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嵌入式Linux操作系统的广泛应用分析

作者:时间:2012-05-22来源:网络收藏

硬件平台选项

挑选最佳硬件的过程会相当复杂,问题起源于公司内部政策、成见、其它方案的遗留问题、缺乏全面的或者精确的信息以及成本 — 需考虑总的产品成本,而不仅仅是 CPU 本身。有时,一旦把 CPU 使用其它外围设备所必需的总线逻辑和延迟时间考虑在内,那么快速而廉价的 CPU 也可能变得昂贵。要计算任意给定的项目所需的 CPU 速度,首先要现实地看看为了完成一个给定的任务 CPU 得运行多快然后再乘以三。还要确定总线需要运行多快。如果还有二级总线,比如 PCI 总线,那么将它们也考虑在内。一条慢的总线(即一条被 DMA 通信阻塞的总线)将会显著降低高速 CPU 的速度。下面是一些 应用的最佳硬件解决方案。

Bright Star Engineering:Bright Star Engineering 的 ipEngine-1 是支持 的信用卡大小的单片机。它利用了基于 PowerPC 的 CPU,并提供了一组板上外设,有 Ethernet、LCD/视频控制器、USB、串口 I/O 以及一个 16K 门的可由用户配置的 FPGA。BSE 的 配置允许 Linux 从 ipEngine 的板上 4MB 闪存中引导。

Calibri:CalibriTM-133 是将嵌入式 Linux 作为其来使用的网络设备,它方便使用、紧凑,并且可以用于多种用途。它为防火墙、VPN 和路由要求提供了一种高效、低成本的解决方案。

EmbeddedPlanet: EmbeddedPlanet 创造了后 PC 时代的计算机,它出现时就装有 MontaVista 的 HardHat Linux。由基于 PowerPC 的计算引擎和匹配的 I/O 卡驱动,Linux Planet 装在一个彩色的透明盒子里并且带有触摸屏,还可以访问数字及模拟 I/O。

Eurotech:Eurotech 提供了嵌入式 PC SBC 并资助了 ET-Linux,一个为在小型工业计算机上运行而专门设计的基于 glibc 2.1.2 的完全的 Linux 系统。

Microprocess Ingenierie:Microprocess 为产业和嵌入式市场开发、生产以及销售标准的和定制的产品。Microprocess 在实时软件方面活动范围遍及全球,并具有系统集成的专业知识。它的产品,比如 740 PowerPC compactPCI 板可以与标准的 Linux 分发版或者嵌入式 Linux 版本一起订购。

Moreton Bay:Moreton Bay 发布基于 Linux 的 Internet 路由器,其范围在 NETtel 2520 和 NETtel 2500 之间。这些小型的、易于连接的智能路由器解决方案设计旨在为平面网络提供简便、安全和价格适中的外部网友好的虚拟私有网络(VPN)。NETtel 路由器系列运行的是嵌入式 Linux 内核。现有一套开发工具能够把定制代码存在闪存中并在 NETtel 内部执行。代码可能含有特定的加密或者身份验证协议,或者在 NETtel 被用作远程控制设备代码时,会含有一些本地监视脚本。

Matrix Orbital:这是个可选的、但不是推荐的附加项。Matrix Orbital 生产的一系列串行 LCD 和 VFD 被许多 Linux 用户添加到了他们的嵌入式系统中。这条生产线的范围包括了 8x2 到 40x4 的字符 LCDs、20x2 和 20x4 的 VFD 加上 240x64 图形 LC(128x128 还在生产之中)。运用显示器的通信不是通过 RS232 就是通过 I2C 实现的,两者都是其所有模块上的标准。模块的 BIOS 中包含一个全面的命令集。

实时嵌入式 Linux 应用

有关嵌入式系统最重要的事务之一就是要求有一个实时。这里实时有好几种定义。对有些人来说,实时意味着在 1 微秒的时间内对事件作出反应,但对另外一些人来说,那就可能是 50 毫秒了。实时的硬度也各不相同。一些系统需要硬实时响应,在很短的时间内对事件作出确定性响应。但是,当我们对许多系统进行仔细分析时,我们发现事实上对响应时间的要求只是接近实时。实时的要求常常是时间和缓冲空间的折衷。随着内存越来越便宜,CPU 速度越来越快,现在接近实时比硬实时更加常见,许多商用的所谓实时远非硬实时。通常情况下,当您进入这些系统的详细设计部分时,就需提高警惕必须非常仔细地设计驱动器的中断和应用以满足实时要求。

RT-Linux(实时扩展的 Linux 系统)里含有时间紧要的函数可以用中断管理器来精确控制中断处理,从而很好地确保了关键性中断可以在需要时得到执行。这种方法的硬度主要取决于 CPU 中断结构和环境转换的硬件支持。这种方法可以满足广泛范围内的实时要求。即使没有实时扩展,Linux 也能很好地处理多个事件流。例如,运行于低端 Pentium 上的 Linux PC 系统能让多个 10BaseT 接口有效地执行,同时又以全速的 56KBPS 运行字符级串口,而不会丢失任何数据。

值得考虑的实时硬件和软件 Linux API 有 RTLinux、RTAI、EL 和 Linux-SRT。RTLinux 是一个最初在新墨西哥理工学院开发的硬实时 Linux API。RTAI(DIAPM)是由 Polytechnic Politecnico di Milano(DIAPM)航天工程部的程序员们开发的 RTLinux 实时 API 的副产品。EL/IX 是一个计划中的基于 POSIX 硬实时 Linux API,由 Red Hat 发起。Linux-SRT 是个实时 API 的软实时替代品,它可以使所有的 Linux 程序无需修改或者重新编译即可增强性能。

请参阅本文后面的参考资料部分,查找有关前面内容的资料和一些 Web 站点,那里提供了用于不同类型的标准 Linux 操作系统的软件扩展、开发工具、支持以及培训课程。

短暂的确定性响应时间

某些实时嵌入式系统需要迅速对外部事件作出响应,以完成一项特定任务。比如,嵌入一枚导弹的一个定制的微控制器在指引导弹瞄准它周围环境的一个特定目标之前,需要迅速对诸如移动目标、天气和人等的外部事件作出迅速响应。短暂的确定性响应时间是指嵌入式系统可以确定它对外部事件作出响应的时间。

配置步骤

现在让我们来看一下如何 make LEM,它是一个小型的可嵌入 Linux 分发版,既提供网络又提供 X 服务器。您可以下载该分发版,尽管它并非必需。您需要一个完全的 Linux 分发版来建立自己的嵌入式 Linux 操作系统,其中将包括您所需要的一切(实用程序、源代码、编译器、调试器和文档)。下面是能用来 make LEM 的软件列表:

TinyLogin: TinyLogin 是一套 tiny UNIX 实用程序,它用于登录嵌入式系统、接受其验证身份、为其修改密码,并能维护其用户和用户组。为了增强系统安全性它还支持影子口令。正如它的名字所暗示的, TinyLogin 非常小,对嵌入式系统上的 BusyBox 是极好的补充。

BusyBox:BusyBox 是一个多调用的二进制文件,它提供了 POSIX 式的命令和专用函数的最小子集。它适合于非常小的嵌入式系统,比如引导磁盘等等。特别用于 Debian 拯救/安装系统(它激发了对最初的 BusyBox 的开发)、Linux Routeur 方案、LEM、lineo 及其它地方。Busybox 是由 Erik Andersen 维护的。

Ash:Ash 是个非常小的 Bourne shell。

Sysvinit:Sysvinit 是 Linux 最常用的 init 包。我们将会用到 init 和 C 语言版 start-stop-daemon。

总结

在嵌入式应用的领域里,从因特网设备到专用的控制系统,Linux 操作系统的前景都很光明。所有新造的微型计算机芯片中大约有 95% 都是用于嵌入式应用的。由于 Linux 功能强大、可靠、灵活而且具有伸缩性,再加上它支持大量的微处理器体系结构、硬件设备、图形支持和通信协议,这些都使它作为许多方案和产品的软件平台越来越流行。

由于可以公开免费得到 Linux 源代码,因此对 Linux 和它支持的软件组件的许多修改和配置也得到了不断改进,以满足采用 Linux 的市场和应用的多种需求。另外还有小型版本和实时增强版本。尽管 Linux 开始是作为 PC 体系结构的操作系统,但是现在已经有了非 X86 CPU 的版本(带或不带内存控制单元),包括 PowerPC、ARM、MIPS、68K 甚至是微控制器。但是,请注意,在不久的将来,在许多其它的信息技术(IT)领域会出现更多!

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