毕业设计（论文）-基于Linux的嵌入式操作系统研究.docVIP

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,itisclearthat3C(Computer,CommunicationandConsumer)willconvergeinthenearfuturewhichwillleadthefocusofComputerIndustryfromtheComputeproducttoInformationproduct.ItistheconceptofInformationAppliance.IntheapplicationanddevelopmentfieldofInformationAppliance,EmbeddedOperatingSystemwillbethemostfavoritethinginSoftwareDevelopmentfield.Atthesametime,inthefieldofcomputerscienceitself,themicromationandspecializationisthenewdirectionofthecomputerworld.ItalsowantthesupportofEmbeddedSystem.So,theresearchofthekeytechniqueofembeddedsystemEmbeddedOperatingSystemisthemostimportantthing.ThisthesispresentstheauthorsworkinresearchoftheLinux-basedEmbeddedOperatingSystemforhisbachelordegree.MostofthethesisfocustherequirementoftransformingLinuxtoEmbeddedSystem.Firstly,itdescribestheconceptsofembeddedsystemandInformationAppliance,andpresentsthecharacteristicanddevelopmentenvironmentofLinux.ThendescribethreeaspectsofthekeytechniquesofusingLinuxasthedevelopmenttoolsofEmbeddedsystemIncludingthereal-timevariantofLinuxRTLinuxanditsprinciple,implementationandtheprogramming；thenetworkcodinginLinuxkernelandtheanalysisofLinuxnetworkdevicedriversandtheonlinedebugenvironmentofLinuxKernelandRTLinuxKernel.IhavealsoinvolvedtheimplementationofembedLinux/RTLinuxinafloppytosimulatetheembeddedenvironment.Inthelastpartofthisthesis,IgivethesuggestionsandprospectofthedevelopmentofamatureembeddedsystemwhichhavethemostcompetitionabilityinChinamarketbaseonthecurrentwork.Keyword:EmbeddedOperatingSystem,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_61.1嵌入式系统的历史、现在和未来_61.2信息电器的概念_71.3国内外嵌入式系统的相关产品、水平、现状和技术发展趋势_81.3.1国际上相关产品、水平、现状和技术发展趋势。_81.3.2国内相关产品、水平、现状和技术发展趋势。_101.4Linux的历史和现状_121.5论文的组织介绍_14第二章嵌入式系统的特点_162.1嵌入式处理器的要求_162.2RTOS的要求_172.2.1RTOS的概念_172.2.2RTOS的分类方法_182.2.3RTOS的体系结构_182.2.4RTOS的衡量标准_202.3网络要求_202.4用户交互环境界面_202.5小结_21第三章采用Linux作为嵌入式系统开发的原因_223.1嵌入式处理器支持_223.2实时支持_223.3网络支持_233.4GUI开发支持_243.4.1利用XWindows的便利_243.4.2利用SVGALib和pThread函数库_253.5小结_26第四章实时Linux_274.1实时Linux（RTLinux）介绍_27基于Linux的嵌入式操作系统研究44.2RTLinux特征_284.2.1小而精巧的实时内核_284.2.2模块化的设计方案_284.2.3和Linux内核的结合_2利用Linux内核的好处_2和Linux进行通信的方法_294.3RTLinux的实现机理_304.4RTLinux的编程接口（API）_314.5RTLinux的编程方法示例_324.5.1需要用到的API函数：_3任务生成和调度函数_3时间控制函数_3FIFO控制函数_334.5.2程序原理_344.5.3程序实现_3实时部分代码_3非实时部分_3公用头文件_384.5.4程序执行结果_394.6嵌入式RTLinux的设计_404.6.1将RTLinux嵌入EPROM中。_404.6.2通过网络启动的方法设计嵌入式RTLinux。_424.7小结_42第五章Linux对TCP/IP网络支持_435.1Linux网络概述_435.2Linux网络设备驱动程序的分析_445.2.1Linux中网络驱动程序介绍_455.2.2网络驱动程序中需要用到的重要的数据结构_4structdevice_465.2.3重要的驱动过程_4模块驱动方法_4内核启动的驱动方法_4网卡初始化函数分析_495.3在嵌入式系统中实现网络协议栈_515.3.1重用Linux网络协议栈代码_515.3.2重写网络协议栈_525.3.3网络驱动程序的编写_525.4小结_53第六章调试环境的搭建和定制_546.1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56.1.1GDB介绍_556.1.2GDB远程调试功能介绍_556.1.3GDB远程调试建立的条件_5远程主机上stub要实现的函数接口_5调试双方数据包的传送格式_5调试步骤的介绍_586.2Linux的内核调试环境的搭建_586.2.1串口驱动程序模块和数据包传送函数_596.2.2stub程序的函数接口_606.2.3内核进入调试状态的路径_6系统启动的时候向内核传递参数_6使用gdbstart将系统控制权交出_636.2.4Linux内核调试过程示例_646.3RTLinux的调试环境的开发设想_656.4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1.1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（Post-PC）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Post-PC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DennisM.Ritchie和BrianW.Kernighan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