嵌入式Linux系統的制作與應用

2024-08-27 23:55:43

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　　嵌入式系統(Embedded Systems)是根據應用的要求，將操作系統和功能軟件集成于計算機硬件系統之中，從而實現軟件與硬件一體化的計算機系統。嵌入式系統出現于60年代晚期，它最初被用于控制機電電話交換機，如今已被廣泛的應用于工業制造、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產品等眾多領域。嵌入式系統在數量上遠遠超過了各種通用計算機系統：計算機系統核心CPU，每年在全球范圍內的產量大概在二十億顆左右，其中超過80％應用于各類專用性很強的嵌入式系統。

　　然而，隨著硬件的發展，嵌入式系統變得越來越復雜，最初的控制程序中逐步的加入了許多功能，而這些功能中有很多可以由操作系統提供。于是，在70年代末期出現了嵌入式操作系統(Embedded Operating Systems)，它的出現大大簡化了應用程序設計，并可以有效的保障軟件質量和縮短開發周期。簡單的ES一般并不使用操作系統，只包含一些控制流程，但是隨著嵌入式操作系統在復雜性上的增長，簡單的流程控制就不能滿足系統的要求，這是就必須考慮使用操作系統做系統軟件。因此，嵌入式操作系統就應運而生。

　　隨著EOS的廣泛應用，業界已推出一些應用比較成功的EOS產品。歸納起來EOS應該具有以下幾個特點：小巧、實時性、可裝卸、固化代碼、弱交互性、強穩定性和統一的接口。目前使用最多的EOS產品包括有：Vxwork、QNX、PalmOS、WindowsCE、pSOS、Hopen OS(國內凱思集團公司自主研制開發)等。其中，Vxwork使用最為廣泛、市場占有率最高，其突出特點是實時性強(采用優先級搶占和輪轉調度等機制)，除此之外，其可靠性和可剪裁性也相當不錯。QNX是一種伸縮性極佳的系統，其核心加上實時POSIX環境和一個完整的窗口系統還不到一兆。相比之下，Microsoft WinCE的核心體積龐大，實時性能也差強人意，但由于Windows系列友好的用戶界面和為程序員所熟悉的API，并捆綁IE、Office等應用程序，正逐漸獲得更大的市場份額。而與這些商業化的操作系統相比，Linux已經越來越受到人們的注意。

　　嵌入式Linux概述

　　Linux是一個成熟而穩定的網絡操作系統。將Linux植入嵌入式設備具有眾多的優點。首先，Linux的源代碼是開放的，任何人都可以獲取并修改，用之開發自己的產品。其次，Lirmx是可以定制的，其系統內核最小只有約134kB。一個帶有中文系統和圖形用戶界面的核心程序也可以做到不足1MB，并且同樣穩定。另外，它和多數Unix系統兼容，應用程序的開發和移植相當容易。同時，由于具有良好的可移植性，人們已成功使Linux運行于數百種硬件平臺之上。

　　然而，Linux并非專門為實時性應用而設計，因此如果想在對實時性要求較高的嵌入式系統中運行Linux，就必須為之添加實時軟件模塊。這些模塊運行的內核空間正是操作系統實現進程調度、中斷處理和程序執行的部分，因此錯誤的代碼可能會破壞操作系統，進而影響整個系統的可靠性和穩定性。Linux的眾多優點還是使它在嵌入式領域獲得了廣泛的應用，并出現了數量可觀的嵌入式Linux系統。其中有代表性的包括：uClinux、ETLinux、ThinLinux、LOAF等。ETLinux通常用于在小型工業計算機，尤其是PC／104模塊。ThinLinux面向專用的照相機服務器、X-10控制器、MP3播放器和其它類似的嵌入式應用。LOAF是Linux On A Floppy的縮略語，它運行在386平臺上。

　　嵌入式Linux的建立

　　完整的嵌入式Linux解決方案應包括嵌入式Linux操作系統內核、運行環境、圖形化界面和應用軟件等。由于嵌入式設備的特殊要求，嵌入式Linux解決方案中的內核、環境、GUI等都與標準Linux有很大不同，其主要挑戰是如何在狹小的FLASH、ROM和內存中實現高質量的任務實時調度、圖形化顯示、網絡通信等功能。

　　1、精簡內核

　　Linux內核有自己的結構體系，其中進程管理、內存管理和文件系統是其最基本的3個子系統。圖1簡單表示了它的框架。用戶進程可直接通過系統調用或者函數庫來訪問內核資源。正因為Linux內核具有這樣的結構，因此修改內核時必須注意各個子系統之間的協調。

　　嵌入式Linux內核一般由標準Linux內核裁剪而來。用戶可根據需求配置系統，剔除不需的服務功能、文件系統和設備驅動。經過裁剪、壓縮后的系統內核一般只有300k左右，十分適合嵌入式設備。同標準Linux不同的是嵌入式Linux必須要實現從FLASH或ROM的啟動。標準Linux啟動代碼實現了系統初始化和從軟盤、硬盤O盤區引導內核。嵌入式Linux一般保存在FLASH或ROM中，標準LILO無法引導。在支持直接從FLASH設備引導的系統中，如華恒公司的uClinux，引導程序主要完成對硬件系統的初始化工作和操作系統的解壓、移位工作。在不支持直接從FLASH引導的系統中，FLASH設備只能作為非引導磁盤使用。此時，可采用先從硬盤或軟盤加載一個小操作系統，如嵌入式DOS，然后再執行"Loadlin"加載程序從FLASH引導嵌入式Linux。

　　對標準Linux的修改主要是虛擬內存和調度程序部分的改動。因為標準Linux系統使用虛擬內存管理的目的是為了能同時運行多個進程，但是這樣每個待運行的進程所能分配的CPU時間片就受限制，資源的使用效率就低。這樣對于實時性要求較高的嵌入式系統來說，實時任務往往要求CPU具有很高的突發處理能力，即在有些時候需要極高的處理效率，因此需要屏蔽內核的虛擬內存管理機制。對于無硬盤設備的嵌入式系統，不必采用虛存管理。強實時需求的嵌入式應用可以通過修改任務調度模塊實現，主要是在內核和設備驅動程序中加入了許多切換點。在該點處，系統檢測是否存在未處理的緊急中斷，有則剝奪內核的運行，及時處理中斷。實現實時性服務的一個較好的方法是在標準的Linux內核上增加一個實時內核，標準Linux內核作為一個任務運行于實時內核上，強實時性任務也直接運行在實時內核上，如RT-Linux等。

　　文件系統是嵌入式Linux操作系統必不可少的。但標準Linux支持大量的文件系統，因此除了滿足系統的正常運行需要而保留一種外，其它的全部可以刪除，利用原有的設置選項可以移除。一般嵌入式設備文件系統主要使用RamDisk技術和網絡文件系統技術。RamDisk可駐留于Flash，運行時加載到內存中。

　　作為嵌入式操作系統的優勢

　　Linux作為嵌入式操作系統的優勢主要有以下幾點：

　　1、可應用于多種硬件平臺。Linux已經被移植到多種硬件平臺，這對于經費，時間受限制的研究與開發項目是很有吸引力的。原型可以在標準平臺上開發后移植到具體的硬件上，加快了軟件與硬件的開發過程。Linux采用一個統一的框架對硬件進行管理，從一個硬件平臺到另一個硬件平臺的改動與上層應用無關。Linux可以隨意地配置，不需要任何的許可證或商家的合作關系，源代碼可以免費得到。這使得采用Linux作為操作系統不會遇到任何關于版權的糾紛。毫無疑問，這會節省大量的開發費用。本身內置網絡支持，而目前嵌入式系統對網絡支持要求越來越高。Linux的高度模塊化使添加部件非常容易。

　　2、Linux是一個和Unix相似、以內核為基礎的、具有完全的內存訪問控制，支持大量硬件(包括X86，Alpha、ARM和Motorola等現有的大部分芯片)等特性的一種通用操作系統。其程序源碼全部公開，任何人可以修改并在GUN通用公共許可證(GNU General Public License)下發行。這樣，開發人員可以對操作系統進行定制，適應其特殊需要。

　　3、Linux帶有Unix用戶熟悉的完善的開發工具，幾乎所有的Unix系統的應用軟件都已移植到了Linux上。Linux還提供了強大的網絡功能，有多種可選擇窗口管理器(X Windows)。其強大的語言編譯器GCC，C++等也可以很容易得到，不但成熟完善，而且使用方便。

（編輯：武林網）

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