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Linux Real-Time:开辟嵌入式设计的新时代

上网日期: 2013年11月15日 ?? 作者: Sanjay Challa ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:Linux? RTOS? FPGA? C/C++?

作者:Sanjay Challa,美国国家仪器嵌入式软件产品经理

Linux操作系统问世不久便成为嵌入式系统设计领域的宠儿,因为Linux是一个开源、免费和易于使用的操作系统,且拥有强大的社区支持。Linux在嵌入式系统设计领域的普及并不令人意外,因为Linux具有令人难以置信的可定制性,可支持各种处理器架构(如ARM、x86等),它拥有一个包含丰富应用程序和代码且随时可以访问的社区。最近的嵌入式市场调研清晰地表明,尽管分销的销售比例没有超过20%,但 Linux目前已经占据了超过50%的嵌入式操作系统。

尽管Linux为嵌入式设计人员提供了诸多优势,但是一直以来,该系统并不适合那些需要满足高性能实时应用需求的设计人员。从一开始,嵌入式软件开发人员尝试了多种技术来提高Linux在实时应用中的性能。虽然嵌入式设计人员提出了许多解决方案,但是并没有一种统一或广泛被接受的方法来提高Linux的实时性能。多年来,人们较为关注的一种技术是使用hypervisor技术的混合方法来将Linux与专用实时操作系统(RTOS)相结合,用于需要实时性能的嵌入式应用。

嵌入式市场涌现出一些此类基于hypervisor的解决方案,使用户能够在专用RTOS上运行Linux。比如Green Hills INTEGRITY Multivisor和B Labs 的CODEZERO Embedded Hypervisor。遗憾的是,这些解决方案似乎并没有切中要害,因为它们并没有抓住嵌入式设计人员希望使用Linux的根本原因。这些hypervisor解决方案反而增加了系统的复杂性、降低了系统的可用性而且需要更为专业化的嵌入式设计团队。

直至最近才出现一种引起嵌入式设计人员关注的替代解决方案。由于Linux在嵌入式市场中的应用日趋成熟,开发人员正在不断地添加新功能来提高Linux内核本身的确定性。随着最近PREEMPT_RT补丁集的出现,Linux社区统一了该方法来实现基于Linux的实时性能。该解决方案尤其重要的一点是实时Linux操作系统使得开发人员既可利用通用操作系统的易用性和强大的社区,又可实现实时性能。

基于PREEMPT_RT补丁集的Linux RTOS具有与Wind River VxWorks和IntervalZeros Phar Lap ETS等专用RTOS同一级别的抖动。同样地,根据通过循环速率计算的CPU利用率,基于PREEMPT_RT的 Linux RTOS提供了相比其他专用RTOS同等或更高的性能。性能的提高主要通过在较高循环率下CPU占用率较低来测得,这在很大程度上是得益于基于Linux的RTOS的调度功能。与大多数专用RTOS不同,基于Linux的RTOS采用一个实时调度器来处理关键任务,所有非关键任务则通过一个更高效的完全公平调度器(CFS)来处理。

越来越多的人认为PREEMPT_RT使得基于Linux的RTOS能够提供与现有RTOS同等的性能。该级别的性能无论是对于需要解决高性能实时应用需求的Linux用户还是对于那些目前正在使用RTOS同时也希望获得Linux的稳定性、可用性和社区的用户来说都是极佳的选择。庞大IP和工具社区拥有众多经验丰富的用户,为设计人员提供了更大的自主权,使其能够以较低的开发成本为解决方案添加更多功能。用户可以快速利用该操作系统的许多改进之处,例如,Linux提供的成熟稳定的网络协议栈可支持真正的双DHCP网络接口卡(NIC),并提供IPv6和SNMP等通信协议的支持。

PREEMPT_RT补丁集在几个不同方向上给嵌入式设计人员带来了关键性的指引。它扩展了 Linux的灵活性,使其适用于一系列不同的硬件架构,而单一的操作系统设计也使得资源分配更为简单。其结果是用户可受益于更高的易用性、更直观的可编程性以及更优化的可配置性和系统管理。除了硬件灵活性, Linux的普及性和大量的Linux用户和资源也使得Linux RTOS能够帮助嵌入式设计团队更轻松地招聘和培训软件开发人员。通过访问熟悉且更易用的基于Linux的RTOS,嵌入式设计团队可以使用一套完整的软件工具链更有效地应对嵌入式设计挑战。


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