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毕业设计(论文)-基于Linux的嵌入式操作系统研究.doc

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毕业设计(论文)-基于Linux的嵌入式操作系统研究.doc

基于LINUX的嵌入式操作系统研究1摘要在以计算机技术、通讯技术相结合的信息时代的快速发展和互联网的广泛应用的形势下,3C(COMPUTER、COMMUNICATION、CONSUMER)合一的趋势已经形成,其结果必然就是将计算机工业的中心从计算产品转移到信息产品,从而出现信息电器的概念。在信息电器的应用开发领域,由于需要的功能不断的增加,嵌入式系统也就将成为软件业的新宠儿。同时在计算机本身的领域里面,微型化和专业化成为了发展的新趋势,同样也需要嵌入式系统的支持。因此,研究与嵌入式系统有关的关键技术嵌入式操作系统有着相当重要的实际意义。本论文详细论述了作者在学士学位论文工作期间在基于LINUX的嵌入式操作系统研究工作领域里所做的研究和实践,主要围绕着论证使用LINUX改造成符合嵌入式操作系统条件的几点要求展开讨论。首先,我对嵌入式系统的概念和信息电器的概念做出表述,并且说明LINUX的特点、发展状况河开发环境。紧接着,分三个方面论述使用LINUX进行嵌入式系统开发的便利,包括LINUX的实时变种RTLINUX的原理、实现方案和编程方法;LINUX网络设备驱动程序的分析和利用到嵌入式系统中的方案;实现LINUX和RTLINUX的内核在线调试环境的途径。其中还讲到了如何利用现有的工作设计出一个嵌入式LINUX系统。最后,针对现有的工作,提出进一步开发出完整的、具有市场竞争力的产品提出开发展望。关键词嵌入式系统,LINUX,信息电器,RTOS,RTLINUX,LINUX网络驱动程序,在线调试环境基于LINUX的嵌入式操作系统研究2ABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFCOMPUTERTECHNOLOGYANDCOMMUNICATIONTECHNOLOGYININFORMATIONTIMESANDTHEBOARDAPPLICATIONOFINTERNET,ITISCLEARTHAT3CCOMPUTER,COMMUNICATIONANDCONSUMERWILLCONVERGEINTHENEARFUTUREWHICHWILLLEADTHEFOCUSOFCOMPUTERINDUSTRYFROMTHECOMPUTEPRODUCTTOINFORMATIONPRODUCTITISTHECONCEPTOFINFORMATIONAPPLIANCEINTHEAPPLICATIONANDDEVELOPMENTFIELDOFINFORMATIONAPPLIANCE,EMBEDDEDOPERATINGSYSTEMWILLBETHEMOSTFAVORITETHINGINSOFTWAREDEVELOPMENTFIELDATTHESAMETIME,INTHEFIELDOFCOMPUTERSCIENCEITSELF,THEMICROMATIONANDSPECIALIZATIONISTHENEWDIRECTIONOFTHECOMPUTERWORLDITALSOWANTTHESUPPORTOFEMBEDDEDSYSTEMSO,THERESEARCHOFTHEKEYTECHNIQUEOFEMBEDDEDSYSTEMEMBEDDEDOPERATINGSYSTEMISTHEMOSTIMPORTANTTHINGTHISTHESISPRESENTSTHEAUTHOR’SWORKINRESEARCHOFTHELINUXBASEDEMBEDDEDOPERATINGSYSTEMFORHISBACHELORDEGREEMOSTOFTHETHESISFOCUSTHEREQUIREMENTOFTRANSFORMINGLINUXTOEMBEDDEDSYSTEMFIRSTLY,ITDESCRIBESTHECONCEPTSOFEMBEDDEDSYSTEMANDINFORMATIONAPPLIANCE,ANDPRESENTSTHECHARACTERISTICANDDEVELOPMENTENVIRONMENTOFLINUXTHENDESCRIBETHREEASPECTSOFTHEKEYTECHNIQUESOFUSINGLINUXASTHEDEVELOPMENTTOOLSOFEMBEDDEDSYSTEMINCLUDINGTHEREALTIMEVARIANTOFLINUXRTLINUXANDIT’SPRINCIPLE,IMPLEMENTATIONANDTHEPROGRAMMING;THENETWORKCODINGINLINUXKERNELANDTHEANALYSISOFLINUXNETWORKDEVICEDRIVERSANDTHEONLINEDEBUGENVIRONMENTOFLINUXKERNELANDRTLINUXKERNELIHAVEALSOINVOLVEDTHEIMPLEMENTATIONOFEMBEDLINUX/RTLINUXINAFLOPPYTOSIMULATETHEEMBEDDEDENVIRONMENTINTHELASTPARTOFTHISTHESIS,IGIVETHESUGGESTIONSANDPROSPECTOFTHEDEVELOPMENTOFAMATUREEMBEDDEDSYSTEMWHICHHAVETHEMOSTCOMPETITIONABILITYINCHINAMARKETBASEONTHECURRENTWORKKEYWORDEMBEDDEDOPERATINGSYSTEM,LINUX,INFORMATIONAPPLIANCE,RTOS,RTLINUX,LINUXNETWORKDEVICEDRIVERS,ONLINEKERNELDEBUGENVIRONMENT基于LINUX的嵌入式操作系统研究3目录摘要_______________________________________________________________1ABSTRACT_____________________________________________________________2目录______________________________________________________________3第一章绪论_________________________________________________________611嵌入式系统的历史、现在和未来_____________________________________612信息电器的概念_________________________________________________713国内外嵌入式系统的相关产品、水平、现状和技术发展趋势_______________8131国际上相关产品、水平、现状和技术发展趋势。____________________________8132国内相关产品、水平、现状和技术发展趋势。_____________________________1014LINUX的历史和现状______________________________________________1215论文的组织介绍________________________________________________14第二章嵌入式系统的特点____________________________________________1621嵌入式处理器的要求_____________________________________________1622RTOS的要求___________________________________________________17221RTOS的概念_________________________________________________________17222RTOS的分类方法_____________________________________________________18223RTOS的体系结构_____________________________________________________18224RTOS的衡量标准_____________________________________________________2023网络要求______________________________________________________2024用户交互环境界面_______________________________________________2025小结__________________________________________________________21第三章采用LINUX作为嵌入式系统开发的原因__________________________2231嵌入式处理器支持_______________________________________________2232实时支持______________________________________________________2233网络支持______________________________________________________2334GUI开发支持___________________________________________________24341利用XWINDOWS的便利________________________________________________24342利用SVGALIB和PTHREAD函数库________________________________________2535小结__________________________________________________________26第四章实时LINUX__________________________________________________2741实时LINUX(RTLINUX)介绍______________________________________27基于LINUX的嵌入式操作系统研究442RTLINUX特征___________________________________________________28421小而精巧的实时内核__________________________________________________28422模块化的设计方案____________________________________________________28423和LINUX内核的结合__________________________________________________294231利用LINUX内核的好处_____________________________________________294232和LINUX进行通信的方法___________________________________________2943RTLINUX的实现机理_____________________________________________3044RTLINUX的编程接口(API)______________________________________3145RTLINUX的编程方法示例_________________________________________32451需要用到的API函数________________________________________________324511任务生成和调度函数______________________________________________324512时间控制函数____________________________________________________334513FIFO控制函数____________________________________________________33452程序原理___________________________________________________________34453程序实现___________________________________________________________344531实时部分代码____________________________________________________344532非实时部分______________________________________________________374533公用头文件______________________________________________________38454程序执行结果________________________________________________________3946嵌入式RTLINUX的设计__________________________________________40461将RTLINUX嵌入EPROM中。__________________________________________40462通过网络启动的方法设计嵌入式RTLINUX。_______________________________4247小结__________________________________________________________42第五章LINUX对TCP/IP网络支持_____________________________________4351LINUX网络概述_________________________________________________4352LINUX网络设备驱动程序的分析____________________________________44521LINUX中网络驱动程序介绍_____________________________________________45522网络驱动程序中需要用到的重要的数据结构_______________________________465221STRUCTDEVICE______________________________________________________46523重要的驱动过程______________________________________________________465231模块驱动方法____________________________________________________475232内核启动的驱动方法______________________________________________475233网卡初始化函数分析______________________________________________4953在嵌入式系统中实现网络协议栈____________________________________51531重用LINUX网络协议栈代码____________________________________________51532重写网络协议栈______________________________________________________52533网络驱动程序的编写__________________________________________________5254小结__________________________________________________________53第六章调试环境的搭建和定制________________________________________5461远程调试环境的搭建原理_________________________________________55基于LINUX的嵌入式操作系统研究5611GDB介绍___________________________________________________________55612GDB远程调试功能介绍________________________________________________55613GDB远程调试建立的条件______________________________________________566131远程主机上STUB要实现的函数接口__________________________________566132调试双方数据包的传送格式_________________________________________576133调试步骤的介绍__________________________________________________5862LINUX的内核调试环境的搭建______________________________________58621串口驱动程序模块和数据包传送函数_____________________________________59622STUB程序的函数接口___________________________________________________60623内核进入调试状态的路径______________________________________________616231系统启动的时候向内核传递参数_____________________________________616232使用GDBSTART将系统控制权交出_____________________________________63624LINUX内核调试过程示例_______________________________________________6463RTLINUX的调试环境的开发设想____________________________________6564小结__________________________________________________________66第七章总结与展望__________________________________________________67参考文献___________________________________________________________69基于LINUX的嵌入式操作系统研究6第一章绪论11嵌入式系统的历史、现在和未来在当前的数字信息技术和网络技术高速发展的后PC(POSTPC)时代,嵌入式系统已经广泛的渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化艺术、娱乐业以及人们的日常生活等方方面面中。随着国内外嵌入式产品如车载电脑、机顶盒等等的进一步开发和推广,嵌入式技术越来越和人们的生活紧密结合。在PC时代,可能有人从来没有接触过计算机;但是在POSTPC时代,他就不可能会接触不到嵌入式系统,因为嵌入式系统可能存在于生活的方方面面中,从家里的洗衣机、电冰箱,到作为交通工具的自行车、小汽车,到办公室里的远程会议系统等等,都属于可以使用嵌入式技术开发和改造的产品。实际上嵌入式系统这个概念很早以前就已经存在了。在通讯方面,嵌入式系统在1960年就被用于对电子机械电话交换的控制,当时被称为“存储式程序控制系统”(STOREDPROGRAMCONTROL)。那个时候,计算机一词却还不是很普遍,而存储式程序主要是指用于存储程序及日常讯息的内存部分。存储这些逻辑数据,而不是将其写入硬盘,这个概念的确具有突破性的意义。这个时候还没有出现操作系统的概念,对每一个应用都需要提供一整个计算机的设计。后来微处理器的出现,它用来提供一个中央计算引擎。利用微处理器,组成了一个基于由总线连接起来的计算机硬件体系结构,并且提供了一个通用功能的编程模型,从而简化了编程。嵌入式系统的概念是在1970年左右出现的。不过在当时,大部分都是由汇编语言完成的,而且这些汇编程序只能用于某一种固定的微处理器。当这种微处理器过时之后,这种嵌入式系统就没有用了;并且还要开始对新的微处理器写新的嵌入式系统。这个时候的嵌入式系统很多都不是操作系统,他们只是为了实现某个控制功能,使用一个简单的循环控制对外界的控制请求进行处理。不可否认,这对一些简单的系统而言是足够的。但是当我们的系统越来越复杂,利用的范围越来越广泛的时候,没有操作系统就成为了一个最大的缺点了,因为需要添加一项新功能都可能需要从头开始设计,否则只能增加开发成本和系统复杂度。C语言的出现使得我们的操作系统开发变得越来越简单。我们可以利用C语言很快的写出一个小型的、稳定的操作系统。众所知之,C语言的作者DENNISMRITCHIE和BRIANWKERNIGHAN利用它写出了著名的UNIX操作系统,直接影基于LINUX的嵌入式操作系统研究7响了这三十年计算机业的发展。同时,对开发嵌入式系统来说,在效率和速度上都提高了很多。从上世纪八十年代开始,开始出现各种各样的商业用嵌入式操作系统,这些操作系统大部分都是为专有系统而开发,从而形成了现在多种形式的商用嵌入式操作系统百家争鸣的局面。如VXWORKS,PSOS,NECULEUS和WINDOWSCE等等。现在,网络在人们生活中的应用越来越广泛,自然而然,在嵌入式系统中使用网络系统也成为了一项基本的要求。把网络协议栈实现在嵌入式系统中,对日常生活中的需要极有意义。利用嵌入式系统中的网络功能,可以实现下面我将要描述的信息电器这一即将取代PC在后PC时代占据市场主体的商品。我们知道,如果在上面所说的那种采用循环控制的嵌入式系统中加入网络协议栈,复杂度会呈指数级增长。这种情况下,在嵌入式操作系统中增加网络协议模块要方便得多,并且还能方便各种网络应用程序的不同平台移植。在未来的社会里面,使用嵌入式系统的情形会越来越多,人可以不接触电脑,但是不接触嵌入式系统的情况是不存在的。嵌入式系统可能存在于您生活的各个角落您家里可能就是通过一个嵌入式系统控制的中心,管理您家里的所有家电,控制家庭和外界网络的连接,让您的生活更为方便;您出门旅行的时候,在饭店的门把手里面安装有电子识别控制系统,利用嵌入式系统根据您手上的特征,判断时候应该给您开门;在坐车的时候,汽车电脑可以通过GPS(全球卫星定位系统)来判断自己的具体位置,利用嵌入式智能系统判断应该走哪条路比较方便;如果您一不小心生病住院,在医院的设备仪器里面都可能存在有嵌入式系统,用来选择和控制仪器,提高您手术的成功率和方便程度。12信息电器的概念在嵌入式系统发展到现在这个程度,利用的范围除了在自动化控制、军事技术、工业生产、科学研究等方面的应用之外,现在逐步在向日常生活中渗透。而PC的发展现在也正在减缓趋势。据有关报道,PC的增长率由九十年代中期的年递增率35下降到去年的15。用市场的观点来看,PC的已经从高速增长进入到平稳发展的市场顶峰时期,单纯由PC机带领的电子产业蒸蒸日上的时代已经成为历史,现在的电子产业的发展需要寻找一个新的“战略转折点”。这个时候,根据PC时代的概念,美国BUSINESSWEEK杂志提出了“后PC时代”的概念。在这个时代,占电子市场主体的不再是PC和家用电器,而是具备视听功能、信息处理和双向网络通信功能的信息电器。信息电器,英文称INFORMATIONAPPLIANCE。它具备有高品质的视听功能、交互式的信息处理功能、网络浏览功能和收发邮件等功能。它适应信息时代的要求,

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