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從一個(gè)操作系統(tǒng)到另一個(gè)操作系統(tǒng)應(yīng)用程序的移植即使在最好的情況下也經(jīng)常是一個(gè)艱巨的任務(wù)。把一個(gè)實(shí)時(shí)的嵌入式應(yīng)用程序移植到一個(gè)新的操作系統(tǒng)上可以說(shuō)是一項(xiàng)最困難的任務(wù)。 為了幫助開(kāi)發(fā)人員計(jì)劃在不久的將來(lái)轉(zhuǎn)移到嵌入式Linux上，或者考慮將現(xiàn)有的應(yīng)用程序運(yùn)行在嵌入式Linux上這種投資的必要性，Jim 解釋了這一轉(zhuǎn)換的過(guò)程，評(píng)估了涉及到的困難和挑戰(zhàn)，并且闡述了認(rèn)識(shí)這種轉(zhuǎn)換的益處。 越來(lái)越多的公司正在轉(zhuǎn)向嵌入式Linux，把它作為他們下一代產(chǎn)品的操作系統(tǒng)。然而他們以前都是使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為他們的嵌入式系統(tǒng)。事實(shí)上，VDC的報(bào)告顯示了嵌入式Linux可以占到32位和64位領(lǐng)域設(shè)計(jì)的三分之一，是其他所有嵌入式系統(tǒng)的兩倍。 很明顯，關(guān)于從老式RTOS產(chǎn)品的應(yīng)用程序移植到Linux的可行性的問(wèn)題必須得到回答，由此這種移植才能夠被有效的用于工程管理。 一個(gè)典型的基于RTOS的應(yīng)用程序依賴于很多因素,其中最重要的是編程/內(nèi)存模型、API、性能、特別是實(shí)時(shí)響應(yīng)的能力。另外一個(gè)重要的考慮是軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，但那是軟件環(huán)境文章值得討論的話題。 編程模型 幾乎所有使用的RTOS有一個(gè)簡(jiǎn)單的編程模型，它由多線程的執(zhí)行（通常稱為任務(wù)）構(gòu)成，包含在單一的地址空間中。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)c語(yǔ)言的程序有一個(gè)單一的主函數(shù),它創(chuàng)建所有其他的線程。每一個(gè)線程依次被定義為總程序中的一個(gè)c函數(shù)。典型的，不管是RTOS還是非保護(hù)內(nèi)存中的應(yīng)用程序，他們的物理地址和邏輯地址都是一樣的。可能會(huì)有一些超級(jí)用戶模式下的操作使用限制了在用戶模式下的應(yīng)用程序發(fā)出一些指令。基本上，所有的內(nèi)存對(duì)于應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)是虛擬的。 在過(guò)去，大多數(shù)嵌入式處理器沒(méi)有內(nèi)存管理單元，因此RTOS單地址空間模式是必須的。然而今天大多數(shù)的中高端處理器配備了MMU，因此如果需要的話，MMU能夠管理內(nèi)存。 該體系結(jié)構(gòu)的描述提出了一個(gè)移植RTOS代碼到Linux上的簡(jiǎn)單架構(gòu)。 RTOS的全部應(yīng)用代碼移植到一個(gè)Linux單進(jìn)程 RTOS的任務(wù)轉(zhuǎn)換成Linux線程 RTOS的物理地址空間映射到Linux的虛擬地址空間 諸如VME機(jī)架的多板或多處理器架構(gòu)，移植到一個(gè)多進(jìn)程的Linux應(yīng)用。 構(gòu)架上的考慮：進(jìn)程和線程的創(chuàng)建 是否使用遵循API的VXWORKS和PSOS等RTOS仿真軟件包，開(kāi)發(fā)人員最終必須決定是否將線程或是進(jìn)程作為執(zhí)行RTOS的任務(wù)。在這點(diǎn)上，Linux內(nèi)核對(duì)待不管是線程還是進(jìn)程都是同等的，都是以調(diào)度為目的。然而不同的API創(chuàng)建和管理每個(gè)實(shí)體的類型、性能、資源的成本和益處都是關(guān)聯(lián)的。 通常來(lái)說(shuō)，進(jìn)程比線程大一點(diǎn)，因?yàn)樗麄儌魉椭嗟纳舷挛男畔ⅰＲ粋�(gè)Linux線程的上下文如同RTOS的一個(gè)任務(wù)，主要由cpu寄存器、堆棧、當(dāng)前的程序指針以及一些內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的入口組成。一個(gè)進(jìn)程加上一個(gè)完整的虛擬地址空間。這樣，至少內(nèi)核必須創(chuàng)建和跟蹤進(jìn)程的頁(yè)轉(zhuǎn)換、所有代碼的類型、上下文、數(shù)據(jù)等。對(duì)于重量級(jí)進(jìn)程上下文的主要影響有兩點(diǎn):創(chuàng)建的時(shí)間和相互的上下文切換時(shí)間。 只要可能，RTOS的代碼都會(huì)爭(zhēng)取要輕量級(jí)的執(zhí)行。同樣的，當(dāng)很多RTOS提供了動(dòng)態(tài)的任務(wù)創(chuàng)建API,其他以靜態(tài)任務(wù)定義頁(yè)表為特色，所有RTOS的商家不鼓勵(lì)使用頻繁的任務(wù)創(chuàng)建以節(jié)省時(shí)間和空間。Linux進(jìn)程的創(chuàng)建不是故意那么麻煩；Linux進(jìn)程是重量級(jí)的，因?yàn)樗麄兲峁┝烁嗟谋Ｗo(hù)性和依賴性。 這個(gè)熟悉地老式的架構(gòu)，因?yàn)楹?jiǎn)單，所以非常容易遭受破壞。正在運(yùn)行的任務(wù)能夠覆蓋應(yīng)用程序的代碼和數(shù)據(jù)，另外還會(huì)寫入到外圍設(shè)備的寄存器、破壞內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、覆蓋內(nèi)核代碼。任務(wù)的堆棧能夠很容易的溢出，并且一個(gè)接一個(gè)被覆蓋掉或者通過(guò)控制內(nèi)存來(lái)破壞堆的頂部、其他數(shù)據(jù)或者附近的代碼。 更高的層次來(lái)說(shuō)，這種非正式有組織的，高度非遮掩的架構(gòu)提出了對(duì)于代碼質(zhì)量的兩個(gè)主要挑戰(zhàn)：自身的失敗機(jī)會(huì)以及和主要事件再次失敗的結(jié)合。 當(dāng)個(gè)別任務(wù)或者其他軟件組件失敗了，它失敗的原因幾乎不可能被定位。甚至當(dāng)檢測(cè)到失敗并且嘗試恢復(fù)時(shí)候會(huì)以整個(gè)系統(tǒng)的失敗而結(jié)束。監(jiān)視代碼不能夠經(jīng)常安全地重啟任務(wù)，RTOS不能夠恢復(fù)由失敗任務(wù)動(dòng)態(tài)定位的資源。結(jié)果就是復(fù)位通常是通過(guò)強(qiáng)制使用看門狗定時(shí)器來(lái)完成的，看門狗定時(shí)器重新啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)或者軟件引起的系統(tǒng)錯(cuò)誤。 通常當(dāng)一個(gè)程序跑飛了，它沒(méi)有任何征兆。一個(gè)錯(cuò)誤的任務(wù)能夠破壞在RTOS系統(tǒng)中任何地方的數(shù)據(jù)和代碼。幸運(yùn)的是，雖然這些破壞的影響瞬間產(chǎn)生，但是好像破壞的影響會(huì)在幾秒、幾小時(shí)、幾個(gè)月以后才會(huì)出現(xiàn)。 當(dāng)異常的征兆出現(xiàn)了，去聯(lián)想預(yù)想不到的應(yīng)用程序行為是及其困難的，這些行為由于原始的原因或者是很微小的，或者是破壞性的。 Linux編程模型的內(nèi)部編譯的可靠性 Linux作為一個(gè) unix兼容的操作系統(tǒng)代表著一個(gè)更加強(qiáng)大的應(yīng)用和系統(tǒng)編程模型。應(yīng)用程序執(zhí)行在他們受保護(hù)的地址空間，因?yàn)樗鼈冎g的地址相互是不可見(jiàn)的，并且它們通過(guò)硬件的MMU來(lái)預(yù)防覆蓋掉他們自己的代碼，MMU出現(xiàn)在多數(shù)現(xiàn)代化的32位64位的處理器中。 當(dāng)他們共享Linux內(nèi)核的虛擬地址空間時(shí)，他們不能夠覆蓋內(nèi)核代碼或數(shù)據(jù)。既然進(jìn)程不能夠相互看到，他們就不能夠相互破壞數(shù)據(jù)或代碼 API和實(shí)時(shí)庫(kù) 在開(kāi)源標(biāo)準(zhǔn)以前，RTOS的制作者定義了他們自己的系統(tǒng)調(diào)用或API，這對(duì)于每個(gè)RTOS的制作者來(lái)說(shuō)都是獨(dú)一無(wú)二的。接口函數(shù)是為流行的編程語(yǔ)言而提供的，諸如c、c++，這使得API函數(shù)對(duì)于使用高級(jí)語(yǔ)言的程序員是合適的。 在過(guò)去的十年中，盡管只有POSIX規(guī)范的一部分和嵌入式應(yīng)用程序相關(guān)，大多數(shù)的RTOS制作者還是給標(biāo)準(zhǔn)的POSIX提供了兼容庫(kù)。很多客戶使用他們自己的API集使本地RTOS接口分層以獲得獨(dú)立性和便捷性，而不是想被鎖定成為一個(gè)私有的特殊版權(quán)的接口。 開(kāi)發(fā)人員使用標(biāo)準(zhǔn)的API建立應(yīng)用程序來(lái)獲得兩個(gè)另外的目的：允許代碼被移植成像Linux那樣的標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)以及允許以后同樣的代碼在這樣的一個(gè)環(huán)境下比使用私有的API更加容易移植。 很多包括標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用的商業(yè)RTOS以POSIX或者BSD來(lái)設(shè)定，但是那些API經(jīng)常只存在于windows下。特別是一個(gè)內(nèi)核私有的API是最常被使用的，就是這些API鎖定了項(xiàng)目到一個(gè)特殊的平臺(tái)或者解決方案。 如果開(kāi)發(fā)人員正在移植標(biāo)準(zhǔn)的代碼或者考慮哪個(gè)API運(yùn)用到新的代碼中，那么理解在Linux和其他操作系統(tǒng)中使用的最普遍的標(biāo)準(zhǔn)是非常重要的。 POSIX POSIX流行在基于UNIX的開(kāi)源系統(tǒng)中、政府和軍事舞臺(tái)。然而POSIX對(duì)于傳統(tǒng)的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)幾乎沒(méi)有影響。POSIX標(biāo)準(zhǔn)家族起源于美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所，現(xiàn)在有被歸入IEEE、IEEE1003和其他標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)兆。在過(guò)去的十年中，POSIX經(jīng)歷了多次的修訂，最近的一次是在2000年。 兼容性和一致性是兩個(gè)關(guān)于POSIX的重要觀點(diǎn)。兼容性意味著一個(gè)特定的操作系統(tǒng)平臺(tái)貫徹標(biāo)準(zhǔn)的一些子集，這種貫徹是備有文件證明的。甚至那些執(zhí)行微小子集的平臺(tái)能夠兼容于POSIX標(biāo)準(zhǔn)。POSIX的一致性，相反的，代表了更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，意味著一個(gè)操作系統(tǒng)服從于過(guò)去的已證明測(cè)試。 SVR4,BSD和其他UNIX的API 事實(shí)上SVR4和UNIX的BSD版本是流行的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于Linux的影響是巨大的。Linux貫徹了那些UNIX API的大的子集（舉個(gè)例子，對(duì)于共享內(nèi)存、隊(duì)列、信號(hào)量、BSD套接口和TCP/IP堆的Linux的ipc系統(tǒng)調(diào)用）。 熟悉SVR4、BSD，或者像AIX,HP-UX等其他通用的UNIX的開(kāi)發(fā)人員對(duì)于Linux他們也能夠很快的掌握。 c語(yǔ)言庫(kù) 在嵌入式設(shè)計(jì)、RTOS或其他方面，很多API僅僅是標(biāo)準(zhǔn)c庫(kù)，這些庫(kù)或者是直接執(zhí)行函數(shù)或者是作為系統(tǒng)調(diào)用的包裝。Linux有熟悉的libc/glibc，盡管尺寸很大，但易于理解。 glibc的運(yùn)行時(shí)間是對(duì)嵌入式應(yīng)用程序內(nèi)存尺寸的挑戰(zhàn)。很多Linux的供應(yīng)商為對(duì)于尺寸敏感的應(yīng)用程序提供了經(jīng)過(guò)裁減了的庫(kù)。 RTOS接口層 RTOS的核心是對(duì)于進(jìn)程間通訊調(diào)用的使用，這種調(diào)用提供了在任務(wù)中同步和通訊的機(jī)制。 表1提供了在典型的RTOS進(jìn)程間通訊調(diào)用和同等的Linux調(diào)用之間的映射總結(jié)。 盡管在RTOS的調(diào)用和同等的Linux調(diào)用之間的映射是直接的，但是移植的工作量會(huì)被增加，如果使用仿真庫(kù)，這種仿真庫(kù)為其他RTOS移植過(guò)來(lái)的Linux應(yīng)用程序提供了同樣的調(diào)用接口。 對(duì)于Xenomai開(kāi)源項(xiàng)目，這樣的一個(gè)仿真技術(shù)是適用的。而這里，不同的仿真層提供給POSIX、VxWorks、VRTX和Itron這些被廣泛使用的RTOS。注意，像很多開(kāi)源項(xiàng)目，Xenomai和它的外殼是正在進(jìn)行的工作，他們可能還沒(méi)有完成或者還要進(jìn)行修改。不過(guò)，它代表了一個(gè)在移植過(guò)程中潛在的高價(jià)值的出發(fā)點(diǎn)。 舉個(gè)例子，POSIX模塊主要是用來(lái)提供PSE51兼容的API.為了幫助移植其他PSE51兼容 API的應(yīng)用程序，它包含了一些對(duì)于POSIX規(guī)范的擴(kuò)展。 POSIX外殼已經(jīng)包含了以下這些基本的特色：
POSIX外殼創(chuàng)建實(shí)時(shí)線程，他們或是運(yùn)行在Linux內(nèi)核模塊或者在用戶空間的周期應(yīng)用程序中。 實(shí)時(shí)內(nèi)核的API允許內(nèi)核和用戶空間的編程。開(kāi)發(fā)人員通常更喜歡在用戶空間編程，因?yàn)樗麄冎g的延遲小，特別是在硬件上，MMU的切換開(kāi)銷很小。目前為止在用戶空間編程比直接從內(nèi)核空間運(yùn)行應(yīng)用程序更為容易。在用戶空間編程帶來(lái)了內(nèi)存保護(hù)和在這個(gè)環(huán)境中調(diào)試實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的GNU調(diào)試器的支持。 實(shí)時(shí)性能 也許對(duì)于嵌入式應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)最重要的是滿足實(shí)時(shí)的要求。對(duì)于設(shè)計(jì)RTOS使得它們及時(shí)響應(yīng)來(lái)滿足實(shí)時(shí)的要求，并且測(cè)量RTOS的系統(tǒng)調(diào)用，已經(jīng)做了相當(dāng)大的努力加以實(shí)現(xiàn)，因此開(kāi)發(fā)人員能夠確定系統(tǒng)的性能滿足于實(shí)時(shí)的要求。RTOS的調(diào)用在一定意義上是循環(huán)的，應(yīng)用程序和由RTOS提供的中斷是同步的。因此進(jìn)行一個(gè)同步調(diào)用花費(fèi)RTOS的時(shí)間是中斷處理時(shí)間的一部分。 在2002年以前，Linux的實(shí)時(shí)性比較差，而它的吞吐量特別是在網(wǎng)絡(luò)方面比較好。然而那是吞吐量而不是實(shí)時(shí)性。原因是基本的Linux內(nèi)核和unix應(yīng)用框架。這些系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成在應(yīng)用程序開(kāi)銷的時(shí)候，內(nèi)核執(zhí)行它所需要的。其原因就是如果開(kāi)發(fā)人員知道內(nèi)核不會(huì)被一個(gè)異常中斷搶占，內(nèi)核的代碼就更容易編寫。 雖然這種方法被廣泛使用于unix和早期的Linux中，但是近來(lái)有一個(gè)下降的趨勢(shì)。它使得運(yùn)行在多處理器體系的系統(tǒng)變得效率很低。同一時(shí)刻，非搶占式Linux使得Linux達(dá)到實(shí)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)變得困難，因?yàn)榧词挂粋�(gè)中斷發(fā)生并且中斷事件被調(diào)度運(yùn)行，內(nèi)核還會(huì)完成當(dāng)前的任務(wù)。為了解決在多處理器系統(tǒng)的運(yùn)行效率問(wèn)題，Linux內(nèi)核的開(kāi)發(fā)人員開(kāi)始侵入Linux內(nèi)核的內(nèi)部區(qū)域讓它非搶占區(qū)域變得更小，以至于更多的內(nèi)核區(qū)域在多處理器系統(tǒng)上能夠并行的執(zhí)行并且完成的更好。 那些對(duì)于改善Linux實(shí)時(shí)性有興趣的人使用搶占的Linux內(nèi)核來(lái)加速本地的實(shí)時(shí)響應(yīng)。延遲減小到幾百微秒到1毫秒之間。更多的性能提高包括縮短非搶占區(qū)域來(lái)減小那些區(qū)域帶來(lái)的任何延遲。 自2002年以來(lái)，Linux已經(jīng)支持實(shí)時(shí)應(yīng)用程序。從那時(shí)起，Linux開(kāi)發(fā)人員開(kāi)始加強(qiáng)它的實(shí)時(shí)性能，標(biāo)準(zhǔn)Linux的實(shí)時(shí)性能在不斷的提高。現(xiàn)在Linux的實(shí)時(shí)性能相當(dāng)于大多數(shù)特有的實(shí)時(shí)內(nèi)核。最近出現(xiàn)了對(duì)于Linux實(shí)時(shí)能力的重要推進(jìn)，消耗CPU時(shí)間的同步機(jī)制的自旋鎖被繼承優(yōu)先級(jí)互斥這種更可靠的同步機(jī)制替代了。互斥機(jī)制保證了cpu時(shí)間總是盡可能的分配給優(yōu)先級(jí)最高的應(yīng)用程序，從而更縮短了從中斷到實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的過(guò)程。 最后一個(gè)主要的實(shí)時(shí)Linux的改進(jìn)是將中斷處理作為一個(gè)應(yīng)用程序的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)執(zhí)行。以前Linux的設(shè)計(jì)賦予中斷處理比任何其他應(yīng)用程序更高的優(yōu)先級(jí)。通過(guò)把中斷處理作為一個(gè)普通的應(yīng)用程序處理，一旦優(yōu)先級(jí)更高的應(yīng)用程序可以搶占比它優(yōu)先級(jí)低的中斷處理程序。 現(xiàn)在這些改變已經(jīng)完成，性能和穩(wěn)定性的改進(jìn)使得Linux上的應(yīng)用和以前基于傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)擁有一樣的快速和穩(wěn)定。 邁步向前 現(xiàn)在開(kāi)發(fā)者正在放棄第一代實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，選擇更穩(wěn)定的一個(gè)開(kāi)放式的嵌入式平臺(tái)比如像Linux。移植這些傳統(tǒng)的系統(tǒng)代表著挑戰(zhàn)同時(shí)又提供了非常豐厚的投資回報(bào)。真正的風(fēng)險(xiǎn)不是放棄熟悉的環(huán)境，工具和API，而是當(dāng)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)不斷前進(jìn)時(shí)候，它卻停滯不前。 遵循這篇文章概括的步驟和RTOS的移植技術(shù)， 開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)最少的時(shí)間和精力成功地移植以前的RTOS的代碼到一個(gè)現(xiàn)代化的Linux平臺(tái)上來(lái)。 Jim Ready是montavista的創(chuàng)始人和CTO, 擁有25以上的技術(shù)和豐富的經(jīng)驗(yàn)， Jim被認(rèn)為是在嵌入式系統(tǒng)和實(shí)時(shí)軟件工程里的權(quán)威。做為Ready System的合伙創(chuàng)始人，他倡導(dǎo)VRTX實(shí)時(shí)內(nèi)核的開(kāi)發(fā)，VRTX是第一個(gè)用于商業(yè)用途的RTOS產(chǎn)品。在Ready System和Microtec Research合并期間，Jim在Microtec/Mentor Graphics任職Ready System的董事長(zhǎng)兼CTO，Microtec Research后來(lái)被Mentor Graphics收購(gòu)了。他在1999創(chuàng)建了montavista 軟件公司，提供Linux系統(tǒng)到嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)并且給開(kāi)源的Linux社區(qū)提供了嵌入式系統(tǒng)的專業(yè)技術(shù)。Jim分別在伊利諾斯大學(xué)，加利福尼亞大學(xué)獲得了學(xué)士和碩士學(xué)位。 |
