術語“嵌入式 Linux”屬于嵌入式系統(tǒng)中使用的發(fā)行版類別，即專門的電子設備，它們是要控制的更大系統(tǒng)的一部分，為特定應用程序設計，并由定制的硬件平臺支持。這些系統(tǒng)的主要特性在閃存、主存儲器和引導時間方面對操作系統(tǒng)施加了限制。在第一篇文章中，我們將通過對商業(yè)發(fā)行版的概述來分解一般特性；在接下來的文章中，我們將專注于設計和測試的技術方面，最終目標是創(chuàng)建一個真正的嵌入式發(fā)行版。

嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)代表集成到更復雜系統(tǒng)中的信息處理子系統(tǒng)；其中一些包括操作系統(tǒng)，而另一些則高度專業(yè)化，可以作為單個程序?qū)崿F(xiàn)，并且可能包括實時軟件。一個典型的嵌入式系統(tǒng)如圖 1 所示。

圖 1：典型的嵌入式系統(tǒng)

圖 2：嵌入式系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器

嵌入式系統(tǒng)提供多種功能（圖 2），包括：

從輸入傳感器讀取數(shù)據(jù)

生成命令并將其傳輸?shù)綀?zhí)行器

通過執(zhí)行數(shù)據(jù)壓縮或解壓縮將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為特定格式

此外，嵌入式系統(tǒng)可以概括為三個層次：

軟件應用層（包含所有用戶程序）

軟件系統(tǒng)級別（包含操作系統(tǒng)和所有應用程序，以便能夠與外圍設備進行查詢和通信）

硬件級別（代表系統(tǒng)的物理部分）

嵌入式 Linux 發(fā)行版的特點

Linux 是一種兼容 Unix 的開源操作系統(tǒng)，在嵌入式系統(tǒng)市場上非常流行。它具有多任務處理能力和先進的編程接口?；旧希度胧?Linux 由三個主要模塊組成：引導加載程序、內(nèi)核和根文件系統(tǒng)。

Linux 簡潔優(yōu)雅的設計提供了耐用性和良好的性能，而其開源許可證允許您根據(jù)需要修改源代碼。Linux 帶來了一些有用的優(yōu)勢：

免費源代碼和開發(fā)工具的可用性

POSIX 標準支持以提高不同系統(tǒng)之間的可移植性

廣泛的操作系統(tǒng)服務，包括網(wǎng)絡支持

構(gòu)成嵌入式 Linux 系統(tǒng)的組件如下：

引導加載程序，將內(nèi)核從非易失性存儲器加載到 RAM 中并運行它

內(nèi)核，控制硬件和進程的軟件

根文件系統(tǒng)，包含內(nèi)核執(zhí)行的程序的文件夾，存在于所有 Linux 發(fā)行版中

由用戶創(chuàng)建并由系統(tǒng)運行的應用程序；所有這些組件相互作用以執(zhí)行系統(tǒng)運行所需的任務

Linux中的系統(tǒng)內(nèi)存可以分為兩個區(qū)域：用戶空間和內(nèi)核。用戶空間是用戶可以運行應用程序的地方（由不屬于內(nèi)核的進程組成，例如文字處理器、游戲等），并按照時分機制進行組織。每個活動都分配給與要執(zhí)行的任務的優(yōu)先級相關的時間量。另一方面，內(nèi)核空間是內(nèi)核（操作系統(tǒng)的核心）運行并提供服務的地方。

除了時分機制之外，Linux 還附帶了兩種用于實時應用程序的額外調(diào)度算法：FIFO 和循環(huán)。循環(huán)是進程和網(wǎng)絡調(diào)度程序使用的算法之一。另一方面，F(xiàn)IFO 方法按順序安排任務，其中請求在內(nèi)核中執(zhí)行。如果在執(zhí)行過程中發(fā)生中斷，內(nèi)核將被迫停止 FIFO 執(zhí)行并啟動中斷服務程序。

嵌入式設備一直用于工業(yè)應用，隨著時間的推移，開發(fā)工具不斷演變，從匯編編程轉(zhuǎn)向 C 編程。

在嵌入式系統(tǒng)中使用 Linux 既有優(yōu)點也有缺點。顯然，這取決于您要開發(fā)的應用程序的類型，最重要的是，取決于所需的功能。我們來分析幾點：

標準系統(tǒng)：Linux 設計師的經(jīng)驗可以很容易地導出到嵌入式環(huán)境中。

多任務系統(tǒng)：這允許您在一臺機器上運行多個程序，確保更高的代碼清潔度和易于維護。

開發(fā)工具：在進入嵌入式環(huán)境之前可以進行許多測試和檢查，調(diào)試的可能性更大。

驅(qū)動程序：有許多可訪問的驅(qū)動程序可顯著節(jié)省軟件開發(fā)時間。

硬件資源：操作系統(tǒng)需要的資源比為其量身定制的系統(tǒng)所需的資源要多得多，但隨著市場趨勢，這些資源可以輕松且經(jīng)濟地獲取。

實時：應用程序需要管理實時事件。Linux 系統(tǒng)需要更改，我們將在下一段中分析。

在為嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)建 Linux 發(fā)行版時，一個反復出現(xiàn)的問題是您正在使用的 CPU 系列，與普通個人計算機不同，這些 CPU 通常不是 x86。為了克服這個問題，使用了所謂的交叉編譯；即用交叉編譯器編譯程序，在與編譯所在機器不同架構(gòu)的計算機上獲得可執(zhí)行文件。

Linux 和實時

實時系統(tǒng)旨在滿足時間限制，以避免嚴重的操作后果。可以定義兩種類型的實時系統(tǒng)：

軟實時系統(tǒng)：不太嚴格的時間限制（網(wǎng)絡上計算機時間的調(diào)節(jié)）

硬實時系統(tǒng)：非常嚴格的時間限制；如果不尊重，控制系統(tǒng)可能會變得危險（干預醫(yī)院的患者管理系統(tǒng)）

Linux 標準的當前開發(fā)版本可用于軟實時應用程序。

硬實時應用需要嚴格的確定性和快速的時序。適用于此類應用程序的 Linux 實時變體自 1997 年以來就出現(xiàn)了，新墨西哥理工大學、米蘭理工大學和堪薩斯大學的研究小組已經(jīng)制作了廣泛分布的開源版本，并已成功實施。

有兩種基本方法可以修改標準內(nèi)核以提供實時響應。這些中的每一個都作為標準內(nèi)核的補丁分發(fā)：

微內(nèi)核：這種方法需要在硬件和標準內(nèi)核之間插入一個新的、高效的代碼層。額外的代碼層，即微內(nèi)核，負責所有實時功能，包括中斷和調(diào)度。這個微內(nèi)核將標準內(nèi)核作為后臺任務處理。另一個代碼層納米內(nèi)核 (ADEOS) 僅處理中斷。

IEEE 1003.1d 內(nèi)核：第二種方法是在標準 Linux 內(nèi)核框架內(nèi)實現(xiàn)對 POSIX 的實時擴展。這些擴展將計時器、編程和搶占式邏輯直接添加到單個單片內(nèi)核中。

最新開發(fā)版本中的標準內(nèi)核顯示延遲（輸入到達系統(tǒng)與其輸出可用時刻之間的時間）和抖動（信號的噪聲變化）約為 1 ms。Linux 的實時版本在數(shù)百兆赫的處理器上運行時具有大約幾微秒的延遲和抖動。

憑借這些性能水平，以及開放源代碼分發(fā)帶來的可維護性和可擴展性優(yōu)勢，Linux 的實時版本越來越受到政府和行業(yè)以及大學的歡迎。

　　審核編輯：湯梓紅