嵌入式 Linux 應用：概述
sharkhuang - 2/23/2005 - 12:43
現在 Linux 廣泛用於各類計算應用，不僅包括 IBM 的微型
Linux 腕錶、手持設備（PDA
和蜂窩電話）、因特網裝置、瘦客戶機、防火牆、工業機器人和電話基礎設施設備，甚至還包括了基於集羣的超級計算機。讓我們看一下 Linux
用作嵌入式系統需要提供哪些功能，以及它在目前可用的選擇中最具吸引力的原因所在。
嵌入式系統的出現
用於控制設備的計算機，也叫做嵌入式系統，它的歷史幾乎和計算機自身的歷史一樣長。它們最初於六十年代晚期在通訊中被用於控制機電電話交換機。由於在過去
的十多年裏，計算機產業不斷朝着更小的系統方向發展，嵌入式系統也與之一起爲這些小型機器提供了更多的功能。漸漸地，就需要把這些嵌入式系統連接到某種網
絡上，因而也就產生了對網絡棧的要求，這提高了系統的複雜程度並要求更多的存儲器和接口，還有，您猜對了，操作系統的服務。
七十年代晚期出現了用作嵌入式系統的現成的操作系統，現在有許多可行的選擇方案。其中，一些主要的競爭者開始嶄露頭角，比如，VxWorks、pSOS、Neculeus 和 Windows CE。
在嵌入式系統中使用 Linux 的優點和缺點
雖然大多數 Linux 系統運行在 PC 平臺上，但 Linux 也可以作爲嵌入式系統的可靠主力。Linux
流行的“back-to-basics”方法使得它的安裝和管理比 UNIX 更加簡單靈活，這對於那些 UNIX
專家們來說又是一個優點，他們已經因爲 Linux 中有許多命令和編程接口同傳統的 UNIX 一樣而賞識它了。
典型的壓縮包裝 Linux 系統經過打包，在擁有硬盤和大容量內存的 PC 機上運行，嵌入式系統可不要這麼高的配置。一個功能完備的 Linux
內核要求大約 1 MB 內存。而 Linux 微內核只佔用其中很小一部分內存，包括虛擬內存和所有核心的操作系統功能在內，只需佔用
Pentium CPU 系統的 100 K 內存。只要有 500 K 的內存，一個有網絡棧和基本實用程序的完全的 Linux 系統就可以在一臺
8 位總線（SX）的 Intel 386 微處理器上運行的很好了。由於內存要求常常是需要的應用所決定的，比如 Web 服務器或者 SNMP
代理，Linux 系統甚至可以僅使用 256 KB ROM 和 512 KB RAM 進行工作。因此它是一個瞄準嵌入式市場的輕量級操作系統。
與傳統的實時操作系統相比（RTOS），採用象嵌入式 Linux 這樣的開放源碼的操作系統的另外一個好處是 Linux 開發團體看來會比
RTOS 的供應商更快地支持新的 IP 協議和其它協議。例如，用於 Linux
的設備驅動程序要比用於商業操作系統的設備驅動程序多，如網絡接口卡（NIC）驅動程序以及並口和串口驅動程序。
閃存
快閃 RAM 內存是大多數 Palm
設備用來存儲操作系統的專用的存儲器。它具有允許操作系統升級的優點，還可以用於數字式蜂窩電話、數字式照相機、LAN 交換機、PC
卡、數字式機頂盒、嵌入式控制器和其它小型設備。嵌入式系統，如嵌入式
Linux，不要求有磁盤驅動器，儘管可能使用其它的內存組織方式。因此如果，打個比方，Linux
用完了閃存，它就可以將其中一部分作爲只讀的文件系統來存儲額外的程序和靜態數據。
核心 Linux
操作系統本身的微內核體系結構相當簡單。網絡和文件系統以模塊形式置於微內核的上層。驅動程序和其它部件可在運行時作爲可加載模塊編譯到或者是添加到內
核。這爲構造定製的可嵌入系統提供了高度模塊化的構件方法。而在典型情況下該系統需結合定製的驅動程序和應用程序以提供附加功能。
嵌入式系統也常常要求通用的功能，爲了避免重複勞動，這些功能的實現運用了許多現成的程序和驅動程序，它們可以用於公共外設和應用。Linux 可以在外設範圍廣泛的多數微處理器上運行，並早已經有了現成的應用庫。
Linux 用於嵌入式的因特網設備也是很合適的，原因是它支持多處理器系統，該特性使 Linux
具有了伸縮性。因而設計人員可以選擇在雙處理器系統上運行實時應用，提高整體的處理能力。例如，您可以在一個處理器運行
GUI，同時在另一個處理器上運行 Linux 系統。
在嵌入式系統上運行 Linux 的一個缺點是 Linux
體系提供實時性能需要添加實時軟件模塊。而這些模塊運行的內核空間正是操作系統實現調度策略、硬件中斷異常和執行程序的部分。由於這些實時軟件模塊是在內
核空間運行的，因此代碼錯誤可能會破壞操作系統從而影響整個系統的可靠性，這對於實時應用將是一個非常嚴重的弱點。
另一方面，現成的 RTOS
完全是爲實時性能而設計的，它通過在由用戶而非系統級進程啓動時分配給某個進程以高於其它進程的優先級的方式來實現可靠性。進程在操作系統看來就是在內存
裏或硬盤驅動器上執行的程序。給他們指定進程 ID
或者數字標識符爲的是讓操作系統跟蹤正在執行的程序和這些程序的相關聯的優先等級。這樣的方式保證了 RTOS 時間能比 Linux
提供更高的可靠性（可預見性）。但最重要的，這還是一種更加經濟的選擇。
不同類型的嵌入式 Linux 系統
已經有許多嵌入式 Linux 系統的示例；可以有把握地說，某種形式的 Linux 能在幾乎任一臺執行代碼的計算機上運行。例如，ELKS（可嵌入
Linux 內核子集）方案計劃在 Palm Pilot 上使用 Linux。下面列出了一些更加廣爲人知的小型嵌入式 Linux 版本：
ETLinux — 設計用於在小型工業計算機，尤其是 PC/104 模塊上運行的 Linux 的完全分發版。
LEM — 運行在 386 上的小型（<8 MB）多用戶、網絡 Linux 版本。
LOAF — “Linux On A Floppy”分發版,運行在 386 上。
uClinux — 在沒有 MMU 的系統上運行的 Linux。目前支持 Motorola 68K、MCF5206 和 MCF5207 ColdFire 微處理器。
uLinux — 在 386 上運行的 tiny Linux 分發版。
ThinLinux — 面向專用的照相機服務器、X-10 控制器、MP3 播放器和其它類似的嵌入式應用的最小化的 Linux 分發版。
軟件和硬件要求
許多的用戶接口工具和程序增強了 Linux 基本內核的多功能性。就此而論，可以把 Linux 看作是這樣一個連續範圍，從只有存儲器管理、任務轉換和定時器服務最小化的微內核一直到完整的一系列文件系統和網絡服務的功能完善的服務器。
最小的嵌入式 Linux 系統僅需要三個基本元素：
引導實用程序
Linux 微內核，由內存管理、進程管理和定時服務構成
初始化過程
要實現最低限度的工作能力，您還需要添加：
硬件驅動程序
一個或多個應用進程，以提供所需功能
隨着要求的增加，您可能還需要：
一個文件系統（可能是在 ROM 或者是 RAM 裏）
TCP/IP 網絡棧
儲存半瞬態數據和提供交換空間的磁盤
32 位內置 CPU（所有完全的 Linux 系統都需要）
相關的硬件方案
下面是一些現有的爲 Linux 操作系統定製的嵌入式硬件方案。
PLEB：帶有 ARM SA-1100 / ArmLinux Ucsimm / Uclinux Flash EPROM 的袖珍 Linux 嵌入式機器。
Linux Lab: Linux Lab 方案旨在幫助人們開發 Linux 數據採集和過程控制軟件。它計劃提供從硬件支持到應用開發的廣闊範圍內應用的標準化開發環境。
控制器域網：Linux GPIB 的控制器域網（CAN）總線驅動程序；Linux GPIB 包是一個對普通 GPIB（IEEE 488.1）
硬件的支持包。驅動程序支持 National Instruments AT-GPIB、TNT488.2 以及 PCII 和 PCIIa
板。這個包裏有完整的開發環境，包括測試和配置工具、庫以及對 tcl 和 python 語言的支持。
硬件平臺選項
挑選最佳硬件的過程會相當複雜，問題起源於公司內部政策、成見、其它方案的遺留問題、缺乏全面的或者精確的信息以及成本 —
需考慮總的產品成本，而不僅僅是 CPU 本身。有時，一旦把 CPU 使用其它外圍設備所必需的總線邏輯和延遲時間考慮在內，那麼快速而廉價的
CPU 也可能變得昂貴。要計算任意給定的項目所需的 CPU 速度，首先要現實地看看爲了完成一個給定的任務 CPU
得運行多快然後再乘以三。還要確定總線需要運行多快。如果還有二級總線，比如 PCI 總線，那麼將它們也考慮在內。一條慢的總線（即一條被 DMA
通信阻塞的總線）將會顯著降低高速 CPU 的速度。下面是一些嵌入式 Linux 應用的最佳硬件解決方案。
Bright Star Engineering：Bright Star Engineering 的 ipEngine-1 是支持嵌入式
Linux 的信用卡大小的單片機。它利用了基於 PowerPC 的 CPU，並提供了一組板上外設，有
Ethernet、LCD／視頻控制器、USB、串口 I/O 以及一個 16K 門的可由用戶配置的 FPGA。BSE 的嵌入式 Linux
配置允許 Linux 從 ipEngine 的板上 4MB 閃存中引導。
Calibri：CalibriTM-133 是將嵌入式 Linux 作爲其操作系統來使用的網絡設備，它方便使用、緊湊，並且可以用於多種用途。它爲防火牆、VPN 和路由要求提供了一種高效、低成本的解決方案。
EmbeddedPlanet：EmbeddedPlanet 創造了後 PC 時代的計算機，它出現時就裝有 MontaVista 的
HardHat Linux。由基於 PowerPC 的計算引擎和匹配的 I/O 卡驅動，Linux Planet
裝在一個彩色的透明盒子裏並且帶有觸摸屏，還可以訪問數字及模擬 I/O。
Eurotech：Eurotech 提供了嵌入式 PC SBC 並資助了 ET-Linux，一個爲在小型工業計算機上運行而專門設計的基於 glibc 2.1.2 的完全的 Linux 系統。
Microprocess Ingenierie：Microprocess
爲產業和嵌入式市場開發、生產以及銷售標準的和定製的產品。Microprocess
在實時軟件方面活動範圍遍及全球，並具有系統集成的專業知識。它的產品，比如 740 PowerPC compactPCI 板可以與標準的
Linux 分發版或者嵌入式 Linux 版本一起訂購。
Moreton Bay：Moreton Bay 發佈基於 Linux 的 Internet 路由器，其範圍在 NETtel 2520 和
NETtel 2500
之間。這些小型的、易於連接的智能路由器解決方案設計旨在爲平面網絡提供簡便、安全和價格適中的外部網友好的虛擬私有網絡（VPN）。NETtel
路由器系列運行的是嵌入式 Linux 內核。現有一套開發工具能夠把定製代碼存在閃存中並在 NETtel
內部執行。代碼可能含有特定的加密或者身份驗證協議，或者在 NETtel 被用作遠程控制設備代碼時，會含有一些本地監視腳本。
Matrix Orbital：這是個可選的、但不是推薦的附加項。Matrix Orbital 生產的一系列串行 LCD 和 VFD 被許多
Linux 用戶添加到了他們的嵌入式系統中。這條生產線的範圍包括了 8x2 到 40x4 的字符 LCDs、20x2 和 20x4 的 VFD
加上 240x64 圖形 LC（128x128 還在生產之中）。運用顯示器的通信不是通過 RS232 就是通過 I2C
實現的，兩者都是其所有模塊上的標準。模塊的 BIOS 中包含一個全面的命令集。
實時嵌入式 Linux 應用
有關嵌入式系統最重要的事務之一就是要求有一個實時操作系統。這裏實時有好幾種定義。對有些人來說，實時意味着在 1
微秒的時間內對事件作出反應，但對另外一些人來說，那就可能是 50
毫秒了。實時的硬度也各不相同。一些系統需要硬實時響應，在很短的時間內對事件作出確定性響應。但是，當我們對許多系統進行仔細分析時，我們發現事實上對
響應時間的要求只是接近實時。實時的要求常常是時間和緩衝空間的折衷。隨着內存越來越便宜，CPU
速度越來越快，現在接近實時比硬實時更加常見，許多商用的所謂實時操作系統遠非硬實時。通常情況下，當您進入這些系統的詳細設計部分時，就需提高警惕必須
非常仔細地設計驅動器的中斷和應用以滿足實時要求。
RT-Linux（實時擴展的 Linux
系統）裏含有時間緊要的函數可以用中斷管理器來精確控制中斷處理，從而很好地確保了關鍵性中斷可以在需要時得到執行。這種方法的硬度主要取決於 CPU
中斷結構和環境轉換的硬件支持。這種方法可以滿足廣泛範圍內的實時要求。即使沒有實時擴展，Linux 也能很好地處理多個事件流。例如，運行於低端
Pentium 上的 Linux PC 系統能讓多個 10BaseT 接口有效地執行，同時又以全速的 56KBPS
運行字符級串口，而不會丟失任何數據。
值得考慮的實時硬件和軟件 Linux API 有 RTLinux、RTAI、EL 和 Linux-SRT。RTLinux
是一個最初在新墨西哥理工學院開發的硬實時 Linux API。RTAI（DIAPM）是由 Polytechnic Politecnico di
Milano（DIAPM）航天工程部的程序員們開發的 RTLinux 實時 API 的副產品。EL/IX 是一個計劃中的基於 POSIX
硬實時 Linux API，由 Red Hat 發起。Linux-SRT 是個實時 API 的軟實時替代品，它可以使所有的 Linux
程序無需修改或者重新編譯即可增強性能。
請參閱本文後面的參考資料部分，查找有關前面內容的資料和一些 Web 站點，那裏提供了用於不同類型的標準 Linux 操作系統的軟件擴展、開發工具、支持以及培訓課程。
短暫的確定性響應時間
某些實時嵌入式系統需要迅速對外部事件作出響應，以完成一項特定任務。比如，嵌入一枚導彈的一個定製的微控制器在指引導彈瞄準它周圍環境的一個特定目標之
前，需要迅速對諸如移動目標、天氣和人等的外部事件作出迅速響應。短暫的確定性響應時間是指嵌入式系統可以確定它對外部事件作出響應的時間。
配置步驟
現在讓我們來看一下如何 make LEM，它是一個小型的可嵌入 Linux 分發版，既提供網絡又提供 X
服務器。您可以下載該分發版，儘管它並非必需。您需要一個完全的 Linux 分發版來建立自己的嵌入式 Linux
操作系統，其中將包括您所需要的一切（實用程序、源代碼、編譯器、調試器和文檔）。下面是能用來 make LEM 的軟件列表：
TinyLogin：TinyLogin 是一套 tiny UNIX
實用程序，它用於登錄嵌入式系統、接受其驗證身份、爲其修改密碼，並能維護其用戶和用戶組。爲了增強系統安全性它還支持影子口令。正如它的名字所暗示的，
TinyLogin 非常小，對嵌入式系統上的 BusyBox 是極好的補充。
BusyBox：BusyBox 是一個多調用的二進制文件，它提供了 POSIX 式的命令和專用函數的最小子集。它適合於非常小的嵌入式系統，比如引導磁盤等等。特別用