學(xué)號(hào)：17020150042

姓名：宗澤民

原文鏈接：https://blog.csdn.net/DP29syM41zyGndVF/article/details/80569985

【嵌牛導(dǎo)讀】如何選擇一個(gè)合適的嵌入式操作系統(tǒng)

【嵌牛鼻子】嵌入式操作系統(tǒng)

【嵌牛正文】

????選擇一個(gè)合適的嵌入式操作系統(tǒng)，可以考慮以下幾個(gè)因素：

????第一是應(yīng)用绍弟。如果你想開發(fā)的嵌入式設(shè)備是一個(gè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用密切相關(guān)或者就是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備澈蚌，那么你應(yīng)該選擇用嵌入式Linux或者uCLinux毁腿，而不是uC/OS-II。

????第二是實(shí)時(shí)性廓脆。沒有一個(gè)絕對(duì)的數(shù)字可以告訴你什么是硬實(shí)時(shí)，什么是軟實(shí)時(shí)磁玉，他們之間的界限也是十分模糊的停忿，這與你選擇什么樣的CPU，它的主頻蚊伞、內(nèi)存等參數(shù)有一定關(guān)系席赂。如果你使用加入實(shí)時(shí)補(bǔ)丁等技術(shù)的嵌入式Linux，如Monta Vista Linux(2.4.17版本)时迫，最壞的情況只有436微秒颅停，而99.9%的情況是195微秒以內(nèi)÷尤考慮到最新的Linux在實(shí)時(shí)性方面的改進(jìn)癞揉，它可以適合于90~95%的各種嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。當(dāng)然，你如果希望更快的實(shí)時(shí)響應(yīng)烧董，如高速A/D轉(zhuǎn)換需要幾個(gè)微秒以內(nèi)的中斷延時(shí)毁靶，可能采用uC/OS-II是合適的。當(dāng)然逊移，采用像Vxworks這樣傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)也可以滿足這樣的強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求预吆。

為什么選擇Linux操作系統(tǒng)

????Linux系統(tǒng)作為一個(gè)GPOS(通用操作系統(tǒng))發(fā)展至今已經(jīng)非常成熟可靠了，并且由于遵循GPL協(xié)議胳泉，開放所有系統(tǒng)源代碼拐叉，非常易于裁剪。更重要的是扇商，與其他開源的GPOS或RTOS相比凤瘦，Linux系統(tǒng)支持多種處理器、開發(fā)板案铺，提供多種軟件開發(fā)工具蔬芥，同時(shí)Linux系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)和圖形界面的支持非常出色。顯然控汉，選擇Linux操作系統(tǒng)在產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本控制方面都有巨大優(yōu)勢(shì)笔诵。

????憑借經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面的諸多優(yōu)勢(shì)，Linux正被越來(lái)越多的嵌入式設(shè)備所使用姑子。Linux在嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)的占用率越來(lái)越高乎婿，以下是大部分產(chǎn)品選擇Linux系統(tǒng)的原因：

? ? 1.Linux支持的硬件設(shè)備種類繁多。

? ? 2.Linux支持非常多的應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議街佑。

? ? 3.Linux的擴(kuò)展性很好谢翎，從小型的消費(fèi)電子產(chǎn)品到大型、笨重的電信級(jí)交換機(jī)和路由器都可以采用Linux沐旨。

? ? 4.和傳統(tǒng)的專有嵌入式操作系統(tǒng)不同森逮，部署Linux不需要繳納專利費(fèi)。

? ? 5.Linux吸引了為數(shù)眾多的活躍的開發(fā)者希俩，能很快支持新的硬件架構(gòu)吊宋、平臺(tái)和設(shè)備。

? ? 6.越來(lái)越多的硬件和軟件廠商颜武，包括幾乎所有的頂級(jí)芯片制造商和獨(dú)立軟件開發(fā)商璃搜，現(xiàn)在都支持Linux。

什么是實(shí)時(shí)?

????實(shí)時(shí)系統(tǒng)的典型定義如下：“所謂實(shí)時(shí)系統(tǒng)鳞上，就是系統(tǒng)中計(jì)算結(jié)果的正確性不僅取決于計(jì)算邏輯的正確性这吻，還取決于產(chǎn)生結(jié)果的時(shí)間。如果完成時(shí)間不符合要求篙议，則可以說(shuō)系統(tǒng)發(fā)生了問題唾糯〉∨穑”也就是說(shuō)，不管實(shí)時(shí)應(yīng)用程序進(jìn)行的是何種任務(wù)移怯，它不僅需要正確進(jìn)行該任務(wù)而且還必須及時(shí)完成它香璃。

????人們很容易對(duì)實(shí)時(shí)產(chǎn)生誤解，認(rèn)為實(shí)時(shí)即速度足夠快舟误，實(shí)際上葡秒，實(shí)時(shí)并不意味著速度快。實(shí)時(shí)的關(guān)鍵在于保證完成時(shí)間嵌溢，而不在于原始速度眯牧，因?yàn)樗俣刃阅芘c硬件相關(guān)，可以通過(guò)搭建快速硬件平臺(tái)(處理器赖草、存儲(chǔ)器子系統(tǒng)等)來(lái)獲得所需的性能学少。而實(shí)時(shí)的行為是一個(gè)軟件問題，其目標(biāo)是讓關(guān)鍵的操作能夠在所保證的時(shí)間之內(nèi)完成秧骑。

????實(shí)時(shí)進(jìn)程不會(huì)影響自己在執(zhí)行環(huán)境中的調(diào)度版确，反而是環(huán)境影響實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的調(diào)度。也就是說(shuō)乎折，實(shí)時(shí)進(jìn)程通常和某個(gè)物理事件相關(guān)聯(lián)阀坏，比如外圍設(shè)備的中斷。那么顯然笆檀，影響實(shí)時(shí)的原因在于中斷響應(yīng)延時(shí)，在Linux系統(tǒng)中可細(xì)分為中斷延時(shí)盒至、中斷處理酗洒、調(diào)度延時(shí)。一般來(lái)說(shuō)枷遂，針對(duì)用戶對(duì)超出時(shí)間限制所造成的影響的可接受程度樱衷，實(shí)時(shí)又可分為軟實(shí)時(shí)和硬實(shí)時(shí)。

軟實(shí)時(shí)

????大多數(shù)人都同意軟實(shí)時(shí)意味著操作有時(shí)間限制酒唉。如果超過(guò)了時(shí)間限制后操作還沒有完成的話矩桂，體驗(yàn)的質(zhì)量就會(huì)下降，但不會(huì)帶來(lái)致命后果痪伦。桌面工作站就是一個(gè)需要軟實(shí)時(shí)功能的絕好例子侄榴。編輯文檔時(shí)，你期望在按鍵之后立刻在屏幕上看到結(jié)果网沾。在播放MP3文件時(shí)癞蚕，你期望聽到?jīng)]有任何雜音、爆音或中斷的高品質(zhì)音樂辉哥。如果這些所謂的軟實(shí)時(shí)事件錯(cuò)過(guò)了時(shí)限桦山，結(jié)果可能不盡如人意攒射，并導(dǎo)致體驗(yàn)的質(zhì)量有所下降，但這并不是災(zāi)難性的恒水。

硬實(shí)時(shí)

????硬實(shí)時(shí)的特點(diǎn)是錯(cuò)過(guò)時(shí)限會(huì)造成嚴(yán)重結(jié)果会放。在一個(gè)硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，如果錯(cuò)過(guò)了時(shí)限钉凌，后果往往是災(zāi)難性的咧最。當(dāng)然，“災(zāi)難”是相對(duì)而言的甩骏。但如果你的嵌入式設(shè)備正在控制噴氣式飛機(jī)引擎的燃料流窗市，而它沒有能夠及時(shí)響應(yīng)飛行員輸入的命令或操作特性的變化，致命后果就不可避免了饮笛。

????這里咨察，我們總結(jié)一下軟實(shí)時(shí)和硬實(shí)時(shí)的定義。對(duì)于軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)福青，如果錯(cuò)過(guò)了時(shí)限摄狱，系統(tǒng)的計(jì)算值或結(jié)果會(huì)不太理想。然而无午，對(duì)于硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)媒役，如果錯(cuò)過(guò)了某個(gè)時(shí)限，系統(tǒng)就是失敗的宪迟，而且可能會(huì)造成災(zāi)難性的后果酣衷。

制約標(biāo)準(zhǔn)Linux操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的因素

雖然Linux系統(tǒng)功能強(qiáng)大、實(shí)用性強(qiáng)次泽、易于軟件的二次開發(fā)穿仪，并且提供編程人員熟悉的標(biāo)準(zhǔn)API。但是由于Linux系統(tǒng)一開始就被設(shè)計(jì)成GPOS(通用操作系統(tǒng))意荤，它的目的是構(gòu)建一個(gè)完整啊片、穩(wěn)定的開源操作系統(tǒng)，盡量縮短系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間玖像，提高吞吐量紫谷，注重操作系統(tǒng)的整體功能需求，達(dá)到更好地平均性能捐寥。(在操作系統(tǒng)中笤昨，我們可以把吞吐量簡(jiǎn)單的理解為在單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)能夠處理的事件總數(shù)。)

因此在設(shè)計(jì)Linux的進(jìn)程調(diào)度算法時(shí)主要考慮的是公平性握恳，也就是說(shuō)咬腋，調(diào)度器盡可能將可用的資源平均分配給所有需要處理器的進(jìn)程，并保證每個(gè)進(jìn)程都得以運(yùn)行睡互。但這個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)是和實(shí)時(shí)進(jìn)程的需求背道而馳的根竿，所以標(biāo)準(zhǔn)Linux并不提供強(qiáng)實(shí)時(shí)性陵像。

Linux系統(tǒng)實(shí)時(shí)性不強(qiáng)使其在嵌入式應(yīng)用中有一定的局限性，主要是受內(nèi)核可搶占性寇壳、進(jìn)程調(diào)度方式醒颖、中斷處理機(jī)制、時(shí)鐘粒度等幾個(gè)方面的制約壳炎，具體如下：

(1) 進(jìn)程調(diào)度

????Linux系統(tǒng)提供符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)度策略泞歉，包括FIFO調(diào)度策略(SCHED_FIFO)、帶時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的實(shí)時(shí)調(diào)度策略(SCHED_RR)和靜態(tài)優(yōu)先級(jí)搶占式調(diào)度策略(SCHED_OTHER)匿辩。Linux進(jìn)程默認(rèn)的調(diào)度策略為SCHED_OTHER腰耙，這種調(diào)度方式雖然可以讓進(jìn)程公平地使用CPU和其它資源，但是并不能保證對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格或者高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程將先于低優(yōu)先級(jí)的執(zhí)行铲球，這將嚴(yán)重影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性挺庞。那么，將實(shí)時(shí)進(jìn)程的調(diào)度策略設(shè)置為SCHED_FIFO 或SCHED_RR 稼病，似乎使得Linux系統(tǒng)具備根據(jù)進(jìn)程優(yōu)先級(jí)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度的能力选侨，但問題在于，Linux系統(tǒng)在用戶態(tài)支持可搶占調(diào)度策略然走，而在內(nèi)核態(tài)卻不完全支持搶占式調(diào)度策略援制。這樣運(yùn)行在Linux內(nèi)核態(tài)的任務(wù)(包括系統(tǒng)調(diào)用和中斷處理)是不能被其它優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)所搶占的，由此引起優(yōu)先級(jí)逆轉(zhuǎn)問題芍瑞。

(2) 內(nèi)核搶占機(jī)制

????Linux的系統(tǒng)進(jìn)程運(yùn)行分為用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)兩種模式晨仑。當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行在用戶態(tài)時(shí)，具有高的優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程可以搶占進(jìn)程拆檬，可以較好地完成任務(wù);但是當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)時(shí)寻歧，即使其他高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程也不能搶占該進(jìn)程。當(dāng)進(jìn)程通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核態(tài)運(yùn)行時(shí)秩仆，實(shí)時(shí)任務(wù)必須等待系統(tǒng)調(diào)用返回后才能獲得系統(tǒng)資源。這和實(shí)時(shí)系統(tǒng)所要求的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)運(yùn)行是相互矛盾的猾封。

????當(dāng)然澄耍，這種情況在Linux2.6版本的內(nèi)核發(fā)布以來(lái)有了顯著改進(jìn)，Linux2.6版本后的內(nèi)核是搶占式的晌缘，這意味著進(jìn)程無(wú)論在處于內(nèi)核態(tài)還是用戶態(tài)齐莲，都可能被搶占。Linux2.6以后的內(nèi)核提供以下3種搶占模式供用戶選擇磷箕。

????PREEMPT_NONE——沒有強(qiáng)制性的搶占选酗。整體的平均延時(shí)較低，但偶爾也會(huì)出現(xiàn)一些較長(zhǎng)的延時(shí)岳枷。它最適合那些以整體吞吐率為首要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的應(yīng)用芒填。

????PREEMPT_VOLUNTARY——降低延時(shí)的第一階段呜叫。它會(huì)在內(nèi)核代碼的一些關(guān)鍵位置上放置額外的顯示搶占點(diǎn)，以降低延時(shí)殿衰。但這是以犧牲整體吞吐率為代價(jià)的朱庆。

????PREEMPT/PREEMPT_DESKTOP——這種模式使內(nèi)核在任何地方都是可搶占的，臨界區(qū)除外闷祥。這種模式適用于那些需要軟實(shí)時(shí)性能的應(yīng)用程序娱颊，比如音頻和多媒體。這也是以犧牲整體吞吐率為代價(jià)的凯砍。

(3) 中斷屏蔽

????Linux在進(jìn)行中斷處理時(shí)都會(huì)關(guān)閉中斷箱硕，這樣可以更快、更安全地完成自己的任務(wù)悟衩，但是在此期間剧罩，即使有更高優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)進(jìn)程發(fā)生中斷，系統(tǒng)也無(wú)法響應(yīng)局待，必須等到當(dāng)前中斷任務(wù)處理完畢斑响。這種狀況下會(huì)導(dǎo)致中斷延時(shí)和調(diào)度延時(shí)增大，降低Linux系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性钳榨。

(4) 時(shí)鐘粒度粗糙

????時(shí)鐘系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的重要組成部分舰罚，相當(dāng)于整個(gè)操作系統(tǒng)的脈搏。系統(tǒng)所能提供的最小時(shí)間間隔稱為時(shí)鐘粒度薛耻，時(shí)鐘粒度與進(jìn)程響應(yīng)的延遲性是正比關(guān)系营罢，即粒度越粗糙，延遲性越長(zhǎng)饼齿。但時(shí)鐘粒度并不是越小越好饲漾，就同等硬件環(huán)境而言，較小的時(shí)間粒度會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)開銷增大缕溉，降低整體吞吐率考传。

????在Linux2.6內(nèi)核中，時(shí)鐘中斷發(fā)生頻率范圍是50~1200Hz证鸥，周期不小于0.8ms僚楞，對(duì)于需要幾十微秒的響應(yīng)精度的應(yīng)用來(lái)說(shuō)顯然不滿足要求。而在嵌入式Linux系統(tǒng)中枉层，為了提高整體吞吐率泉褐，時(shí)鐘頻率一般設(shè)置為100HZ或250HZ。

????另外鸟蜡，系統(tǒng)時(shí)鐘負(fù)責(zé)軟定時(shí)膜赃，當(dāng)軟定時(shí)器逐漸增多時(shí)會(huì)引起定時(shí)器沖突，增加系統(tǒng)負(fù)荷揉忘。

(5) 虛擬內(nèi)存管理

????Linux采用虛擬內(nèi)存技術(shù)跳座，進(jìn)程可以運(yùn)行在比實(shí)際空間大得多的虛擬空間中端铛。在分時(shí)系統(tǒng)中，虛擬內(nèi)存機(jī)制非常適用躺坟，然而對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)這是難以忍受的沦补，頻繁的頁(yè)面換進(jìn)換出會(huì)使得系統(tǒng)進(jìn)程運(yùn)行無(wú)法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成。

????對(duì)于此問題咪橙，Linux系統(tǒng)提供內(nèi)存鎖定功能夕膀，以避免在實(shí)時(shí)處理中存儲(chǔ)頁(yè)被換出。

(6) 共享資源的互斥訪問差異

????多個(gè)任務(wù)互斥地訪問同一共享資源時(shí)美侦，需要防止數(shù)據(jù)遭到破壞产舞，系統(tǒng)通常采用信號(hào)量機(jī)制解決互斥問題。然而菠剩，在采取基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中易猫，信號(hào)量機(jī)制容易造成優(yōu)先級(jí)倒置，即低優(yōu)先級(jí)任務(wù)占用高優(yōu)先級(jí)任務(wù)資源具壮，導(dǎo)致高優(yōu)先級(jí)任務(wù)無(wú)法運(yùn)行准颓。

????雖然從2.6.12版本之后，Linux內(nèi)核已經(jīng)可以在較快的x86處理器上實(shí)現(xiàn)10毫秒以內(nèi)的軟實(shí)時(shí)性能棺妓。但如果想實(shí)現(xiàn)可預(yù)測(cè)攘已、可重復(fù)的微秒級(jí)的延時(shí)，使Linux系統(tǒng)更好地應(yīng)用于嵌入式實(shí)時(shí)環(huán)境怜跑，則需要在保證Linux系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改造样勃。下一節(jié)將介紹通過(guò)實(shí)時(shí)補(bǔ)丁來(lái)提高Linux實(shí)時(shí)性的方法。

常用的實(shí)時(shí)Linux改造方案

????根據(jù)實(shí)時(shí)性系統(tǒng)要求以及Linux的特點(diǎn)和性能分析性芬，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)Linux實(shí)時(shí)性的改造存在多種方法峡眶，較為合理的兩大類方法為：直接修改Linux內(nèi)核源代碼、雙內(nèi)核法植锉。

1.直接修改Linux內(nèi)核源代碼

????對(duì)Linux內(nèi)核代碼進(jìn)行細(xì)微修改并不對(duì)內(nèi)核作大規(guī)模的變動(dòng)辫樱，在遵循GPL協(xié)議的情況下，直接修改內(nèi)核源代碼將Linux改造成一個(gè)完全可搶占的實(shí)時(shí)系統(tǒng)俊庇。核心修改面向局部狮暑，不會(huì)從根本上改變Linux內(nèi)核，并且一些改動(dòng)還可以通過(guò)Linux的模塊加載來(lái)完成暇赤，即系統(tǒng)需要處理實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)加載該功能模塊，不需要時(shí)動(dòng)態(tài)卸載該模塊宵凌。

????目前kernel.org發(fā)布的主線內(nèi)核版本還不支持硬實(shí)時(shí)鞋囊。為了開啟硬實(shí)時(shí)的功能，必須對(duì)代碼打補(bǔ)丁瞎惫。實(shí)時(shí)內(nèi)核補(bǔ)丁是多方努力的共同成果溜腐，目的是為了降低Linux內(nèi)核的延時(shí)译株。這個(gè)補(bǔ)丁有多位代碼貢獻(xiàn)者，目前由Ingo Molnar維護(hù)挺益，補(bǔ)丁網(wǎng)址如下：www.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/歉糜。

????在配置已經(jīng)打過(guò)實(shí)時(shí)補(bǔ)丁的內(nèi)核代碼時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)丁添加了第4種搶占模式望众，稱為PREEMPT_RT(實(shí)時(shí)搶占)匪补。實(shí)時(shí)補(bǔ)丁在Linux內(nèi)核中添加了幾個(gè)重要特性，包括使用可搶占的互斥量來(lái)替代自旋鎖;除了使用preempt_disable()保護(hù)的區(qū)域以外烂翰，內(nèi)核中的所有地方都開啟了非自愿式搶占(involuntary preemption)功能夯缺。這種模式能夠顯著降低抖動(dòng)(延時(shí)的變化)，并且使那些對(duì)延時(shí)要求很高的實(shí)時(shí)應(yīng)用具有可預(yù)測(cè)的較低延時(shí)甘耿。

????這種方法存在的問題是：很難百分之百保證踊兜，在任何情況下，GPOS程序代碼絕不會(huì)阻礙RTOS的實(shí)時(shí)行為佳恬。也就是說(shuō)捏境，通過(guò)修改Linux內(nèi)核，難以保證實(shí)時(shí)進(jìn)程的執(zhí)行不會(huì)遭到非實(shí)時(shí)進(jìn)程所進(jìn)行的不可預(yù)測(cè)活動(dòng)的干擾毁葱。

2. 雙內(nèi)核法

????實(shí)際上垫言，雙內(nèi)核的設(shè)計(jì)緣由在于，人們不相信標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核可以在任何情況下兌現(xiàn)它的實(shí)時(shí)承諾头谜，因?yàn)镚POS內(nèi)核本身就很復(fù)雜骏掀，更多的程序代碼通常會(huì)導(dǎo)致更多的不確定性，這樣將無(wú)法符合可預(yù)測(cè)性的要求柱告。更何況Linux內(nèi)核極快的發(fā)展速度截驮，使其會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)帶來(lái)很大的變化，直接修改Linux內(nèi)核源代碼的方法將難以保持同步际度。

????雙內(nèi)核法是在同一硬件平臺(tái)上采用兩個(gè)相互配合葵袭，共同工作的系統(tǒng)核心，通過(guò)在Linux系統(tǒng)的最底層增加一層實(shí)時(shí)核心來(lái)實(shí)現(xiàn)乖菱。其中的一個(gè)核心提供精確的實(shí)時(shí)多任務(wù)處理坡锡，另一個(gè)核心提供復(fù)雜的非實(shí)時(shí)通用功能。

????雙內(nèi)核方法的實(shí)質(zhì)是把標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核作為一個(gè)普通進(jìn)程在另一個(gè)內(nèi)核上運(yùn)行窒所。關(guān)鍵的改造部分是在Linux和中斷控制器之間加一個(gè)中斷控制的仿真層鹉勒，成為其實(shí)時(shí)內(nèi)核的一部分。該中斷仿真機(jī)制提供了一個(gè)標(biāo)志用來(lái)記錄Linux的關(guān)開中斷情況吵取。一般只在修改核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵代碼時(shí)才關(guān)中斷禽额，所以其中斷響應(yīng)很小。其優(yōu)點(diǎn)是可以做到硬實(shí)時(shí)，并且能很方便地實(shí)現(xiàn)一種新的調(diào)度策略脯倒。