《嵌入式操作系統(tǒng)》課程設(shè)計

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《嵌入式操作系統(tǒng)》課程設(shè)計指導書

專業(yè)：計算機科學與技術(shù)專業(yè)方向：計算機科學與技術(shù)

計算機科學與工程學院

第一章課程設(shè)計指導書

1、目的任務

本設(shè)計的目的在于使學生全面理解實踐已學的相關(guān)課程內(nèi)容，深刻理解嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的全過程。從硬件的角度把握嵌入式開發(fā)板的組成，接口部件的結(jié)構(gòu)和與宿主機間的連接，從軟件的角度把握嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的全過程。使學生通過自己的實踐，初步了解和把握一個實用嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)步驟，綜合應用所學的基礎(chǔ)知識和編程手段獨立完成嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)內(nèi)容。

2、設(shè)計內(nèi)容

基礎(chǔ)試驗（必做）——嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境搭建擴展試驗（從以下三個試驗中任選一個）

試驗一——利用Autotools工具自動生成Makefile文件試驗二——使用BusyBox制作根文件系統(tǒng)試驗三——使用GTK+進行圖形界面編程3、時間安排時間：第17周

第一天確定題目、查找相關(guān)資料，安裝系統(tǒng)；其次到第四天為試驗和程序設(shè)計、完善總結(jié)、撰寫報告，第五天辯論。

4、工作要求

（1）愛護試驗開發(fā)板，為避免燒壞開發(fā)板，對開發(fā)板的任何插拔工作，都必需在

斷電之后進行。

（2）明確試驗要求和步驟，在進行試驗之前詳細閱讀開發(fā)板配套手冊和相關(guān)資

料。

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（3）在本設(shè)計過程中，學生應隨時做實習筆記，記錄每天的工作內(nèi)容及結(jié)果，同

時還應規(guī)劃出次日的實習計劃與解決問題的方案。

5、成績評定

設(shè)計終止時，由指導老師對學生進行全面考核，評分按五級分制（優(yōu)、良、中、及格、不及格）評定成績，評分依據(jù)以下幾個方面。

(1)平日成績

包括遵守紀律狀況，實習中的工作態(tài)度，實習日記的記錄狀況等。(2)設(shè)計中試驗結(jié)果的成績

教師要把關(guān)，確認試驗結(jié)果是由試驗人做出的。如不能按設(shè)計要求做出試驗結(jié)果的，要予以扣分；對于有創(chuàng)新的試驗及結(jié)果者，應給予好的成績。對于以下狀況之一者，要嚴格進行處理。

①.照抄他人，自己沒有消化者，應給予“不及格〞。②.嚴重遲到早退，應給予“不及格〞。

③.實習不認真，違反試驗室規(guī)定者，應給予“不及格〞。④.缺勤大于整個工作時間的25%以上者，應給予“不及格〞。⑤.實習報告不認真者，至少不能給“優(yōu)〞和“良〞的成績。6、參考資料

（1）熊茂華、熊昕編著.嵌入式Linux實時操作系統(tǒng)及應用編程.清華大學出版社.2023年5月第1版

（2）深圳友堅恒天科技公司開發(fā)板配套光盤中用戶手冊：

idea6410開發(fā)板linux使用手冊ubuntu-UserManual_v0.18UT6410-Android2.1_manual（3）相關(guān)國嵌、申嵌視頻資料

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7、設(shè)計說明書（報告）

（1）正文：正文內(nèi)容層次序號為：1、1.1、1.1.1??。正文內(nèi)容一般為：①.選題背景：說明本課題應解決的主要問題及應達到的技術(shù)要求；簡述本設(shè)計

的指導思想。

②.方案論證：說明設(shè)計原理并進行方案選擇，說明為什么要選擇這個設(shè)計方案

以及所采用方案的特點。

③.過程(設(shè)計或試驗)論述：對設(shè)計工作的詳細表述。要求層次明顯、表達確鑿。④.結(jié)果分析：對研究過程中所獲得的主要的數(shù)據(jù)、現(xiàn)象進行定性或定量分析，

得出結(jié)論和推論。

⑤.結(jié)論或總結(jié)：對整個研究工作進行歸納和綜合。

（2）圖紙要求：圖面整齊，布局合理，線條粗細均勻，圓弧連接光滑，尺寸標注規(guī)范，文字解釋必需使用工程字書寫。提倡學生使用計算機繪圖。

（3）曲線圖表要求：所有曲線、圖表、線路圖、流程圖、程序框圖、示意圖等不準徒手畫，必需按國家規(guī)定標準或工程要求繪制（應盡可能采用計算機輔助繪圖）。

課程設(shè)計說明書（報告）要求文字通順，語言流暢，無錯別字，不得使用鉛筆書寫。按教務處印制的統(tǒng)一格式封皮裝訂。有條件的可用B5紙打印。

課程設(shè)計說明書（報告）中圖表、公式一律采用阿拉伯數(shù)字連續(xù)編號。圖序及圖名置于圖的下方；表序及表名置于表的上方；說明書（報告）中的公式編號，用括號括起來寫在右邊行末，其間不加虛線。

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其次章嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程

2.1嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一般流程

當前，嵌入式開發(fā)已經(jīng)逐步規(guī)范化，在遵循一般工程開發(fā)流程的基礎(chǔ)上，嵌入式開發(fā)有其自身的一些特點，下圖為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一般流程。主要包括系統(tǒng)需求分析（要求有嚴格規(guī)范的技術(shù)要求）、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件/軟件設(shè)計、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)測試，最終發(fā)布產(chǎn)品。

系統(tǒng)需求分析，規(guī)格說明書體系結(jié)構(gòu)設(shè)計機械系統(tǒng)設(shè)計硬件設(shè)計軟件設(shè)計系統(tǒng)集成系統(tǒng)測試產(chǎn)品2.1.1．系統(tǒng)需求分析

確定設(shè)計任務和設(shè)計目標，并提煉出設(shè)計規(guī)格說明書，作為正式設(shè)計指導和驗收的標準。系統(tǒng)的需求一般分功能性需求和非功能性需求兩方面。功能性需求是系統(tǒng)要實現(xiàn)的基本功能，如輸入輸出信號、操作方式等；非功能性需求包括系統(tǒng)性能、成本、功耗、

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體積、重量等因素。2.1.2．體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

描述系統(tǒng)如何實現(xiàn)所述的功能性和非功能性需求，包括對硬件、軟件和執(zhí)行裝置的功能劃分以及系統(tǒng)的軟件、硬件選型等。一個好的體系結(jié)構(gòu)是設(shè)計成功與否的關(guān)鍵。2.1.3．硬件/軟件協(xié)同設(shè)計（硬件、軟件、執(zhí)行裝置并行設(shè)計）

基于體系結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)的軟件、硬件進行詳細設(shè)計。為了縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，設(shè)計往往是并行的。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的大部分工作集中在軟件設(shè)計上，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、軟件組件技術(shù)、模塊化設(shè)計是現(xiàn)代軟件工程經(jīng)常采用的方法。2.1.4．系統(tǒng)集成

把系統(tǒng)的軟件、硬件和執(zhí)行裝置集成在一起，進行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并改進單元設(shè)計過程中的錯誤。2.1.5．系統(tǒng)測試

對設(shè)計好的系統(tǒng)進行測試，檢查是否滿足規(guī)格說明書中給定的功能要求。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)模式最大特點是軟件、硬件綜合開發(fā)。這是由于嵌入式產(chǎn)品是軟硬件的結(jié)合體，軟件針對硬件開發(fā)、固化、不可修改。

2.2基于Linux的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)

假使在一個嵌入式系統(tǒng)中使用Linux技術(shù)開發(fā)，根據(jù)應用需求的不同有不同的配置開發(fā)方法，但是，一般狀況下，在遵照一般嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程的同時，都需要經(jīng)過如下的過程。

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2.2.1.開發(fā)目標板硬件

設(shè)計目標板硬件選型及器件布局。2.2.2.建立一套交織編譯工具

建立一套交織編譯工具，能夠在宿主機上產(chǎn)生目標板上運行的目標代碼。通過網(wǎng)絡下載相應的GCC交織編譯器進行安裝(譬如，arm-1inux-gcc、arm-uclibc-gcc)，或者安裝產(chǎn)品廠家提供的相關(guān)交織編譯器；并配置開發(fā)主機，使其與目標板建立通信，配置MINICOM，一般的參數(shù)為波特率115200Baud/s，數(shù)據(jù)位8位，中止位為1，無奇偶校驗，軟件硬件流控設(shè)為無。在Windows下的超級終端的配置也是這樣。MINICOM軟件的作用是作為調(diào)試嵌入式開發(fā)板的信息輸出的監(jiān)視器和鍵盤輸入的工具。配置網(wǎng)絡主要是配置NFS網(wǎng)絡文件系統(tǒng)，需要關(guān)閉防火墻，簡化嵌入式網(wǎng)絡調(diào)試環(huán)境設(shè)置過程。2.2.3.移植一個適合的引導加載程序到目標板上，用于初始化目標板和加載內(nèi)核

從網(wǎng)絡上下載一些公開源代碼的BOOTLOADER，如U-BOOT、VIVI、ARM-BOOT等，根據(jù)具體芯片進行移植修改。有些芯片沒有內(nèi)置引導裝載程序，就需要編寫開發(fā)板上FLASH的燒寫程序，可以在網(wǎng)上下載相應的燒寫程序，也有Linux下的公開源代碼的J-FLASH程序。假使不能燒寫自己的開發(fā)板，就需要根據(jù)自己的具體電路進行源代碼修改。這是讓系統(tǒng)可以正常運行的第一步。假使用戶購買了廠家的仿真器比較簡單燒寫FLASH，雖然無法了解其中的核心技術(shù)，但對于需要迅速開發(fā)自己的應用的人來說可以極大提高開發(fā)速度。

2.2.4.移植一個適合的Linux內(nèi)核到目標板上

假使有專門針對所使用的CPU移植好的Linux操作系統(tǒng)那是再好不過，下載后再添加特定硬件的驅(qū)動程序，然后進行調(diào)試修改，對于帶MMU的CPU可以使用模塊方式調(diào)試驅(qū)動，否則只能編譯進內(nèi)核進行調(diào)試。

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2.2.5.建立一個根文件系統(tǒng)

可以從http：//.下載使用BUSYBOX軟件進行功能裁減，產(chǎn)生一個最基本的根文件系統(tǒng)，再根據(jù)自己的應用需要添加其他的程序。由于默認的啟動腳本一般都不會符合應用的需要，所以就要修改根文件系統(tǒng)中的啟動腳本，它的存放位置位于/etc目錄下，包括：/etc/init.d/rc.S、/etc/profile、/etc/.profile等，自動掛裝文件系統(tǒng)的配置文件/etc/fstab，具體狀況會隨系統(tǒng)不同而不同。根文件系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)中一般設(shè)為只讀，需要使用mkcramfsgenromfs等工具產(chǎn)生燒寫映像文件。2.2.6.開發(fā)特定外設(shè)的驅(qū)動程序

為特定外設(shè)編寫驅(qū)動程序并添加進內(nèi)核運行。2.2.7.開發(fā)上層的應用程序

開發(fā)上層應用程序之后，可以將其放入根文件系統(tǒng)中運行，也可以放入YAFFS、JFFS2文件系統(tǒng)中，有的開發(fā)不使用根文件系統(tǒng)，也可直接將應用程序和內(nèi)核設(shè)計在一起。

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第三章課程設(shè)計內(nèi)容

基礎(chǔ)試驗嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境搭建

一、試驗目的

對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)而言，配置宿主機-目標板開發(fā)環(huán)境、建立適合的開發(fā)工具鏈、對內(nèi)核進行配置和移植等工作是進一步進行上層應用程序開發(fā)的不可或缺的重要步驟。當前Internet上具有豐富的Linux相關(guān)開發(fā)源代碼可供用戶下載和使用，其中包括編譯器等開發(fā)工具鏈，各種協(xié)議的支持軟件工具，以及操作系統(tǒng)自身。如何使用這些資源是本試驗的重要內(nèi)容。通過本試驗，旨在使學生能夠：

1.把握開發(fā)主機與嵌入式開發(fā)板通信的方法2.把握嵌入式開發(fā)工具鏈的構(gòu)造過程3.把握燒寫鏡像文件到開發(fā)板的方法4.把握相關(guān)鏡像文件配置和編譯的過程二、試驗環(huán)境要求1）開發(fā)板準備：1.Idea6410開發(fā)板

2.交織串口線（雙母頭）：用于連接開發(fā)板COM0和PC機COM口進行調(diào)試用3.USB數(shù)據(jù)線：用于下載鏡像4.電源適配器：用于給開發(fā)板供電5.SD卡：用于初次燒寫時，從SD啟動

6.USB接口SD讀卡器：用于在PC端燒寫啟動代碼至SD卡中2）主機環(huán)境準備：

在虛擬機VMware中安裝ubuntu10.04三、試驗準備

1．參照手冊UT6410-Android2.1_manual和Ubuntu安裝資料中方法在虛擬機VMware中安裝ubuntu10.04

2.學習“1體驗篇〞視頻，參照“1體驗篇〞中視頻的開發(fā)板連線方法將目標板與主機相連

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四、試驗步驟

1.開發(fā)主機和嵌入式開發(fā)板間的通信

嵌入式內(nèi)核和應用軟件經(jīng)過編譯和鏈接后，可以下載到嵌入式系統(tǒng)中，同時在程序運行過程中需要用戶通過控制終端輸入命令，并向用戶顯示特定信息。這就需要在開發(fā)主機和嵌入式系統(tǒng)之間進行通信。

串行接口是開發(fā)主機和嵌入式系統(tǒng)通信的基本手段，可以通過串行接口為嵌入式系統(tǒng)中Linux建立一個控制終端，也可以完成內(nèi)核和應用程序的下載。

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中四種常見串口調(diào)試工具有：超級終端、SecureCRT、DNW、minicom

通過學習“1體驗篇〞視頻和相關(guān)資料，把握開發(fā)主機和嵌入式開發(fā)板間串口的通信的方法。

2.把握嵌入式開發(fā)工具鏈的構(gòu)造過程

交織編譯工具鏈是指在一個體系結(jié)構(gòu)平臺下開發(fā)另一個平臺下運行的程序所需的編譯工具集。目前主機一般采用x86指令系統(tǒng)，而默認的編譯器配置是將高級語言程序編譯為x86指令系統(tǒng)。交織編譯工具就是要將高級語言程序編譯成為嵌入式系統(tǒng)中特定處理器的指令系統(tǒng)（如ARM指令系統(tǒng)）。

交織編譯工具鏈包括匯編器，高級語言編譯器，連接工具和make工具等。交織開發(fā)環(huán)境的建立實際上就是在通用PC機上安裝一個交織開發(fā)工具鏈，這一過程包括如下步驟：

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