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

基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)研究1摘要在以計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)相結(jié)合的信息時代的快速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用的形勢下，3C（Computer、Communication、Consumer）合一的趨勢已經(jīng)形成，其結(jié)果必然就是將計算機(jī)工業(yè)的中心從計算產(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。同時在計算機(jī)本身的領(lǐng)域里面，微型化和專業(yè)化成為了發(fā)展的新趨勢，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)要求展開討論。首先，我對嵌入式系統(tǒng)的概念和信息電器的概念做出表述，并且說明Linux的特點(diǎn)、發(fā)展?fàn)顩r河開發(fā)環(huán)境。緊接著，分三個方面論述使用Linux進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的便利，包括Linux的實(shí)時變種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)計出一個嵌入式Linux系統(tǒng)。最后，針對現(xiàn)有的工作，提出進(jìn)一步開發(fā)出完整的、具有市場競爭力的產(chǎn)品提出開發(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)動程序，在線調(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_61.2信息電器的概念_71.3國內(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_81.3.1國際上相關(guān)產(chǎn)品、水平、現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展趨勢。_81.3.2國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品、水平、現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展趨勢。_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)開發(fā)的原因_223.1嵌入式處理器支持_223.2實(shí)時支持_223.3網(wǎng)絡(luò)支持_233.4GUI開發(fā)支持_243.4.1利用XWindows的便利_243.4.2利用SVGALib和pThread函數(shù)庫_253.5小結(jié)_26第四章實(shí)時Linux_274.1實(shí)時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)時內(nèi)核_284.2.2模塊化的設(shè)計方案_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)時部分代碼_3非實(shí)時部分_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_404.6.1將RTLinux嵌入EPROM中。_404.6.2通過網(wǎng)絡(luò)啟動的方法設(shè)計嵌入式RTLinux。_424.7小結(jié)_42第五章Linux對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)動程序的分析_445.2.1Linux中網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序介紹_455.2.2網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動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)動過程_4模塊驅(qū)動方法_4內(nèi)核啟動的驅(qū)動方法_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重寫網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧_525.3.3網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的編寫_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)啟動的時候向內(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)試過程示例_646.3RTLinux的調(diào)試環(huán)境的開發(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、軍事技術(shù)、各類產(chǎn)業(yè)和商業(yè)文化藝術(shù)、娛樂業(yè)以及人們的日常生活等方方面面中。隨著國內(nèi)外嵌入式產(chǎn)品如車載電腦、機(jī)頂盒等等的進(jìn)一步開發(fā)和推廣，嵌入式技術(shù)越來越和人們的生活緊密結(jié)合。在PC時代，可能有人從來沒有接觸過計算機(jī)；但是在Post-PC時代，他就不可能會接觸不到嵌入式系統(tǒng)，因為嵌入式系統(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、小汽車，到辦公室里的遠(yuǎn)程會議系統(tǒng)等等，都屬于可以使用嵌入式技術(shù)開發(fā)和改造的產(chǎn)品。實(shí)際上嵌入式系統(tǒng)這個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年就被用于對電子機(jī)械電話交換的控制，當(dāng)時被稱為“存儲式程序控制系統(tǒng)”（StoredProgramControl）。那個時候，計算機(jī)一詞卻還不是很普遍，而存儲式程序主要是指用于存儲程序及日常訊息的內(nèi)存部分。存儲這些邏輯數(shù)據(jù)，而不是將其寫入硬盤，這個概念的確具有突破性的意義。這個時候還沒有出現(xiàn)操作系統(tǒng)的概念，對每一個應(yīng)用都需要提供一整個計算機(jī)的設(shè)計。后來微處理器的出現(xiàn)，它用來提供一個中央計算引擎。利用微處理器，組成了一個基于由總線連接起來的計算機(jī)硬件體系結(jié)構(gòu)，并且提供了一個通用功能的編程模型，從而簡化了編程。嵌入式系統(tǒng)的概念是在1970年左右出現(xiàn)的。不過在當(dāng)時，大部分都是由匯編語言完成的，而且這些匯編程序只能用于某一種固定的微處理器。當(dāng)這種微處理器過時之后，這種嵌入式系統(tǒng)就沒有用了；并且還要開始對新的微處理器寫新的嵌入式系統(tǒng)。這個時候的嵌入式系統(tǒng)很多都不是操作系統(tǒng)，他們只是為了實(shí)現(xiàn)某個控制功能，使用一個簡單的循環(huán)控制對外界的控制請求進(jìn)行處理。不可否認(rèn)，這對一些簡單的系統(tǒng)而言是足夠的。但是當(dāng)我們的系統(tǒng)越來越復(fù)雜，利用的范圍越來越廣泛的時候，沒有操作系統(tǒng)就成為了一個最大的缺點(diǎn)了，因為需要添加一項新功能都可能需要從頭開始設(shè)計，否則只能增加開發(fā)成本和系統(tǒng)復(fù)雜度。C語言的出現(xiàn)使得我們的操作系統(tǒng)開發(fā)變得越來越簡單。我們可以利用C語言很快的寫出一個小型的、穩(wěn)定的操作系統(tǒng)。眾所知之，C語言的作者DennisM.Ritchie和BrianW.Kernighan利用它寫出了著名的UNIX操作系統(tǒng)，直接影基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)研究7響了這三十年計算機(jī)業(yè)的發(fā)展。同時，對開發(fā)嵌入式系統(tǒng)來說，在效率和速度上都提高了很多。從上世紀(jì)八十年代開始，開始出現(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)大部分都是為專有系統(tǒng)而開發(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時代占據(jù)市場主體的商品。我們知道，如果在上面所說的那種采用循環(huán)控制的嵌入式系統(tǒng)中加入網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，復(fù)雜度會呈指數(shù)級增長。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)用程序的不同平臺移植。在未來的社會里面，使用嵌入式系統(tǒng)的情形會越來越多，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角落：您家里可能就是通過一個嵌入式系統(tǒng)控制的中心