刘彦文-嵌入式系统实践教程-CH2清华大学出版社.ppt

第2章 主机及目标板的运行,2.1 终端基础知识,2.1.1 tty tty是teletype或teletypewriter的缩写，通常译作电传打字机。 现在Linux操作系统中tty的含义，通常指的是物理的或虚拟的终端。,2.1.2 早期的终端及终端与主机的连接 早期终端与小型机、中型机主机的连接，一般通过终端控制器实现，如图2.1所示。图2.1中与终端无关的设备没有画出。,图2.1 终端与主机的连接, 控制台终端 控制台终端显示的内容主要有：系统加电启动或RESET后的引导信息；装入Linux内核过程的提示信息；多用户访问系统时的一些提示信息；系统运行中出现的错误提示和警告信息。 以root用户名和确定口令从控制台终端登录的系统管理员，进入系统后通常会进行一些系统维护和系统管理工作。, 本地终端 如果终端的位置到主机的距离比较近，例如在楼内同一层且与主机房相邻的房间内，通常终端通过电缆连接到本地终端控制器上，本地终端控制器再连接到主机。本地终端控制器通常放置在主机旁边，通过RS-232C接口电缆与主机相连。, 远程终端 如果终端位置到主机的距离比较远。 远程终端控制器放置在远程终端附近的地方，通过电缆分别连接不同的远程终端。, 调制解调器 使用调制解调器（modem）的目的，是为了减少传输信号的信号损失。 调制解调器主要有两个功能，一是可以把RS-232C接口要发送的信号通过调频（或调相）电路发送出去，称为调制；另外也可以把接收到的调制信号通过解调电路转换成RS-232C接口能够识别的信号，称为解调。经过调制的信号，传输距离比较长，信号失真也比较小。, 终端的使用 在多用户、多任务操作系统支持下，每个用户通过登录能够在一个终端上使用主机的资源。 例如一个用户正在编译他的源程序，另一个用户正在运行他的程序，那么编译和运行过程都在主机进行，源程序和可执行文件也都保存在与主机连接的磁盘上，终端只是用于告诉操作系统，不同的使用者提供了哪些不同的任务；而主机则将执行结果分别送到登录用户使用的终端显示。 当登录用户退出系统后，终端将不再显示操作系统与该用户的相关信息，而是等待下一个用户登录或系统管理员结束操作系统的运行。,2.1.3 X-Window、GNOME及KDE简介 X-Window X-Window也称为X-Window System，或称X视窗系统。 X-Window只是一个工具包及架构协议，目前依据该工具包及协议开发的实现体中，以X.Org的使用最为广泛，且最受欢迎。X.Org所用的协议版本，称为X11，是1987年9月发布的。现在最新的参考实现，是X11 Release 7.5，也写作X11 R7.5。, GNOME GNOME包含一个启动应用程序的面板、一个桌面、一批标准桌面工具及应用程序、编程及开发者支持特性等，它向用户提供了一个完整的GUI工作环境。, KDE KDE（Kool Desktop Environment，K桌面环境）项目是1996年由德国人Matthias Ettrich发起的项目，是一个基于Qt GUI库的开源桌面环境。已经成为Red Hat Enterprise Linux发行版默认的桌面环境。KDE中包含了大量的应用程序和工具，包括一套办公软件、一个web浏览器、一个功能齐全的应用程序集成开发环境。 KDE提供了许多KDE构件，这些构件通常源于Qt，但是与Qt相比，进一步增强了功能和易用性。 Qt是一个用C+编写的、跨平台的工具包。,2.2 主机系统引导、登录及退出Linux,2.2.1 系统引导 引导过程（boot process），也称启动过程，指的是从主机（如PC机）电源开关闭合或者在加电状态按下RESET键以后，到内核获得控制权这一段时间。,计算机内部运行过程，主要包括： PC机内部有一片ROM存储区，存储了BIOS（Basic Input Output System，基本输入输出系统），加电或RESET后，CPU把第一条可执行指令的物理地址设置为0xFFFF0，即指向BIOS的入口地址；然后CPU执行BIOS中的程序，对底层硬件、接口和设备进行测试及初始化，例如对中断控制器、DMA控制器、串行端口等等进行测试和初始化；之后运行的BIOS中的程序，从指定的引导盘上将一个引导扇区的内容装入内存。, BIOS将程序执行权移交给刚刚从引导扇区装入内存的这段程序，由这段程序，将硬盘上的Linux内核代码压缩包装入内存。 为了节省存储空间，通常Linux内核代码是经过压缩的，并且在压缩包的头部有一小段程序是未经压缩的可执行代码，这段程序的功能是对Linux压缩包中的内核代码解压缩。 程序执行权移交给解压缩代码，由它解压缩并分配内存空间、填充解压缩后的代码。解压缩完成后，执行权转移到内核代码入口处。,系统引导是由两部分程序共同配合完成的，BIOS将引导扇区内容读入内存，由引导扇区读入内存的这段代码再把内核装入内存。 内核代码开始执行表示引导过程结束。内核要进行初始化，初始化任务依不同的硬件和不同的Linux版本而有所不同。,2.2.2 登录Linux 通常在安装Linux发行版时，系统要求设置与root用户名对应的一组口令，或称为密码。root用户在Linux系统中也称为超级用户、系统管理员、根用户，拥有最高管理权限。 嵌入式系统开发过程中，通常将开发者设置为root用户，这是因为开发者会使用较多的软、硬件资源。但是有时候一台计算机会有多人使用，比如实验室或机房，一种办法是大家都作为root用户，都知道对应的口令；另一种办法是将一部分使用资源相对较少的用户，设置为普通用户，并为每个人设置一个单独的用户名和口令。,登录方式有两种，即字符方式登录和GUI方式登录，现在常用的是GUI方式。 登录就是Linux出现提示信息后，要求用户输入用户名和与其对应的口令，然后系统进行验证的过程。 图2.2是GUI界面提示输入用户名的登录界面，之后还会要求输入密码（口令）。,图2.2 GUI界面登录,2.2.3 Linux的终端 在嵌入式系统开发过程中，Linux发行版通常安装在PC机或笔记本电脑，也就是主机。与图2.1不同的是，PC机或笔记本电脑通常不会连接物理终端设备作为Linux的终端，虽然可以这样做，例如Linux支持通过串口连接物理终端、通过USB口转串口连接物理终端、通过串口和调制解调器连接物理终端，但是很少使用。,Linux必须使用的终端设备（包括控制台等），是借助于与主机连接的显示器、键盘、鼠标和终端仿真程序或终端应用程序来实现的，一般把它们称为虚拟终端或伪终端（pseudo terminal），简称终端。,在图形桌面环境，鼠标点击“红帽子”，选择“终端”，就可以打开一个虚拟终端，见图2.3。 打开虚拟终端的同时，系统为使用该终端的用户启动一种shell。 启动哪一种shell，可能是由系统管理员确定的，或者是由用户与系统管理员协商的。,图2.3 虚拟终端窗口,同一个用户，如root用户，可以依次打开多个虚拟终端，允许在每个虚拟终端的命令行，输入不同的命令，让Linux执行多个不同的任务。 不同的用户，如普通用户中的每一个用户，登录后也可以打开一个或多个虚拟终端。 图2.4是一个root用户打开的两个虚拟终端窗口。用鼠标点击哪一个窗口，这个窗口对应的虚拟终端就被激活。,图2.4 同一个用户打开的两个虚拟终端窗口,可以用tty命令，查询当前激活窗口使用的是哪个终端： rootvm-dev # tty /dev/pts/2 上述显示的pts是pseudo terminal slave的缩写，意思为：从伪终端，是众多伪终端类型中的一种；显示的2表示第2个从伪终端。,用echo命令，可以查询使用的终端类型： rootvm-dev pts# echo $TERM Xterm 上述显示的Xterm，表示是一个基于X-Window System的标准虚拟终端。,如果一个用户同时打开了两个虚拟终端，比如pts2/和pts/3，用echo命令，可以从一个终端pts/2给另一个终端pts/3发送消息： rootvm-dev tty# tty /dev/pts/2 rootvm-dev tty# echo “to pts/3,test2.1“ /dev/pts/3,之后用鼠标激活pts/3终端，可以看到它收到了pts/2发送过来的消息，下面显示的前两行是接收操作以前命令遗留下的内容，目的是为了让读者知道当前的tty是哪一个。 rootvm-dev pts# tty /dev/pts/3 rootvm-dev pts# to pts/3,test2.1,可以通过cat命令查询主机上Linux支持哪些种类的终端： rootlocalhost # cat /proc/tty/drivers,能够在/dev目录下，用ls命令查询串行端口能够连接多少个终端： rootlocalhost dev# ls /dev/ttyS* -l crw-rw- 1 root uucp 4, 64 01-10 10:06 /dev/ttyS0 crw-rw- 1 root uucp 4, 65 01-10 10:06 /dev/ttyS1 crw-rw- 1 root uucp 4, 66 01-10 10:06 /dev/ttyS2 crw-rw- 1 root uucp 4, 67 01-10 10:06 /dev/ttyS3,2.2.4 查看及修改用户使用的shell 系统管理员创建一个新的用户账户时，为该账户分配一个默认的shell。如果用户有专门的喜好，在申请账户时，可以告诉系统管理员，让他把你要使用的shell设置成默认的shell。 用户登录后，打开一个终端时，系统启动该用户使用的shell，关闭这个终端时，终止这个shell的运行。,shell是一个程序，称为外壳，处于Linux内核与用户之间，通常负责接收用户通过终端的键盘输入的命令和参数，提交内核处理，内核处理结果再通过shell输出到终端窗口。用户使用Linux主要是与shell交互，当然在图形桌面环境也可以使用鼠标、键盘和显示窗口，与基于X-Window系统的GNOME和KDE交互。, 查看使用的shell 可以通过ps命令，查看为当前用户打开的几个终端分别使用的shell是哪一种，假定同一个root用户打开了2个终端： rootlocalhost dev# ps -e PID TTY TIME CMD 5649 pts/2 00:00:00 bash 5892 ? 00:00:07 kdeinit 5893 pts/3 00:00:00 bash 9187 pts/3 00:00:00 ps 上述内容表示，pts/2和pts/3终端，使用的都是bash。, 临时改用另一种shell 如果用户只想临时把使用的一种shell改为另一种，可以在命令行提示符处直接输入另一种shell的名字并回车，之后系统为这个用户启动指定的shell。 以下是在pts/3输入新的shell名ash，然后用ps -e命令查看pts/3使用哪一种shell。注意改用另一种shell后，命令行提示符也不一样了：,rootvm-dev /# tty /dev/pts/3 rootvm-dev /# ash # ps -e PID TTY TIME CMD 5649 pts/2 00:00:00 bash 5892 ? 00:00:09 kdeinit 5893 pts/3 00:00:00 bash 9387 pts/3 00:00:00 ash 9388 pts/3 00:00:00 ps,上述内容表示，在pts/3终端上，通过输入shell名ash，将pts/3的shell改为ash，而同一用户打开的pts/2终端，仍然使用的是bash。 启动一个新的shell后，用户将一直与这个shell交互，直到用户输入exit命令，退出新的shell。上述启动新的shell ash后，输入exit命令，系统自动恢复使用原来的bash，如下所示：,# exit rootvm-dev /# tty /dev/pts/3 rootvm-dev /# ps -e PID TTY TIME CMD 5649 pts/2 00:00:00 bash 5892 ? 00:00:10 kdeinit 5893 pts/3 00:00:00 bash 9932 pts/3 00:00:00 ps rootvm-dev /#,不同种类shell对应的可执行文件，都存储在/bin目录下，如果在命令行只输入shell名，比如ash，却不能启动ash，那么应该在shell名前加上路径名，例如/bin/ash。 也可以用以下命令，查找系统中已经安装了哪些shell： rootlocalhost # cd /bin rootlocalhost bin# ls *sh, 修改默认的shell(略),2.2.5 通过退出与shell的会话退出Linux 通常是在系统结束了用户的任务后，在命令行输入exit命令，结束与shell的会话。退出与shell的会话后，也就结束了该用户登录以来，系统提供的软、硬件资源的使用权，退出了Linux。 如果该用户或另外一个用户要使用这台终端，或者在其他终端上使用Linux，需要再一次登录即输入他自己的用户名和口令组合，经过系统验证正确后，才能使用系统分配给他的软、硬件资源。,在普通PC机或笔记本电脑上，可以使用exit命令退出shell，退出后系统关闭了该用户登录后已经打开的窗口。 在GUI桌面环境下，也可以用鼠标关闭窗口退出；或者单击鼠标右键，在随后出现的菜单中，选择关闭会话菜单条，退出。,2.2.6 关闭运行的Linux系统 Linux是一个多用户、多任务的操作系统，退出与shell的会话，只是一个用户结束了使用Linux的过程，此时系统中可能还有其他用户正在使用Linux。关闭运行的Linux的含义通常是指，在每个普通用户结束了与shell的会话后，由root用户发送退出的命令，Linux有序地退出运行。,退出命令有shutdown、halt、poweroff、reboot等。 其中shutdown最为常用，它使用系统提供的脚本，执行正确的关闭步骤； 命令halt一般会立即关闭系统，不像shutdown命令退出时执行那么多关闭步骤，这可能会引起文件系统同步的问题；命令poweroff通过切断电源来关闭系统； 而命令reboot将先退出然后重新启动系统。,使用VMWare虚拟机，可以用鼠标点击桌面窗口右上角的关闭窗口图标，关闭运行的Linux，之后系统会提示Suspend（挂起）还是Power Off（断电）。通常可以选择挂起，这样在下一次从虚拟机中启动Linux时，启动时间比较短。 图2.5为使用虚拟机，关闭运行的Linux系统时，虚拟机提供给用户的选择界面。,图2.5 使用虚拟机关闭Linux时的选择界面,选择挂起（suspend）后，终止了Linux运行的同时，也关闭了虚拟机窗口，结束了虚拟机运行。 下次要运行Linux时，需要双击Windows桌面虚拟机图标，然后在虚拟机窗口选择Resume this virtual machine（恢复虚拟机）。 选择断电（power off）后，在虚拟机中模拟单独运行Linux时的断电操作。下次要运行Linux时，双击Windows桌面虚拟机图标，选择power on。,2.2.7 使用帮助命令help和man help命令 输入help命令后，终端上将显示用户现在使用的shell内部定义的全部命令，输出显示内容见1.2.2小节。 命令help的输出较为简单，仅仅是将各命令列表输出，如果要查找某一条命令的具体含义，例如查找pwd命令的含义，需要在help后跟随pwd，如下所示：,rootvm-dev /# help pwd pwd: pwd -PL Print the current working directory. With the -P option, pwd prints the physical directory, without any symbolic links; the L option makes pwd follow symbolic links. rootvm-dev /#,对于那些更多的、没有定义在用户正在使用的shell内部的命令，help命令不会显示相关信息，例如ls命令不在shell内部，那么使用以下命令： rootvm-dev /# help ls bash: help: no help topics match ls. Try help help or man -k ls or info ls. rootvm-dev /#, 用ls命令查找shell之外的命令 除了shell内部定义的那些命令之外，其余命令对应的可执行文件，一般都可以在子目录/bin和/sbin中找到。可以使用命令 ls /bin或者ls /sbin去查找。, man命令 Linux带有联机帮助功能，它的帮助文件称为联机帮助页（man pages），要想找某一个命令的详细信息，比如ls命令，只要在命令行输入man后跟随空格及ls，然后回车就可以了。 man命令输出的信息很多，如下显示输出的内容是ls命令的帮助页，使用省略号代替了一些实际输出的信息（略）。,2.3 目标板初次运行,2.3.1 目标板连接的电源、端口及安装的操作系统 不同处理器架构以及不同公司生产的目标板，外观、尺寸及目标板上的微处理器、外部设备种类和设备的多少都不相同。但是能够运行的Linux操作系统的目标板初次加电运行时，通常会涉及到以下硬件和软件。, 电源适配器及开关 常见的电源适配器有两种，共同点是它们的输入插头，都连接到交流220V电源插座；不同点是，一种电源适配器产生的输出电压是直流5V，另一种是直流12V。有的目标板使用外接直流5V电源，有的目标板使用外接直流12V电源。 也有将电源适配器安装在目标板箱体内部的，外接220V交流电通过插座由电缆引入。,目标板上通常有一个电源开关，还有一个RESET键。通过闭合电源开关接通电源后，目标板能够自动引导系统运行。在目标板加电状态，按下RESET键，会重新引导系统。, 与主机连接的端口和电缆 目标板通常通过以太网端口、JTAG端口、串行端口及相应电缆，连接到主机对应的端口。 串行端口常常被称为串行口、串口、COM口、RS-232或RS-232C；也有称之为UART（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter，通用异步收发器）的。 主机上通常有2个或4个串行端口，排序从COM1、COM2往后排，其中COM1是第一个端口。目标板通常有2个串行端口，有些目标板排序是从0开始往后排，如RS-232-0、RS-232-1，或者UART0、UART1等，其中RS-232-0或者UART0是第一个端口。,使用串口电缆连接主机、目标板的串行端口时，一定要在两端机器都关机（断电）的状态下连接，不允许带电插拔串口插头。,另外对于目标板的装载引导程序和Linux内核，在厂商那里通常已经将第一个串口设置为默认使用的端口，所以串口电缆应与目标板的第一个串口连接。虽然主机可以在仿真终端程序中设定使用任意一个串行端口与目标板连接，但是通常使用第一个串行端口。,使用串行端口通信，双方要事先约定好通信协议中的一些参数，如每秒传输多少bit、选择一帧中数据位是5/6/7/8bit中的哪一种、奇偶校验位的使用等等。这些参数目标板出厂前在装载引导程序和内核中已经进行了设置，因此要根据厂商提供的资料中的参数，在主机支持串口的终端仿真程序中进行相应的设置。例如对Windows支持的超级终端程序、Linux支持的仿真终端程序minicom，第一次使用这些程序时应该进行相应设置，设置方法后文另述。, 确认目标板安装的操作系统 常见的目标板通常能够支持Linux、Windows CE、C/OS等多种操作系统。不同的操作系统启动、运行和软件开发的方法也不相同。买来的新目标板出厂时已经在闪存预装了操作系统等软件，要确认安装的是否为Linux。如果不是，用户要自己烧写相应的程序。 如果目标板别人已经用过了，一个新的用户使用前，也要确认此前是否使用的是Linux，如果不是，也要烧写相应的程序才能使用。,2.3.2 目标板引导过程简述 如果目标板安装的是Linux系统，它的闪存中通常保存了装载引导程序（bootloader）、Linux内核、Linux根文件系统和应用程序。其中内核、根文件系统和应用程序一起被称为嵌入式Linux发行版，它是由生产目标板的公司针对具体目标板进行开发并发布的，这些文件在随机附带的光盘中能够找到。最常用的装载引导程序有vivi和u-boot，它们的功能基本相同，附带的光盘中也有相应的文件。,加电或RESET后，目标板有两种运行方式可以选择。一种是只运行装载引导程序，另一种是由先运行的装载引导程序装入并运行Linux。,加电或RESET后，首先运行的是装载引导程序，它的功能简单地说，主要有： 测试微处理器内部的功能单元； 测试目标板上的接口及设备； 提供与用户交互的界面； 为装入内核做相应的硬、软件准备或初始化工作； 询问用户，是否装入Linux内核，用户可选择只运行装载引导程序，或装入内核。,装载引导程序需要一个终端与用户交互，通常它定义了目标板的第一个串口，作为与终端连接的端口，这个端口通过电缆连接到主机（PC机或笔记本电脑）。主机如果运行的是Windows操作系统，应该启动并配置一个叫做超级终端的程序，之后目标板装载引导程序的输出就显示在主机的超级终端窗口；通过主机的键盘，也可以给目标板的装载引导程序发送命令和参数。,如果主机中运行的是Linux，那么要在Linux虚拟终端窗口，输入minicom命令，启动一个叫做仿真终端的程序，并对其配置，之后这个原来是主机Linux的虚拟终端窗口，变成了目标板装载引导程序的仿真终端窗口。主机的键盘，当做仿真终端的键盘。 目标板运行装载引导程序使用的终端（也称控制台）举例，见图2.6。,图2.6 目标板运行装载引导程序使用的终端举例,目标板上运行的装载引导程序，在其运行的后一阶段，会在终端窗口提示用户，如果按下回车键，则继续引导Linux内核；按下其他键，则只运行装载引导程序，例如vivi装载引导程序在终端提示用户（略）。,如果用户没有在终端键盘按下任何键，通常等待若干秒，比如30秒，装载引导程序会自动引导Linux内核。等待多少秒这个参数，在装载引导程序内部可以设置。,装入内核过程中，不同设备、不同Linux版本在终端显示的内容不一样，可能显示如下信息： Copy linux kernel from 0x00030000 to 0x30008000, size = 0x00100000 . done zImage magic = 0x016f2818 Setup linux parameters at 0x30000100 linux command line is: “noinitrd root=/dev/bon/3 init=/linuxrc console=ttyS0“ MACH_TYPE = 193 NOW, Booting Linux Uncompressing Linuxdone, booting.,2.4.18-rmk7-pxa1 (rootBC) (gcc version 2.95.2 20000516 (release) R) #7 CPU: ARM/CIRRUS Arm920Tsid(wb) revision 0 Machine: Samsung-SMDK2410 BusyBox v1.00 (2005.01.20-11:59+0000) Built-in shell (ash) Enter help for a list of built-in commands. runing /etc/profile ok /mnt/yaffs,其中命令行提示符是可以通过程序设置的，本例中是/mnt/yaffs，表示目标板已经装入并运行的是Linux。,2.3.3 主机Windows下的超级终端 目标板运行的装载引导程序或Linux，一般指定了与目标板第一个串口连接的设备，作为它的终端设备。通常主机通过串口与目标板连接，如果主机运行的是Windows操作系统，那么需要启动一个叫做超级终端（hyperterminal）的程序，由这个程序建立一个带有名字的、设置了通信参数的超级终端实例程序，以下简称实例程序。这个实例程序只在第一次使用前建立，以后可以直接使用。,通过超级终端程序建立一个实例程序的过程如下： 在Windows XP桌面，选择：开始所有程序附件通讯超级终端，则： 如果是首次建立实例程序，会出现图2.7(a)对话框，点击会出现符号，选择否，然后出现图2.7(b) 对话框。 如果不是首次建立实例程序，则直接出现图2.7(b) 对话框。,图2.7 为实例程序命名(a),图2.7 为实例程序命名(b),在图2.7(b) 对话框的名称栏中，输入实例程序的名字，例如ARM9NEW2，然后单击确定按钮。之后在出现的图2.8所示的对话框中，选择COM1，单击确定按钮。,图2.8 对话框中选择COM1,随后在图2.9所示的对话框中，分别选择115200、8、无、1和无，单击确定按钮，出现如图2.10所示的窗口。,图2.9 COM1端口属性设置,在图2.10所示的窗口，点击文件下拉菜单，选择保存，则实例运行程序以用户在图2.7(b)中给出的名字保存。,图2.10 超级终端运行实例窗口,这时如果目标板和PC机串口是连接的，目标板加电或按下RESET键，目标板输出信息通过串口，显示在实例程序打开的窗口，如图2.11所示。,图2.11 超级终端实例程序窗口显示,以后再使用超级终端时，只要启动实例程序就可以了。通过：开始所有程序附件通讯超级终端实例程序名，去启动。,2.3.4 主机Linux下的minicom仿真终端 主机Linux环境最常用的一个仿真终端程序是minicom，用途与Windows下超级终端实例程序一样。在第一次使用minicom时，也应该进行设置，再次使用就不需要设置了，设置过程如下： 在Linux图形桌面环境，打开一个终端，在终端窗口输入minicom，回车，显示的内容如图2.12所示。 （也可以输入minicom -s）,图2.12 minicom仿真终端设置窗口,之后用户在键盘先按下Ctrl和A键，松开后再按下Z键，进入主配置界面，如图2.13所示。,图2.13 仿真终端串口设置的参数,然后按O键，进入配置界面，如图2.14所示。,图2.14 minicom配置界面,然后由光标上、下移动键，选择Serial port setup，进入串行端口设置界面，如图2.15所示。,图2.15 串行端口设置界面,如图2.15，按下A键，设置Serial Device为/dev/ttyS0，然后分别按下B、E、F键，设置如图2.15中所示的参数。之后按ESC键，退到图2.14所示界面，选择Save setup as df1保存退出，以后只要在Linux终端窗口输入minicom命令，启动的minicom仿真终端程序，使用的就是图2.15中对应参数的配置了。 再次使用minicom仿真终端时，只要在主机Linux图形桌面环境下，打开一个终端，输入minicom就可以了。主机上minicom对应的窗口与键盘，是作为目标板的终端来使用的。如果要对主机运行的Linux操作，需要另外打开一个终端，进行操作，如图2.1