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如今，Linux正廣泛應用于各種嵌入式設備的開發中，如數字電視、視訊轉換盒、DVR播放器、xDSL/有線/PON調制解調器、家用路由器和網絡網關。它尤其適合具有先進網絡功能、大量設備驅動程序的數字家庭和家庭網絡。除了嵌入式設備，Linux還支持企業級設備，如服務器和路由器。 此外，Linux在行動設備中也獲得了青睞。市調機構In-Stat的報告顯示，到2012年，中國基于行動Linux的智能手機出貨量將達到中國智能手機總出貨量的25.4%。 相較其它典型的專有商用OS，Linux蓬勃發展的原因在于其是開原始碼、成本低、使用快速安全。與其它OS相較，它能夠更好地進行‘剪裁’，且只占用較小空間。利用Linux，再加上來自開放原始碼社群的持續支持，工程師能夠使用和控制原始程序代碼。開放原始碼社群是由熟悉Linux的工程師組成的大型社群。 不斷改進的Linux核心 然而，在面對特定嵌入式應用時，Linux仍存在許多挑戰，如內存空間有限，或是需要實時確定性以及高安全性能的應用。而工具鏈的改善、新的除錯工具和性能、不斷演變的標準化努力等，都繼續提升Linux對于所有嵌入式應用的價值。在這其中，Linux核心的不斷改進異常重要。 Linux 核心是應用軟件采用的標準Linux API和處理器系統(應用軟件執行其上)底層硬件結構之間的接口。該核心是內部組件和外部可加載模塊的復雜組合，為應用程序的執行提供全面和穩定的處理環境，提供安全消除軟件缺陷、在某種程度上防止硬件故障的能力。在開機循環期間，核心必須及時發現，并正確初始化核心系統處理器、系統內存、硬件驅動、視頻卡、USB端口、網絡卡和音訊處理器，而且要在開機循環期間提供是否成功的足夠指示。 維持如此復雜的程序代碼收集很明顯是一個嚴峻的挑戰。核心原始程序代碼被劃分為標準‘樹’結構，這樣子系統就能夠更好地彼此隔離，有助于實現幾個關鍵核心維護工作的分布。這種分工可大幅減少核心某一部份產生重大變化對其他部份產生的影響。每個后續子系統的變更都將傳達給主要維護者，最終到達Linux核心最上游的維護者。這些變更通常稱為‘外掛程式’，在標準格式下制作和應用。 供貨商和開發人員將他們的知識反饋到開放原始碼社群以改進核心。Linux開放、分散的本質，再加上背后強大的社群支持，使基于Linux的OS成為培養創新的良好選擇。由于供貨商和開發人員不斷分享他們所學到的知識，因此存在這樣的可能：當開發人員需要實現某種功能時，可以在Linux社群生態系統中找到并予以采用。 商用Linux供貨商做了很多工作使Linux成為嵌入式應用中更加可行和吸引人的操作系統。 商用vs.開放原代碼 當選擇Linux OS時，嵌入式Linux開發人員有兩個主要選擇：‘免費’版本，開發人員可以下載有開放原代碼授權的對象/原始程序代碼；商業發行版，由不同公司維護和支持的商用產品。 目前，大多數開發人員使用的都是免費發行版。市場研究公司VDC一份針對目前Linux使用者的2007年調查中有這樣一個問題：請問您將在下一個項目中使用哪種Linux OS？結果高達71%的嵌入式系統工程師表示，愿意采用免費發行的Linux版本。 圖1：為下一個項目計劃的Linux操作系統。 (資料來源：VDC/2007) 由于眾多嵌入式開發人員將在下一個設計項目中選擇Linux，因此，讓他們體認到免費發行版本固有的局限性非常重要。這些局限包括：缺乏豐富的Linux工具；相較競爭的實時OS來說占用更多空間；為滿足實時要求最佳化Linux所面臨的挑戰；支持以及開發工具有限。也就是說，‘免費’意味著不花錢使用，但并非零成本。 ‘免費’≠‘零’成本 除了決定使用商用或免費Linux版本，開發人員還必須認識到其除錯/開發工具的能力和局限。嵌入式SoC領域任何有意義的設計，都要求針對嵌入式領域的高度整合的軟件開發工具。從編譯器到應用各個環節的開放原始碼工具，都期望能創造良好的生產品質。開發人員期望這些工具能與更短的學習曲線無縫結合。 充分發揮嵌入式 Linux免費發行版的優勢，已經成為消費產品領域被廣泛接收的現實。在這些市場上，產品執行率非常高，對程序代碼的增加非常頻繁，而且產品的銷售成本至關重要，所有這些都使得開放原始碼模式極具吸引力。但是，人們通常希望開放原始碼工具能夠與生產品質密切相關，‘免費’和‘商用’并不同義。必須對核心和 SoC組件互動有深刻的了解，才能整合開放原始碼/免費軟件，并為處理器核心提供無縫除錯環境的工具。因此，需要專業知識才能使目前的開放原始碼工具順利工作。 現在有若干種‘免費軟件’除錯解決方案，設計人員必須全面了解其局限性。例如，針對Linux核心最受歡迎的免費軟件除錯器是KGDB，但主要缺點是KGDB會要求重新編譯核心。這對產品已經部署到現場的應用來說并不可行。修補核心還可能導入影響系統性能的程序代碼變化。 GDBServer 是另一個針對應用除錯的頗受歡迎的免費軟件除錯器，但它也受到了嚴格限制。主要問題是缺乏對同時除錯大量執行緒/進程的支持。隨著除錯的執行緒/進程數不斷增加，GDBServer性能迅速惡化，導致響應時間太慢，進而使目標系統出現故障。其它問題還涉及到：不能在相同的目標連接上除錯驅動程序和應用；除錯設備驅動程序和除錯共享庫。了解特定應用的除錯需求非常重要，應據此選擇相應工具。 Linux核心的維護 在決定將選擇哪種OS時，開發人員的重點是選擇一個完全支持其特定處理器的操作系統，并能降低總成本和縮短上市時間。這意味著大部份核心維護已經完成，因此若他們遇到什么問題或挑戰，處理器供貨商及其生態系統支持業者就能幫助解決這些問題。此外，利用供貨商已正式測試的核心版本，客戶在設計過程中即使不能完全消除，也可以不斷降低風險。特定處理器Linux生態系統可以利用一套標準配置和測試平臺，快速而準確地隔離客戶應用中的差異。 從處理器供貨商的角度來看，積極參與與其核心相關的Linux核心的維護非常重要。這些供貨商最有能力實現額外的新功能，以及增加原有核心功能的穩定性，因為他們了解這些核心設計中的所有‘秘密’細節。 以 MIPS為例，作為處理器IP公司，MIPS必須確保其新的處理器核心完全整合在Linux原始程序代碼樹，且所有的變更都透過對舊核心和平臺的回歸測試進行正確驗證。MIPS的核心維護人員必須‘簽署’(核準)每個建議的‘外掛程序’。這些外掛程序由MIPS及其客戶提交，可強化核心功能，并改善對現有核心的支持和偶爾的錯誤修復。 對于像MIPS這樣的IP核心供貨商和Linux社群來說，最有益的方式是確保其核心的所有性能和電源管理特性能夠在Linux核心中完全實現，以便為采用Linux作為設計核心OS的使用者最佳化使用者體驗，并讓數以百計的Linux核心編程人員進行核心增強的同行審查。 為了實現最佳單位面積運算能力(MIPS/每平方毫米)和最佳單位功耗運算能力(MIPS /mW)，許多處理器都利用了多核心技術，在幾個以較低時脈頻率執行的核心間分配處理負載。這些應用能夠以對稱多處理(SMP)的方式進行分配，其中一項任務是核心間的基本平分；或者采用非對稱多處理(AMP)，在這里特定任務被分配給一個特定核心。不論是哪種方式，Linux核心中必須有適當的支持允許實現這些編程模型，同時對應用開發者盡可能的透明。 另一個重要的Linux核心最佳化例子是電源管理。在今天的綠色運算環境中，電源管理日漸重要，不僅展現在要求大幅延長電池壽命的可攜式設備方面，而且展現在需要盡量減少能源浪費和熱量的AC供電系統中。目前一個典型的手機必須管理20多個不同的電源層，還不包括應用處理器SoC內和核心本身的電壓島。 目前Linux核心電源管理支持主要集中在通過ACPI的標準PC。但是ACPI接口并不適合先進的多核心SoC，因為后者必須將一致性電源管理方案擴展至多個核心、內部SoC外圍設備以及最后的外部系統外圍設備(如RF功率放大器)。 在 MIPS，我們執行了一個先進的電源管理IP模塊，稱為叢集電源控制器(CPC)，在具體的1004K執行中，它允許對每個核心的單獨控制，使核心可以進入或離開一致性作業，并在需要的情況下徹底關掉電源。這樣的電源管理模式能夠進一步擴展，使核心電壓和頻率調變處于操作系統本身的控制之下。這個CPC模組的功能還必須擴展至Linux核心。 圖2：叢集電源控制器允許在特定的多核心架構中對每個核心進行單獨控制。 Linux開發工具 當考慮處理器對OS的支持時，開發工具很重要。最新一代Linux開發工具利用了芯片級儀器(On-Chip Instrumentation)對除錯器進行‘硬件協助’。這些工具都是特定架構的，并非所有處理器都支持這種獨特的除錯方法。例如，目前有的 Linux工具可以剖析Linux核心及加載模塊。這些工具依賴于：處理器能夠以極高的速度對PC緩存器進行透明采樣，并將這些信息傳送到除錯器。加上來自加載模塊的符號信息(Linux設備驅動程序的典型形式)，開發者能夠迅速剖析Linux核心，并確定設備驅動程序可能會將什么要求放在核心上。最佳化 Linux核心性能可能對系統的性能產生巨大的影響。 備受稱贊的核心評測工具是Linux事件分析器，能夠剖析整個系統。通常這些工具可擷取目標內產生的使用者選擇的Linux事件，然后根據時間透過圖形顯示這些事件。這些擷取有時能夠收集高達20秒的Linux系統活動。 不管應用如何，開發者都應該確保他們選擇的處理器架構包含一個無縫的開發環境，包括編譯器、除錯器、性能和剖析工具。這種性質的工具必須滿足上市時間要求，并從一個嵌入式系統設計中獲取最大的性能。投資在完全整合和經過測試的廠商提供的工具和環境，包括完整的文件、支持論壇、呼叫中心、無證見解、整合、標準，以及整個生態系統的連接，都可以縮短目前和未來設計上市時間。 Linux社群 經過多年的發展，Linux核心已經成為可擴展性最強、最可靠的操作系統之一，能夠支持從低階、單核到高階、多核的嵌入式設備。隨著穩定、極為輕便的 Linux核心、數百個支持無版稅中介軟件組件、數以千計的Linux開發者，以及越來越多的商用Linux軟件和服務供貨商的出現，Linux儼然已經是一個有效的操作系統，不論是上市時間還是開發成本都是如此。 我們鼓勵所有的開發者在其下一個RTOS中考慮Linux，并尋找一個提供專用Linux支持、龐大的生態系統和除錯/開發工具的處理器廠商，確保能迅速為市場提供高品質的產品。當開發者決定采用Linux時，我們鼓勵他們──不論他們是采用‘免費’還是商用版本，一定要對社群有所回饋。只要我們持續維護、關注和關心核心，Linux就可以繼續成長和發展，成為下一代嵌入式設備RTOS的選擇。 作者：Rick Leatherman、 副總裁 Bob Martin 應用工程師 Yakov Levy 策略行銷經理 MIPS科技公司 |
