如何以低成本將Linux 內(nèi)核移植到嵌入式處理系統(tǒng)

隨著基于 Linux 的嵌入式系統(tǒng)得到日益廣泛的應(yīng)用，人們不禁要問，類似 Linux 這樣的免費(fèi)開放源代碼操作系統(tǒng)的真正成本到底是多少？要將 Linux 內(nèi)核移植到定制嵌入式處理系統(tǒng)，您必須對產(chǎn)品所需要的內(nèi)核功能、這些功能對其他內(nèi)核服務(wù)的依賴程度以及您的工程團(tuán)隊(duì)的技能都有深入的了解。

　　
我們很多人都看過為如何使用 Linux 源代碼提供指導(dǎo)的 GNU 通用公共許可證 (GPL)。要確定在系統(tǒng)中使用 Linux 的成本，一般來說，第一步是了解 Linux 的哪些部分是真正免費(fèi)且不受法律約束的，哪些部分是需要小心保護(hù)的。這有點(diǎn)類似于通過評估商業(yè)操作系統(tǒng)或 RTOS（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）提供商來確定其產(chǎn)品中所包含的功能和費(fèi)用。
　　
顯然，需要做出的一個(gè)決定,是購買商業(yè) Linux 發(fā)行版,還是設(shè)法解決免費(fèi) Linux 發(fā)行版移植的問題。很多工程師使用 Linux 只是為了利用其現(xiàn)有服務(wù)的一小部分，如文件系統(tǒng)、TCP/IP 和 HTTP 或 THTTP 等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。如果您只需要很少的服務(wù)，移植自己的 Linux 內(nèi)核可能不那么耗時(shí)，價(jià)格也不那么昂貴。
　　
商用操作系統(tǒng) 已將其產(chǎn)品移植到許多最常用的處理器中，并提供可在各種標(biāo)準(zhǔn)硬件平臺(tái)上運(yùn)行的板支持包 (board support package, BSP)，這正是商業(yè)操作系統(tǒng)的優(yōu)勢所在。遺憾的是，如果要設(shè)計(jì)定制嵌入式處理系統(tǒng)，商業(yè)操作系統(tǒng)可能產(chǎn)生為嵌入式硬件系統(tǒng)創(chuàng)建定制 BSP 服務(wù)的其它費(fèi)用，除非能將BSP 的生成自動(dòng)化。而這就是榮獲大獎(jiǎng)的 Xilinx Platform Studio (XPS) 工具套件的眾多功能之一：在賽靈思 嵌入式處理設(shè)計(jì)中，BSP 和庫的生成都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。
　　
為了更好地了解這一過程，讓我們來看看構(gòu)建一個(gè)完整的操作系統(tǒng)所需要的各種軟件和硬件層。圖 1 是對 Linux 系統(tǒng)中多個(gè)層次的圖解。最底層是微處理器及其外設(shè)，這代表硬件層。要與這些外設(shè)進(jìn)行通訊，需要能與 Linux 內(nèi)核兼容的軟件驅(qū)動(dòng)程序。該內(nèi)核還包括啟動(dòng)功能和中斷處理等非常重要的服務(wù)，這些功能高度依賴于系統(tǒng)的架構(gòu)，通常針對特定處理器和系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行定制。

　　圖1： Linux 系統(tǒng)軟件和硬件層分布  

　　
當(dāng)?shù)讓拥挠布脚_(tái)發(fā)生變化時(shí)（通常是為了容納新的應(yīng)用程序功能），內(nèi)核也就必須隨之而改變，而這需要時(shí)間，并會(huì)增加設(shè)計(jì)成本。對于為特定應(yīng)用程序量身打造的高度定制的處理平臺(tái)，這種情況已是司空見慣。設(shè)計(jì)人員通常使用基于 FPGA 的嵌入式系統(tǒng)，以便優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)，獲得硬件性能和軟件靈活性的最佳平衡。此外，如果要設(shè)計(jì)自己的定制嵌入式平臺(tái)，還必須考慮為新外設(shè)編寫定制驅(qū)動(dòng)程序和確定內(nèi)核配置文件的合理設(shè)置所需要的時(shí)間，以及充分測試新內(nèi)核所需要的驗(yàn)證時(shí)間。
　　
使操作系統(tǒng)設(shè)置自動(dòng)化
　　
利用 XPS，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以構(gòu)建并優(yōu)化系統(tǒng)，使下列任務(wù)的執(zhí)行自動(dòng)化：分配地址映射、為外設(shè)配置驅(qū)動(dòng)程序、鏈接所有必需的庫，等等。完成這些設(shè)置后，系統(tǒng)即準(zhǔn)備就緒，可以開始編寫首個(gè)應(yīng)用程序了。但如果要編寫的應(yīng)用程序是一個(gè)完整的操作系統(tǒng)的話會(huì)怎樣呢？這就是 Xilinx 創(chuàng)新方式的巧妙所在，利用它可以自動(dòng)化類似 Linux 的定制操作系統(tǒng) 的生成。
　　
XPS 有一種方法，可以通過微處理器庫描述 (microprocessor library description, MLD) 文件導(dǎo)出有關(guān)微處理器、外設(shè)和系統(tǒng)架構(gòu)的信息。MLD 文件包含定制軟件庫和為操作系統(tǒng)生成 BSP 的指令。

每個(gè) 操作系統(tǒng)/庫都有 MLD 文件及與其相關(guān)的 Tcl（tool command language，工具命令語言）文件。依據(jù)嵌入式設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)，Tcl 文件使用 MLD 文件定制 操作系統(tǒng)/庫。對許多 Xilinx 操作系統(tǒng)合作伙伴來說，這些文件都是現(xiàn)成的。例如，對于 µClinux，只需從菜單中進(jìn)行選擇即可，如圖 2 所示。對嵌入式系統(tǒng)硬件的更改會(huì)自動(dòng)更新庫，并重新生成控制內(nèi)核構(gòu)建方式的內(nèi)核配置文件。

　　

圖2：在 XPS 軟件平臺(tái)設(shè)置窗口進(jìn)行 μClinux 設(shè)置XPS 還會(huì)生成“auto-conf.in”文件，自動(dòng)配置過程會(huì)使用該文件為 µCLinux 內(nèi)核構(gòu)建 makefile。無需重新設(shè)計(jì)內(nèi)核配置文件，就可以自動(dòng)重新構(gòu)建內(nèi)核；考慮到一個(gè)“auto-config.in”文件的條款內(nèi)容大約有 380 行之多，這一功能節(jié)省的時(shí)間就頗為可觀。逐個(gè)手動(dòng)更新這些文件既容易出錯(cuò)，又耗費(fèi)時(shí)間。此文件的一小部分如圖 3 所示。[!--empirenews.page--]

　　                                              圖3：XPS生成的 µClinux “auto-conf.in”文件的一部分
　　
MLD 技術(shù)是一種通用技術(shù)，可用于其他操作系統(tǒng)。例如，Green Hills 的 Integrity 操作系統(tǒng)也使用這一技術(shù)。
　　
結(jié)論
　　
隨著對更高性能嵌入式系統(tǒng)的需求的增加，我們將不斷看到包含針對特定市場專用硬件的新的嵌入式處理系統(tǒng)架構(gòu)。開發(fā)這些系統(tǒng)要求使用一種迭代過程，以把軟件應(yīng)用程序的編譯和配置結(jié)合起來，同時(shí)還要照顧到硬件協(xié)處理元件和專用外設(shè)。
　　
如果每次迭代嵌入式處理硬件平臺(tái)時(shí)都手動(dòng)更新 Linux 或其它操作系統(tǒng)內(nèi)核，只會(huì)浪費(fèi)寶貴的工程時(shí)間。而將這些任務(wù)自動(dòng)化后，對于用到操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，就能大幅降低其開發(fā)成本。