數(shù)字交流伺服系統(tǒng)實驗報告

1、數(shù)字交流伺服系統(tǒng)實驗報告學院：機械工程學院學號：YJX1101028姓名：馬玉華數(shù)字交流伺服系統(tǒng)實驗報告（標題宋體，3號，加黑，段前段后0.5行）一、實驗目的（宋體，小4，加黑，段后0.5行）通過實驗深入理解伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)結構及工作原理，掌握伺服系統(tǒng)的控制器設計與系統(tǒng)調試方法。（正文：宋體，5號，單倍行距）二、實驗內容及結果1. 對系統(tǒng)進行理論分析1)數(shù)字伺服伺服系統(tǒng)又稱“隨動系統(tǒng)”，是屬于自動化體系中控制的一種，它是由若干元件和部件組成的、具有功率放大作用的一種自動控制系統(tǒng)，它的輸出量總是相當精確地跟隨輸入量的變化而變化，或者說，它的輸出量總是復現(xiàn)輸入量。它通常是具有負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，有

2、的場合也可以采用開環(huán)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)其功能。隨著技術的進步和整個工業(yè)的不斷發(fā)展，伺服驅動技術也取得了極大的進步，伺服系統(tǒng)已經(jīng)進入了全數(shù)字化和交流化的時代。隨動系統(tǒng)的基本職能是對信號進行功率放大，保證有足夠的能量推動負載（被控對象）按輸入信號的規(guī)律運動（即輸出），并使得輸入與輸出之間的偏差不超過允許的誤差范圍。也有一部分伺服系統(tǒng)還必須完成一定距離的自動追蹤任務。數(shù)字伺服控制系統(tǒng)是一種以數(shù)字處理器或計算機為控制器去控制具有連續(xù)工作狀態(tài)的被控對象的閉環(huán)控制系統(tǒng)。因此，數(shù)字伺服控制系統(tǒng)包括工作于離散狀態(tài)下的數(shù)字計算機和和工作于連續(xù)狀態(tài)下的被控對象兩大部分。由于數(shù)字控制系統(tǒng)的具有一系列的優(yōu)越性，但主要體現(xiàn)

3、在數(shù)字化的實現(xiàn)，將原來有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使在伺服系統(tǒng)中應用現(xiàn)代控制理論的先進算法如最優(yōu)控制、人工智能、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡等，成為可能。此外也使得整個伺服系統(tǒng)更加集成化、網(wǎng)絡化、智能化和模塊化。數(shù)字伺服控制系統(tǒng)的輸出可以使各種不同的物理量，如速度（包括角速度）控制、位置（包括轉角）控制、和運動軌跡控制。其組成部分主要有測量元件、給定元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和校正元件等。由系統(tǒng)所給的仿真控制圖可以知道系統(tǒng)屬于位置控制系統(tǒng)。其整體分析可知系統(tǒng)有電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)構成的三環(huán)位置控制系統(tǒng)，其整體控制框圖可以如下圖所示：圖1 位置控制系統(tǒng)的結構框圖并且由系統(tǒng)所給定的系

4、統(tǒng)的仿真圖可知，系統(tǒng)的速度控制和電流控制部分都已經(jīng)完成，在本次設計中只需要對位置控制部分的設計控制算法就可。其主要包括控制結構的選擇和參數(shù)的選取。2）控制結構的選擇數(shù)字伺服控制系統(tǒng)的分類方式有很多種，按不同的分類方法會得到不同名稱的數(shù)字伺服控制系統(tǒng)。但由于本實驗是為了做出位置外環(huán)的控制部分算法，所以這里介紹按照系統(tǒng)控制方式的分法。然后根據(jù)其優(yōu)缺點和試驗系統(tǒng)的需要來選取適合的控制方式。按照系統(tǒng)控制方式來分類，可以分為誤差控制的數(shù)字伺服控制系統(tǒng)和復合控制系統(tǒng)。分別介紹如下。誤差控制的數(shù)字伺服控制系統(tǒng)，其主要特點是系統(tǒng)的快慢取決于誤差信號的大小。當系統(tǒng)的誤差信號為零時（即系統(tǒng)輸出量與輸入給定量完全相

5、等時），系統(tǒng)便處于靜止狀態(tài)。其基本結構形式可以用下圖來表示： 圖2 誤差控制的數(shù)字伺服控制系統(tǒng)的基本結構形式誤差測量裝置又稱比較元件或敏感元件，其作用是將系統(tǒng)的輸入和輸出之間的差值隨時的測量出來，并將誤差信號轉換成電信號送入放大裝置。放大裝置將誤差電壓進行必要的變換和功率放大之后，驅動執(zhí)行元件，使執(zhí)行元件通過減速器拖動被控對象，按照輸入信號的規(guī)律運動。校正裝置的作用是補償系統(tǒng)中存在的電磁與機電慣性所引起的滯后作用，是系統(tǒng)的輸出信號能瞬時跟隨輸入信號的變化，以滿足系統(tǒng)的動態(tài)品質的要求。按誤差控制的隨動系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能。當系統(tǒng)受到外部干擾，是輸出量偏離輸入量時，通過負反饋作用，使誤差測量裝

6、置的輸出的誤差電壓，執(zhí)行元件推動被控對象回到與輸入相對應的位置，即將系統(tǒng)輸出量自動的調整到允許的誤差范圍內，這是按誤差控制（又稱反饋控制）的極大優(yōu)點。但其缺點也很明顯，是負反饋削弱了系統(tǒng)的放大倍數(shù)，降低了系統(tǒng)的快速性，且系統(tǒng)精度的進一步提高也受到這種結構形式的制約，因為提高精度需要增大系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)和增加積分環(huán)節(jié)，這樣又會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。復合控制系統(tǒng)，即按照輸入信號微分和系統(tǒng)誤差綜合控制的系統(tǒng)。它的特點是系統(tǒng)的運動取決于輸入信號的變化率（包括輸入速度和加速度）和系統(tǒng)誤差信號的綜合作用。復合控制系統(tǒng)的基本結構形式可以用小下圖來表示：圖3 復合控制系統(tǒng)的基本控制結構 如果按系統(tǒng)誤差及輸入信號的

7、一階或一階與二階微分來控制系統(tǒng)，則可以大大的提高系統(tǒng)的精度與快速性，而又不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保留了單純按照誤差控制的全部優(yōu)點。這就是復合控制系統(tǒng)，為了詳細的表示出復合系統(tǒng)這種優(yōu)勢，可以做如下推導： 在按誤差控制的閉環(huán)系統(tǒng)基礎上并聯(lián)一個輸入信號n階微分的正順饋通道，則組成了復合控制系統(tǒng)。即系統(tǒng)的執(zhí)行元件受系統(tǒng)誤差信號和輸入信號的n階微分綜合控制，如下圖所示，圖中是系統(tǒng)輸入信號，是系統(tǒng)的輸出信號，Wr(S)是n階微分裝置，W1(S)W2(S)W3(S)及其反饋是原有按誤差控制的閉環(huán)系統(tǒng)。 圖4 帶有正順饋通道的復合控制系統(tǒng)結構采用復合控制后，系統(tǒng)的輸出為：將系統(tǒng)誤差代入上式，則得:也即是：所以可得

8、系統(tǒng)的閉環(huán)傳函為： （1）系統(tǒng)的誤差傳函為： （2）當微分裝置的結構參數(shù)滿足： （3）當微分裝置的結構參數(shù)滿足3式時，則及，即及。這說明系統(tǒng)的輸出完全復現(xiàn)輸入，沒有過渡過程，系統(tǒng)具有無窮大的通頻帶，不管輸入信號如何變化，系統(tǒng)的誤差式中為0.此外，原有按照誤差控制的閉環(huán)系統(tǒng)傳函為： （4） 由1式和4式可知，采用復合控制后，系統(tǒng)的特征方程沒有變化，即并聯(lián)輸入信號的n階微分裝置后不影響原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以，從原理結構上講，復合控制系統(tǒng)要比單純采用按誤差控制系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)要優(yōu)越的多，是一種比較理想的隨動系統(tǒng)。 綜上所論述本系統(tǒng)中的，位置控制結構選擇為復合控制系統(tǒng)。微分環(huán)節(jié)采用一階微分結構，即Wr(

9、S)為一階結構；W1(S)采用PID控制結構。PID控制的調節(jié)思路大致可描述如下。參數(shù)KP、Ti、Td的大小會對系統(tǒng)的動態(tài)特性有很大的影響，比例調節(jié)參數(shù)KP加大，提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，KP偏大，震蕩次數(shù)加多，調節(jié)時間變長，當KP太大時，系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分調節(jié)能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度，但積分調節(jié)通常使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，Ti越小積分作用越強，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。Ti越大積分作用越弱，對系統(tǒng)穩(wěn)定性能的不利影響減少，但消除凈差的時間增加。微分調節(jié)可以改善系統(tǒng)動態(tài)特性，參數(shù)Td偏大、偏小時，超調量都較大，而且調節(jié)時間較長。所以當參數(shù)KP 、Ti、Td合適時，系統(tǒng)才可以得到滿意

10、的動態(tài)特性和穩(wěn)定特性。2. 伺服系統(tǒng)仿真實驗圖5為系統(tǒng)的整體仿真結構圖，而系統(tǒng)所要求設計的位置控制器部分如圖6所示。圖5數(shù)字伺服系統(tǒng)的整體仿真結構圖圖6 位置環(huán)控制器結構設計位置環(huán)控制器結構圖6所示，其結構整體上采用復合控制系統(tǒng)，即結合對系統(tǒng)誤差信號和輸入信號的微分來共同控制系統(tǒng)。系統(tǒng)仿真時的參數(shù)設置如下所示PID controller1:kp=2.5,ki=0.3,kd=0.25;PID controller2:kp=0,ki=0,kd=0.1;1）階躍信號輸入： 3000mil 調節(jié)時間0.5s，靜差0.5mil，%3mil，振蕩11.5次； 圖6 階躍信號時系統(tǒng)輸出曲線 圖7 階躍信號時

11、系統(tǒng)誤差曲線 系統(tǒng)的調節(jié)時間為0.45秒左右，超調為7mil，系統(tǒng)在最終穩(wěn)定后凈差0.5mil，無明顯振蕩。2）斜坡信號輸入： （1）低速：20mil/s 誤差2mil，無爬行現(xiàn)象； 圖8 低速斜坡信號時系統(tǒng)輸出曲線 圖9 低速斜坡信號時系統(tǒng)誤差曲線 斜坡信號低速輸入時，由圖18可知，系統(tǒng)無爬行現(xiàn)象，系統(tǒng)在開始時誤差較大，但也要比-0.5mil要小，系統(tǒng)在最終穩(wěn)定后誤差小于0.2滿足設計要求。 （2）高速：1500mil/s 誤差2mil； 圖10 高速斜坡信號時系統(tǒng)輸出曲線 圖11 高速斜坡信號時系統(tǒng)誤差曲線 高速斜坡信號輸入時，系統(tǒng)仍然無爬行現(xiàn)象。但系統(tǒng)的最終誤差較大近10.3）正弦信號輸

12、入： 周期6.28s，幅值1000mil 最大誤差2mil，由齒隙引起的跳變1mil。 圖12 正弦信號時系統(tǒng)輸出曲線 圖13 正弦信號時系統(tǒng)誤差曲線 有圖12可知，此時系統(tǒng)整體上能夠使輸出能夠很好的跟隨正弦給定信號，雖然在幅值上的給隨效果很好，但是在相位上還是有很細小的誤差，這個可以在系統(tǒng)的誤差曲線上看出來其幅值近20.有待提高。 圖14 正弦信號、有齒輪間隙時的系統(tǒng)誤差曲線 圖15 正弦信號、無齒輪間隙時系統(tǒng)誤差曲線 通過對圖14和圖15的比較可以知道，系統(tǒng)在有無齒輪間隙的作用在系統(tǒng)誤差信號上的表現(xiàn)主要為：當系統(tǒng)有齒輪間隙時的誤差曲線在等于零之后會出現(xiàn)類似與毛刺的曲線形狀曲線，而在沒有齒輪

13、間隙時就不會出現(xiàn)這種毛刺。并且若系統(tǒng)所加的正弦信號幅值相對于齒輪間隙較小時，會導致對系統(tǒng)誤差曲線的毛刺現(xiàn)象更加明顯，也會使這時系統(tǒng)的輸出曲線出現(xiàn)折線形式的波形。圖16就是正弦信號幅值為1，而系統(tǒng)的齒輪間隙仍然為4時的系統(tǒng)輸出曲線，但系統(tǒng)已經(jīng)不能夠很好的跟隨給定信號了。圖16 低幅值、大齒輪間隙時的系統(tǒng)輸出信號跟隨輸入信號的曲線三、結果分析1、調試結果分析說明；在仿真實驗系統(tǒng)中，對PID參數(shù)調節(jié)時，知道控制部分的各個功能后，在仿真實驗系統(tǒng)中，在參數(shù)接近實驗要求時，固定某一參數(shù)，對另一參數(shù)微調，進而找出另一參數(shù)最優(yōu)時的參數(shù)值，然后固定這兩個參數(shù)，調節(jié)第三個參數(shù)；但是由于系統(tǒng)是對三種不同輸入都有一定

14、的性能要求，這就使得在調解時，在各個不同輸入時的各個狀態(tài)之間切換調節(jié)，已選擇系統(tǒng)整體最優(yōu)時的參數(shù)作為最終參數(shù)值。當系統(tǒng)仍然不能夠滿足要求時，考慮調節(jié)前饋中的微分系統(tǒng)，繼而使得系統(tǒng)能夠滿足要求。在上面的調節(jié)過后，能夠得出不同信號在系統(tǒng)下的相應曲線和系統(tǒng)的誤差曲線，繼而能夠充分的分析系統(tǒng)的整體性能。并且可以從有輸出誤差曲線上的有無毛刺，來判斷系統(tǒng)中的齒輪間隙的影響也能夠充分的分析出來。在實際的系統(tǒng)實驗中，由于各種干擾因素的影響，系統(tǒng)的性能指標不太穩(wěn)定，對PID參數(shù)進行調節(jié)的同時，考慮對前饋微分環(huán)節(jié)進行調節(jié)。并且系統(tǒng)的齒輪間隙的影響在實際系統(tǒng)中可以更加明顯的顯現(xiàn)出來。2、結合調試結果，簡述控制器的作

15、用及調試方法。系統(tǒng)整體上采用復合控制系統(tǒng)，即按照輸入信號微分和系統(tǒng)誤差綜合控制的系統(tǒng)。它的特點是系統(tǒng)的運動取決于輸入信號的變化率（包括輸入速度和加速度）和系統(tǒng)誤差信號的綜合作用。其可以大大的提高系統(tǒng)的精度與快速性，而又不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保留了單純按照誤差控制的全部優(yōu)點。其中誤差信號采用PID控制的方式，其作用和調節(jié)方式主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）比例（P）調節(jié)成比例地反映控制偏差，偏差一旦產(chǎn)生，比例調節(jié)立即發(fā)揮作用，以減少偏差，但不能消除偏差，使得系統(tǒng)存在凈差。增大Kp可以提高系統(tǒng)開環(huán)增益，減小凈差，提高系統(tǒng)的控制精度；但Kp過大，會降低系統(tǒng)動態(tài)質量，是系統(tǒng)不穩(wěn)定。（2）積分（I）調節(jié)主要

16、用于消除凈差，屬于無差調節(jié)；但是的穩(wěn)定性作用比P調節(jié)要差?？傮w上來說：適量增大積分會減小振蕩周期，減小調節(jié)時間。（3）微分（D）調節(jié)反映偏差的變化趨勢，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調節(jié)時間。但增大比例會使系統(tǒng)振蕩不穩(wěn)定。然后是前饋部分，由于其是采用的微分環(huán)節(jié)，所以其具有微分調節(jié)的一般特性，其可以表示出調節(jié)量的變化速度（包括其大小和方向），這樣就使得調節(jié)器能夠根據(jù)調節(jié)量的變化速度來確定控制量的一個特性，而不是等到調節(jié)量出現(xiàn)很大的偏差后才開始動作，進而賦予調節(jié)器某種程度的預見性。在知道控制部分的以上功能后，在仿真實驗系統(tǒng)中，對PID參數(shù)調

17、節(jié)時，在參數(shù)接近實驗要求時，固定某一參數(shù)，對另一參數(shù)微調，進而找出另一參數(shù)最優(yōu)時的參數(shù)值，然后固定這兩個參數(shù)，調節(jié)第三個參數(shù)；但是由于系統(tǒng)是對三種不同輸入都有一定的性能要求，這就使得在調解時，在各個不同輸入時的各個狀態(tài)之間切換調節(jié)，已選擇系統(tǒng)整體最優(yōu)時的參數(shù)作為最終參數(shù)值。3、結合系統(tǒng)調試，分析實際系統(tǒng)與仿真之間的差別。其實要分析仿真和實際系統(tǒng)之間的差別，我們可以從仿真系統(tǒng)的著手處加以分析說明。我們知道仿真是在將實際系統(tǒng)的各個部分進行簡化，進而抓住主要特征，忽略次要特征的情況下的，對真實系統(tǒng)的一種模擬。由于真實系統(tǒng)往往是非常復雜的，這樣決定了仿真系統(tǒng)雖然可以通過一些手段逼近真實的實際系統(tǒng)，但永

18、遠都會和實際系統(tǒng)之間存在著差異。這可能體現(xiàn)在系統(tǒng)部件的非線性轉變，電磁干擾等多方面的影響。但仿真系統(tǒng)總能夠給真實的系統(tǒng)設計指導一定的方向，有著不可代替的作用。下面從兩個方面說明下實際系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的剛度描述了系統(tǒng)抗扭矩干擾的能力，實際系統(tǒng)的剛度比較難于衡量，這是由于實際系統(tǒng)的干擾往往難于量化，對于一個伺服系統(tǒng)來說，高的剛度能夠達到較好的伺服性能； 在仿真時，則不需要考慮這方面的問題。伺服系統(tǒng)的抗噪音能力描述了系統(tǒng)對噪音源的放大程度，噪音干擾會導致系統(tǒng)發(fā)熱、振蕩，扭矩波動和雜音等不良的現(xiàn)象。在實際系統(tǒng)中，對參數(shù)的調整也會受到電機噪聲的影響。同樣這些特征在仿真中仍然不給予考慮。但總體上來說，就如同

19、前面所總結的一樣，雖然仿真系統(tǒng)與實際系統(tǒng)有差別，但其對真實系統(tǒng)的建立有著很重要的知道作用。四、學習心得請結合課程內容和實驗進行總結。通過此次伺服系統(tǒng)的仿真和實際系統(tǒng)的實驗，讓我對伺服系統(tǒng)、特別是位置控制的伺服系統(tǒng)在其結構、控制方式等方面有了更加深刻的理解。也讓我更加的認識到了伺服系統(tǒng)的重要作用，高效率的伺服系統(tǒng)總能夠很好的讓系統(tǒng)的輸出很好的跟隨著輸入信號，進而復現(xiàn)給定信號，控制系統(tǒng)使得系統(tǒng)按照需要的特點進行運轉。本次實驗中，主要面對的是控制器的設計，更加讓我熟悉了PID調節(jié)中其參數(shù)的設計選擇，也對伺服系統(tǒng)的控制結構有了較為深刻的認識。但是我也認識到了伺服系統(tǒng)雖然較為常用的一類控制但是其仍然是屬

20、于自動控制系統(tǒng)中的一種，在現(xiàn)實的伺服系統(tǒng)設計中總是結合到了自動控制和現(xiàn)代控制理論中的知識。隨著社會的發(fā)展和科技的不斷進步現(xiàn)在的伺服系統(tǒng)控制逐漸由模擬化和直流化的階段向著數(shù)字化和交流化的方向發(fā)展。比如伺服電機控制器由于可以對電機實現(xiàn)精確的力矩控制，其速度控制和位置控制可以直接通過數(shù)字控制來實現(xiàn)。其性能好，反應速度快和穩(wěn)定性高，有助于提高生產(chǎn)率。此外由于以前所學專業(yè)與現(xiàn)在專業(yè)的不同，這讓我在學習伺服系統(tǒng)時有很大的困難，特別是在做實驗的過程中更讓自己感到了學習知識的匱乏，但也激發(fā)了自己繼續(xù)學習的動力。提醒自己在以后的學習中更加努力的去學習知識，充實自己。擴充自己的知識面，爭取讓自己的知識能夠較為全面

21、的發(fā)展。最后，也對老師在課程的學習和課程實驗中的指導表示感謝。我們能夠完成這份不是很優(yōu)秀的報告，和您的關心指導有著莫大的關聯(lián)，再次感謝老師。也祝老師工作順利，身體健康。參考文獻1.隨動系統(tǒng)，曾樂生、施妙和編著，北京工業(yè)出版社，19882.伺服系統(tǒng)實用技術，肖英奎等編，化學工業(yè)出版社,20043.數(shù)字伺服控制系統(tǒng)與設計，盧志剛等編著，機械工業(yè)出版社，20074伺服技術，厲虹等主編，國防工業(yè)出版社，20085.MATLAB自動控制系統(tǒng)設計，張德豐等編著，機械工業(yè)出版社，2010附錄資料：不需要的可以自行刪除 busybox詳解制作根文件系統(tǒng)詳解制作根文件系統(tǒng) 一、FHS（Filesystem Hi

22、erarchy Standard）標準介紹當我們在linux下輸入ls / 的時候，見到的目錄結構以及這些目錄下的內容都大同小異，這是因為所有的linux發(fā)行版在對根文件系統(tǒng)布局上都遵循FHS標準的建議規(guī)定。該標準規(guī)定了根目錄下各個子目錄的名稱及其存放的內容：目錄名存放的內容/bin必備的用戶命令，例如ls、cp等/sbin必備的系統(tǒng)管理員命令，例如ifconfig、reboot等/dev設備文件，例如mtdblock0、tty1等/etc系統(tǒng)配置文件，包括啟動文件，例如inittab等/lib必要的鏈接庫，例如C鏈接庫、內核模塊/home普通用戶主目錄/rootroot用戶主目錄/usr/b

23、in非必備的用戶程序，例如find、du等/usr/sbin非必備的管理員程序，例如chroot、inetd等/usr/lib庫文件/var守護程序和工具程序所存放的可變，例如日志文件/proc用來提供內核與進程信息的虛擬文件系統(tǒng)，由內核自動生成目錄下的內容/sys用來提供內核與設備信息的虛擬文件系統(tǒng)，由內核自動生成目錄下的內容/mnt文件系統(tǒng)掛接點，用于臨時安裝文件系統(tǒng)/tmp臨時性的文件，重啟后將自動清除制作根文件系統(tǒng)就是要建立以上的目錄，并在其中建立完整目錄內容。其過程大體包括：編譯安裝busybox，生成/bin、/sbin、/usr/bin、/usr/sbin目錄 利用交叉編譯工具鏈

24、，構建/lib目錄 手工構建/etc目錄 手工構建最簡化的/dev目錄 創(chuàng)建其它空目錄 配置系統(tǒng)自動生成/proc目錄 利用udev構建完整的/dev目錄 制作根文件系統(tǒng)的jffs2映像文件 下面就來詳細介紹這個過程。二、編譯安裝busybox，生成/bin、/sbin、/usr/bin、/usr/sbin目錄這些目錄下存儲的主要是常用命令的二進制文件。如果要自己編寫這幾百個常用命令的源程序，my god， 這簡直是一個噩夢！好在我們有嵌入式Linux系統(tǒng)的瑞士軍刀busybox，事情就簡單很多。1、從 HYPERLINK / / 下載busybox-1.7.0.tar.bz22、tar xj

25、vf busybox-1.7.0.tar.bz2解包3、修改Makefile文件175 ARCH ?= arm176 CROSS_COMPILE ?= arm-linux- 4、make menuconfig配置busyboxbusybox配置主要分兩部分。第一部分是Busybox Settings，主要編譯和安裝busybox的一些選項。這里主要需要配置：1）、Build Options - Build BusyBox as a static binary (no shared libs)，表示編譯busybox時，是否靜態(tài)鏈接C庫。我們選擇動態(tài)鏈接C庫。2）、Installation Op

26、tions - Applets links (as soft-links) - (X) as soft-links，表示安裝busybox時，將各個命令安裝為指向busybox的軟鏈接還是硬鏈接。我們選擇軟鏈接。3）、Installation Options - (/work/nfs_root/fs_mini3) BusyBox installation prefix，表示busybox的安裝位置。我們選擇/work/nfs_root/fs_mini34）Busybox Library Tuning。保留Command line editing以支持命令行編輯；保留History size以支

27、持記憶歷史命令；選中Tab completion和Username completion以支持命令自動補全 第二部分是Applets，他將busybox的支持的幾百個命令分門別類。我們只要在各個門類下選擇想要的命令即可。這里我們基本保持默認設置。1）選中Networking Utilities - httpd下的Enable -u option，以啟用http服務器的功能allows the server to run as a specific user5、編譯busyboxmake6、安裝busyboxmake install安裝完成后，可以看到在/work/nfs_root/fs_min

28、i3目錄下生成了binsbinusr/binusr/sbin目錄，其下包含了我們常用的命令，這些命令都是指向bin/busybox的軟鏈接，而busybox本身的大小不到800K：dennisdennis-desktop:/work/nfs_root/fs_mini3$ lsbin linuxrc sbin usrdennisdennis-desktop:/work/nfs_root/fs_mini3$ ls -l bintotal 740lrwxrwxrwx 1 dennis dennis 7 2010-04-03 23:57 addgroup - busyboxlrwxrwxrwx 1 d

29、ennis dennis 7 2010-04-03 23:57 adduser - busyboxlrwxrwxrwx 1 dennis dennis 7 2010-04-03 23:57 ash - busybox-rwxr-xr-x 1 dennis dennis 749632 2010-04-03 23:57 busyboxlrwxrwxrwx 1 dennis dennis 7 2010-04-03 23:57 cat busybox 而普通PC機上的ls命令就有差不多80K的大小： dennisdennis-desktop:/work/nfs_root/fs_mini3$ ls -l

30、 /bin/ls-rwxr-xr-x 1 root root 78004 2007-09-29 20:51 /bin/ls busybox以它嬌小的身軀容納了數(shù)以百計的命令代碼，實在是讓人佩服不已，其不愧嵌入式系統(tǒng)瑞士軍刀之美譽。據(jù)說，busybox的作者身患絕癥，這更讓人欽佩GNU開源軟件的作者們。 三、利用交叉編譯工具鏈，構建/lib目錄 光有應用程序（命令）是不夠的，因為應用程序本身需要使用C庫的庫函數(shù)，因此還必需制作for ARM的C庫，并將其放置于/lib目錄。my god，要自己寫C庫的源代碼嗎？不用！還記得交叉編譯工具鏈的3個組成部分嗎？交叉編譯器、for ARM的C庫和二進制工

31、具。哈哈，for ARM的C庫是現(xiàn)成的，我們只需要拷貝過來就可以了。遺憾的是：整個C庫目錄下的文件總大小有26M。而我們根文件系統(tǒng)所在分區(qū)不過區(qū)區(qū)16M而已，根本放不下。怎么辦呢？ dennisdennis-desktop:/work/nfs_root/fs_mini3$ du -s -si /work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib26M /work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib 需要C庫目錄下所有的文件嗎？no，absolutely no! 讓我們來分析一下glibc庫目錄下內容的組成

32、。該目錄下的子目錄和文件共分8類： 目標文件，如crtn.o，用于gcc鏈接可執(zhí)行文件 libtool庫文件（.la），在鏈接庫文件時這些文件會被用到，比如他們列出了當前庫文件所依賴的其它庫文件，程序運行時無需這些文件 gconv目錄，里面是各種鏈接腳本，在編譯應用程序時，他們用于指定程序的運行地址，各段的位置等 靜態(tài)庫文件（.a），例如libm.a，libc.a 動態(tài)庫文件 （.so、.so.0-9*） 動態(tài)鏈接庫加載器ld-2.3.6.so、ld-linux.so.2 其它目錄及文件很顯然，第1、2、3、4、7類文件和目錄是不需要拷貝的。由于動態(tài)鏈接的應用程序本身并不含有它所調用的C庫函數(shù)

33、的代碼，因此執(zhí)行時需要動態(tài)鏈接庫加載器來為它加載相應的C庫文件，所以第6類文件是需要拷貝的。除此之外，第5類文件當然要拷貝。但第5類文件的大小也相當大。dennisdennis-desktop:/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib$ du -c -si *.so* 7.2M total 需要全部拷貝嗎？非也，非也！其實，需要哪些庫完全取決于要運行的應用程序使用了哪些庫函數(shù)。如果我們只制作最簡單的系統(tǒng)，那么我們只需要運行busybox這一個應用程序即可。通過執(zhí)行 dennisdennis-desktop:/work/nfs_root/fs

34、_mini3$ arm-linux-readelf -a bin/busybox | grep Shared0 x00000001 (NEEDED) Shared library: libcrypt.so.10 x00000001 (NEEDED) Shared library: libm.so.60 x00000001 (NEEDED) Shared library: libc.so.6 可知：busybox只用到了3個庫：通用C庫（libc）、數(shù)學庫（libm）、加密庫（libcrypt），因此我們只需要拷貝這3個庫的庫文件即可。但是每個庫都有4個文件，4個文件都要拷貝嗎？當然不是。 de

35、nnisdennis-desktop:/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib$ ls -l libcrypt.-*-rwxr-xr-x 1 dennis dennis 30700 2008-01-22 05:32 libcrypt-2.3.6.so-rw-r-r- 1 dennis dennis 23118 2008-01-22 05:32 libcrypt.alrwxrwxrwx 1 dennis dennis 13 2008-12-22 15:38 libcrypt.so - libcrypt.so.1lrwxrwxrwx 1 den

36、nis dennis 17 2008-12-22 15:38 libcrypt.so.1 - libcrypt-2.3.6.sodennisdennis-desktop:/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib$ ls -l libm.-*-rwxr-xr-x 1 dennis dennis 779096 2008-01-22 05:31 libm-2.3.6.so-rw-r-r- 1 dennis dennis 1134282 2008-01-22 05:32 libm.alrwxrwxrwx 1 dennis dennis 9 2008

37、-12-22 15:38 libm.so - libm.so.6lrwxrwxrwx 1 dennis dennis 13 2008-12-22 15:38 libm.so.6 - libm-2.3.6.sodennisdennis-desktop:/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib$ ls -l libc.-*-rwxr-xr-x 1 dennis dennis 1435660 2008-01-22 05:48 libc-2.3.6.so-rw-r-r- 1 dennis dennis 2768280 2008-01-22 05:3

38、1 libc.a-rw-r-r- 1 dennis dennis 195 2008-01-22 05:34 libc.solrwxrwxrwx 1 dennis dennis 13 2008-12-22 15:38 libc.so.6 - libc-2.3.6.so 4個文件中的.a文件是靜態(tài)庫文件，是不需要拷貝的。另外3個文件是： 實際的共享鏈接庫：libLIBRARY_NAME-GLIBC_VERSION.so。當然需要拷貝。 主修訂版本的符號鏈接，指向實際的共享鏈接庫：libLIBRARY_NAME.so.MAJOR_REVISION_VERSION，程序一旦鏈接了特定的鏈接庫，將會參用

39、該符號鏈接。程序啟動時，加載器在加載程序前，會檢索該文件。所以需要拷貝。 與版本無關的符號鏈接，指向主修訂版本的符號連接（libc.so是唯一的例外，他是一個鏈接命令行：libLIBRARY_NAME.so，是為編譯程序時提供一個通用條目）。這些文件在程序被編譯時會被用到，但在程序運行時不會被用到，所以不必拷貝它。關于共享庫的2個符號鏈接的作用的特別說明：當我們使用gcc hello.c -o hello -lm編譯程序時，gcc會根據(jù)-lm的指示，加頭（lib）添尾（.so）得到libm.so，從而沿著與版本無關的符號鏈接（libm.so - libm.so.6）找到libm.so.6并記錄

40、在案（hello的ELF頭中），表示hello需要使用libm.so.6這個庫文件所代表的數(shù)學庫中的庫函數(shù)。而當hello被執(zhí)行的時候，動態(tài)鏈接庫加載器會從hello的ELF頭中找到libm.so.6這個記錄，然后沿著主修訂版本的符號鏈接（libm.so.6 - libm-2.3.6.so）找到實際的共享鏈接庫libm-2.3.6.so，從而將其與hello作動態(tài)鏈接?？梢姡c版本無關的符號鏈接是供編譯器使用的，主修訂版本的符號鏈接是供動態(tài)鏈接庫加載器使用的，而實際的共享鏈接庫則是供應用程序使用的。通過以上分析，我們只需要拷貝3個庫（每個庫各1個主修訂版本的符號鏈接和1個實際的共享鏈接庫）以及

41、動態(tài)鏈接庫加載器（1個符號鏈接和1個實體文件）。步驟如下：dennisdennis-desktop:/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib$ mkdir /work/nfs_root/fs_mini3/lib dennisdennis-desktop:/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib$ cp libcrypt-* /work/nfs_root/fs_mini3/libdennisdennis-desktop:/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/a

42、rm-linux/lib$ cp -l libcrypt.so.* /work/nfs_root/fs_mini3/libdennisdennis-desktop:/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib$ cp libm-* /work/nfs_root/fs_mini3/libdennisdennis-desktop:/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib$ cp -l libm.so.* /work/nfs_root/fs_mini3/libdennisdennis-deskto

43、p:/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib$ cp libc-* /work/nfs_root/fs_mini3/libdennisdennis-desktop:/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib$ cp -l libc.so.* /work/nfs_root/fs_mini3/lib dennisdennis-desktop:/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib$ cp -l ld-* /work/nfs_root/fs

44、_mini3/lib 四、手工構建/etc目錄 /etc目錄存放的是系統(tǒng)程序的主配置文件，因此需要哪些配置文件取決于要運行哪些系統(tǒng)程序。即使最小的系統(tǒng)也一定會運行1號用戶進程init，所以我們至少要手工編寫init的主配置文件inittab。busybox的inittab文件的語法、語義與傳統(tǒng)的SYSV的inittab有所不同。 inittab文件中每個條目用來定義一個需要init啟動的子進程，并確定它的啟動方式，格式為:。例如：ttySAC0:askfirst:-/bin/sh 表示子進程要使用的控制臺，若省略則使用與init進程一樣的控制臺 表示運行級別，busybox init程序這個字

45、段沒有意義 表示init進程如何控制這個子進程 sysinit：系統(tǒng)啟動后最先執(zhí)行，只執(zhí)行一次，init進程等待它結束后才繼續(xù)執(zhí)行其它動作 wait：系統(tǒng)執(zhí)行完sysinit條目后執(zhí)行，只執(zhí)行一次，init進程等待它結束后才繼續(xù)執(zhí)行其它動作 once：系統(tǒng)執(zhí)行完wait條目后執(zhí)行，只執(zhí)行一次，init進程不等待它結束 respawn：啟動完once進程后，init進程監(jiān)測發(fā)現(xiàn)子進程退出時，重新啟動它 askfirst：啟動完respawn進程后，與respawn類似，不過init進程先輸出” Please press Enter to activate this console“，等用戶輸入回

46、車后才啟動子進程 shutdown：當系統(tǒng)關機時 restart：Busybox中配置了CONFIG_FEATURE_USE_INITAB，并且init進程接收到SIGUP信號時執(zhí)行，先重新讀取、解析/etc/inittab文件，再執(zhí)行restart程序 ctrlaltdel：按下ctrl+alt+del鍵時執(zhí)行，不過在串口控制臺中無法輸入它 表示進程對應的二進制文件。如果前面有-號，表示該程序是“可以與用戶進行交互的”我們制作最簡單的/etc/inittab文件，其內容如下：:sysinit:/etc/init.d/rcS:askfirst:-/bin/sh:ctrlaltdel:/sbin

47、/reboot:shutdown:/bin/umount -a r 制作最簡單的腳本程序文件/etc/init.d/rcS，其內容如下： #!/bin/shifconfig eth0 7修改shell腳本文件/etc/init.d/rcS的權限，以使其可被執(zhí)行：# chmod a+x /etc/init.d/rcS五、手工構建最簡化的/dev目錄 在linux機器上，執(zhí)行l(wèi)s /dev可看到幾百個設備文件，我需要手工創(chuàng)建它們嗎？maybe，我只需要手工創(chuàng)建幾個設備文件！我怎么知道我應該創(chuàng)建哪幾個設備文件呢？管它呢，先看看開發(fā)板上可愛的linux的反應再說。 啟動Linux操作系統(tǒng)，顯示： VF

48、S: Mounted root (nfs filesystem).Freeing init memory: 112KWarning: unable to open an initial console. 這說明，內核已經(jīng)成功掛載根文件系統(tǒng)，但卻未能成功啟動第1個用戶進程init。通過錯誤消息“unable to open an initial console”搜索內核源代碼，找到init/main.c文件。748 static int noinline init_post(void)749 750 free_initmem();751 unlock_kernel();752 mark_roda

49、ta_ro();753 system_state = SYSTEM_RUNNING;754 numa_default_policy();755 756 if (sys_open(const char _user *) /dev/console, O_RDWR, 0) 0)757 printk(KERN_WARNING Warning: unable to open an initial console.n);758 759 (void) sys_dup(0);760 (void) sys_dup(0);761 762 if (ramdisk_execute_command) 763 run_i

50、nit_process(ramdisk_execute_command);764 printk(KERN_WARNING Failed to execute %sn,765 ramdisk_execute_command);766 767 768 /*769 * We try each of these until one succeeds.770 *771 * The Bourne shell can be used instead of init if we are772 * trying to recover a really broken machine.773 */774 if (e

51、xecute_command) 775 run_init_process(execute_command);776 printk(KERN_WARNING Failed to execute %s. Attempting 777 defaults.n, execute_command);778 779 run_init_process(/sbin/init);780 run_init_process(/etc/init);781 run_init_process(/bin/init);782 run_init_process(/bin/sh);783 784 panic(No init fou

52、nd. Try passing init= option to kernel.);785 顯然，內核錯誤是由175行不能打開/dev/console所致。通過查看已經(jīng)安裝好的linux機器的/dev/console設備文件，可知其是字符設備文件，主設備號為5，次設備號為1： dennisdennis-desktop:/work/nfs_root/fs_mini3/etc$ ls -l /dev/consolecrw- 1 root root 5, 1 2010-04-08 08:40 /dev/console 因此，我們使用下面的命令創(chuàng)建它： HYPERLINK mailto:dennisde

53、nnis-desktop:/work/nfs_root/fs_mini3/dev$ dennisdennis-desktop:/work/nfs_root/fs_mini3/dev$ sudo mknod console c 5 1 還需要創(chuàng)建其它設備文件嗎？只有天知道！再看看linux的反應。 VFS: Mounted root (nfs filesystem).Freeing init memory: 112Kinit: cant open /dev/null: No such file or directory 這次我們有經(jīng)驗了，如法炮制，創(chuàng)建/dev/null設備文件：dennisde

54、nnis-desktop:/work/nfs_root/fs_mini3/dev$ sudo mknod null c 1 3 再次重啟開發(fā)板上的linux，顯示 VFS: Mounted root (nfs filesystem).Freeing init memory: 112Kinit started: BusyBox v1.7.0 (2010-04-03 23:53:55 CST)starting pid 229, tty : /etc/init.d/rcS Please press Enter to activate this console.starting pid 231, tt

55、y : /bin/sh# 哈哈，我們成功了，終于可以K歌去了。六、創(chuàng)建其它空目錄K完歌回來，繼續(xù)戰(zhàn)斗。dennisdennis-desktop:/work/nfs_root/fs_mini3$ mkdir home root proc sys tmp mnt var再次重啟動開發(fā)板上的linux。咦，似乎有些問題。VFS: Mounted root (nfs filesystem).Freeing init memory: 112Kinit started: BusyBox v1.7.0 (2010-04-03 23:53:55 CST)starting pid 229, tty : /etc/init.d/rcS Please press Enter to activate this console.starting pid 231, tty : /bin/s