嵌入式LINUX在通讯设备中的应用

2019-11-03 18:51:52

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供稿：网友

原作者：何小庆北京麦克泰软件技术有限公司　　作为候选的一种嵌入式操作系统，嵌入式linux以其特别和引人注目的优势正极大的吸引电子设计的工程师从自己书写的或专用的RTOS转移到Linux。据VDC Data的数据显示，整个Linux的增长从2000年的1%到2003年的14%，再到2010年猛增到67%，在嵌入式市场，Even Data数据显示，期望使用嵌入式Linux从2001年11%增到2002年27%，而同期Vxwork只是从16%到18%，WIN CE从9%到14%。在嵌入式Linux的各种应用市场中，通讯（语音和数据）名列第一，2000年的销售额是1千3百万，而预计2005年达到1.26亿美元（VDC Data数据），可以说嵌入式Linux已经并将成为主流的通讯用嵌入式操作系统。

　　技术和软件设计方法的演变促进了嵌入式Linux应用

　　嵌入式Linux在嵌入式系统使用的制约因素之一是资源占用比一般的RTOS要大。即需要更强大的CPU和占用更多的内存，但按照Moore定律，CPU的集成度每18个月就会翻一倍，目前在市场，10个美元可以买到32位嵌入式CPU （100M主频左右）。再者内存的问题：市场上的SDRAM，Flash从早期512k到目前很难找到小于2M的器件，从市场上国内外通讯设备看（除部分信息家电产品）很少有小于4M甚至8M内存的系统，那么传统的神话50K RTOS的内核有什么必要？

　　嵌入式软件设计方法已经从70年代一个主循环程序加上若干个ISR（中断处理程序），80、90年代是RTOS内核，ISR和若干个任务（线程）到今天嵌入式系统已经包含完整操作系统（内核，设备驱动，TCP/ip网络，文件系统、图形），软件中间件（如各种标准通讯协议，嵌入式数据库，），java和应用软件。软件的工作量和投入的人力资源及成本均远远大于硬件并已成为通讯设备的主要增值部分。市场硬件技术和工艺发展，嵌入式系统设计方法演变为嵌入式Linux在通讯设备中的应用奠立了基础。

　　为什么要使用LINUX？

　　自1989年芬兰赫尔辛基大学学生Linus Torvald发布了一个新的Unix变种—Linux到今天各种Linux系统已经成功应用服务器，嵌入系统和桌面系统，因为可以获得源代码，应用程序的调试和维护变得容易，通过开放源码社区，你可以得到最前沿的技术和应用，这将大大加快产品开发周期。Linux是遵守GDL（通用公共许可），它没有版税，也没有项目和人数限制（而传统RTOS或私有软件都有项目、人数、产品系列型号限制或收费上的不同）。使用Linux，这将大大降低产品研发和最终产品成本，特别在2001年全球经济走软（通讯制造业尤为受到重创）的情况下Linux就更受到普遍的欢迎。

　　Linux 的代码质量和产品维护是目前许多人介意或传统的RTOS供应商所攻击的话题之一。我们知道Linux不是由某家公司私自拥有，在辽阔的开放源码的世界和Linux社区有数万名自由软件爱好者和黑客，数百家Linux发行版的公司和Linux服务咨询公司在为一个共同的软件和开放的标准在工作。从另外一个角度，大型的硬件制造商如IBM投资十亿美元在Linux以保证它的服务器和应用软件支持Linux 操作系统，其他硬件厂家如惠普也表示对Linux极大的信心，半导体制造商Intel 除了支持Linux，投资Linux公司（如MontaVista）外，还亲自操刀加入TLT电信Linux技术）的标准制立和实现。Intel x86CPU和StrongARM/ Xscale嵌入式CPU都全面支持Linux，与Intel相同的公司还有IBM和Motorola的半导体部。这样就形成了一个巨大群体：即由半导体，单板机，系统，软件中间件以及Linux社区，Linux发行版Linux服务商都在支持Linux（包含嵌入式Linux）的发展、维护。已经发展成功了数万种以上的各种成功应用，其结果远远超过由数十名工程师开发、维护，经过十余年发展才有几百种应用的专用RTOS，相比较Linux和嵌入Linux是完全可以信赖的。此外Linux高性能的TCP/IP和在网络安全性，稳定性，已经在业界得到广泛的认可。这对通讯设备制造选择Linux是一种极大的鼓励。在市场上我们看到嵌入式Linux在过去3-5年市场中发展并借助Linux10余年的成功经验，已经在各种通讯产品获得广泛应用。小到各种互联网相关的信息家电到通信基础设备。嵌入式Linux应用随处可见，并在嵌入式系统变革中，以其特殊优势扮演些重要的角色。

　　嵌入式Linux迎合新一代通讯设备的发展需要

　　“我们正处在前所未有的通信网络变化的黎明，这种变化远远比25年前模拟网络转变到数字通信网络变化大得多。这种变化用一句话说“集中：未来的通信网络将集中所有通信和分布式计算。”这里面包含了通信的各个层面：语音，图像，数据，控制和网络管理。”

　　以上这段话摘自IEEE通信杂志S. Mohan的文章。它构画出未来的通信网络（NGN）的轮廓。

　　未来的通信网络将由三个层面组成：

　　互通层：这里包含了路由器，交换机，接入服务器和网关。

　　控制层：这里包含了软交换，7号信令系统，PBX等网络设备。

　　应用层：这里包含了Web，数据库，计费和网络管理。

　　在这三个层面嵌入式Linux与传统的RTOS（过去较多的应用在互通层设备）和大型的Unix或Sun Soloris系统（较多在应用层服务器）展开了竞争，目前Linux已经有了相当多的成功应用。

　　我们知道Linux源于Unix而后者与TCP/IP有不解之缘，Netcrate调查显示，基于Linux的Apache Web服务器占56.81%份额。嵌入式Linux网络方面优势表现在以下三个方面：

　　Linux内核本身就包含丰富的网络协议和TCP/IP（IPv4和IPv6）、Internet协议如DNS，Http（Apaucle，goahead等）和网络管理的SNMP（V1/2/3）等；

　　为数众多的开放源码网络项目。如Linux ATM、Linux ISDN、802.1Q（VLAN）、LDAP、MDLS、Linux firewall、Linux Router、VPN、IPsec Open SSL、CORBR / DCCOM、802.11b、Bluetooth、IPv6、OSPF/BGP等；

　　 Linux TCP/IP效率远远高于传统的RTOS。

　　据法国Interface concepts的测试，他们在使用Montavista Linux发现TCP/IP的吞吐率是以前的VRTX和PSOS快5-10倍。

　　随着嵌入式Linux在通讯设备的广泛应用，众多第三方的应用软件也已经支持Linux，这里有Netplane（MPLS， IPRouting和ATM）、Trilium（SS7，VoIP）、LVL7（L2/L3交换和路由协议）、Solid（嵌入式数据库）等。注意这些软件不是GPL，需要得到授权许可才能使用。

　　而象Ipinfusion，Nexthop是靠维护、支持Zebra SPF/BGP，Ggate路由协议而生存。他们更像是Linux系统咨询服务商。

　　新一代通信设备离不开高效的网络处理器，目前嵌入式Linux（如Montavista）现在已经支持了Intel Ixp1200，425，80310，Motorola 8xx/82xx Galileo，MMU，IBM405NP。以Broadcom和IDT等网络处理器，嵌入Linux主要是在控制平面处理路由和网管而网络处理器主要是处理L2数据流。

　　Montavista嵌入式Linux

　　当你决定了在一个新的项目中采用嵌入Linux以后。你会面临一个问题：是自己做还是选择一家嵌入式Linux发行版或嵌入式Linux服务商。原理上讲你可以从网上获得全部的Linux资源，但是你要花费相当多的时间使他们集成在一起并协调工作这决非用几天几周可以完成的工作，而且需要相当多的专业的计算和操作系统的知识，所以说如果使用嵌入Linux发行版可以使你专注在核心业务，比如以太网交换机设计。一般情况嵌入Linux供应商都会承诺一年或更长时间的升级服务。这使得你的Linux可以跟上不断发展变化的Linux 世界。而且嵌入Linux供应商都在自己的发行版或专业服务中增加某些关键技术：Montavista在自己的Montavista Linux中增加可抢占内核和实时调度器，以提高实时响应。

　　另外，在你整个产品开发过程中，嵌入Linux供应商可以提供目标环境的如power pc移植（一般Linux应用是在X86平台上），免费的技术培训，咨询和新版本的升级，有些公司可以有VIP的服务如现场的支持，专家的热线服务和快速的软件错误的修补。

　　Montavista是目前国际上最著名的嵌入式Linux发行版和服务供应商。Montavista产品名称是Montavista Linux （原hard had Linux）支持x86，ppc，ARM，xstrong ARM/Xscale，Mip，SH，6大CPU系列有共近80余种单板的LSP设备驱动程序（相当于BSP），它目前有以下几个产品：Montavista Linux专业版2.1，Montavista Carrier Grade版本2.1，Java模块，Montavista图形模块，QT/Embedded图形等。Montavista Linux2.1基于2.4.17内核，增加可抢占内核，实时调度器，最新的GNU工具链，目标配置和库优化器，KDE集成开发环境，802.11b协议，日志文件系统和小脚印的Web服务器：Thttpd.。

　　Montavista、Intel、Nokia、Alcatel、Cisco等公司参加的OSDL论坛，是指导Carrier Grade Linux开发并推动未来一代通信系统，是构造在Linux开放的体系结构上，并遵守高可靠性的电信级需求。第一个商业产品Montavista Carrier Grad Linux2.1版本已经正式发表。

自97年成立以来，Montavista Linux已经成功地应用在全球400多种应用，典型的通信产品有：Nokia Flexi Server（移动控制功能模块的管理和信令平台），3com的Kerbungo Internet收音机，Cyclades的接入服务器，Interface Concept的以太网交换机和ITT宇航通讯部的无线收发机等。

　　结束语

　　虽然通讯制造业在国外面临着前所未有的严峻考验，但黎明即将来临。中国通讯制造商由于受到国内积极财政政策的保护，和积极出口外销的成功的影响，虽然受到电信运营商机构改革的影响，未见真正寒冷的严冬。但压缩开发费用，寻求新的制造商和运营商的生态链仍然是面临的问题，嵌入式Linux作为一种开放的标准支持低成本高性能的硬件平台将是新一代通讯设备首选的操作系统。

摘自《通讯世界》