術語“嵌入式 Linux”屬于嵌入式系統中使用的發行版類別，即專門的電子設備，它們是要控制的更大系統的一部分，為特定應用程序設計，并由定制的硬件平臺支持。這些系統的主要特性在閃存、主存儲器和引導時間方面對操作系統施加了限制。在第一篇文章中，我們將通過對商業發行版的概述來分解一般特性；在接下來的文章中，我們將專注于設計和測試的技術方面，最終目標是創建一個真正的嵌入式發行版。

嵌入式系統

嵌入式系統代表集成到更復雜系統中的信息處理子系統；其中一些包括操作系統，而另一些則高度專業化，可以作為單個程序實現，并且可能包括實時軟件。一個典型的嵌入式系統如圖 1 所示。

圖 1：典型的嵌入式系統

圖 2：嵌入式系統中的傳感器和執行器

嵌入式系統提供多種功能（圖 2），包括：

從輸入傳感器讀取數據

生成命令并將其傳輸到執行器

通過執行數據壓縮或解壓縮將收集到的數據轉換為特定格式

此外，嵌入式系統可以概括為三個層次：

軟件應用層（包含所有用戶程序）

軟件系統級別（包含操作系統和所有應用程序，以便能夠與外圍設備進行查詢和通信）

硬件級別（代表系統的物理部分）

嵌入式 Linux 發行版的特點

Linux 是一種兼容 Unix 的開源操作系統，在嵌入式系統市場上非常流行。它具有多任務處理能力和先進的編程接口。基本上，嵌入式 Linux 由三個主要模塊組成：引導加載程序、內核和根文件系統。

Linux 簡潔優雅的設計提供了耐用性和良好的性能，而其開源許可證允許您根據需要修改源代碼。Linux 帶來了一些有用的優勢：

免費源代碼和開發工具的可用性

POSIX 標準支持以提高不同系統之間的可移植性

廣泛的操作系統服務，包括網絡支持

構成嵌入式 Linux 系統的組件如下：

引導加載程序，將內核從非易失性存儲器加載到 RAM 中并運行它

內核，控制硬件和進程的軟件

根文件系統，包含內核執行的程序的文件夾，存在于所有 Linux 發行版中

由用戶創建并由系統運行的應用程序；所有這些組件相互作用以執行系統運行所需的任務

Linux中的系統內存可以分為兩個區域：用戶空間和內核。用戶空間是用戶可以運行應用程序的地方（由不屬于內核的進程組成，例如文字處理器、游戲等），并按照時分機制進行組織。每個活動都分配給與要執行的任務的優先級相關的時間量。另一方面，內核空間是內核（操作系統的核心）運行并提供服務的地方。

除了時分機制之外，Linux 還附帶了兩種用于實時應用程序的額外調度算法：FIFO 和循環。循環是進程和網絡調度程序使用的算法之一。另一方面，FIFO 方法按順序安排任務，其中請求在內核中執行。如果在執行過程中發生中斷，內核將被迫停止 FIFO 執行并啟動中斷服務程序。

嵌入式設備一直用于工業應用，隨著時間的推移，開發工具不斷演變，從匯編編程轉向 C 編程。

在嵌入式系統中使用 Linux 既有優點也有缺點。顯然，這取決于您要開發的應用程序的類型，最重要的是，取決于所需的功能。我們來分析幾點：

標準系統：Linux 設計師的經驗可以很容易地導出到嵌入式環境中。

多任務系統：這允許您在一臺機器上運行多個程序，確保更高的代碼清潔度和易于維護。

開發工具：在進入嵌入式環境之前可以進行許多測試和檢查，調試的可能性更大。

驅動程序：有許多可訪問的驅動程序可顯著節省軟件開發時間。

硬件資源：操作系統需要的資源比為其量身定制的系統所需的資源要多得多，但隨著市場趨勢，這些資源可以輕松且經濟地獲取。

實時：應用程序需要管理實時事件。Linux 系統需要更改，我們將在下一段中分析。

在為嵌入式系統創建 Linux 發行版時，一個反復出現的問題是您正在使用的 CPU 系列，與普通個人計算機不同，這些 CPU 通常不是 x86。為了克服這個問題，使用了所謂的交叉編譯；即用交叉編譯器編譯程序，在與編譯所在機器不同架構的計算機上獲得可執行文件。

Linux 和實時

實時系統旨在滿足時間限制，以避免嚴重的操作后果。可以定義兩種類型的實時系統：

軟實時系統：不太嚴格的時間限制（網絡上計算機時間的調節）

硬實時系統：非常嚴格的時間限制；如果不尊重，控制系統可能會變得危險（干預醫院的患者管理系統）

Linux 標準的當前開發版本可用于軟實時應用程序。

硬實時應用需要嚴格的確定性和快速的時序。適用于此類應用程序的 Linux 實時變體自 1997 年以來就出現了，新墨西哥理工大學、米蘭理工大學和堪薩斯大學的研究小組已經制作了廣泛分布的開源版本，并已成功實施。

有兩種基本方法可以修改標準內核以提供實時響應。這些中的每一個都作為標準內核的補丁分發：

微內核：這種方法需要在硬件和標準內核之間插入一個新的、高效的代碼層。額外的代碼層，即微內核，負責所有實時功能，包括中斷和調度。這個微內核將標準內核作為后臺任務處理。另一個代碼層納米內核 (ADEOS) 僅處理中斷。

IEEE 1003.1d 內核：第二種方法是在標準 Linux 內核框架內實現對 POSIX 的實時擴展。這些擴展將計時器、編程和搶占式邏輯直接添加到單個單片內核中。

最新開發版本中的標準內核顯示延遲（輸入到達系統與其輸出可用時刻之間的時間）和抖動（信號的噪聲變化）約為 1 ms。Linux 的實時版本在數百兆赫的處理器上運行時具有大約幾微秒的延遲和抖動。

憑借這些性能水平，以及開放源代碼分發帶來的可維護性和可擴展性優勢，Linux 的實時版本越來越受到政府和行業以及大學的歡迎。

　　審核編輯：湯梓紅