畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)研究.docVIP

基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)研究1摘要在以計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)相結(jié)合的信息時(shí)代的快速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用的形勢(shì)下，3C（Computer、Communication、Consumer）合一的趨勢(shì)已經(jīng)形成，其結(jié)果必然就是將計(jì)算機(jī)工業(yè)的中心從計(jì)算產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到信息產(chǎn)品，從而出現(xiàn)信息電器的概念。在信息電器的應(yīng)用開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，由于需要的功能不斷的增加，嵌入式系統(tǒng)也就將成為軟件業(yè)的新寵兒。同時(shí)在計(jì)算機(jī)本身的領(lǐng)域里面，微型化和專(zhuān)業(yè)化成為了發(fā)展的新趨勢(shì)，同樣也需要嵌入式系統(tǒng)的支持。因此，研究與嵌入式系統(tǒng)有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)嵌入式操作系統(tǒng)有著相當(dāng)重要的實(shí)際意義。本論文詳細(xì)論述了作者在學(xué)士學(xué)位論文工作期間在基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)研究工作領(lǐng)域里所做的研究和實(shí)踐，主要圍繞著論證使用Linux改造成符合嵌入式操作系統(tǒng)條件的幾點(diǎn)要求展開(kāi)討論。首先，我對(duì)嵌入式系統(tǒng)的概念和信息電器的概念做出表述，并且說(shuō)明Linux的特點(diǎn)、發(fā)展?fàn)顩r河開(kāi)發(fā)環(huán)境。緊接著，分三個(gè)方面論述使用Linux進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的便利，包括Linux的實(shí)時(shí)變種RTLinux的原理、實(shí)現(xiàn)方案和編程方法；Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的分析和利用到嵌入式系統(tǒng)中的方案；實(shí)現(xiàn)Linux和RTLinux的內(nèi)核在線(xiàn)調(diào)試環(huán)境的途徑。其中還講到了如何利用現(xiàn)有的工作設(shè)計(jì)出一個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)。最后，針對(duì)現(xiàn)有的工作，提出進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出完整的、具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品提出開(kāi)發(fā)展望。關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)，Linux，信息電器，RTOS，RTLinux，Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序，在線(xiàn)調(diào)試環(huán)境基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)研究2AbstractWiththedevelopmentofComputertechnologyandCommunicationtechnologyinInformationtimesandtheboardapplicationofInternet,itisclearthat3C(Computer,CommunicationandConsumer)willconvergeinthenearfuturewhichwillleadthefocusofComputerIndustryfromtheComputeproducttoInformationproduct.ItistheconceptofInformationAppliance.IntheapplicationanddevelopmentfieldofInformationAppliance,EmbeddedOperatingSystemwillbethemostfavoritethinginSoftwareDevelopmentfield.Atthesametime,inthefieldofcomputerscienceitself,themicromationandspecializationisthenewdirectionofthecomputerworld.ItalsowantthesupportofEmbeddedSystem.So,theresearchofthekeytechniqueofembeddedsystemEmbeddedOperatingSystemisthemostimportantthing.ThisthesispresentstheauthorsworkinresearchoftheLinux-basedEmbeddedOperatingSystemforhisbachelordegree.MostofthethesisfocustherequirementoftransformingLinuxtoEmbeddedSystem.Firstly,itdescribestheconceptsofembeddedsystemandInformationAppliance,andpresentsthecharacteristicanddevelopmentenvironmentofLinux.ThendescribethreeaspectsofthekeytechniquesofusingLinuxasthedevelopmenttoolsofEmbeddedsystemIncludingthereal-timevariantofLinuxRTLinuxanditsprinciple,implementationandtheprogramming；thenetworkcodinginLinuxkernelandtheanalysisofLinuxnetworkdevicedriversandtheonlinedebugenvironmentofLinuxKernelandRTLinuxKernel.IhavealsoinvolvedtheimplementationofembedLinux/RTLinuxinafloppytosimulatetheembeddedenvironment.Inthelastpartofthisthesis,IgivethesuggestionsandprospectofthedevelopmentofamatureembeddedsystemwhichhavethemostcompetitionabilityinChinamarketbaseonthecurrentwork.Keyword:EmbeddedOperatingSystem,Linux,InformationAppliance,RTOS,RTLinux,LinuxNetworkDeviceDrivers,OnlineKerneldebugenvironment基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)研究3目錄摘要_1Abstract_2目錄_3第一章緒論_61.1嵌入式系統(tǒng)的歷史、現(xiàn)在和未來(lái)_61.2信息電器的概念_71.3國(guó)內(nèi)外嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)產(chǎn)品、水平、現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)_81.3.1國(guó)際上相關(guān)產(chǎn)品、水平、現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。_81.3.2國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品、水平、現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。_101.4Linux的歷史和現(xiàn)狀_121.5論文的組織介紹_14第二章嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)_162.1嵌入式處理器的要求_162.2RTOS的要求_172.2.1RTOS的概念_172.2.2RTOS的分類(lèi)方法_182.2.3RTOS的體系結(jié)構(gòu)_182.2.4RTOS的衡量標(biāo)準(zhǔn)_202.3網(wǎng)絡(luò)要求_202.4用戶(hù)交互環(huán)境界面_202.5小結(jié)_21第三章采用Linux作為嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的原因_223.1嵌入式處理器支持_223.2實(shí)時(shí)支持_223.3網(wǎng)絡(luò)支持_233.4GUI開(kāi)發(fā)支持_243.4.1利用XWindows的便利_243.4.2利用SVGALib和pThread函數(shù)庫(kù)_253.5小結(jié)_26第四章實(shí)時(shí)Linux_274.1實(shí)時(shí)Linux（RTLinux）介紹_27基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)研究44.2RTLinux特征_284.2.1小而精巧的實(shí)時(shí)內(nèi)核_284.2.2模塊化的設(shè)計(jì)方案_284.2.3和Linux內(nèi)核的結(jié)合_2利用Linux內(nèi)核的好處_2和Linux進(jìn)行通信的方法_294.3RTLinux的實(shí)現(xiàn)機(jī)理_304.4RTLinux的編程接口（API）_314.5RTLinux的編程方法示例_324.5.1需要用到的API函數(shù)：_3任務(wù)生成和調(diào)度函數(shù)_3時(shí)間控制函數(shù)_3FIFO控制函數(shù)_334.5.2程序原理_344.5.3程序?qū)崿F(xiàn)_3實(shí)時(shí)部分代碼_3非實(shí)時(shí)部分_3公用頭文件_384.5.4程序執(zhí)行結(jié)果_394.6嵌入式RTLinux的設(shè)計(jì)_404.6.1將RTLinux嵌入EPROM中。_404.6.2通過(guò)網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)的方法設(shè)計(jì)嵌入式RTLinux。_424.7小結(jié)_42第五章Linux對(duì)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)支持_435.1Linux網(wǎng)絡(luò)概述_435.2Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的分析_445.2.1Linux中網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序介紹_455.2.2網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序中需要用到的重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)_4structdevice_465.2.3重要的驅(qū)動(dòng)過(guò)程_4模塊驅(qū)動(dòng)方法_4內(nèi)核啟動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方法_4網(wǎng)卡初始化函數(shù)分析_495.3在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧_515.3.1重用Linux網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧代碼_515.3.2重寫(xiě)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧_525.3.3網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)_525.4小結(jié)_53第六章調(diào)試環(huán)境的搭建和定制_546.1遠(yuǎn)程調(diào)試環(huán)境的搭建原理_55基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)研究56.1.1GDB介紹_556.1.2GDB遠(yuǎn)程調(diào)試功能介紹_556.1.3GDB遠(yuǎn)程調(diào)試建立的條件_5遠(yuǎn)程主機(jī)上stub要實(shí)現(xiàn)的函數(shù)接口_5調(diào)試雙方數(shù)據(jù)包的傳送格式_5調(diào)試步驟的介紹_586.2Linux的內(nèi)核調(diào)試環(huán)境的搭建_586.2.1串口驅(qū)動(dòng)程序模塊和數(shù)據(jù)包傳送函數(shù)_596.2.2stub程序的函數(shù)接口_606.2.3內(nèi)核進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)的路徑_6系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)候向內(nèi)核傳遞參數(shù)_6使用gdbstart將系統(tǒng)控制權(quán)交出_636.2.4Linux內(nèi)核調(diào)試過(guò)程示例_646.3RTLinux的調(diào)試環(huán)境的開(kāi)發(fā)設(shè)想_656.4小結(jié)_66第七章總結(jié)與展望_67參考文獻(xiàn)_69基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)研究6第一章緒論1.1嵌入式系統(tǒng)的歷史、現(xiàn)在和未來(lái)在當(dāng)前的數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的后PC（Post-PC）時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的滲透到科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、軍事技術(shù)、各類(lèi)產(chǎn)業(yè)和商業(yè)文化藝術(shù)、娛樂(lè)業(yè)以及人們的日常生活等方方面面中。隨著國(guó)內(nèi)外嵌入式產(chǎn)品如車(chē)載電腦、機(jī)頂盒等等的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和推廣，嵌入式技術(shù)越來(lái)越和人們的生活緊密結(jié)合。在PC時(shí)代，可能有人從來(lái)沒(méi)有接觸過(guò)計(jì)算機(jī)；但是在Post-PC時(shí)代，他就不可能會(huì)接觸不到嵌入式系統(tǒng)，因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)可能存在于生活的方方面面中，從家里的洗衣機(jī)、電冰箱，到作為交通工具的自行車(chē)、小汽車(chē)，到辦公室里的遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)等等，都屬于可以使用嵌入式技術(shù)開(kāi)發(fā)和改造的產(chǎn)品。實(shí)際上嵌入式系統(tǒng)這個(gè)概念很早以前就已經(jīng)存在了。在通訊方面，嵌入式系統(tǒng)在1960年就被用于對(duì)電子機(jī)械電話(huà)交換的控制，當(dāng)時(shí)被稱(chēng)為“存儲(chǔ)式程序控制系統(tǒng)”（StoredProgramControl）。那個(gè)時(shí)候，計(jì)算機(jī)一詞卻還不是很普遍，而存儲(chǔ)式程序主要是指用于存儲(chǔ)程序及日常訊息的內(nèi)存部分。存儲(chǔ)這些邏輯數(shù)據(jù)，而不是將其寫(xiě)入硬盤(pán)，這個(gè)概念的確具有突破性的意義。這個(gè)時(shí)候還沒(méi)有出現(xiàn)操作系統(tǒng)的概念，對(duì)每一個(gè)應(yīng)用都需要提供一整個(gè)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)。后來(lái)微處理器的出現(xiàn)，它用來(lái)提供一個(gè)中央計(jì)算引擎。利用微處理器，組成了一個(gè)基于由總線(xiàn)連接起來(lái)的計(jì)算機(jī)硬件體系結(jié)構(gòu)，并且提供了一個(gè)通用功能的編程模型，從而簡(jiǎn)化了編程。嵌入式系統(tǒng)的概念是在1970年左右出現(xiàn)的。不過(guò)在當(dāng)時(shí)，大部分都是由匯編語(yǔ)言完成的，而且這些匯編程序只能用于某一種固定的微處理器。當(dāng)這種微處理器過(guò)時(shí)之后，這種嵌入式系統(tǒng)就沒(méi)有用了；并且還要開(kāi)始對(duì)新的微處理器寫(xiě)新的嵌入式系統(tǒng)。這個(gè)時(shí)候的嵌入式系統(tǒng)很多都不是操作系統(tǒng)，他們只是為了實(shí)現(xiàn)某個(gè)控制功能，使用一個(gè)簡(jiǎn)單的循環(huán)控制對(duì)外界的控制請(qǐng)求進(jìn)行處理。不可否認(rèn)，這對(duì)一些簡(jiǎn)單的系統(tǒng)而言是足夠的。但是當(dāng)我們的系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，利用的范圍越來(lái)越廣泛的時(shí)候，沒(méi)有操作系統(tǒng)就成為了一個(gè)最大的缺點(diǎn)了，因?yàn)樾枰砑右豁?xiàng)新功能都可能需要從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)，否則只能增加開(kāi)發(fā)成本和系統(tǒng)復(fù)雜度。C語(yǔ)言的出現(xiàn)使得我們的操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)變得越來(lái)越簡(jiǎn)單。我們可以利用C語(yǔ)言很快的寫(xiě)出一個(gè)小型的、穩(wěn)定的操作系統(tǒng)。眾所知之，C語(yǔ)言的作者DennisM.Ritchie和BrianW.Kernighan利用它寫(xiě)出了著名的UNIX操作系統(tǒng)，直接影基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)研究7響了這三十年計(jì)算機(jī)業(yè)的發(fā)展。同時(shí)，對(duì)開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在效率和速度上都提高了很多。從上世紀(jì)八十年代開(kāi)始，開(kāi)始出現(xiàn)各種各樣的商業(yè)用嵌入式操作系統(tǒng)，這些操作系統(tǒng)大部分都是為專(zhuān)有系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)，從而形成了現(xiàn)在多種形式的商用嵌入式操作系統(tǒng)百家爭(zhēng)鳴的局面。如VxWorks，pSOS，Neculeus和WindowsCE等等?，F(xiàn)在，網(wǎng)絡(luò)在人們生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，自然而然，在嵌入式系統(tǒng)中使用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也成為了一項(xiàng)基本的要求。把網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)中，對(duì)日常生活中的需要極有意義。利用嵌入式系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)功能，可以實(shí)現(xiàn)下面我將要描述的信息電器這一即將取代PC在后PC時(shí)代占據(jù)市場(chǎng)主體的商品。我們知道，如果在上面所說(shuō)的那種采用循環(huán)控制的嵌入式系統(tǒng)中加入網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，復(fù)雜度會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。這種情況下，在嵌入式操作系統(tǒng)中增加網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊要方便得多，并且還能方便各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的不同平臺(tái)移植。在未來(lái)的社會(huì)里面，使用嵌入式系統(tǒng)的情形會(huì)越來(lái)越多，人可以不接觸電腦，但是不接觸嵌入式系統(tǒng)的情況是不存在的。嵌入式系統(tǒng)可能存在于您生活的各個(gè)角落：您家里可能就是通過(guò)一個(gè)嵌入式系統(tǒng)控制的中心