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)的運用領(lǐng)域掌握嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識了解嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計開發(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處理器平臺介紹嵌入式系統(tǒng)開發(fā)

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機系統(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)與通用計算機系統(tǒng)相比，有如下一些特點：(1)專用性強。(2)實時性好。(3)可裁剪性好。(4)可靠性高。(5)功耗低。(6)系統(tǒng)內(nèi)核小。(7)具有專門的開發(fā)工具和開發(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)控制對生產(chǎn)過程各種流程的控制，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)字機床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測、工業(yè)機器人等可以對工業(yè)生產(chǎn)過程中的生產(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)來實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、電機控制等。軍事電子設(shè)備和現(xiàn)代武器軍事領(lǐng)域從來就是許多高新技術(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、指揮控制自動化、后勤保障現(xiàn)代化、戰(zhàn)場系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化等方面。如各種武器控制、艦艇、坦克、轟炸機等陸海空軍用電子裝備，雷達、電子對抗軍事通信裝備，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)爭中利用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)了Adhoc設(shè)備安裝在直升機、坦克、移動步兵身上，從而構(gòu)成一個自愈合、自維護的作戰(zhàn)梯隊。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、機頂盒、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模塊的移動定位終端已經(jīng)在各種運輸行業(yè)獲得了成功的使用。目前GPS設(shè)備已經(jīng)從尖端產(chǎn)品進入了普通百姓的家庭，只需要幾千元，就可以隨時隨地找到你的位置。環(huán)境工程與自然水文資料實時監(jiān)測，防洪體系及水土質(zhì)量監(jiān)測、堤壩安全，地震監(jiān)測網(wǎng)，實時氣象信息網(wǎng)，水源和空氣污染監(jiān)測。在很多環(huán)境惡劣，地況復(fù)雜的地區(qū)，嵌入式系統(tǒng)將實現(xiàn)無人監(jiān)測。商用各類收款機、電子秤、條形碼閱讀機、POS系統(tǒng)、點鈔機、IC卡輸入設(shè)備、自動柜員機、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、冰箱、微波爐、電話等）將通過家庭通信、控制中心與Internet連接，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、信息交互、網(wǎng)上娛樂、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，還可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療，遠(yuǎn)程教育等。消費電子產(chǎn)品后PC時代的消費電子產(chǎn)品應(yīng)具有強大的網(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)提供的強大的數(shù)字處理能力和簡潔實用的特性。嵌入式技術(shù)在消費電子產(chǎn)品方面的應(yīng)用包括數(shù)字電視機機項盒、錄像機、數(shù)碼相機、DVD、手機、掌上電腦、家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等具有強大的網(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、商用型嵌入式實時操作系統(tǒng)2、免費嵌入式實時操作系統(tǒng)1、商用型嵌入式實時操作系統(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，市場占有率較大。VxWork：美國WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）。具有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核和友好的開發(fā)環(huán)境。其突出特點是可靠性好、實時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。其缺點是它支持的硬件相對較少，并且源代碼不開放，需要專門的技術(shù)人員進行開發(fā)和維護。pSOS：美國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是一種針對小容量、移動式、智能化、32位、連接設(shè)備的模塊化實時嵌入式操作系統(tǒng)。針對掌上設(shè)備、無線設(shè)備的動態(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，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，屬于軟實時操作系統(tǒng)，目前也開始中文手機的研究開發(fā)，由于其Windows背景，界面比較統(tǒng)一。Symbian：由諾基亞、西門子、索尼愛立信等幾家大型移動通訊設(shè)備商共同出資組建的一個合資公司，專門研發(fā)手機操作系統(tǒng)。2、免費嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ:Micrium公司開發(fā)的微控制器操作系統(tǒng)，由美國人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、醫(yī)療器械、音響設(shè)備、發(fā)動機控制等。特點：源代碼公開，可固化（ROMable），可裁剪（Scalable），占先式（總是運行最高優(yōu)先級的就緒任務(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個任務(wù)，應(yīng)用程序最多可以有56個任務(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)先級切換等）、信號量、互斥信號量、消息隊列、事件標(biāo)志、定時管理和存儲模塊管理。嵌入式Linux：指針對Linux經(jīng)過小型化裁剪后，能夠固化在容量只有幾百字節(jié)或幾兆字節(jié)的存儲器芯片或單片機中，應(yīng)用于特定嵌入式場合的專用Linux操作系統(tǒng)，Linux是開放源碼的，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)動程序。Linux的內(nèi)核小、功能強大、運行穩(wěn)定、系統(tǒng)健壯、效率高，易于定制剪裁，在價格上極具競爭力。Linux不僅支持x86CPU，還可以支持其他數(shù)十種CPU芯片。eCOS：由Redhat推出的小型即時操作系統(tǒng)(Real-Timeoperatingsystem)，最低編譯核心可小至10K的級別，適合用于作bootloader增強，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,讓應(yīng)用程式透過連結(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是開放原碼、免權(quán)利金的即時作業(yè)系統(tǒng)，這套作業(yè)系統(tǒng)是針對嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用而設(shè)計，因此是以單一個行程1)再搭配多個執(zhí)行緒的方式來執(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)的特點和組成

1.3.1Linux的發(fā)展歷史1991年，他用匯編語言編寫了Linux系統(tǒng)的第一個內(nèi)核Linux0.0.1。1994年3月，Linux1.0版發(fā)行。Linux1.3版本之后，Linux已可運行在Intel、Digital以及SunSparc等處理器上。從1998年開始，很多商業(yè)公司也加入了Linux的開發(fā)陣營中，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多萬行代碼組成，Linux也已經(jīng)擁有一千多萬用戶。Linux內(nèi)核GNU/Linux附同GNU工具已經(jīng)占據(jù)Unix50%的市場。一些公司正把內(nèi)核、應(yīng)用程序、安裝軟件進行打包，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，同時也是開放源碼的嵌入式Linux的典范之作。uCLinux主要是針對目標(biāo)處理器沒有存儲管理單元MMU（MemoryManagementUnit）的嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計的。它已經(jīng)被成功地移植到了很多平臺上。由于沒有MMU，其多任務(wù)的實現(xiàn)需要一定技巧。與標(biāo)準(zhǔn)Linux相比，uCLinux采用實存儲器管理策略，而標(biāo)準(zhǔn)Linux利用CPU硬件的支持實現(xiàn)虛擬內(nèi)存機制。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)的特點重新設(shè)計的Linux發(fā)行版本。Embedix提供了超過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可以免費獲得。Luneo還發(fā)布了另一個重要的軟件產(chǎn)品，它可以讓在WindowsCE上運行的程序能夠在Embedix上運行。Luneo還將計劃推出Embedix的開發(fā)調(diào)試工具包、基于圖形界面的瀏覽器等?？梢哉f，Embedix是一種完整的嵌入式Linux解決方案。Xlinux：XLinux是由美國網(wǎng)虎公司推出，主要開發(fā)者是陳盈豪。他在加盟網(wǎng)虎幾個月后便開發(fā)出了基于XLinux的、號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個國家和地區(qū)的字符集。因此，XLinux在推廣Linux的國際應(yīng)用方面有獨特的優(yōu)勢。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)化的和開放的信息通信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)端到端方案的完整平臺。PoketLinux資源框架開放，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平臺使用戶的視線從設(shè)備、平臺和網(wǎng)絡(luò)上移開，由此引發(fā)了信息技術(shù)新時代的產(chǎn)生。在PoketLinux中，稱之為用戶化信息交換（CIE），也就是提供和訪問為每個用戶需求而定制的“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。該公司有個名為“MidoriLinux計劃”?！癕idoriLinux”這個名字來源于日本的“綠色”——Midori，用來反映其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，容易安裝使用與簡便管理為系統(tǒng)目標(biāo)，有望成為最流行的公司團體臺式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是軟件國際化的先驅(qū)，讓軟件支持各國語系，貢獻頗豐，SuSE也是用RPM作為軟件安裝管理程序，不過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/繁體版、英文版三種形式發(fā)行，其安裝的簡易性與系統(tǒng)設(shè)置的難度與RedHat差不多，且安裝界面是漢化的，系統(tǒng)本身支持中文簡體，在中國國內(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，中科院計算所自行開發(fā)的開放源碼的嵌入式操作系統(tǒng)EasyEmbeddedOS(EEOS)也已經(jīng)開始進入實用階段了。該款嵌入式操作系統(tǒng)重點支持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)動和其它模塊。由于有中科院計算所的強大科研力量做后盾，EEOS有望發(fā)展成為功能完善、穩(wěn)定、可靠的國產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)平臺。1.3.3Linux系統(tǒng)的特點和組成1、開放性Linux是開放源碼自由軟件的代表，遵循開放系統(tǒng)互連（OSI）國際標(biāo)準(zhǔn)。作為自由軟件，Linux開放源碼并對外免費提供，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，每個用戶對自己的資源（如文件、設(shè)備）有特定權(quán)限，互不影響。而多任務(wù)，是現(xiàn)代計算機的主要特點，是指計算機同時執(zhí)行多個程序，且各程序相互獨立運行。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。在配置較差的計算機中，可優(yōu)先使用字符界面。此時，系統(tǒng)管理員通過在字符界面中輸入相關(guān)的控制、配置命令對操作系統(tǒng)進行控制。在字符界面下進行操作，要求操作人員要熟練記住Linux的相關(guān)指令（多達上千條）。4、設(shè)備獨立性所謂設(shè)備獨立性，是指Linux操作系統(tǒng)將所有外部設(shè)備都作為文件來進行處理。在使用這些外部設(shè)備之前，只要將這些設(shè)備的驅(qū)動程序安裝好，以后就可以像訪問系統(tǒng)中的文件一樣去訪問這些設(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，因為Linux就是依靠互聯(lián)網(wǎng)才快速發(fā)展起來的。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Internet網(wǎng)絡(luò)進行通信。6、出色的速度性能Linux系統(tǒng)可以連續(xù)運行數(shù)月數(shù)年而無需啟動，與NT（死機）相比，這項性能尤其突出。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，包括對讀寫進行權(quán)限控制、帶保護的子系統(tǒng)、審計跟蹤等。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言編寫，其余均是采用C語言編寫，可以方便地從一個硬件平臺移植到另外的一個硬件平臺，使之仍然能夠按照其自身的方式運行。Linux系統(tǒng)一般有4個組成部分：內(nèi)核、Shell、文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序。Linux內(nèi)核：內(nèi)核是一個操作系統(tǒng)最基本的組成部分，由它來向應(yīng)用程序訪問硬件時提供服務(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是一個命令解釋器，它接收并解釋用戶輸入的命令