然而由于Vxworks的昂貴，且只能安裝一臺(tái)機(jī)器，因此將Linux改制成嵌入式的、具有一定實(shí)時(shí)性的系統(tǒng)平臺(tái)。

　　1 硬件需求

　　考慮到實(shí)際的系統(tǒng)功能和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難度，我們決定選擇X86體系作為平臺(tái)，底板采PCM-5864/L板，CPU選擇Intel的P55C系列，同時(shí)它也支持PC104接口。I/O方面，PCM-5864/L支持EIDE、FDD、Keyboard、Mouse、RS-232、USB等接口，同時(shí)也集成了10Mbps/l00Mbps網(wǎng)卡。另外PCM-5864/L還集成了顯卡，并提供36位TTL的LCD接口、LVDS接口和Video-in/TV-out接口。由于電子磁盤(pán)體積小、抗震性能也較好的特點(diǎn)，我們選用M-Systems公司的DiskOnChip2000作為存儲(chǔ)設(shè)備，這樣比較適合該系統(tǒng)戶(hù)外作業(yè)的特性。Doc2000還提供了安裝的工具包、Linux下的驅(qū)動(dòng)程序和對(duì)不同版本Linux內(nèi)核的Patch。安裝時(shí)只需對(duì)Linux內(nèi)核和Lilo進(jìn)行相應(yīng)修改即可。這樣的硬件選擇使系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難度大大降低了。

　　2 嵌入Linux主要解決的幾個(gè)問(wèn)題

　　由于采用X86體系作為平臺(tái)，大大降低了嵌入化Linux的難度，主要要考慮的問(wèn)題可分為以下幾個(gè)方面：

　　2.1 非虛擬內(nèi)存

　　Linux采用虛擬內(nèi)存技術(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)溢出內(nèi)存時(shí),可以將其交換到磁盤(pán)交換空間巾去，這對(duì)程序員來(lái)說(shuō)是不可見(jiàn)的。然而，普通的嵌入式系統(tǒng)不需要這種強(qiáng)大的功能。實(shí)際上，可能不希望它在實(shí)時(shí)的關(guān)鍵系統(tǒng)里，因?yàn)樗鼤?huì)帶來(lái)無(wú)法控制的時(shí)問(wèn)因素。因此，考慮將虛擬內(nèi)存的功能去掉。然而，清除Linux的虛擬內(nèi)存代碼非常費(fèi)事，我們采用一種迂回的方法，即將交換空間的大小設(shè)置為零。這樣，如果你寫(xiě)的程序比實(shí)際的內(nèi)存大，系統(tǒng)就會(huì)當(dāng)作你的運(yùn)行用盡了交換空間來(lái)處理；這個(gè)程序?qū)⒉粫?huì)運(yùn)行，或者malloc將會(huì)失靈。這只是一種臨時(shí)的解決方案，系統(tǒng)中存在許多冗余未清除的代碼，如果進(jìn)一步改進(jìn)可以縮小系統(tǒng)體積。

　　2.2 處理文件系統(tǒng)

　　許多嵌入式系統(tǒng)沒(méi)有磁盤(pán)或者文件系統(tǒng)，Linux不需要它們也能運(yùn)行，這樣可以在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)就將操作系統(tǒng)和預(yù)先編好的應(yīng)用程序全都加載到內(nèi)存中去。然而．考慮到以后的擴(kuò)展，我們分析了Linux當(dāng)前的文件系統(tǒng)，將與系統(tǒng)和程序運(yùn)行相關(guān)的文件析取出來(lái)，移植到Doc上面．這樣就能為應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)人員提供更方便的接口。

　　2.3 設(shè)置啟動(dòng)(Lilo和BIOS)

　　當(dāng)PC系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，由BIOS執(zhí)行了一些低水平的CPU初始化和其它硬件的配置，然后辨認(rèn)哪個(gè)磁盤(pán)里有操作系統(tǒng)，把操作系統(tǒng)復(fù)制到RAM并且轉(zhuǎn)向它。在PC上運(yùn)行的Linux依靠PC的BIOS來(lái)提供這些配置和OS加戟功能。由于選擇了X86系列作為平臺(tái)，同樣可以通過(guò)設(shè)置BIOS來(lái)設(shè)定由Doc啟動(dòng)。我們將內(nèi)核安裝在Doc上。同時(shí)修改目錄/etc下的lilo.config文件，使Lilo記錄內(nèi)核代碼在存儲(chǔ)設(shè)備上的位置，然后將Lilo安裝在Doc上。這樣當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)．BIOS指定Doc為啟動(dòng)設(shè)備，這時(shí)Lilo被執(zhí)行。它指出Linux內(nèi)核的位置，加載內(nèi)核。

　　2.4 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)

　　由于采用通用PC平臺(tái)，有許多驅(qū)動(dòng)程序都不需要自己再編寫(xiě)了。系統(tǒng)中，唯一需要編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)備是上海數(shù)字中心的數(shù)據(jù)采集卡．該卡采用的是Bt848芯片。Bt848是一塊很常用的芯片．許多驅(qū)動(dòng)程序都非常相近，因此編寫(xiě)它的驅(qū)動(dòng)程序有很好的例子可以參考，相應(yīng)的，編寫(xiě)應(yīng)用程序只需調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序提供的接口即可，如同操作文件一樣。

　　3 Linux的實(shí)時(shí)性分析

　　以上簡(jiǎn)要介紹了實(shí)現(xiàn)Linux的嵌入化過(guò)程，在嵌入化Linux的同時(shí)，還考慮提高它的實(shí)時(shí)性。于是著手分析Linux的實(shí)時(shí)性能和存在的不足。

　　概括來(lái)講，影響操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的主要有3個(gè)方面：

　　(1)外部中斷管理

　　我們知道，外部中斷發(fā)生時(shí)，操作系統(tǒng)調(diào)用中斷處理程序．進(jìn)入核心態(tài)。為了保證系統(tǒng)執(zhí)行的正確性，要求內(nèi)核狀態(tài)不重入，也即保證這部分關(guān)鍵代碼執(zhí)行結(jié)束之前不被打斷。因此，這時(shí)進(jìn)入關(guān)中模式，這是外部中斷管理中影響Linux性能的一個(gè)關(guān)鍵的地方。在這段時(shí)間內(nèi)，操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)將中斷發(fā)送到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序去處理，系統(tǒng)不能進(jìn)行其它任何工作，為了減少這個(gè)過(guò)程損耗的時(shí)間，Linux內(nèi)核利用底半處理過(guò)程(bottom-half-handler)幫助實(shí)現(xiàn)中斷的快速處理。在Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中，往往將最關(guān)鍵最迅速的部分處理完成之后，將剩余部分任務(wù)放置到隊(duì)列中。當(dāng)中斷響應(yīng)完成后．再執(zhí)行剩余部分的任務(wù)。在Linux中，主要設(shè)置了以下幾個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)標(biāo)志未完成的任務(wù)。

　　enum{

　　TIMER_BH=0,CONSOLE_BH,TQUEUE_BH,DIGI_BH,SERIAL_BH,RISCOM8_BH,SPECIALIX_BH,

　　ESP_BH,NET_BH,SCSI_BH,IMMEDIATE_BH,KEYBOARD_BH,CYCLADES_BH,CM206_BH,

　　JS_BH,MACSERIAL_BHISICOM_BH

　　};

　　上面每一項(xiàng)標(biāo)識(shí)未完成任務(wù)的隊(duì)列類(lèi)型，不同隊(duì)列的任務(wù)輕重緩急不同。

　　extern unsigned long bh_active;

　　extern unsigned long bh_mask;

　　extern void(*bh_base[32])(void)；

　　bh_base代表的指針數(shù)組中可包含32個(gè)不同的底半處理過(guò)程。bh_mask和札bh_active的數(shù)據(jù)位分別代表對(duì)應(yīng)的底半處理過(guò)程是否安裝和激活。如果bh_mask的第N位為1．則說(shuō)明bh_base數(shù)組的第N個(gè)元素包含某個(gè)底半處理過(guò)程的地址；如果bh_active的第N位為1．則說(shuō)明必須由調(diào)度程序在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候調(diào)用第N個(gè)底半處理過(guò)程。這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)置一般是在外部設(shè)備初始化和中斷處理函數(shù)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行的。如：在serialc中進(jìn)行serial設(shè)備的初始化，它調(diào)用語(yǔ)句init_bh(SERIAL_BH,do_serial_bh);來(lái)設(shè)置bh_base[]數(shù)組中相應(yīng)于SERIAL_BH的那一項(xiàng)。又如：在serial設(shè)備的處理程序中通過(guò)語(yǔ)句queue_task(&info->tqueue,&tq_serial);將不是很緊急的任務(wù)放入tq_serial隊(duì)列中，等中斷處理函數(shù)結(jié)束，由bh_base中注冊(cè)的底半處理程序處理隊(duì)列中的任務(wù)。

　　中斷管理的第二個(gè)關(guān)鍵部分即是系統(tǒng)是否允許中斷嵌套的能力，也就是說(shuō)，當(dāng)響應(yīng)一個(gè)中斷時(shí)，是否允許其它更高優(yōu)先級(jí)的中斷打斷，等更高優(yōu)先級(jí)的中斷處理完畢，是否還能恢復(fù)原來(lái)中斷處理的現(xiàn)場(chǎng)。通過(guò)這項(xiàng)功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以指示外部中斷的優(yōu)先級(jí)，從而確保高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)能及時(shí)處理。Linux允許中斷嵌套，它是利用外部中斷管理器來(lái)設(shè)置中斷的優(yōu)先級(jí)的。在Linux的中斷處理程序的啟動(dòng)過(guò)程中，它一般調(diào)用語(yǔ)句mask_and_ack_8259A(irq)；來(lái)設(shè)置8259中的int_mask寄存器．使優(yōu)先級(jí)比此中斷低的中斷不能發(fā)生。在中斷處理程序離開(kāi)時(shí)，調(diào)用enable_8259A_irq(irq)來(lái)改回8259中int_mask寄存器原來(lái)的值。因此，intr類(lèi)中斷的優(yōu)先級(jí)由硬件8259來(lái)決定．

　　由此可見(jiàn)，Linux的中斷管理部分具有高效的特點(diǎn)，已經(jīng)可以滿(mǎn)足許多軟實(shí)時(shí)任務(wù)的要求