嵌入式Linux系统设计与开发

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1、单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,嵌入式Linux系统设计与开发,祖校锋,主要内容,嵌入式系统与嵌入式,Linux,嵌入式,Linux,开发平台,1.1 嵌入式系统,嵌入式计算机系统的定义：,以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，复合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗的严格要求的专用计算机系统。,嵌入式系统与嵌入式Linux,嵌入式系统分类,按表现形式分（硬件范畴）,芯片级嵌入（含程序或算法的处理器）,模块级嵌入（系统中的某个核心模块）,系统级嵌入,按实时性要求分（软件范畴）,非实时系统（,PDA,）,软实时系统（消费类产

2、品）,硬实时系统 （制导系统等）,嵌入式系统的应用前景,美国著名未来学家尼葛洛庞帝,1999,年,1,月访华时预言：,4,5,年后，嵌入式智能产品将是继,PC,和因特网之后,最伟大的发明,。,美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称：,福特出售的“计算能力”已经超过了,IBM,。,1997,年美国嵌入式系统大会的报告预测：,未来,5,年,基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年,1500,亿美元,的新市场。,1.1.2 嵌入式产品分类,信息电器，包括电视机、电冰箱、微波炉、电话等等。,移动计算设备，包括手机、,PDA,、掌上电脑等各种移动设备。,网络设备，包括路由器、交换机、

3、,Web server,、网络接入盒（卡）等各种网络设备。,工控、仿真等,1.1.3 嵌入式系统的特点,嵌入式系统的产品特征,它是,面向用户产品和应用的系统；,完成目标功能的最小系统；,处理器功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面都受应用制约的系统；,高可靠性和高实时性的系统；,与具体产品紧密结合的系统。,嵌入式系统软件的特征,软件要求固化存储；,软件代码高质量和高可靠性；,系统软件（,OS,）很多情况情况下要求具有实时处理能力；,多任务实时操作系统是工业标准化的必然要求。,嵌入式系统开发需要的开发工具和环境,一般是基于通用计算机的软硬件设备、各种逻辑分析仪和混合信号示波器

4、等。,嵌入式系统软件需要（,EOS,）开发平台,嵌入式系统中，应用软件可以没有操作系统而直接在芯片上运行。,但是，目前嵌入式应用已不仅仅局限于原来仅面对系统级的需求，还需要面对用户级的应用，尤其是消费电子产品的需求。传统的使用循环控制的嵌入式系统无法将系统软件和和应用软件分开处理，每次开发都要重新定制系统软件和应用软件，代价大，成本高，已不能满足需求。,为了合理调度多任务，充分利用系统资源系统函数及专家函数接口，减少开发代价，必须选用短小精悍、易定制、易移植的嵌入式操作系统开发平台，从而保证系统执行的实时性和可靠性，并大大减少开发时间。,1.2 嵌入式操作系统,嵌入式操作系统大多工作在实时性要

5、求很高的环境中，这样的操作系统称为实时多任务操作系统（,RTOS,）。,实时多任务操作系统（,RTOS,）定义：,一个能够在指定或者确定的时间内，完成系统功能和对外部或内部、同步或异步事件作出响应的系统。,硬件(hardware),硬件抽象层(Hardware Abstraction Layer),I/O管理，文件系统，驱动程序,驱 动 程 序 编 程 接 口,RTOS核心,系统API,内存管理模块,网络模块,图形驱动函数库,RTOS体系结构图,常用,RTOS,简介,VRTX,（,Microtec,Research,）,世界上第一个商业嵌入式实时内核，市场占有率前五名。,Tornado,Vxw

6、orks,(Wind River Systems,，,inc.),美国市场占有率第一名，火星探测器采用该操作系统。,QNX(QNX Software Systems LTD),x86,上最好的嵌入式实时操作系统，同时支持,PowerPC,，,ARM,，,MIPS,等处理器芯片。,LynxOS(Lynx,Real-Time systems),老牌嵌入式实时操作系统,市场占有率前十名。,WinCE(Microsoft,INC.),微软出品，嵌入但不够实时，属于软实时系统。,pSOSytem(Integrated,Systems INC.),老资格的实时操作系统，中国市场占有率第一名。,嵌入式,LI

7、NUX,（完全免费的操作系统）,既有软实时系统又有硬实时系统。,1.3 嵌入式Linux操作系统,Linux,操作系统,正式的,Linux 1.0,于,1994,年,3,月诞生于芬兰赫尔辛基大学的天才大学生,Linus,手中。现在，,Linux,已成为当前最流行的免费操作系统。只要遵守,GPL,（,GNU,通用公共许可证），任何人都可以自由使用,Linux,的源程序。,Linux,操作系统的特征,符合国际通用标准；,强大的兼容性；,先进的网络特征；,拥有真正的多用户、多任务能力；,具有动态连接能力；,系统性能十分稳定；,可移植性强，非常灵活。,Linux,操作系统的发展情况及前景,Linux,

8、操作系统发展至今,已经成为具有全部,UNIX,特性的,POSIX,兼容的操作系统，能够与各种传统的商业操作系统分庭抗礼。,据,1999,年,IOS,统计，,Linux,占有全球,Web,服务器总数的,28,，名列第一。,据,2000,年,IDC,统计，,Linux,在服务器操作系统市场中占,25,。,嵌入式Linux系统简介,嵌入式,Linux,系统的特点,开放源码，丰富的软件资源；,功能强大的内核，性能高效、稳定、多任务；,支持多种体系结构；,完善的网络通讯、图形和文件管理机制；,支持大量的周边硬件设备，驱动丰富；,大小功能都可定制，可裁剪的内核不过,500k,。,常见嵌入式,Linux,操

9、作系统,RT,Linux,美国新墨西哥理工学院开发的嵌入式硬实时操作系统。它将标准,Linux,核心作为其实时内核的一个进程同实时进程一起调度，从而在改动最小的情况校充分利用了,Linux,下现有的资源。,ucLinux,ucLinux,是针对微控制领域而设计的,Linux,系统，其最大特征就是没有,MMU,（内存管理单元模块）。,ucLinux,包含,Linux,常用的,API,和小于,512k,的内核及相关的工具，,900k,左右。,Embedix,嵌入式,Linux,行业主要厂商,Lineo,推出，最小需要,8M,内存，,3M ROM,或者,FLASH,，提供了超过,25,种的,Linu

10、x,系统服务，是一种较完整的嵌入式,Linux,解决方案。,XLinux,美国网虎公司推出，主要开发者陈盈豪，核心仅,143k,，而且还在不断减小中，号称世界上最小的嵌入式,Linux,系统。其核心采用了“超字元集”的专利技术，与标准字符集兼容的同时还覆盖了,12,个国家和地区的字符集，在国际化方面具有得天独厚的优势。,KURT,Linux,该,OS,是为多媒体应用和,ATM,网络应用设计的“严格”的实时系统。,Why,嵌入式,Linux,2000,年,9,月份的调查如下图所示。截至,2001,年,7,月，已经使用或将要使用嵌入式,Linux,的用户已达,88.6%,。,未来24个月嵌入式嵌入

11、式操作系统应用的调查（2000.9）,1.3.2 ucLinux简介,ucLinx,的优势,ucLinux,是,Linux2.0,的一个分支，其最大特征就是没有,MMU,（内存管理单元模块）。,全球每年生产的,CPU,的数量在二十亿颗左右，超过,80%,应用于专用性很强的各类嵌入式系统。其中又有相当一部分面向低端市场。为降低硬件成本及运行功耗，有一类,CPU,在设计中取消了内存管理单元（,Memory Management Unit,，简称,MMU,）功能模块。如,Motorola,公司的,M6K,系列，龙珠系列，冷火系列，,ARM7TDMI,系列,等等。,ucLinux,的特点,如前所述，,

12、ucLinux,的最大特征就是没有,MMU,。,标准,Linux,使用虚拟存储系统，这种技术用于提供比实际的物理内存大得多的内存空间，使得使用者在编写程序程序时可以完全不考虑内存空间的大小问题，从而带来了极大的方便。与此同时，内存管理活动也占用了宝贵的,CPU,时间（比较忙的系统中大约,10,左右）。,ucLinux,取消了,MMU,，直接存取内存，虽然增大了进程管理的难度，对程序员提出了更高的要求，但同时也极大地增加了开发者的权利。毕竟，节省硬件的成本才是最重要的。再者，对于低端产品来讲，只要实现特定的功能，内存管理要求完全可由开发人员考虑。,ucLinux,的进程管理,fork(),，,v

13、fork,(),，,exec(),，,exit(),，,copy-on-write,ucLinux,继承了标准,Linux,的特性，提供了对网络的强大支持，具有完整的,TCP/IP,协议栈，并对外其他一些协议提供支持，是一个相当优秀的嵌入式网络操作系统。,ucLinux,支持多种文件系统，包括最常用的,NFS,（网络文件系统），,ext2,（第二文件扩展系统，,Linux,的一种标准文件系统），,romfs,文件系统，,MS-DOS,，,FAT16,32,等。,嵌入式Linux开发平台,硬将平台的组成,嵌入式处理器，分为嵌入式微控制器（,MCU,），嵌入式微处理器（,MPU,），嵌入式,DSP

14、,和,SoC,（,System on Chip,）；,存储设备，分为,ROM,和,RAM,两类；,外围设备，包括网络设备，输入设备和显示设备。,2.1 硬件平台,2.1.1 S3C4510B芯片简介,S3C4510B,是三星公司出品的一块用在基于以太网系统的高性价、比高性能的,7TDMI,构架的,16/32,位,RISC,微控制器。,S3C4510B框图,S3C4510B,的特性如下：,体系结构,用于嵌入式以太网应用的集成系统；,全,16,32,位,RISC,结构；,支持小端大端模式；,ARM7TDMI,内核；,高性价比且基于,JTAG,的调试解决方案；,边界扫描。,系统管理,8,16,32,

15、位外部总线支持各种存储芯片和外部,I/O,；,带总线请求应打引脚的外部总线主控制器；,可编程访问周期（,0,7,个等待周期）；,4,字深的写缓冲；,存储器到外围的,DMA,接口。,一体的指令数据,Cache,2,路相联一体；,支持,LRU,（近期最少使用）替换算法；,可配置。,I2C,串行口,仅主控模式工作。,Ethernet,控制器,突发模式的,DMA,引擎；,100,10Mgongzuosulv;,DMA,发送接收缓冲区（,256,256K,）；,MAC,发送接收,FIFO,缓冲区（,80,10,字节）；,完全兼容,IEEE802.3;,带,PAUSE,的全双工模式；,长短包模式；,端变换

16、。,HDLC,10M,工作速率；,Modem,接口；,每个,HDLC,有,2,通道,DMA,缓冲描述符用于发送接收。,DMA,控制器,4,种数据突发方式；,UART,基于,DMA,或者中断工作的,2,个,UART,模块；,支持,5,，,6,，,7,或者,8,位的串行数据接收发送；,可编程波特率；,支持红外发送接收。,定时器,2,个可编程,32,位定时器；,间隔触发模式工作。,可编程,I/O,口,18,个；,输入输出专用信号模式；,中断控制器,21,个中断源（,4,个外部）；,正常快中断模式,(IRQ/FIQ),；,基于优先级。,PLL,外部时钟可由片内,PLL,加倍以提供高频系统时钟；,10,40MHz,；,输出频率位,5,倍输入时钟。,三星,NET,Start,！开发套件简介,该开发套件是三星公司为嵌入式网络应用量身订做的一块评估板，使用三星公司出品的网络控制芯片,S3C4510B,。,2.1.2 NET-Start！评估板,评估板布局,评估板框图,硬件平台连接图,2.2 软件系统,嵌入式系统的软件组成,Bootloader,，分为主机端和目标端两个部分，主要作用包括：,初始化处理器