基于Linux的嵌入式实时 *** 作系统的研究

　　1．引言

　　从上世纪八十年代开始，开始出现各种各样的商用嵌入式 *** 作系统，这些 *** 作系统大部分都是为专用或通用系统而开发，如VxWorks、Windows CE、pSOS、Palm OS、OS-9、LynxOS、QNX、LYNX 等，它们的优点是为用户提供良好的开发环境，提高了应用系统的开发效率，运行效率高、实时性好，缺点是价格昂贵且源代码封闭。这就不仅影响了开发者的积极性，而且使得整个产品的成本急剧上升。［1］

　　结合国内实情，嵌入式系统需要的是一套高度简练、界面友好、质量可靠、应用广泛、易开发、多任务、价格低廉的实时 *** 作系统。

　　在嵌入式产品的开发中，有必要寻找一种廉价的嵌入式实时 *** 作系统，以降低产品的开发成本和系统复杂度。由于Linux的具备的诸多优点，对Linux进行适当的改造后作为廉价的嵌入式实时 *** 作系统是一个值得探讨的、具有实际意义的问题。

　　2．Linux的特点

　　Linux是个与生俱来的网络 *** 作系统，成熟而且稳定。Linux是源代码开放软件，不存在黑箱技术，任何人都可以修改它，或者用它开发自己的产品。Linux系统是可以定制的，系统内核目前已经可以做得很小。一个带有中文系统及图形化界面的核心程序也可以做到不足1MB，而且同样稳定。Linux作为一种可裁减的软件平台系统，是发展嵌入式产品的绝佳资源，遍布全球的众多Linux爱好者又能给予Linux开发者强大的技术支持。因此，Linux作为廉价的嵌入式实时 *** 作系统的选择，是非常有发展前途的。［2］［3］

　　（1）与硬件芯片的紧密结合

　　嵌入式Linux的一大特点是：与硬件芯片（如SOC等）的紧密结合。它不是一个纯软件的Linux系统，而比一般 *** 作系统更加接近于硬件。嵌入式Linux的进一步发展，逐步地具备了嵌入式RTOS的一切特征：实时性及与嵌入式处理器的紧密结合。

　　（2）开放的源代码

　　嵌入式Linux的另一大特点是：代码的开放性。代码的开放性是与后PC时代的智能设备的多样性相适应的。代码的开放性主要体现在源代码可获得上，Linux代码开发就像是“集市式”开发，任意选择并按自己的意愿整合出新的产品。

　　对于嵌入式Linux，事实上是把BIOS层的功能实现在Linux的driver层。目前，在Linux领域，已经出现了专门为Linux *** 作系统定制的自由软件的BIOS代码，并在多款主板上实现此类的BIOS层功能。

　　3．RT-Linux的实现机理

　　RT-Linux对Linux内核进行改造，将Linux内核工作环境做了一些变化，如图1所示：

　　从上图可以看出，在Linux内核和硬件中断的地方，加上了一个RT-Linux内核的控制。Linux的控制信号都要先交给RT-Linux内核先进行处理。在RT-Linux内核中实现了一个虚拟中断机制，Linux本身永远不能屏蔽中断，它发出的中断屏蔽信号和打开中断信号都修改成向RT-Linux发送一个信号。如在Linux里面使用“sTI”和“cli”宏指令来屏蔽和使能中断，是通过向x86处理器发送一个指令，而RT-Linux修改了这些宏指令，使得只是让RT-Linux里面的某些标记做了修改而已。对所有的中断，分成Linux中断和实时中断两类，如果RT-Linux内核收到的中断信号是普通Linux中断，那就设置一个标志位；如果是实时中断，就继续向硬件发出中断。在RT Linux中执行sTI将中断打开之后，那些设置了标志位表示的Linux中断就继续执行。因此，cli并不能禁止RT Linux内核的运行，却可以用来中断Linux。Linux不能中断自己，而RT-Linux可以。

　　RT-Linux的设计原则：在实时内核模块中的工作尽量少，如果能在Linux中完成而不影响实时性能的话，就尽量在Linux中完成。因此，RTLinux内核尽量做的简单，在RT-Linux内核中，不应该等待资源，也不需要使用共享旋转锁（SpinLock），实时任务和Linux进程间的通信也是非阻塞的，从来不用等待进队列和出队列的数据。

　　RT-Linux将系统和设备的初始化交给了Linux完成，对动态资源的申请和分配也交给了Linux。RT-Linux使用静态分配的内存来完成硬实时任务，因为在没有内存资源的时候，被阻塞的线程不可能具有硬实时能力。

　　4．改变Linux内核的体系结构

　　Linux的内核体系采用的是Monolithic，在这种体系结构中，内核的所有部分都集中在一起，而且所有的部件在一起编译连接。这样虽然能使系统的各部分直接沟通，有效地缩短任务之间的切换时间，提高了系统的响应速度，实时性好并提高了CPU的利用率，但在系统比较大的时候体积也比较大，与嵌入式系统容量小、资源有限的特点不符合。而另外一种内核体系结构MicroKernel， 在内核中只包括了一些基本的内核功能如创建和删除任务、任务调度、内存管理和中断处理等部分，而文件系统、网络协议栈等部分都是在用户内存空间运行。这种结构虽然执行效率不如Monolithic内核，但大大减小了内核的体积，同时也极大地方便了整个系统的升级、维护和移植，因此更能满足嵌入式系统的特点需要。为此，为使嵌入式Linux的应用更加广泛，可以考虑将Linux目前的Monolithic内核结构中的部分结构改造成MicroKernel体系结构。通过这种折中办法，可以使得到的Linux既具有很好的实时性，又能满足嵌入式系统体积小的要求。