今天，Linux 正廣泛應(yīng)用于各種嵌入式設(shè)備的開發(fā)中，如數(shù)字電視、機頂盒、DVR播放器、xDSL/有線/PON調(diào)制解調(diào)器、家用路由器和網(wǎng)關(guān)。它尤其適合具有先進網(wǎng)絡(luò)功能、大量設(shè)備驅(qū)動程序和免版稅運行時間的數(shù)字家庭和家庭網(wǎng)絡(luò)。除了嵌入式設(shè)備，Linux 還支持企業(yè)級設(shè)備，如服務(wù)器和路由器。
Linux在移動設(shè)備中也獲得了青睞。In-Stat的報告顯示，移動Linux將牢牢抓住中國巨大的市場占有率。該機構(gòu)認為，到2012年，中國基于移動Linux的智能手機總發(fā)貨量將達到中國智能手機總出貨量的25.4%。
不斷改進的Linux內(nèi)核
Linux當面對特定的嵌入式應(yīng)用時仍存在很多挑戰(zhàn)，包括那些內(nèi)存空間小或?qū)崟r確定性以及安全性能要求高的應(yīng)用。工具鏈的改進、新的調(diào)試工具和性能、不斷為標準化演變的努力等，都將繼續(xù)提升Linux對于所有嵌入式應(yīng)用的價值。在這其中，Linux內(nèi)核的不斷改進異常重要。
Linux內(nèi)核是應(yīng)用軟件采用的標準Linux API和處理器系統(tǒng)(應(yīng)用軟件運行其上)底層硬件結(jié)構(gòu)之間的接口。該內(nèi)核是內(nèi)部元件和外部可加載模塊的復雜組合。在開機啟動期間，內(nèi)核必須及時發(fā)現(xiàn)，并正確布置核心系統(tǒng)處理器、系統(tǒng)存儲器、硬盤、視頻卡、USB端口、網(wǎng)卡和音頻處理器，而且要在開機啟動期間提供足夠的顯示表明成功與否。
維持如此復雜的代碼收集很明顯是一個嚴峻的挑戰(zhàn)。內(nèi)核源代碼被劃分為標準“樹”結(jié)構(gòu)，這樣子系統(tǒng)就能夠更好地彼此隔離，有助于實現(xiàn)幾個關(guān)鍵內(nèi)核維護工作的分布。這種分工可以最大限度地減少內(nèi)核某一部分發(fā)生重大變化對其他部分產(chǎn)生的影響。每個后續(xù)子系統(tǒng)的改變傳達給主要管理員，最終到達Linux內(nèi)核最上游的管理員。這些變化被稱為“修補(patch)”，在標準格式下創(chuàng)建和應(yīng)用。
供應(yīng)商和開發(fā)人員將他們的知識反饋到開源社群以改進內(nèi)核。Linux開放、分散的本質(zhì)，再加上背后強大的社群支持，使基于Linux的OS成為培養(yǎng)創(chuàng)新的良好選擇。
F1:為下一個項目計劃的Linux操作系統(tǒng)。資料來源：VDC，2007 年
“免費”使用，但并非“零”成本
除了決定使用商用還是免費發(fā)行版Linux，開發(fā)人員還必須認識到其調(diào)試/開發(fā)工具的能力和局限。
充分發(fā)揮嵌入式Linux免費發(fā)行版的優(yōu)勢，已經(jīng)成為消費產(chǎn)品領(lǐng)域被廣泛接收的現(xiàn)實。在這些市場上，產(chǎn)品運行率非常高，對代碼的改善更新非常頻繁，而且產(chǎn)品的銷售成本至關(guān)重要，所有這些都使得開源模式極具吸引力。但是，能集成開源/免費軟件，還可為處理器內(nèi)核提供無縫調(diào)試環(huán)境的工具要求對內(nèi)核和SoC元件互動有深刻的了解。
現(xiàn)在有若干種“免費軟件”調(diào)試解決方案，設(shè)計人員需要全面了解其局限性。比如，針對Linux內(nèi)核最常用免費軟件調(diào)試器是KGDB。KGDB的主要缺點是要求重新編譯內(nèi)核。這對那些已經(jīng)在市場上通用的產(chǎn)品應(yīng)用來說產(chǎn)并不總是可行的。修補內(nèi)核還可能引入影響系統(tǒng)性能的代碼變化。
GDBServer是另一個面向應(yīng)用調(diào)試的頗受歡迎的免費軟件調(diào)試器，但它主要問題是缺乏對同時調(diào)試大量線程/進程的支持。隨著調(diào)試的線程/進程數(shù)不斷增加，GDBServer性能迅速惡化，導致反應(yīng)時間太慢，進而使目標系統(tǒng)出現(xiàn)故障。其他問題還涉及到：不能在相同的目標連接上調(diào)試驅(qū)動程序和應(yīng)用；調(diào)試設(shè)備驅(qū)動程序和調(diào)試共享庫。
Linux內(nèi)核的維護
開發(fā)人員在決定將選擇哪種OS時，重要的是選擇一個完全支持其特定處理器的操作系統(tǒng)，并能夠降低總成本和縮短上市時間。
從處理器供應(yīng)商的角度來看，積極參與與其內(nèi)核相關(guān)的Linux內(nèi)核的維護非常重要。
作為處理器 IP 公司，MIPS科技公司必須確保其新的處理器內(nèi)核正確集成到Linux源代碼樹，而且所有的改變都通過對舊內(nèi)核和平臺的回歸測試進行正確驗證。
由于MIPS IP內(nèi)核是專有內(nèi)核，對于MIPS和Linux社區(qū)來說最有益的，是確保MIPS內(nèi)核的所有性能和電源管理特性能夠在Linux內(nèi)核中完全實現(xiàn)。
對新內(nèi)核設(shè)計的支持不能破壞現(xiàn)有內(nèi)核支持結(jié)構(gòu)或降低其性能，而且還必須允許現(xiàn)有客戶快速轉(zhuǎn)移到新內(nèi)核技術(shù)。MIPS內(nèi)核的可配置性使得對Linux內(nèi)核代碼庫的維護更富挑戰(zhàn)，因為許多內(nèi)核配置組合必須經(jīng)過測試，以確保新增加的功能在所有組合中操作正常。
內(nèi)核優(yōu)化1：多核支持
現(xiàn)在，為了實現(xiàn)最佳單位面積計算能力(MIPS/每平方毫米)和最佳單位功耗計算能力(MIPS/mW)，許多處理器都利用了多核技術(shù)，在幾個以較低時鐘頻率運行的內(nèi)核間分配處理負載。這些應(yīng)用能夠以對稱多處理(SMP)的方式進行分配，其中一項任務(wù)是內(nèi)核間的基本平分；或者采用非對稱多處理(AMP)，在這里特定任務(wù)被分配給一個特定內(nèi)核。不論是哪種方式，Linux內(nèi)核中必須有適當?shù)闹С衷试S實現(xiàn)這些編程模型，同時對應(yīng)用開發(fā)者盡可能的透明。
MIPS科技的多線程34K內(nèi)核和多線程/多處理1004K內(nèi)核所要求的方式，與內(nèi)核內(nèi)的多核管理方法略微不同，因為34K內(nèi)核能夠在單一內(nèi)核的物理實例中提供多個虛擬內(nèi)核或虛擬處理單元(VPE)，而1004K內(nèi)核則可提供多核器件的一致執(zhí)行。
對于每個內(nèi)核，我們執(zhí)行的Linux內(nèi)核多核支持和優(yōu)化都必須能夠正確識別所使用的內(nèi)核，并妥善初始化和無縫實現(xiàn)特定的多核功能。必須明白，執(zhí)行基于34K器件的任務(wù)共享模型時，一個物理內(nèi)核實際上是以多于一個虛擬內(nèi)核的形式出現(xiàn)的，這些內(nèi)核并不會自動進行一致性管理。這種多核環(huán)境在某些情況下比較適合AMP環(huán)境，如每個VPE 運行一個獨立操作系統(tǒng)。1004K 內(nèi)核真正的一致性多核設(shè)計使傳統(tǒng)的SMP模式更具吸引力，在這里一個操作系統(tǒng)可以完全控制兩個內(nèi)核。
內(nèi)核優(yōu)化2：電源管理
在今天的綠色計算環(huán)境中，電源管理日漸重要，不僅體現(xiàn)在要求最大限度延長電池壽命的便攜式設(shè)備方面，而且體現(xiàn)在需要盡量減少能源浪費和熱量的AC 供電系統(tǒng)中。目前Linux內(nèi)核電源管理支持主要集中在通過ACPI的標準 PC。但是ACPI 接口并不適合先進的多核SoC，因為后者必須將一致性電源管理方案擴展至多個內(nèi)核、內(nèi)部SoC外設(shè)以及最后的外部系統(tǒng)外設(shè)(如 RF 功率放大器)。
在MIPS，我們執(zhí)行了一個先進的電源管理IP塊，稱為組群電源控制器(CPC)，在具體的1004K執(zhí)行中，它允許對每個內(nèi)核的單獨控制，使內(nèi)核可以進入或離開一致性操作，并在需要的情況下徹底關(guān)掉電源。這樣的電源管理模式能夠進一步擴展，使內(nèi)核電壓和頻率調(diào)制處于操作系統(tǒng)本身的控制之下。這個CPC塊的功能還必須擴展至Linux內(nèi)核。我們現(xiàn)在正在構(gòu)建這個電源管理結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，以實現(xiàn)針對 Linux內(nèi)核本身及在標準Linux應(yīng)用領(lǐng)域下運行的其他應(yīng)用的全面API。
Linux 開發(fā)工具
當考慮處理器對OS的支持時，開發(fā)工具很重要。
備受稱贊的內(nèi)核評測工具是Linux事件分析器，能夠剖析整個系統(tǒng)。通常這些工具可捕獲目標內(nèi)發(fā)生的用戶選擇的 Linux 事件，然后根據(jù)時間通過圖形顯示這些事件。這些捕獲有時能夠收集高達20秒的 Linux系統(tǒng)活動。
不管應(yīng)用如何，開發(fā)者都應(yīng)該確保他們選擇的處理器架構(gòu)包含一個無縫的開發(fā)環(huán)境，包括編譯器、調(diào)試器、性能和剖析工具。這種性質(zhì)的工具必須滿足上市時間要求，并從一個嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中獲取最大的性能。
作者：Rick Leatherman
MIPS科技公司副總裁
Bob Martin
MIPS科技公司應(yīng)用工程師
Yakov Levy
MIPS科技公司戰(zhàn)略營銷經(jīng)理
