（控制理论与控制工程专业论文）基于linux的嵌入式监控系统软件平台研究与设计.pdf

硕士论文墓于linux 的嵌入式监控系统软件平台研究与设计 a 】 o ng初ththe rapidd e v e fo p m e n t ofco m p u t e r and conunwnc ations te c hool o gy， the 而c r o m l hi 的川乙 双 l on 助dspec iali zat i on ofc o m p u t e r syst e mb as b eco me anewt r e n d . a m o n g 几embe d d ed sys t e m s t e c hoo 1 0 gy ast h es u p p ort of面s t r e n d ， its p r o ducth a s i n 6 l t r at e d in t o tha soc i ail ife atall 1 e v e i s ， 即d p l ays ani m p o 到 刁 n t ro leint b e l 刘 fo rmation p r 0 c e s s mg h面s p a p 二 ， 也 。 con t e n t comes fi mthe a c to a l d eve fo p m ent p r oj e 饯 w h i chm ake s 由e b ui l d i n go f a s u pervl s o rys y st em 眠 dinel e c t ri c aie q u i p m e n t ast h e b a c k g r o und . a s p e c i 五 c st u d yoft 址 e mb e d d e dsys t e mtechno l o gy w a t ake ni nt h e t r a d i t i o n alfi e lds o f s u p e rv l s o rys y st em. t h e m a in con t e n t c anb e d ivided in t o th e fo 1 fo w l n g t hr e e p 翻 rt s : 丁 七 e fi r s t p art isth e re s e ar c hon th e e m bed d ed s u pervl s o rysyst em b aseda p p li c ation pl a d b n 力 . usin gthe l at e stl i n u x2. 6k e m e l ， 而ss u bj e ctb u i itaso u n dpl a t fo n nfor e m b ed山ds y s t e mon t h ee p 9 3 1 5b ar d ， 花 甘 ep l a l fo rm. 玩山 ep ro c e s s o f th eb u i l d in g ， 坛 劝 s fo n 刀 at 1 ont 0 w ar d s t h e g eneric k e m elwas s to d i e d i n t e gr a t e d t h e spe ci fi c app li c a t i 0 n t b e 卿。 n d p artisth e d e velopm ent o f the gr a p h l cal in l e ri 兔 c e s y s t e m . frie n d ly i n 把 ri 兔 c e i s a greatm e as 峨 o f th e e 伍 c i e n c y o f eznb e d d eds y st e m . b y t r ansp l a n t in g the 丘 翻e w o rkb ase don q 泥m b edd ed toth es u p ervi s o ry s y s t e m ， 面s p roje ctc o n s t ru c tsa 阳 t l s 勿 i n g gr a p hi c aiu s e r i nteri 触 c e ( g u i ) sys t e musi n g qt， ano bj e c t -o d e n t e d l angua g e . t 七 e 面rdp artc o nce ms t h e s u perv i s o rysyst e mo f the e l e c tric ale q u 1 p m e nt . f r o mthe s y st e mworkn ow and t h e d a t a 且 。 w，a s u p e rv i s o rysys t e mb asedo n th e mo dular s truc to r e was c 。 拙 。 ” c t e d and p r o g r 别 比 比 口 ln g us1 n g qtove r a 1 1 ass ux e d t h e e x t e n s i b il i tyo f th e syst em. on the b as iso f dst a i 1 edana 1 y si s ofe m b edded l i nux and e m b e d d e d g u 1 s y s t e m ， 面5 p ape r di s cuss edthe fe as i b il ity and s u p erio ri tyo f a p p 】 y i n g bot h o f th e mtothe s u perv j s o ry sys t e m . d epe n d in gon t h efa c to ft h es y s t e m ， 出 es pec i fi cc o ni e ni a n dm e t h od for con s t 代 t 1 n g th e e m bed d e d l in u x p 1 a t fo rmand the s u p ervis o rysy s t e mw a s e s o lb li sh ed . inthe s u perv l s o rys y s t e ln， the in t ro ductio no f e m be d d e dl in ux o per a t i n gs y st e m r 曰u c ed俪 di ffic ul i tyi nd e v e l 叩加 9阳de 曲即c e d th e s y s t e m .s s ta b i l i ty ; t 五 e modular 就 川 c 加 正 g 0 ts y s t e m t h eb e tt e rvers ati1 ity andc o mpatib i 】 ity; 仕 e at g u isl ip port s tr e n gt h e 刀 e d the ope r a b i h tyo f the sy s t e m k e y w6 rds :e m b e dde d l i n u x s y st em，s upe rv i s o 汀 s y stem ，g ui， 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生 签 名: 王 明 冲7 年 7月 功日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:， 问年 7月 阳日 硕士论文基于linux 的嵌入式监控系统软件平台研究与设计 1 绪 论 l l课题背景 随 着科学技术的快速发展及工业技术的日 益成熟， 计算机系统的专业化和微型化 已成大势所趋，这一趋势的最终归结点将是对嵌入式系统的极大需求.进入上世纪 90 年代以来，以计算机和软件为核心的数字化技术取得了迅猛的发展，这一技术不 仅广泛渗透到社会、经济、军事、交通、通信等相关行业，而且深入到家电、娱乐、 艺术、社会文化等各个领域，掀起了一场数字化技术革命。多媒体与i n t e m e t 的迅速 普及，消费电子、计算机、通信 (3c )一体化趋势日趋明朗，使嵌入式技术再度成 为 当 前 研 究 热 点 11 . l l i嵌入式系统的应用现状 嵌入式系统具有软件代码少、 高度自 动化、 低成本、 低耗费、 轻型、高可靠性及 可配置性等优点， 能很好地完成实时 和多任务的系统需求。 据统计131 ， 每年世界上生 产的计算机芯片中只有10 一 2 0 % 是为台式或便携式通用计算机设计的， 这也意味着每 年为嵌入式系统设计制造的计算机芯片达数十亿之多， 此外每年还有1 万多个新的嵌 入式系统计划产生， 越来越多复杂的系统将要引入嵌入式操作系统。 显然， 嵌入式系 统已成为计算机应用领域一个很重要的组成部分。 目 前嵌入式系统技术主要有以 下四 个应用领域12 : 1) 消费类电子产品 消费类电子产品是指能够提供信息服务， 或通过网络系统交互信息， 同时又简单 易用、价格低廉、维护方便的一些电子设备。 后 p c时代，家用电器将向 数字化和网 络化发展，电视机、微波炉、电话等都 将嵌入计算机，并通过家庭控制中心与 b 忱 m e t 连接，转变为智能网络家电。届时， 人们用手机就可以 远程控制家里的电 器， 还可以实现远程医疗， 远程教育等。 嵌入式 系统为信息家电( 数字机顶盒、网络冰箱、 家庭网关等) 的实现提供了 技术上的保障 和广阔的市场前景。 2 ) 移动计算设备 包括手机、 p d a 、 掌上电脑等各种移动设备。 中国拥有最大的手机用户群， 而掌 上电脑 ( 或 p d a )由于易于使用、 携带方便、 价格便宜，未来几年也将在我国得到 快速应用。 从市场反映来看， p d a与inte m e t 己 呈现融合趋势， 用掌上电脑( 或 p d a) 上网，人们可以随时随地获取信息。 3)工业仿真 绪论硕士论文 在工控和仿真领域， 嵌入式设备能够充分满足工控对系统整体稳定、 高效以 及实 时性的需求， 因此早已 得到广泛应用。 我国的工业生产需要完成智能化、 数字化改造， 智能控制设备、 智能仪表、自 动控制等为嵌入式系统提供了 很大的市场。 嵌入式设备 进入传统工业行业，对传统企业的信息化改造有着非常重要的意义。 4 )网络设备 随着inte n l e t 的快速发展，设计和制造嵌入式瘦服务器、嵌入式网 关和嵌入式路 由器己 成为嵌入式hite m et时代的核心技术。 基于l l n u x 等的网 络设备提供了 更好的 网络解决方案，网络设备领域己成为嵌入式应用新的发展方向。 据调查显示【121 ，目 前嵌入式开发系统 涉及到的 领域中， p d a占 到了3 0%， 手机 占 到了18 % ， 信息家电21%， 工业控制5 % ， 服务行业2 % ， 交通系统2 %， 其他22%。 l l z嵌入式系统的应用趋势 从20世纪80年代初到90年代初的10年里， 微电 子领域的很多研究工作都集中 到了数字系统速度的提高上， 目 前此领域技术所拥有的计算能力使实现强大的个人工 作站、 复杂实时语音和图像识别的多媒体计算机成为可能。 强大的计算能力对普通民 众来说己是触手可及，不像早些年代那样只为特殊群体服务。 以 信息家电为代表的互联网时代嵌入式产品， 不仅为嵌入式市场展现了 美好的前 景， 注入了新的生命; 同时也对嵌入式系统技术， 特别是软件技术提出新的挑战， 这 主要包括日 趋增长的功能要求、 灵活的网络联接、 轻便的移动应用和多媒体的信息处 理等。总体来看，嵌入式技术的应用目 前有以下趋势: 1) 嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持: 2) 联网成为必然趋势: 3 ) 支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本; 4 ) 提供精巧的多媒体人机界面。 后 p c时代，嵌入式系统将拥有最大的市场。 我国的市场也将为嵌入式系统的 发展铺平道路。 国内目 前有规模难以 估量的手机通讯市场及迅速发展的汽车市场， 它 们都是潜在的嵌入式系统应用平台。 面对如此之大的电子产品市场和潜在的 用户群， 嵌入式系统面临的将是前景光明的春天。 目 前， 嵌入式计算机在应用数量上已 远远超过了各种通用计算机， 甚至在一台通 用计算机的 外部设备中就包含了 5 一 1 0 个嵌入式微处理器。制造工业、过程控制、网 络通讯、 仪器仪表、 汽车船舶、 航空航天、 军事装备、 消费类产品等几乎所有方面均 已是嵌入式计算机的应用领域。 嵌入式系统工业是专用的计算机工业， 其目 的 就是 把 通用计算机发展成为功能计算机， 把一切变得更简单、更方便、 更普遍、 更适用，使 更专业化的 计算机系统大量进入社会。 从这个角度讲， 嵌入式微处理器可以 称为是构 硕士论文基于linux 的嵌入式监控系统软件平台研究与设计 成未来数字化时代的 基石。 我国 资深嵌入式系统专家一沈绪榜院士曾 预言13) :“ 未来 十年将会产生针头大小、具有超过一亿次运算能力的嵌入式智能芯片”， 这将为我们 提供极大的创造空间。总之 “ 嵌入式微控制器或者说单片机好像是一个黑洞， 会把当 今很多技术和成果吸引进来。中国 应当注意发展这一智力密集型产业”。 l i j用户接口的发展历程 用户接口 是联系计算机系统与用户的桥梁和纽带， 早期的 计算机是通过面板上的 指 示 灯 来显示二 进制 数据 和 指 令 141 ， 人们则通过面板 上的 开 关 、 扳键 及穿 孔纸带 输入 各种数 据和指令。 50年代中 、 后 期， 又产生了繁琐的 作业控制 语言 (j c l) 及控制台打 字机等，使计算机批处理成为可能，从而提高了计算机的使用效率。 19 63年， 美国麻省理工学院开发出第一个分时系统c t ss， 多用户分时终端成为 70年代乃至80年代用户界面的主流。 80年代后， 图形技术有了迅速的发展， 新的图 形技术的出现将传统用户界面推向了图形用户界面的新阶段。 此阶段的用户界面己经 由 菜单窗口 和对话框等元素构成， 它为用户提供了一个与系统进行交互的环境， 提高 了软件的使用效率， 使用户可以以 简单自 然的方式与软件系统交流信息， 尽可能地减 少用户需要记忆的信息。 图 形用户界面的普及和流行， 被认为是八十年代计算机领域 最伟大的成就。 随之而来的用户界面管理系统和智能界面的研究均推动了用户界面的 发展， 用户接口已 经从过去的人去适应笨拙的计算机， 发展到今天的计算机不断地适 应人的需求。 用户接口的重要性在于它极大地影响了最终用户的使用， 影响到计算机的推广应 用， 甚至影响到人们的工作和生活。当前， 玩 t e m ct 的发展异常迅猛， 虚拟现实、 科学 计算可视化及多媒体技术等对用户界面提出了更高的要求。 i j课题意义 综上所述， 嵌入式系统在各个领域均已 得到了 广阔和深入的 应用， 应用的场合也 日 趋复杂。 尤其在工业生产中的远程监控领域， 如果还依赖于传统的嵌入式控制器来 实现对设备的监控，将不能满足市场的最新需求，这样的产品也将很快被市场淘汰。 所以 我们考虑在本课题的嵌入式监控系统中引入嵌入式操作系统， 虽然这将增大整个 系统的规模，但其应用前景仍会得到极大的拓展。 嵌入式操作系统作为嵌入式系统中的核心， 是系统功能的内 在体现， 它控制着整 个系统的所有资源， 并构成应用程序开发的基础， 因此在嵌入式系统中嵌入式操作系 统占有重要的地位。 在当前市场上众多的嵌入式操作系统中，嵌入式 l l n ux 以 其自 身的特点受到用 户的广泛青睐。嵌入式 l in u x有着作为嵌入式操作系统所需要的很多特色:开放源 代码、适用于多种 c p u及多种硬件平台、性能稳定、裁剪性好、开发与伸用都较为 绪论 硕士论文 简便。因此，在本嵌入式监控系统的实现中我们选择 l in u x操作系统作为嵌入式操 作系统。 本课题实现的嵌入式 li nux监控系统不仅可以 用作电力系统的嵌入式控制器， 还可以用于其它类型设备的监控。 事实上， 本系统模块化的架构充分满足了 通用性的 要求，所构建的监控系统稍加改造即可成为一个通用的嵌入式系统开发平台。此外， 在嵌入式 l i n u x移植过程中运用的方法和一些关键问 题，对其他类型平台上的嵌入 式 li nux的移植也具有借鉴意义。 l 3本课题完成的工作 本课题的目 标是构建一个嵌入式的监控系统， 实现对远程电力设备的监控。 本人 在课题中主要负责在基于e p 9 3 15的目 标板上构建嵌入式监控系统，并根据应用要求 对嵌入式lin u x 进行了改造。所完成的工作主要有: 1) 监控应用软件系统的分析和设计; 2) 嵌入式开发环境的配置 ( 交叉编译、n f s 等) ; 3) 使用u 一 b oot 配置嵌入式系统的b 。 。 t l o ader; 4) 嵌入式linux 系统内核的剪裁、修改和编译，改变了l mux系统的启动方式: 5) 配置和构建了c r a m fs格式的根文件系统 ( roo tf s ) ; ; 6) 移植q 灯 e m b e d d e d 到嵌入式l mux系统平台。 l 4论文章节安排 第 1 章:绪论，首先介绍本嵌入式系统的开发背景和意义，本课题所作的工作， 以及论文的各章节安排等; 第2 章: 嵌入式系统概述， 重点介绍了嵌入式系统的体系结构及其一般的开发流 程， 并对嵌入式l mux系统进行了详细的阐述; 最后分析了嵌入式系统平台上的用户 接口，对目 前主流的图形用户界面进行了比 较; 第3 章: 全面描述监控系统应用软件的开发工作， 从系统的硬件架构和软件架构 入手，重点分析了 应用程序的工作流、数据流、操作过程等: 第4 章:详解在e p 9 3 巧平台上为应用程序构建嵌入式li nux 系统的过程，指出 了其中的难点及关键之处。 具体内容包括构建交叉编译环境、 建立b oot l 0 a d e r 、 编译 内核、构建根文件系统、配置图形用户界面系统等; 第5 章: 系统分析了 嵌入式l mux系统的内核、 应用程序的调试方法和过程， 并 给出本系统主要的调试结果; 第6 章:总结和展望。 硕士论文荃于linux的嵌入式监控系统软件平台研究与设计 2 嵌入式系统概述 对于嵌入式 系统， 电 气工程师协会征e e ) 的 权威定义为: 嵌入式系统是用来控制 或者监视机器、 装置、 工厂等大规模系统的 设备( d evice s us e d toc o n tr o l ， moni t o r， or as s i stthe o perati o n o f e q u l p m e n t ， m a c h in e ryo r p l ants ) 。 此外， 对嵌入 式系统 业内 还有如下定义 20: “ 以 应 用为中 心，以 计算机技术为基 础， 软硬件可裁剪， 适用于应用系统对功能、 可靠性、 成本、 体积、 功耗有严格要求 的专用计算机系统气 2. 1嵌入式系统体系结构 一般而言， 一个完整的嵌入式系统由四部分组成: 嵌入式微处理器、 嵌入式外围 设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件。 应 用 程 序 ，一 应用程序2应用程序3 0 号进程 嵌入式操作系统内核 一一一门 ( 人 物 调 度 、 进 程 管 理 b 。 序 定 时 器 中 断 、 内 “ 管 理 硬件 驱动 网络 协议 栈 文件 系统 b 加t 程序 图2. 1嵌入式系统结构图 2. l i微处理器的发展状况及其分类 自顶 t e l 在1 9 71年推出了 第一款微处理器b t e 1 4004以来，各厂家陆续推出了 许 多8 位、16位乃至32位的 微处理器。 20世纪80年代，微电子技术工艺水平的 提高 使得嵌入式应用中所需要的微处理器和一些外围设备可以集成到一块芯片上， 从而制 造出面向 f o设计的微控制器，也就是俗称的单片机。其后， d s p的出现进一步提 升了嵌入式计算机系统的技术水平。 进入 20 世纪 90 年代后， 在分布控制、 柔性制 造、 数字化通信和信息家电等巨大需求的带动下， 嵌入式微处理器得到了进一步的加 速发展。目 前嵌入式微处理器除了部分为32位处理器外， 大量存在的是8 位和16位 的嵌入式微控制器伽c u ) 。 嵌入式系统作为计算机应用的另一种形态， 它与通用计算机应用的不同 在于: 嵌 入式计算机是以 嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、 产品和系统之中的一种软硬件高 嵌入式系统概述 硕士论文 度专业化的 特定计算机系统。 按照当前处理器性能及功能 应用领域的不同， 可以 将嵌 入式处 理 器分为以 下 几类 120: 1)嵌入式微处理 器(e m be d d e d m i cr o proce ss ori j h i t ， e 卜 l p u) 2)嵌 入式 微控制 器 ( microc o n t 印 ! i eru n i t ， m c u) 3 ) 嵌 入式d s p处理器 ( e m b e d d edd i g it 滋5 1 9 力 a l p ro 馏s or， eds p) 4 ) 嵌 入式 片上系统 ( 5 邓 t e mo n c hi p ， s o c) 其中s o c是追求产品 系统最大包容的集成器件，它最大的 特定是实现了软硬件 的无缝结合，可以 直接在芯片内 嵌入操作系统的代码模块。s o c可以 使用v h d l 等 硬件描述语言进行系统设计， 不像传统的硬件系统设计那样要先绘制庞大、 繁杂的电 路板， 然后再一点点焊接。 而是使用精确的编程语言， 综合时序设计， 直接在器件库 中调用各种通用处理器的标准， 然后通过仿真就可以 直接交付芯片厂商进行生产。 2. l 2外围设备 在嵌入式硬件系统中，除了中心控制部件 ( m c u 、 d s p 、e m p u 、s o c )以 外， 用于完成存储、 通信、 调试、 显示等辅助功能的其它部件都可以 算作嵌入式外围设备。 目前， 常用的嵌入式外围设备按功能可以分为存储设备、 通信设备、 显示设备等三类。 存储设备主要用于存储各类数据，常用的有静态易失型存储器 ( r a m、s r a m) 、动 态存储器 ( d r a m) 和非易失型存储器 ( r o m、 e p r o m、 e e p r o m、 f l a s h ) 三种， 其中f las h凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格低廉等优点， 在 嵌入式领域内 得到了广泛的应用。 目 前存在的大多数通信设备都可直接在嵌入式系统 中 应用，包括rs一2 3 2( 串口) 、 rs一 4 8 5( c a n口) 、 孙一 4 5( 网口) 、u s b( 通用 串行总线接口)等。由于嵌入式应用场合的特殊性， 通常使用液晶显示屏 ( l c d) 、 触摸板 肠u c h p ane d等外围u o设备。 2 . 1 3嵌 入式操作系统 ( e m b o d d o d o p e r a “ . g s yst. . ， e o s ) 嵌入式系统的覆盖面很广， 从很简单的到复杂度很高的系统都有， 这主要是由具 体的应用需求决定的。 简单的嵌入式系统要处理的任务一般比较单一， 开发人员在应 用程序开发中自己即可管理微处理器的工作流程， 很少需要用到嵌入式操作系统。 但 是， 当系统变得复杂时， 对系统中断的处理以及多个功能模块之间的协调如果仍由 开 发人员自己 来控制和解决， 其结果将是随着程序内 部逻辑关系的 复杂化， 程序开发人 员对多种功能模块的驾驭将逐渐无能为力。为了保证中断相关处理的正确性和完整 性， 及不同 模块之间对硬件资 源的 共享和互斥， 就需要使用一 个操作系统来提供支持， 否则应用软件就会变得过于复杂，使开发和维护难度过大。 与p c操作系统类似， 嵌入式操作系统也可以分为如下几个最基本的部分: 与硬 件相关的底层接口、 操作系统核心、 用户界面、 通信协议以及应用软件。 当然， 对具 6 硕士论文基于l i nux 的嵌入式监控系统软件平台研究与设计 体的某个嵌入式系统而言， 这些部分并不都是必须的， 通常还需要根据具体的应用需 求进行裁减。 e o s是相对于通用操作系统而言的，它除具备了一般操作系统最基本 的功能 外， 还有以 下 特点124: 可装卸性: e o s 具有开放性、可伸缩性的体系结构: 强实时性:实时性一般较强，可用于各种设备控制中; 统一的接口:以统一的方式提供各种设备驱动接口; 操作方便、简单、提供友好的用户接口，追求易学易用; 提供强大的网络功能，支持t c p 月 p及其它多种协议; 强稳定性，弱交互性:嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多地千预， 这就需要负责系统管理的e o s 具有较强的稳定性: 固化代码:在嵌入式系统中， 嵌入式操作系统和应用软件被固 化在嵌入式系 统计算机的r o m中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因 此， 嵌入式操作 系统的文件管理功能应该能够很容易地拆卸，从而可以使用多种文件系统; 更好的硬件适应性，也即良 好的可移植性。 到目 前为止， 国际上已经出现的嵌入式操作系统达上百种之多， 从市场占 有率来 看，目 前常用的 嵌入式操作系统有以 下几种1 5= 1) 嵌入式l in u x 嵌入式l in u x 是近年来国际市场上的一个开发热点，由于l in ux 开放源代码，且 是真正的32位操作系统， 再加上其核心较小等优点， 正逐渐成为嵌入式开发的首选， 也是各家嵌入式厂商极力发展的对象。 目 前应用在嵌入式领域的l l n ux系统主要有两 类:一类是专为嵌入式设计的已 被裁减过的 l l n ux 系统， 最常用的是 ucli nux ( 不带 m m u功能 ) ，目 前占 较大市场份额; 另一 类是应用在a r m g 上， 将l in ux 的内 核移 植在其上， 可使用更多的l 妙功能。目 前正在开发的嵌入式系统中， 超过5 0 %的项 目 选择li nux 作为嵌入式操作系统， l inl 欧己 成为嵌入式操作系统的最理想选择之一。 但l in u x 系统也存在着一般开发人员不太熟悉， 开发难度较大的缺点， 本文将在后篇 对嵌入式l i n u x 进行详细介绍。 2 )p a l m0 s p a l mo s 是由3 c o m公司的p a l mc o m p u t in g 部开发的32位的 开 放 式 嵌 入式 操作 系统， 任何人都可以自 行开发基于此操作系统之上的应用软件。 现在p a 】 mo s 上的应 用软件已 超过五千多种。同时此系统还获得了3 c o m、ibm和s o n y等跨国公司的 支持，拥有全球p d a产品70%的市场占有率。 3 )vx m 七r k s v x w 匕 rks 是v 西 n d 死ver 公司专门为实时嵌入式系统设计的操作系统， 也是目 前最 稳定和实时性最好的嵌入式操作系统之一。 它为程序员提供高效的实时 任务调度、 中 嵌入式系统概述硕士论文 断管理、实时的系统资源管理和任务间通信。但 vx从 b rks 的价格很高， 所以一般应 用中很少采用这种操作系统。 4 )wi n c e win d o w s c e 是微软公司的产品， 它是从整体上为有限资源的 平台 设计的多 线程、 完整优先权、 多任务的操作系统。 它的模块化设计允许为从掌上电脑到专用的工业控 制器的大多 数电子设备进行定制。 但其对硬件要求较高、 资源消耗大、 速度慢， 并且 价格过高， 增加了产品成本。 5 )q n x 也是一款实时操作系统，由 加拿大q n x软件系统有限公司开发。 广泛应用于自 动化、控制、 机器人科学、电信、航空航天等领域. q n x有非常好的伸缩性，用户 可以把应用程 序代码和q n x内 核直接编译在一起， 生成单一的多线程映像， 使之成 为一个简单的 嵌入式应用。 q n x也是第一个遵循p o s ix1003标准， 从零设计的微系 统内核，因此具有非常好的可移植性。 在一个完整的嵌入式系统中，嵌入式操作系统介于底层硬件和上层应用程序之 间， 是整个系统中 最重要组成部分。 总体来说采用嵌入式操作系统的原因是: 解决多 任务所带来的 复杂性， 提高应用程序的可移植性，降低系统开发和维护成本。 2. l 4应用软件 嵌入式应用软件是针对特定的应用领域， 基于固定的硬件平台， 用来达到 用户预 期目 标的计算机软件。 由于用户任务通常有时间 和精度上的要求， 因 此有些嵌入式应 用软件需要特定嵌入式操作系统的支持。 嵌入式应用软件和通用p c 机应用软件有一 定区别， 它不仅要求其准确性、 安全性和稳定性等方面能够满足实际应用的需求， 而 且还要尽可能 地进行优化，以减少对系统资源的消耗，降 低硬件成本。 2. 2嵌入式系统的开发过程 与通常的 工程设计相似， 嵌入式系统的开发可以 分成三个阶段: 分析、 设计和实 现12 刀 。 所谓的 需 求分析就是在分析阶段 完 成的， 这一阶段的 主要任务是 确定我 们所开 发的系统最终需要完成的工作目 标、 预期需要解决的问题及这些问题可能的解决途径 等; 设计阶段则主要解决如何在给定的约束条件下完成系统的工作任务， 确定整个系 统的实现方案: 最后的实现阶段就要根据前面的实现方案， 在系统给定的硬件和软件 平台上进行整个软、硬件系统的协调实现。 2. 2. 1硬件平台的 选择 1 ) 处理器的选择 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。 由 于嵌入式系统设计的差异 8 硕士论文塞于li训x的嵌入式监控系统软件平台研究与设计 性极大， 从而使用户的需求产生多样化， 这也导致了市场上有众多类型的微处理器存 在。目 前常见的的微处理器供应商中，以m o t o r o la 、 l 血1 、 a m d最为知名。此外还 有一些公司， 如a r m、 m i p s ， 只设计而不生产cpu ， 他们通过授予世界各地的半导 体制造商以生产权来发布其产品。其中，a r m是近年来在嵌入式系统领域深具影响 力的 微处理器开发商， 其设 计非常适用于小型的 嵌入式设 备网。 设计者在选择处理器时要考虑的主要因素有: 处理能力:一个处理器的运算速度取决于很多方面，如内部数据 c a c h e 、指 令c 朗 he，时钟频率等。 不过对于许多需要使用微处理器的嵌入式系统设计来说， 速 度最快的处理器未必是最好的选择， 通常情况下我们只需选取能够恰好完成任务的微 处理器和f o子系统即可; 外围配套硬件: 一些生产厂家为了增强嵌入式处理器的通用性， 有意识地减 少了集成到芯片中的外围设备数量， 尤其是一些使用较少的外围设备。 这种处理器的 架构相对简单，价格也更为低廉，可以有效降低系统的成本。但选用此种处理器时， 开发人员必须考虑系统所要求的一些硬件能否很方便地连接到处理器上。 还要考虑该 处理器的一些支持芯片， 如d ma控制器、内存管理器、中断控制器、串行设备和时 钟等的配套; 选择专用的集成化处理器: 嵌入式微处理器与通用的微处理器最大的不同就 是嵌入式微处理器多数工作在用户自己设计的系统中。 为了满足日 益高速增长的各类 嵌入式系统设计的需求， c p u厂商设计了许多兼有 1 6/32 位微处理器并集成了许多外 围功能的c p u; 功耗:嵌入式微处理器最大并且增长最快的市场是手持设备、电子记事本、 p d a 、 手机、 g p s 导航器、 智能家电等消费类电子产品， 这些产品中选购的微处理器， 典型的特点是要求高性能、低功耗; 软件支持工具: 仅有一个处理器， 没有较好的软件开发工具的支持也是不行 的，因此选择合适的软件开发工具对系统的实现会起到很好的作用: 是否内置调试工具: 处理器如果内置调试工具可以大大缩小调试周期， 降低 调试的难度。 对于嵌入式系统的开发者而言， 更多更好的嵌入式微处理器总是在不断出现。在 这种情况下，嵌入式处理器的选择就不能是一成不变的， 要综合考虑系统的性能、功 耗、 价格、 供货保证、 开发工具的配备以及开发人员过去对这种处理器的经验和软件 的支持等因素，才能决定在系统中使用哪一款处理器。伴随着技术的发展，性能强、 价格低、配套完善的处理器永远是系统最好的选择。 嵌入式系统概述硕士论文 2 )硬件部件选择的要素 生产规模:如果生产规模比较大，可以自己 设计和制备硬件，这样可以降 低成本。反之，最好从第三方购买主板和f o板卡; 开发的市场目 标:如果想使产品尽快发售，以 获得竞争力，此时要尽可能 购买成熟的硬件产品;反之，可以自己设计硬件，降低成本; 软件对硬件的依赖性:软件是否可以在硬件没有到位的时候并行设计或先 行开发: 尽可能选用普通的硬件:在 cpu及架构的 选择上，一个原则是:只要有 可替代的方案，尽量不要选择l i n u x 尚不支持的硬件平台。 2 :2软件平台的选择 嵌入式软件的开发流程主要涉及到代码编程、 交叉编译、 交叉连接、 下载到目 标 板和调试等儿个步骤， 因此软件平台的选择也主要根据这些方面做出。 软件平台的选 择多考虑嵌入式操作系统、 编程语言、集成开发环境、软件组件等方面。 1) 嵌入式操作系统 ( e o s )的选择 前面已 经介绍过， 硬件平台会影响到嵌入式操作系统的选择。 硬件设计方案一旦 确定之后， 操作系统的选择就需根据此设计方案做出。 当然， 嵌入式操作系统的选择 也不是一件简单的事情。 对特定的应用而言， 选择的关键是寻找一个最适合所开发系 统的操作系统，通常我们可以从以下几个方面进行考虑: 操作系统提供的开发工具: 有些实时操作系统 叮0 5) 只支持该系统供应商的 开发工具， 因此还必须向 操作系统供应商获取编译器、 调试器等; 而有些操作系统使 用广泛，且有第三方工具可用，从而选择的余地就比较大; 操作系统向 硬件平台 移植的 难度: 操作系统到硬件平台的移植是一个重要的 问题，是关系到整个工程能否顺利完成的一个关键因素。因 此， 要选择那些可移植化 程度高的 操作系统， 从而避免操作系统难以向 硬件移植而带来的 种种困 难， 加速系统 的开发工作: 操作系统的可配置性: 尽量选择具有很高可配置性的操作系统， 如嵌入式 li nux 等， 从而可根据具体任务的 要求，配置出既满足系统应用，又能充分发挥系统 硬件平台性能的e o s 。 操作系统的内 存要求: 均衡考虑是否需要额外花钱去购买r a m或e e p r o m 来满足操作系 统对大内 存的要求: 开发 人员 对操作系 统及其 提供的 应用程序接口 ( 好d 的 熟悉 程度; 2 ) 集成开发环境的 选择 目 前，能够应用于嵌入式系统开发的集成开发环境o n t e g r a t e dd e ve l o p m e ni 硕士论文基于linux 的嵌入式监控系统软件平台 研究与设计 e n v ir o . m e n t ， ide) 有很多 种， 如c y g w m 、 k d e v e 1 o p 等。 总体而言， ide 的选择应考 虑以下因素: 集成开发环境的方便程度，系统开发人员对集成开发环境是否熟悉; 系统调试器的功能:提供系统调试特别是远程调试是i d e一个重要的功能; 服务: 集成开发环境是否有发行者或某一组织提供持续的维护和升级， 是否 有获取充分资料的渠道; 支持库函数: 许多开发系统提供大量使用的 库函数和模板代码， 如大家比 较 熟悉的c + + 编译器就带有标准的模板库， 它提供了 一套用于定义各种有用的集装、 存 储、 搜寻、排序对象。 与选择硬件和操作系统的原则一样， 除非必要， 尽量采用标准 的 目 l bc; 2 3嵌入式linul 系统 在笔者的开发过程中， 根据嵌入式操作系统选择的原则， 选用嵌入式l i n u x 作为 系统的操作系统。 l in u x 诞生于 1 9 91 年的10 月5日( 第一次正式向外发布的时间)， 19%年6 月发布了2 .0版， 在长期的开发过程中， 大量的开发工作极大地扩充了内核 的基本功能， 增加了 设备支持， 最重要的是扩大了可以 使用的应用程序的范围。 事实 上， l i n u xz. o版内 核已 经可以支持几乎所有的 任务， 只是用户界面尚 有待改进。目 前，l in ux 已经很是稳定、成熟、实用和完善， 是世界上使用最多的一种u n i x类操 作系统。 通用的l inux系统经改造后运行于嵌入式硬件设备之上， 就成为嵌入式l l n u x 系统。 l in u x操作系统的诞生、发展和成长过程始终依赖着以下五个重要支柱1 5 月 : u n仄操作系统、 minix 操作系统、g n u计划、p o s 仄 标准和i n t e rn e t 网络。 l mux内核开发的速度相当快，以几乎每月一次的速度进行内核的升级。截至写 稿时，内 核的最新稳定版本是 2 .6.21. 1 。 l i n u x本身的 种种特性使其成为嵌入式开发 的首选。 据业内 人士预测， 在未来的几年里， 基于l i n u x 的软件市场将以不低于40% 的速度增长。 l i n u x 发展如此之快的主要原因 是产品的 成本控制。在激烈的市场竞争 中， 只拥有先进的 技术远远不够， 如何减少产品的投入也是需要重点考虑的问题。 免 费的l u q u x 无疑为厂商节省了一笔很大的开支， 特别是对广泛的嵌入式应用而言。 2. 1 1嵌入式l 加 肛系统的一般架构 尽管嵌入式l i n ux系统与工作站或服务器系统有着不小的差别， 但在高度抽象后 却基本相同。图2. 2 展示了l l n u x 系统的架构及其包含的 主要组件。 最底层是硬件层， 嵌入式系统的 硬件必须符合以 下要求才能运行l in u x 系统: 至 少16位的c pu、 足够容量的r a m、 基本的拍 能力、 内核能够通过某种形式的 永久 性或网络存储装置来加载和存取根文件系统。 硬件的上面是内 核， 它是操作系统的核心部分。 内核为硬件管理提供一致的方式， 1 l 嵌入式系统概述硕士论文 为应用程序提供统一的接口，为此内 核被分为两个部分:底层接口 层和高层抽象层。 其中底层接口层专属于硬件配置，内核运行在底层接口 层之上，并以与硬件无关的 a 卫 1 ( 高层抽象层)提供对硬件资源的直接控制。 一一一应用 魂 遥 序- - -一 一 库 ，welll垂1111 尸 一 一 臼 ，. 一 一 .户 一 娜 . 儿 1 11 . 布 内核 :11刁 高 豁 抽象层 一州赞 系 ， 日 蘸 协 雇层接口层 文件系统 “ 协 言巨.众份奋.妞苍甘，.，.百呼.饭百. 图2. 2 li nux 系统架构图 在内核提供的底层服务之上，较高层的组件可以对所有u n 议类系统提供通用的 抽象概念， 如文件、 5 沉k e t 和信号等。 在底层接口 层和高层抽象层之间主要是文件系 统类型和网络协议，它们构成 “ 解释组件” ，以让内核了解如何与特定设备进行结构 化数据交互。 内 核之上是应用程序和工具程序。 应用程序依靠函数库提供的普通好1 以 及可代 替应用程序， 跟内核交互来获得所需功能的抽象服务。 大多数l inux应用程序使用的 主要函数库就是g n uc链接库。除了c链接库外，还有其他用途的 链接库，例如 qt、 x m l 或m d s 等。 链接库一般 会跟应用程序动态链接在 一 起. 当 然在嵌 入 式系统 中， 有些时候希望链接库成为应用程序二进制文件的一部分， 这时就要使用静态链接 库，这要根据具体情况来决定。 1 3. 2嵌入式lin u x 的特点 在嵌入式系统中使用的l h 扣 x 就是嵌入式l i n u x ，是在对标准l i n u x 进行相应改 造后， 再用作嵌入式计算机的 操作系统， 为嵌入式应用程序提供操作系统服务。 为规 范嵌入式l i n u x 标准，嵌入式l i o u x 协会 ( elc )在2 0 0 2 年底发布了e l c产品规范 版本1 .0( elc p s ) 。 它给我们提供了以 下便利: 1) 嵌 入 式li llux 发 布 可以 很 清 楚 地显 示自 身的 功能 特性: 2) 第三方类库和中 间 程序在很少 或没有额外接口 的条 件下 就可以 运行不同的 嵌 入式 lin u x 配置; 3 )软件开发人员可以将程序段写入一个现成的a p i 中，并确信这一代码段可为 硕士论文荃于l inux 的嵌入式监控系统软件平台研究与设计 其它的嵌入式l 扣 q u x 环境提供接口。 嵌入式l l n ux具有相当多的优点， 它内 核稳定、 功能强大， 可裁减和低成本的特 性非常适合嵌入式应用。 但是，l i n ux最初并非为嵌入式系统设计的，