下一代消费设备看好嵌入式Linux

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下一代消费设备看好嵌入式Linux

在进入市场的头两年中，嵌入式Linux设计通过广泛应用获得了巨大的成功。随着嵌入式Linux的成熟， 提供更小的尺寸和更多类型的处理器支持，并从早期的试用阶段迈进到嵌入式的主流，它抓住了电子消费类设备的开发者们的想象力。

初期CE市场阶段和趋势
初期的高级消费电子(CE)产品的市场阶段是无线电话、手持设备、电视和家庭娱乐、SOHO(小型办公室和家庭办公室)网络设备和汽车通信设备。由于厂家采用数字技术和网络联接，所有的这些设备种类都处在快速的变化过程中。
1、  手持设备的融合与多样化
在手持设备方面，绝然不同类的无线个人数字助理(PDA)和无线电话正走向融合。虽然一些功能的融合正成为事实，这些产品尽管具有越来越多的共享功能和特性，但仍然保持各自的特点。
大部分的手持设备首先设计成以通信为中心的数字蜂窝电话和以信息为中心的无线PDA。虽然所用技术很多是相似的，用户接口规范和设计却十分多样化，电话主要是语音通信, 无线PDA是存取个人的和公司的数据。
第二，电话的建设和行销的经济方式相对PDA是截然不同的，而两种设备类型都面临极大的利润压力和不断降低价格的目标。
最后，二者在网络连接类型方面也不一致.  以语音为中心的电话连接到数字蜂窝广域网，广域网再连接到公众电话网络。PDA一般是用来连接到区域网络、公司的虚拟专用网络(VPN)和互联网。
宽带和家庭
基于数字内容和先进网络的服务正在将起居室变成互连网的媒体中心。 多种的先进数字传输能力正在进入机顶盒、高清晰电视、接收器、网络组件和专用媒体集线器。
宽带在全世界范围内的爆炸性增长，给SOHO网络设备和那些以安全、共享为目的的高速度连接器， 比如路由器、家庭网关、防火墙、宽频调制解调器、存储服务器、IP电话网关和无线接入点都带来了相应的市场。 一些产品已经将所有的这些功能集成到单一盒子内。
Linux在消费类电子产品的第四个大的市场是汽车的信息通信。包括在仪表板上和在汽车乘坐区域的先进导航、数据、娱乐和通信系统。

目前正在销售和开发的产品
虽然各大媒体都倾向于聚焦在像 Linux PDA这样有气派的小东西上，但嵌入式Linux 在四个关键的CE 领域中正在获得广泛的采用，包括手持、家庭、汽车和办公室应用(见表1)。

CE需求和解决方案的关键
当CE应用开发者们开始注意Linux的核心能力－－开放性、牢靠性和一流的网络性能的同时，应考虑到以下的因素：
2、  嵌入式硬件支持
Linux 市场和它的特别需求像一个冰山。看得见的部份由“白盒子”服务器和桌面机器所组成，但是隐藏其后的大量嵌入式计算则是在处理器和专有的系统设计上建立的。特别是当Intel IA-32和 x86处理器在嵌入式重要设计中占有较大份额的，占优势的 CE 处理器却是ARM和MIPS系列。
采用嵌入式Linux处理器的最大赢家，在手持设备方面是Intel 的StrongARM,以及像 XScale这样的下一代的ARM系列产品， 而且TI OMAP 承诺在 2003 年会快速投入手持设备和车载设备方面的开发力量。在家庭和办公室则继续采用 MIPS 和 PowerPC 芯片的混合。
3、   系统设计
PC主板和CE设备系统板，严格来说, 属于商品。PC主板是被设计成更广范围硬件和软件的支持, 极大多数的CE设计只需要做好一项工作, 并以最低成本来完成。
PC厂商尽管致力于整合 PCI、视频和多功能I/O 芯片组，仍然着重把几十种的熟悉部件集成到一个PC-AT平台上。嵌入式开发者被比喻是面对一个大杂烩的袋子. 一方面, 高整合的处理器和 SOC将处理器核心和几十个外围器件封装在一起来简化他们的工作；另一方面,他们通常拿着选好的处理器和市场上提供的参考板开始他们的项目， 他们采用的硬件通常有一类中的一种。
4、   可伸缩的内存容量
与传统的PC-AT结构不一样，许多消费电子设备并不炫耀硬盘并且只需有限的内存来运作。当今天我们发现PC已装备至少128MB RAM和40GB以上的硬盘时，多数CE系统努力保持降低成本并应用8到16MB RAM，甚至更少的ROM或Flash存储器。虽然包括RAM和Flash的价格下降(或在相同价格下容量增加)，嵌入式内存容量依然非常保守。
传统的嵌入式操作系统(实时操作系统和Windows CE)通常提供可裁剪的配置，即将整个接口或目标类别，如消息队列等功能抽取出来。另一方面，Linux的开放特点使得裁剪更加容易，如果你不需要应用编程序接口/模块/驱动程序/软件库，则不必将其配置到系统中。因此，按照CE的要求优化嵌入式Linux的内存容量需要一些技巧。
5、  配置的重要性
为了提供嵌入式CE需求的直观性，我们定义三种应用配置，如表2所示。
在表2中每种配置都表示为压缩映像集(用于引导)，以及解压和使用的RAM总容量。因此，第一个值是系统对内存或ROM的需求，第二个值是Linux、中间件和指定应用对RAM的需求。
提供的应用是建立在IA-32/x86构架上，其它CPU族的结果是不同的。特别是典型的RISC代码和数据可增大10%~30%，以满足固定运算值和固定宽度指令以及大量数据队列的需求。影响容量的其它因素还有内核映像压缩的限制，如MIPS结构就和RISC有所不同。目前标准的Linux内核不支持ARM Thumb、MIPS16 等完整RISC 指令集的CPU。
所有三种配置都适用于2~4MB的闪存并且可在4MB RAM内执行。如果系统文件存放在闪存内(如Cram FS)，RAM的效率会更高。
与传统实时操作系统(RTOS)比较，因为代码和数据实际配置在RAM/ROM中，嵌入式Linux文件系统比实际内存可以包含更多的数据和代码，包括应用软件、内核模块和动态库等等，它们可以根据需要加载或卸载。
6、  原地执行节省RAM
许多CE设备制造商关０－注继承传统的RTOS设计——不仅从ROM中引导代码，而且实际在那里执行代码。当许多用户不使用原地执行(XIP)操作，只有最近刚刚完成的标准Linux文件系统CramFS提供XIP作为其核心功能的一部分。
目前，Linux不支持XIP读/写闪存文件系统。许多普通闪存设备(如Intel Strata闪存)关闭读取端口或在块写周期内变为三态，使得写周期与XIP不能同时工作。然而Intel 和其他供应商则提供专用闪存文件系统支持XIP和读/写(例如Intel Host Creek)
7、  可靠性
消费电子设备还提出了高可靠性要求，并要求对最终用户提供真正消费级经验。错误信息、蓝屏、重新引导、数据遗失和恢复时间，可导致昂贵的产品返修费用及产品线失败。
8、  电源管理
消费电子设备的要求在许多领域中不同于传统的PC机。首先是电源消耗和管理，需要减小功耗和相关散热。在欧洲和亚洲，高的电费和政府规定使低电源功耗成为销售热点及重要的产品特点。
来自Intel (Xscale)、TI(OMAP ARM)和IBM(Power LP)的消费电子芯片，片内具有先进的电源管理特性设计，例如CPU频率和电压的动态调整。设备操作系统和系统软件需要能够以智能方式和可定制方法利用这些特性，以便减少电源功耗而不明显减慢最终用户与设备的人机对话。
传统桌面系统Linux的电源管理继承了APM(高级电源管理)功能。现在也支持ACPI(高级配置和电源接口)，可惜两种电源管理规范仅支持IA-32和面向桌面/笔记本的平台，并且至今还没有移植到没有BIOS的CE平台上。
一连串基于APM/ACPI电源管理的API和中间件正在取得进展，其使用机制更适合于CE设备。今年晚些时候，我们期待着这些项目和产品的发布。
9、  快速引导/立即开机
CE设备制造商要求他们的产品快速地进入Linux引导顺序。一些立即开机的需求源于消费者的感受和经验，而另外一些则来自政府和运营商的要求，对紧急的服务无线电话必须迅速开机。
嵌入式Linux内核实际上非常快速地执行引导程序，采用200MHz ARM的设备能在小于200ms的时间内引导程序。而桌面Linux，启动后台服务、装载文件系统和初始化GUI或桌面PC等过程要拖延几分钟的时间。
10、  安全
Linux在企业数据和基础安全方面有很重要的作用，消费类产品在操作系统上的安全计算也有其特殊的要求。 这些要求表现在四个方面：访问控制，防范不信任软件，网络流安全和内容保护。

开放源码和CE市场
正确认识到CE市场现在甚至今后可能决不会成为纯开放源码是重要的。不论好坏，CE设备制造商把他们的一些产品作为专用产品，特别是软件，甚至不愿意考虑开放源码。然而，这些公司却因为显而易见和潜在的原因而热心采纳和借助Linux。他们主要想削减开发费用，完全免费的Linux内核是一个很好的开始。他们也想利用丰富的驱动软件、中间件和应用程序资源，这些都来源于开放的源码和使用Linux的供应商。
我们和其他一些公司已经准备制订相当简单的规则，让嵌入式产品的构建者“保护”他们的IP，而又没有违反我们的开放源码原则和团体的目标。

消费电子中Linux的未来
在全球有几百种基于Linux的消费电子产品在开发中，日本公司最有闯劲地将先进消费电子产品的开发转到Linux，而在美国、欧洲和日本以外的亚太也有为数不少的项目。越来越多的公司正在采用Linux作为他们高级消费电子产品的战略平台。
Linux消费电子产品的第二个浪潮开始于2002年的秋冬季。
在未来的几年里，在消费电子中Linux的优势会减弱Linux在传统PC世界的影响。基于Linux的CE嵌入式应用将更加巩固它在传统实时嵌入式操作系统市场的地位。在这种情况下，这个趋势将使得消费电子公司更快速地把他们的技术和产品推向市场。

李小路

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