Linux内核的嵌入式系统应用

1.2 有效的调度程序

2.6版本的 Linux内核使用了由 Ingo Molnar开发的新的调度器算法,称为O(1)算法,如图1所示。它在高负载情况下执行得极其出色,并且当有很多处理器并行时也可以很好地扩展[2]。过去的调度程序需要查找整个ready task队列,并且计算它们的重要性以决定下一步调用的task,需要的时间随task数量而改变。O(1)算法则不再每次扫描所有的任务,当task就绪时被放入一个活动队列中,调度程序每次从中调度适合的task,因而每次调度都是一个固定的时间。任务运行时分配一个时间片,当时间片结束,该任务将放弃处理器并根据其优先级转到过期队列中。活动队列中任务全部调度结束后,两个队列指针互换,过期队列成为当前队列,调度程序继续以简单的算法调度当前队列中的任务。这在多处理器的情况更能提高SMP的效率,平衡处理器的负载,避免进程在处理器间的跳跃。 　　

1.3 同步原型与共享内存

多进程应用程序需要共享内存和外设资源,为避免竞争采用了互斥的方法保证资源在同一时刻只被一个任务访问。Linux内核用一个系统调用来决定一个线程阻塞或是继续执行来实现互斥,在线程继续执行时,这个费时的系统调用就没有必要了。Linux2.6所支持的Fast User-Space Mutexes 可以从用户空间检测是不是需要阻塞线程,只在需要时执行系统调用终止线程。它同样采用调度优先级来确定将要执行的进程[4]。多处理器嵌入式系统各处理器之间需要共享内存,对称多处理技术对内存访问采用同等优先级,在很大程度上限制了系统的可量测性和处理效率。Linux2.6 则提供了新的管理方法——NUMA(Non Uniform Memory Access)。NUMA根据处理器和内存的拓扑布局,在发生内存竞争时,给予不同处理器不同级别权限以解决内存抢占瓶颈,提高吞吐量。 　　

1.4 POSIX线程及NPTL

新的线程模型基于一个1:1的线程模型(一个内核线程对应一个用户线程),包括内核对新的 NPTL(Native POSIX Threading Library)的支持,这是对以前内核线程方法的明显改进。2.6内核同时还提供POSIX signals和POSIX high-resolution timers。POSIX signals不会丢失,并且可以携带线程间或处理器间的通信信息。嵌入式系统要求系统按时间表执行任务,POSIX timer可以提供1kHz的触发器使这一切变得简单,从而可以有效地控制进度。 　　

1.5 微控制器的支持

Linux2.6 内核加入了多种微控制器的支持。无MMU的处理器以前只能利用一些改进的分支版本,如uClinux,而2.6内核已经将其整合进了新的内核中,开始支持多种流行的无MMU微控制器,如Dragonball、ColdFire、Hitachi H8/300。Linux在无MMU控制器上仍旧支持多任务处理,但没有内存保护功能。同时也加入了许多流行的控制器的支持,如S3C2410等。 　　

1.6 面向应用

嵌入式应用有用户定制的特点,硬件设计都针对特定应用开发,这给系统带来对非标准化设计支持的问题(如IRQ的管理)。为了更好地实现,可以采用部件化的操作系统。Linux2.6采用的子系统架构将功能模块化,可以定制而对其他部分影响最小。同时Linux2.6提供了多种新技术的支持以实现各种应用开发,如Advanced Linux Sound Architecture(ALSA)和Video4Linux等,对多媒体信息处理更加方便;对USB2.0的支持,提供更高速的传输,增加蓝牙无线接口、音频数据链接和面向链接的数据传输L2CAP,满足短距离的无线连接的需要;而且在2.6内核中还可以配置成无输入和显示的纯粹无用户接口系统。

在根文件系统中,为保护系统的基本设置不被更改,采用CRAMFS格式。采用DEVFS来实现基本设备的建立挂载,同时使用BusyBox也是一个缩小根文件系统的办法,提供了系统的基本指令;还需要建立一些必备的目录,添加所需配置文件,如fstab、inittab等;还有一个重要的工作就是添加系统应用必备的动态函数库。使用生成工具mkcramfs 将整个根文件目录里的内容制作成映像文件。 　　

mkcramfs rootfs rootfs.ramfs 　　

YAFFS文件系统格式的支持需要将驱动加入到内核代码树下fs/yaffs/,修改内核配置文件,就可以在内核编译中加载对该文件系统的支持。使用 mkyaffs工具将NAND FLASH分区格式化为YAFFS分区,将mkyaffsimage生成的应用程序镜像烧写进YAFFS分区,在启动时通过写入fstab自动加载 YAFFS分区即可。 　　

2.5 网络设备驱动

系统中采用CS8900A的10M网络芯片, 它使用S3C2410的nGCS3和IRQ_EINT9,相应修改 Linux/arch/arm/mach-s3c2410/irq.c,并在mach-smdk2410.c的smdk2410_iodesc[]中增加 {SMDK2410_ETH_IO,S3C2410_CS2, SZ_1M, MT_DEVICE},内核源码中加入芯片的驱动程序drivers/net/arm/cs8900.h和cs8900.c,并且配置网络设备驱动的 Makefile和Kconfig文件,加入CS8900A的配置选项,这样可以在内核编译时加载网络设备的驱动。 　　

在Linux2.6应用的同时,也要看到其与以前版本内核比较存在的一些问题。在内核的编译时间、内核镜像大小、内核占用RAM空间大小、系统启动时间相对Linux2.4而言都存在不同程度的不足,但在硬件条件日益进步的现今可以接受,而且一部分也是由于功能加强必然带来的。虽然Linux并非一个真正的实时操作系统,但2.6内核的改进能够满足大部分的应用需求,所以Linux2.6内核将会在嵌入式系统领域大展身手。


参考文献
1 Alessandro Rubini,Jonathan Corbet著,魏永明,骆刚,姜 君译.Linux设备驱动[M].北京:中国电力出版社,2004
2 Anand K Santhanam. 走向Linux2.6[EB/OL]. Dec. 2003.http://www-128.ibm.com/deve loperworks/cn/linux/ l-inside/index.html
3 S3C2410X 32-Bit RISC Microprocessor User′s Manual[Z]. SAMSUNG Electronics. Revision 1.2
4 Brandon White. Linux 2.6: A Breakthrough for Embedded Systems[EB/OL].http://linuxdevices.com/articles/AT7751365763.html Sep.9,2003
5 Karim Yaghmour. Building Embedded Linux Systems[M]. O’Reilly. April, 2003