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嵌入式系统开发,为什么选择Linux?

  • 时间:2016-09-24
  • 发布:广州嵌入式培训
  • 来源:达内新闻

在过去的十年中,嵌入式系统的开发发生了很大的变化。以前嵌入式设备往往是一个孤立的、资源有限的系统,它们追求的是在有限的价格上满足一定的功能性要求。通常它们采用那些功能并不强大的CPU,这也是开发者不得不尽可能地压缩嵌入式系统性能的原因。

而今天人们对嵌入式设备在智能化和互连性上提出了要求,这使得嵌入式设备不再是孤立的,他们要通过互联网、无线或是其他的方式实现相互连接,同时它们也是软件生态系统(software ecosystem)的一部分。最初的嵌入式设备是单一用途的,它们拥有各自独特的显示方式和用户界面;而今天它们变成了我称之为“等同PC”的系统。

它们必须运行很多相同的应用程序,它们需要采用相同的方式实现互连或是在某些情况下增强互连性。因此你可以看到在传统的实时操作系统(RTOS)之上建立应用程序的必要性。作为内部开发(in-house developed)操作系统的替代方式,RTOS的出现使得建立嵌入式应用变得更加容易。

在2000年以前,大多数的嵌入式系统仍然建立在内部开发的操作系统(OS)基础之上,但在此之后,WindRiver和其他的商业化RTOS产品逐渐赢得了越来越大的市场份额。

如果开发者试图通过内部开发建立某些嵌入式系统,就不得不建立从固件到应用程序的完整的软件栈(software stack)。垂直集成在给开发者带来很大的控制能力的同时,也需要其在开发和维护上进行大量的投入。在过去的五年中,在经历了全球性的经济危机之后,面市时间(time-to-market)意味着一切,追求附加值成为电子业重要的追求。因此,如果你是一个工程经理,考虑到你手中的资源,你是宁愿投资去创建一个自主产权的操作系统软件平台,还是去开发那些可以给你的应用带来差异化的技术呢?我相信你会选择后者,因为开发者通常希望使他们的应用变得与众不同。这就使得内部开发操作系统整合自主产权内核的方法逐渐被淘汰。

如果你使用VxWorks或者是pSOS,仍然免不了要在建立应用软件和中间件上进行大量投入。这是因为围绕在这些操作系统周边的生态资源十分有限。例如对于VxWorks,只有一种Webserver可供使用,而如果采用Linux,会有八九种Webserver供你选择;VxWorks只提供了一种网页浏览器,而Linux有16种不同的网页浏览器支持。通常情况下对于某种实时系统你只能选择一种文件系统——通常情况下为与windows兼容而选用FAT文件系统;而Linux包含八九种本地文件系统,它们可以与十多种外部文件系统兼容。

传统的RTOS与Linux相比还有一个很大的不同——传统的RTOS是一系列“服务”的集合(libraries of services),开发者需要一个功能就加入一个功能,如果开发者不需要就将它们去掉。但这就意味着建立在一个RTOS上的系统的每一个执行程序都是不同的,因为开发者只是与那些需要的“服务”相联系,你建立的是一组非常独特的服务集合。这并不象是一个操作系统。而象Linux这样的操作系统提供了一个统一的平台,这使得那些智能设备不但可以获得更好的互连性,增强它们彼此之间的差异性,同时也使它们获得了不同的生命周期。

以手机的开发为例,一部智能手机在离开工厂时,它具有一系列确定的功能。但是在销售渠道中,人们往往希望对它原有的功能进行修改,或是加入其他的功能。运营商希望在他们销售的手机中体现出更多的差异化,他们希望加入诸如游戏等更多的服务。

而最终用户也许还希望能够从第三方购买到更丰富的游戏(和其他服务)。如果开发者的手机是一个单一用途的设备,它只能提供有限的服务,那么在它基础上建立服务和其他增值功能将是非常困难的。但如果开发者面对的是一部采用嵌入式Linux的手机,并了解API和相关的标准,他们就可以十分迅速地建立起丰富的软件生态系统并迅速占领市场。产品长期的差异化与互连性息息相关,这包括它的网络互连性、与中间件的互连性,以及与外围生态环境的互连性。Linux作为一个“在互联网上成长起来的动物”,无论从哪方面讲都应该算是互连性最好的操作系统。

有人会将Linux与微软的Windows相比较,确实Windows具有很好的互连性,且具有非常全面的软件栈。但一旦开发者用Windows建立了产品,他也就丧失了实现差异化的机会。仅仅将Windows OS加到你的产品中并实现商用是十分迅速的。所以如果你想获得面市时间上的优势,Windows会给你带来很多功能性上的优势。但是你获得功能性的同时,也就失去了差异化的机会。

当然,Windows还有其他一些技术上的问题,这主要体现在可靠性和软件规模方面。Windows的“体积”十分庞大。人们都在说Linux很大,确实与传统RTOS的70~80k的代码规模相比,Linux的大小通常在几兆字节,而最小的Windows CE的代码规模也有27MB(BIPLIP标注:应该是2~3MB)。出于政治和法律上的考虑,微软是不能将Windows进行拆分的。

同时,Windows和其它RTOS还将遇到来自用户不断增加的使用成本(runtime costs)方面的挑战,因为他们收取高额的版税。嵌入式Windows的版权费大约为每拷贝12~15美元。对于那些大批量的产品,其每件产品上可承受的分摊成本十分有限,如果要向Windows支付这样的版税,很可能会造成亏本。其它商业化的RTOS采用的也是这样一种收取版税的商业模式。而Linux,其突出的一个优点就是免版税的。

Linux还具有很好的可靠性。传统的RTOS通常不具备强大的内存保护功能,这使应用程序很容易被破坏。

另一个影响嵌入式系统对操作系统选择的是商业因素。在这方面传统RTOS供应商和微软的境遇是相同的。传统RTOS供应商和微软都会在不与客户协商的情况下终止某一产品的供应,他们的商业决策是从他们公司自身的利益出发的,而不是站在客户的角度考虑。Linux则能给予使用者更多的选择。

如果采用一个开放源码的操作系统,开发者能够主宰他们自己的命运,他们不必被一个供应商的决策牵着鼻子走,他们总是有很多选择。即使他们选择了MontaVista这样商业化的Linux供应商,他们依然能够保有对开放资源进行客户化和利用的选择性,他们可以选择继续和MontaVista合作或是走开。

我们还注意到,现实中,与MontaVista所提供的商业化版本的Linux形成竞争的除了Windows和其它RTOS,还有由用户自主开发(roll-your-own)的Linux。但是建立和维护一个基于Linux的平台是很艰巨的工作,而对于用户来说,这是一种无法创造附加值的工作。我们日常管理着MontaVista的Linux环境中超过4200万行的代码。嵌入式应用程序平均的代码长度最多是50万行,很多组织是没有能力去管理4200万行代码的。

如果你着眼于源代码的开发,即使是针对单一目的的应用,其源代码的规模也将以千万行计。为了完成内核的维护工作,你需要每年投入10个工程师的力量;同时你还要花费35~40人年去建立整个嵌入式Linux操作系统。很多公司试图用两个工程师去维护一个自主研发的Linux项目,这样开发者很快就会发现他们已经陷入困境。

自主开发Linux过程中会遭遇到的另一个问题是,你是在一个开放资源基础上开始工作的,同时你需要投入大量的时间和精力在基础性资源的周围建立一个平台。但是Linux是开放源码的,其发展速度十分迅速。因此大多数自主开发的项目实际上是我们称之为“某一时间点(point-in-time)”的版本,因为开发者只是选取了某一时段的源代码并基于它进行开发,而并不想继续投资以保持与Linux同步的发展。而象MontaVista这样的供应商会保持大量基础性的投入跟踪Linux的最新版本,并将其加入到产品中来。

有人会说,也许是因为开发者的规模太小而没有充足的预算去自主开发Linux,那么让我们来看看那些大的嵌入式开发者的选择又是如何的。规模较大系统OEM,他们拥有数以千计的开发工程师,这些大公司也许应该有工程资源在内部开发一个Linux平台。但同样,他们的预算也十分有限,他们也面临着增加附加值的挑战,他们在Linux之外还有很多其他的问题需要解决。他们面临着不同的项目,而每个项目建立在不同的微处理器的基础上,同时还需要不同的中间件和应用软件栈与之相配。因此很难说他们是否能够在统一公司内部不同的Linux版本方面花力气。

MontaVista建立了一个统一的基础资源,可以为那些大OEM建立一个我们称之为“策略平台”的统一的Linux平台。因此我们可以在相同的源代码上建立针对MIPS、ARM、PowerPC或SH等不同处理器架构的Linux。要想建立这样的Linux系统需要大量的基础性投入,而大多数嵌入式系统公司是不会在他们的产品之外投入一分钱的。

因此如果他们试图使用自主开发的Linux时,他们将面临很大的风险,因为他们自主开发的Linux的品质将受制于他们能够投入的资源的多少,即使是一个大公司也不会象MontaVista这样投入这么多。我们整个的业务都集中在这方面。

如果你使用一个有知识产权约束而非开放源码的操作系统,比如Nucleus,你是不能将其在你的组织内部广泛推行的。而如果你使用自主开发的Linux,你仍然将不得不对付那些针对不同应用的变种Linux,这仍然会耗费大量的工程资源。但如果你与一个象MontaVista这样的供应商合作,你会得到一个单一的策略平台。这就是要选择一个商业化的Linux供应商的重要原因。

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