专家解读嵌入式Linux特性

如今，Linux正广泛应用于各种嵌入式设备的开发中，如数字电视、视讯转换盒、DVR播放器、xDSL/有线/PON调制解调器、家用路由器和网络网关。它尤其适合具有先进网络功能、大量设备驱动程序的数字家庭和家庭网络。除了嵌入式设备，Linux还支持企业级设备，如服务器和路由器。

此外，Linux在行动设备中也获得了青睐。市调机构In-Stat的报告显示，到2012年，中国基于行动Linux的智能手机出货量将达到中国智能手机总出货量的25.4%。

相较其它典型的专有商用OS，Linux蓬勃发展的原因在于其是开原始码、成本低、使用快速安全。与其它OS相较，它能够更好地进行‘剪裁’，且只占用较小空间。利用Linux，再加上来自开放原始码社群的持续支持，工程师能够使用和控制原始程序代码。开放原始码社群是由熟悉Linux的工程师组成的大型社群。

不断改进的Linux核心

然 而，在面对特定嵌入式应用时，Linux仍存在许多挑战，如内存空间有限，或是需要实时确定性以及高安全性能的应用。而工具链的改善、新的除错工具和性 能、不断演变的标准化努力等，都继续提升Linux对于所有嵌入式应用的价值。在这其中，Linux核心的不断改进异常重要。

Linux 核心是应用软件采用的标准Linux API和处理器系统(应用软件执行其上)底层硬件结构之间的接口。该核心是内部组件和外部可加载模块的复杂组合，为应用程序的执行提供全面和稳定的处理环 境，提供安全消除软件缺陷、在某种程度上防止硬件故障的能力。在开机循环期间，核心必须及时发现，并正确初始化核心系统处理器、系统内存、硬件驱动、视频卡、USB端口、网络卡和音讯处理器，而且要在开机循环期间提供是否成功的足够指示。

维持如此复杂的程序代码收集很明显是一个 严峻的挑战。核心原始程序代码被划分为标准‘树’结构，这样子系统就能够更好地彼此隔离，有助于实现几个关键核心维护工作的分布。这种分工可大幅减少核心某 一部份产生重大变化对其他部份产生的影响。每个后续子系统的变更都将传达给主要维护者，最终到达Linux核心最上游的维护者。这些变更通常称为‘外挂程 式’，在标准格式下制作和应用。

供货商和开发人员将他们的知识反馈到开放原始码社群以改进核心。Linux开放、分散的本 质，再加上背后强大的社群支持，使基于Linux的OS成为培养创新的良好选择。由于供货商和开发人员不断分享他们所学到的知识，因此存在这样的可能：当开发人员需要实现某种功能时，可以在Linux社群生态系统中找到并予以采用。

商用Linux供货商做了很多工作使Linux成为嵌入式应用中更加可行和吸引人的操作系统。

商用vs.开放原代码

当选择Linux OS时，嵌入式Linux开发人员有两个主要选择：‘免费’版本，开发人员可以下载有开放原代码授权的对象/原始程序代码;商业发行版，由不同公司维护和支持的商用产品。

目前，大多数开发人员使用的都是免费发行版。市场研究公司VDC一份针对目前Linux使用者的2007年调查中有这样一个问题：请问您将在下一个项目中使用哪种Linux OS?结果高达71%的嵌入式系统工程师表示，愿意采用免费发行的Linux版本。

图1：为下一个项目计划的Linux操作系统。

由 于众多嵌入式开发人员将在下一个设计项目中选择Linux，因此，让他们体认到免费发行版本固有的局限性非常重要。这些局限包括：缺乏丰富的Linux工 具;相较竞争的实时OS来说占用更多空间;为满足实时要求最佳化Linux所面临的挑战;支持以及开发工具有限。也就是说，‘免费’意味着不花钱使用，但 并非零成本。

‘免费’≠‘零’成本

除了决定使用商用或免费Linux版本，开发 人员还必须认识到其除错/开发工具的能力和局限。嵌入式SoC领域任何有意义的设计，都要求针对嵌入式领域的高度整合的软件开发工具。从编译器到应用各个 环节的开放原始码工具，都期望能创造良好的生产品质。开发人员期望这些工具能与更短的学习曲线无缝结合。

充分发挥嵌入式 Linux免费发行版的优势，已经成为消费产品领域被广泛接收的现实。在这些市场上，产品执行率非常高，对程序代码的增加非常频繁，而且产品的销售成本至关 重要，所有这些都使得开放原始码模式极具吸引力。但是，人们通常希望开放原始码工具能够与生产品质密切相关，‘免费’和‘商用’并不同义。必须对核心和 SoC组件互动有深刻的了解，才能整合开放原始码/免费软件，并为处理器核心提供无缝除错环境的工具。因此，需要专业知识才能使目前的开放原始码工具顺利 工作。

现在有若干种‘免费软件’除错解决方案，设计人员必须全面了解其局限性。例如，针对Linux核心最受欢迎的免费软件除错器是KGDB，但主要缺点是KGDB会要求重新编译核心。这对产品已经部署到现场的应用来说并不可行。修补核心还可能导入影响系统性能的程序代码变化。

GDBServer 是另一个针对应用除错的颇受欢迎的免费软件除错器，但它也受到了严格限制。主要问题是缺乏对同时除错大量执行绪/进程的支持。随着除错的执行绪/进程数不 断增加，GDBServer性能迅速恶化，导致响应时间太慢，进而使目标系统出现故障。其它问题还涉及到：不能在相同的目标连接上除错驱动程序和应用;除 错设备驱动程序和除错共享库。了解特定应用的除错需求非常重要，应据此选择相应工具。

Linux核心的维护

在决定将选择哪种OS时，开发人员的重点是选择一个完全支持其特定处理器的操作系统，并能降低总成本和缩短上市时间。这意味着大部份核心维护已经完成，因此 若他们遇到什么问题或挑战，处理器供货商及其生态系统支持业者就能帮助解决这些问题。此外，利用供货商已正式测试的核心版本，客户在设计过程中即使不能完 全消除，也可以不断降低风险。特定处理器Linux生态系统可以利用一套标准配置和测试平台，快速而准确地隔离客户应用中的差异。