Linux 第1章 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)

第1章嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】●知道嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)用領(lǐng)域掌握嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)了解嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方法第1章嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ).1嵌入1.11.21.31.41.5嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式操作系統(tǒng)Linux操作系統(tǒng)ARM處理器平臺(tái)介紹嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)1.1嵌入式系統(tǒng)概述從應(yīng)用的角度看，嵌入式系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，有如下一些特點(diǎn)：(1)專用性強(qiáng)。(2)實(shí)時(shí)性好。(3)可裁剪性好。(4)可靠性高。(5)功耗低。(6)系統(tǒng)內(nèi)核小。(7)具有專門的開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)發(fā)環(huán)境。(8)多技術(shù)的融合。嵌入式系統(tǒng)可以應(yīng)用于以下領(lǐng)域：工業(yè)控制對(duì)生產(chǎn)過(guò)程各種流程的控制，如流水線控制。利用嵌入式產(chǎn)品和技術(shù)，如可編程控制器、數(shù)字機(jī)床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)、工業(yè)機(jī)器人等可以對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的生產(chǎn)流程加以控制，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、減少人力資源。美國(guó)Segway公司出品的兩輪自平衡車，其內(nèi)部就使用嵌入式系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、電機(jī)控制等。軍事電子設(shè)備和現(xiàn)代武器軍事領(lǐng)域從來(lái)就是許多高新技術(shù)的發(fā)源地，嵌入式系統(tǒng)在軍事上的應(yīng)用體現(xiàn)在軍事偵察、指揮控制自動(dòng)化、后勤保障現(xiàn)代化、戰(zhàn)場(chǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化等方面。如各種武器控制、艦艇、坦克、轟炸機(jī)等陸?？哲娪秒娮友b備，雷達(dá)、電子對(duì)抗軍事通信裝備，野戰(zhàn)指揮作戰(zhàn)用各種專用設(shè)備等。比較成功的應(yīng)用是美軍在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中利用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了Adhoc設(shè)備安裝在直升機(jī)、坦克、移動(dòng)步兵身上，從而構(gòu)成一個(gè)自愈合、自維護(hù)的作戰(zhàn)梯隊(duì)。通信設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備中，嵌入式系統(tǒng)發(fā)揮了重要的作用，交換機(jī)、機(jī)頂盒、路由器、調(diào)制解調(diào)器等都是嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。嵌入式網(wǎng)關(guān)和嵌入式因特網(wǎng)路由器已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)的一大應(yīng)用方向。交通管理在車輛導(dǎo)航、流量控制、信息監(jiān)測(cè)與汽車服務(wù)方面，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，內(nèi)嵌GPS模塊，GSM模塊的移動(dòng)定位終端已經(jīng)在各種運(yùn)輸行業(yè)獲得了成功的使用。目前GPS設(shè)備已經(jīng)從尖端產(chǎn)品進(jìn)入了普通百姓的家庭，只需要幾千元，就可以隨時(shí)隨地找到你的位置。環(huán)境工程與自然水文資料實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防洪體系及水土質(zhì)量監(jiān)測(cè)、堤壩安全，地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)，實(shí)時(shí)氣象信息網(wǎng)，水源和空氣污染監(jiān)測(cè)。在很多環(huán)境惡劣，地況復(fù)雜的地區(qū)，嵌入式系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)無(wú)人監(jiān)測(cè)。商用各類收款機(jī)、電子秤、條形碼閱讀機(jī)、POS系統(tǒng)、點(diǎn)鈔機(jī)、IC卡輸入設(shè)備、自動(dòng)柜員機(jī)、各種銀行專業(yè)外圍設(shè)備等。在智能家電中應(yīng)用各種家用電器（電視機(jī)、冰箱、微波爐、電話等）將通過(guò)家庭通信、控制中心與Internet連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、信息交互、網(wǎng)上娛樂(lè)、遠(yuǎn)程醫(yī)療和遠(yuǎn)程教育等。轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芫W(wǎng)絡(luò)家電，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療，遠(yuǎn)程教育等。消費(fèi)電子產(chǎn)品后PC時(shí)代的消費(fèi)電子產(chǎn)品應(yīng)具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)和多媒體處理功能，易用的界面和豐富的應(yīng)用功能，這些特性都依賴于嵌入式系統(tǒng)提供的強(qiáng)大的數(shù)字處理能力和簡(jiǎn)潔實(shí)用的特性。嵌入式技術(shù)在消費(fèi)電子產(chǎn)品方面的應(yīng)用包括數(shù)字電視機(jī)機(jī)項(xiàng)盒、錄像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、DVD、手機(jī)、掌上電腦、家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)和多媒體處理能力的設(shè)備。1.2嵌入式操作系統(tǒng)1、商用型嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)2、免費(fèi)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)1、商用型嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Palm：著名的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商3COM的子公司PalmComputing掌上電腦公司的產(chǎn)品，主要用于PDA，市場(chǎng)占有率較大。VxWork：美國(guó)WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。具有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核和友好的開(kāi)發(fā)環(huán)境。其突出特點(diǎn)是可靠性好、實(shí)時(shí)性好和具有可裁剪性，支持多種處理器，如X86，i960，MIPS，PowerPC等，目前市場(chǎng)占有率最高，廣泛地應(yīng)用于通信、航空、軍事等領(lǐng)域。其缺點(diǎn)是它支持的硬件相對(duì)較少，并且源代碼不開(kāi)放，需要專門的技術(shù)人員進(jìn)行開(kāi)發(fā)和維護(hù)。pSOS：美國(guó)ISI公司，現(xiàn)被WindRiver公司兼并，主要用于網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備。WindowsEmbedded：WindowsCE.NET及WindowsXPEmbedded。其中WindowsCE3.0是一種針對(duì)小容量、移動(dòng)式、智能化、32位、連接設(shè)備的模塊化實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)。針對(duì)掌上設(shè)備、無(wú)線設(shè)備的動(dòng)態(tài)應(yīng)用程序和服務(wù)提供了一種功能豐富的操作系統(tǒng)平臺(tái)，操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核需要至少200K的ROM。WindowsCE嵌入但不夠?qū)崟r(shí)，屬于軟實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，目前也開(kāi)始中文手機(jī)的研究開(kāi)發(fā)，由于其Windows背景，界面比較統(tǒng)一。Symbian：由諾基亞、西門子、索尼愛(ài)立信等幾家大型移動(dòng)通訊設(shè)備商共同出資組建的一個(gè)合資公司，專門研發(fā)手機(jī)操作系統(tǒng)。2、免費(fèi)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ:Micrium公司開(kāi)發(fā)的微控制器操作系統(tǒng)，由美國(guó)人JeanLabrosse在1992年完成，可用于8位、16位、32位處理器。其應(yīng)用面覆蓋了很多領(lǐng)域，如照相機(jī)、醫(yī)療器械、音響設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)控制等。特點(diǎn)：源代碼公開(kāi)，可固化（ROMable），可裁剪（Scalable），占先式（總是運(yùn)行最高優(yōu)先級(jí)的就緒任務(wù)）、多任務(wù)、可確定性、任務(wù)棧、系統(tǒng)服務(wù)、中斷管理、穩(wěn)定性和可靠性。μC/OS-II可以管理64個(gè)任務(wù)，應(yīng)用程序最多可以有56個(gè)任務(wù)，并且提供以下服務(wù)：任務(wù)管理（任務(wù)創(chuàng)建、刪除、任務(wù)掛起與喚醒、優(yōu)先級(jí)切換等）、信號(hào)量、互斥信號(hào)量、消息隊(duì)列、事件標(biāo)志、定時(shí)管理和存儲(chǔ)模塊管理。嵌入式Linux：指針對(duì)Linux經(jīng)過(guò)小型化裁剪后，能夠固化在容量只有幾百字節(jié)或幾兆字節(jié)的存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)中，應(yīng)用于特定嵌入式場(chǎng)合的專用Linux操作系統(tǒng)，Linux是開(kāi)放源碼的，幾乎支持所有的32位、64位CPU，內(nèi)核中支持的硬件種類繁多，幾乎可以從網(wǎng)絡(luò)上找到所有硬件驅(qū)動(dòng)程序。Linux的內(nèi)核小、功能強(qiáng)大、運(yùn)行穩(wěn)定、系統(tǒng)健壯、效率高，易于定制剪裁，在價(jià)格上極具競(jìng)爭(zhēng)力。Linux不僅支持x86CPU，還可以支持其他數(shù)十種CPU芯片。eCOS：由Redhat推出的小型即時(shí)操作系統(tǒng)(Real-Timeoperatingsystem)，最低編譯核心可小至10K的級(jí)別，適合用于作bootloader增強(qiáng)，微小型系統(tǒng)。此系統(tǒng)和嵌入式Linux系統(tǒng)的差異是他將操作系統(tǒng)做成靜態(tài)連結(jié)(staticlibrary)的方式,讓?xiě)?yīng)用程式透過(guò)連結(jié)(linker)產(chǎn)生出具有操作系統(tǒng)的特性的應(yīng)用程式。eCOS的全稱為embeddedConfigurationoperatingsystem，eCOS是開(kāi)放原碼、免權(quán)利金的即時(shí)作業(yè)系統(tǒng)，這套作業(yè)系統(tǒng)是針對(duì)嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用而設(shè)計(jì)，因此是以單一個(gè)行程1)再搭配多個(gè)執(zhí)行緒的方式來(lái)執(zhí)行。1.3Linux操作系統(tǒng)

1.3.1Linux的發(fā)展歷史

1.3.2Linux發(fā)行版本

1.3.3Linux系統(tǒng)的特點(diǎn)和組成

1.3.1Linux的發(fā)展歷史1991年，他用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)了Linux系統(tǒng)的第一個(gè)內(nèi)核Linux0.0.1。1994年3月，Linux1.0版發(fā)行。Linux1.3版本之后，Linux已可運(yùn)行在Intel、Digital以及SunSparc等處理器上。從1998年開(kāi)始，很多商業(yè)公司也加入了Linux的開(kāi)發(fā)陣營(yíng)中，因此出現(xiàn)了很多新的版本，如Slackware、RedHat、Suse、OpenLinux和TurboLinux等。目前Linux內(nèi)核由150多萬(wàn)行代碼組成，Linux也已經(jīng)擁有一千多萬(wàn)用戶。Linux內(nèi)核GNU/Linux附同GNU工具已經(jīng)占據(jù)Unix50%的市場(chǎng)。一些公司正把內(nèi)核、應(yīng)用程序、安裝軟件進(jìn)行打包，生產(chǎn)Linux的發(fā)行版本。1.3.2Linux發(fā)行版本uClinux（micro-Conrol-Linux）：uCLinux是Lineo公司的主打產(chǎn)品，是一種優(yōu)秀的嵌入式Linux版本，同時(shí)也是開(kāi)放源碼的嵌入式Linux的典范之作。uCLinux主要是針對(duì)目標(biāo)處理器沒(méi)有存儲(chǔ)管理單元MMU（MemoryManagementUnit）的嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。它已經(jīng)被成功地移植到了很多平臺(tái)上。由于沒(méi)有MMU，其多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)需要一定技巧。與標(biāo)準(zhǔn)Linux相比，uCLinux采用實(shí)存儲(chǔ)器管理策略，而標(biāo)準(zhǔn)Linux利用CPU硬件的支持實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存機(jī)制。Embedix：Embedix是由嵌入式Linux行業(yè)主要廠商之一Luneo推出的，是根據(jù)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)重新設(shè)計(jì)的Linux發(fā)行版本。Embedix提供了超過(guò)25種的Linux系統(tǒng)服務(wù)，包括Web服務(wù)器等。系統(tǒng)需要最小8MB內(nèi)存，3MBROM或快速閃存。Embedix基于Linux2.2內(nèi)核，并已經(jīng)成功地移植到了Intelx86和PowerPC處理器系列上。像其它的Linux版本一樣，Embedix可以免費(fèi)獲得。Luneo還發(fā)布了另一個(gè)重要的軟件產(chǎn)品，它可以讓在WindowsCE上運(yùn)行的程序能夠在Embedix上運(yùn)行。Luneo還將計(jì)劃推出Embedix的開(kāi)發(fā)調(diào)試工具包、基于圖形界面的瀏覽器等?？梢哉f(shuō)，Embedix是一種完整的嵌入式Linux解決方案。Xlinux：XLinux是由美國(guó)網(wǎng)虎公司推出，主要開(kāi)發(fā)者是陳盈豪。他在加盟網(wǎng)虎幾個(gè)月后便開(kāi)發(fā)出了基于XLinux的、號(hào)稱是世界上最小的嵌入式Linux系統(tǒng)，內(nèi)核只有143KB，而且還在不斷減小。XLinux核心采用了“超字元集”專利技術(shù)，讓Linux核心不僅可能與標(biāo)準(zhǔn)字符集相容，還涵蓋了12個(gè)國(guó)家和地區(qū)的字符集。因此，XLinux在推廣Linux的國(guó)際應(yīng)用方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。PoketLinux：PoketLinux由Agenda公司作為其新產(chǎn)品“VR3PDA”的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。它可以提供跨操作系統(tǒng)構(gòu)造統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的和開(kāi)放的信息通信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)端到端方案的完整平臺(tái)。PoketLinux資源框架開(kāi)放，使普通的軟件結(jié)構(gòu)可以為所有用戶提供一致的服務(wù)。PoketLinux平臺(tái)使用戶的視線從設(shè)備、平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)上移開(kāi)，由此引發(fā)了信息技術(shù)新時(shí)代的產(chǎn)生。在PoketLinux中，稱之為用戶化信息交換（CIE），也就是提供和訪問(wèn)為每個(gè)用戶需求而定制的“主題”信息的能力，而不管正在使用的設(shè)備是什么。MidoriLinux：由Transmeta公司推出的MidoriLinux操作系統(tǒng)代碼開(kāi)放，在GUN普通公共許可（GPL）下發(fā)布，可以從網(wǎng)站上下載。該公司有個(gè)名為“MidoriLinux計(jì)劃”?！癕idoriLinux”這個(gè)名字來(lái)源于日本的“綠色”——Midori，用來(lái)反映其Linux操作系統(tǒng)的環(huán)保外觀。CalderaOpenLinux：Caldera將OpenLinux這套系統(tǒng)定位為容易使用與設(shè)置的發(fā)行版，以集成使用環(huán)境與最終用戶辦公環(huán)境，容易安裝使用與簡(jiǎn)便管理為系統(tǒng)目標(biāo)，有望成為最流行的公司團(tuán)體臺(tái)式Linux操作系統(tǒng)，適合初學(xué)者使用，全部安裝需要1GB的硬盤空間。SuSE：SuSE是歐洲最流行的Linux發(fā)行版，而且SuSE是軟件國(guó)際化的先驅(qū)，讓軟件支持各國(guó)語(yǔ)系，貢獻(xiàn)頗豐，SuSE也是用RPM作為軟件安裝管理程序，不過(guò)SuSE并不適合新手使用，提供了非常多的工具軟件，全部安裝需4.5GB的硬盤空間，安裝過(guò)程也較為復(fù)雜。TurboLinux：TurboLinux是日本制作的Linux發(fā)行版，其最大特色便是以日文版、中文簡(jiǎn)/繁體版、英文版三種形式發(fā)行，其安裝的簡(jiǎn)易性與系統(tǒng)設(shè)置的難度與RedHat差不多，且安裝界面是漢化的，系統(tǒng)本身支持中文簡(jiǎn)體，在中國(guó)國(guó)內(nèi)有廣大的用戶群。紅旗嵌入式Linux：由北京中科院紅旗軟件公司推出的嵌入式Linux是國(guó)內(nèi)做得較好的一款嵌入式操作系統(tǒng)，界面做得都非常的美觀，安裝也比較容易，新版本逐漸屏蔽了一些底層的操作，適合于新手使用。目前，中科院計(jì)算所自行開(kāi)發(fā)的開(kāi)放源碼的嵌入式操作系統(tǒng)EasyEmbeddedOS(EEOS)也已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用階段了。該款嵌入式操作系統(tǒng)重點(diǎn)支持p-Java。系統(tǒng)目標(biāo)一方面是小型化，另一方面能重用Linux的驅(qū)動(dòng)和其它模塊。由于有中科院計(jì)算所的強(qiáng)大科研力量做后盾，EEOS有望發(fā)展成為功能完善、穩(wěn)定、可靠的國(guó)產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)。1.3.3Linux系統(tǒng)的特點(diǎn)和組成1、開(kāi)放性Linux是開(kāi)放源碼自由軟件的代表，遵循開(kāi)放系統(tǒng)互連（OSI）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。作為自由軟件，Linux開(kāi)放源碼并對(duì)外免費(fèi)提供，使用者可以按照自己的需要自由修改、復(fù)制和發(fā)布程序的源碼，并公布在Internet上。2、多用戶多任務(wù)環(huán)境所謂多用戶，是指系統(tǒng)資源可以被不同用戶使用，每個(gè)用戶對(duì)自己的資源（如文件、設(shè)備）有特定權(quán)限，互不影響。而多任務(wù)，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)，是指計(jì)算機(jī)同時(shí)執(zhí)行多個(gè)程序，且各程序相互獨(dú)立運(yùn)行。3、良好的用戶界面Linux向用戶提供了兩種界面，即字符界面和圖形界面。在配置較差的計(jì)算機(jī)中，可優(yōu)先使用字符界面。此時(shí)，系統(tǒng)管理員通過(guò)在字符界面中輸入相關(guān)的控制、配置命令對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行控制。在字符界面下進(jìn)行操作，要求操作人員要熟練記住Linux的相關(guān)指令（多達(dá)上千條）。4、設(shè)備獨(dú)立性所謂設(shè)備獨(dú)立性，是指Linux操作系統(tǒng)將所有外部設(shè)備都作為文件來(lái)進(jìn)行處理。在使用這些外部設(shè)備之前，只要將這些設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序安裝好，以后就可以像訪問(wèn)系統(tǒng)中的文件一樣去訪問(wèn)這些設(shè)備，而不需要知道這些設(shè)備在系統(tǒng)中的具體存在形式。5、豐富的網(wǎng)絡(luò)功能提供豐富的網(wǎng)絡(luò)功能是Linux的一大特點(diǎn)，因?yàn)長(zhǎng)inux就是依靠互聯(lián)網(wǎng)才快速發(fā)展起來(lái)的。在Linux安裝包中包括了大量的網(wǎng)絡(luò)功能軟件。Linux內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，支持Internet，這是其網(wǎng)絡(luò)功能之一。另外，Linux還免費(fèi)提供了大量支持Internet的軟件，用戶能用Linux與世界上的其他人通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。6、出色的速度性能Linux系統(tǒng)可以連續(xù)運(yùn)行數(shù)月數(shù)年而無(wú)需啟動(dòng)，與NT（死機(jī)）相比，這項(xiàng)性能尤其突出。7、可靠的系統(tǒng)安全Linux系統(tǒng)采取了許多安全技術(shù)措施，包括對(duì)讀寫(xiě)進(jìn)行權(quán)限控制、帶保護(hù)的子系統(tǒng)、審計(jì)跟蹤等。8、良好的可移植性Linux系統(tǒng)核心只有小于10%的源代碼采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，其余均是采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，可以方便地從一個(gè)硬件平臺(tái)移植到另外的一個(gè)硬件平臺(tái)，使之仍然能夠按照其自身的方式運(yùn)行。Linux系統(tǒng)一般有4個(gè)組成部分：內(nèi)核、Shell、文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序。Linux內(nèi)核：內(nèi)核是一個(gè)操作系統(tǒng)最基本的組成部分，由它來(lái)向應(yīng)用程序訪問(wèn)硬件時(shí)提供服務(wù)。LinuxShell：Shell是系統(tǒng)的用戶界面，提供用戶與內(nèi)核的交互接口。Shell是一個(gè)命令解釋器，它接收并解釋用戶輸入的命令