（信号与信息处理专业论文）应用于无线视频监控的嵌入式linux系统平台构建(1).pdf

应用于无线视频监控的嵌入式l i n u x 系统平台构建 摘要 随着无线网络技术和嵌入式技术的发展，无线视频监控已经成为 嵌入式系统应用的一个新的发展方向。嵌入式系统由嵌入式操作系统 和嵌入式硬件平台两部分组成：a r m 架构是嵌入式设备中使用相当 广泛的硬件平台；而随着l i n u x 的发展，嵌入式l i n u x 操作系统已经 成为嵌入式领域的主流操作系统。嵌入式l i n u x 操作系统支持多种硬 件平台，具有良好的移植性和网络传输特性。本文所介绍的方案正是 基于a r m 9 硬件平台和嵌入式l i n u x 系统所构建的无线视频监控系 统。 本文分为五个章节。前三个章节分别介绍了无线视频监控系统和 嵌入式系统的概念以及构建一般性嵌入式l i n u x 操作系统的步骤和组 成。本文第四章的侧重点是介绍如何构建适用于无线视频监控的嵌入 式l i n u x 系统。第四章从b o o t l o a d e r 的移植、l i n u xk e r n e l 的移植以及 相关驱动的开发移植、嵌入式根文件系统的构建三方面分别进行了阐 述。由于无线视频监控系统的特殊性，本文详细介绍了u s b 摄像头 驱动模块和无线网卡驱动模块的代码架构以及工作方式。在本文的第 五章，作者介绍了本系统进行a d h o e 网络模式和i n f r a s t r u c t u r e 网络模 式的配置方式以及在p c 监控端所截获的视频监控图像。在本文的最 后部分，作者提出了对于通过嵌入式l i n u x 系统来实现无线视频监控 的未来展望。 关键词无线视频监控系统，a r m ，嵌入式l i n u x 操作系统，组网方 式 t h ed e s i g na n di n 互p l e n ! n to f w i r e l e ssv i d e os i 瓜v e 。l a n c es y s t e m b a s e do ne m b e d d e dl i n u x a b s t r a c t c o m b i n e dw i t hw i r e l e s sn e t w o r k t e c h n i q u e a n de m b e d d e d t e c h n o l o g y ，e m b e d d e dw i r e l e s sv i d e os u r v e i l l a n c eh a sd e v e l o p e da sn e w d i r e c t i o ni ne m b e d d e ds y s t e mf i e l d t h ee x p l o i t a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m i sb a s e do ne m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r ma n de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m a r ma r c h i t e c t u r eh a sb e e nu s e dw i d e l yi ne m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r m i nt h i se m b e d d e do sa r e a ，e m b e d d e dl i n u xh a sb e c o m et h em a i n s t r e a m o p e r a t i n gs y s t e m e m b e d d e dl i n u xc a nb ea p p l i e do nm a n yk i n d so f p l a t f o r ma n di t a l s os u p p o r ts t r o n gn e t w o r kf u n c t i o n o u rd e s i g no f w i r e l e s sv i d e os u r v e i l l a n c e s y s t e m c o n s i s t so fa r m 9h a r d w a r e a r c h i t e c t u r ea n de m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m t h i sp a p e ri sc o m p o s e do ff i v es e c t i o n s s e c t i o ni & i id e s c r i b e s t h ec o n c e p to fw i r e l e s sv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e ma n de m b e d d e ds y s t e m s e c t i o nl i i a n a l y s e sh o wt o b u i l dg e n e r a le m b e d d e dl i n u xs y s t e m s e c t i o n i n t r o d u c e so u rs y s t e mf r o mt h r e e a s p e c t s ：t r a n s p l a n t o f b o o t l o a d e r ，t r a n s p l a n to fl i n u xk e r n e la n dt h eb u i l d i n go fe m b e d d e d i i i r o o tf i l e s y s t e m t h i ss e c t i o ns u m m a r i z e st h ea r c h i t e c t u r eo fu s bc a m e r a d r i v e ra n dw i r e l e s sn e t w o r kc a r dd r i v e ri nd e t a i l s e c t i o nv i n t r o d u c e s h o wt oc o n f i g u r ea d - h o ca n di n f r a s t r u c t u r en e t w o r km o d ei no u rs y s t e m i nt h el a s ts e c t i o n ，a u t h o rp u tf o r w a r dt h et r e n do fe m b e d d e dw i r e l e s s v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m k e yw o r d se m b e d d e dl i n u x s y s t e m ，e m b e d d e ds y s t e m ，e m b e d d e d w i r e l e s sv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m ，d e v i c ed r i v e r i v 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：! 董瞳日期：2 2 ：主：丝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文刁涡于保密范围，适用本授权书。 本人签名：一生堕 日期： 一生z ：呈：垒： 导师签名：刁型瓣日期：型争兰! 二一 北京邮电大学硕士学位论文嵌入式无线视频监控系统介绍 第一章嵌入式无线视频监控系统介绍 伴随着嵌入式技术、图像处理技术和无线网络传输技术的发展，传统模拟视 频监控系统和基于p c 的远程视频监控系统由于自身的不足，已经无法满足现代 社会应用中不断涌现出来的新需求，于是基于嵌入式技术的无线网络数字视频监 控系统就应因而生了。 嵌入式无线视频监控系统具有数字化和无线网络化两大特点： 1 数字化 数字化是2 1 世纪的特征，是以信息技术为核心的电子技术发展的必然。视 频监控系统的数字化首先是系统中信息流( 包括视频、音频、控制等) 从模拟状 态转为数字状态，这从根本上改变视频监控系统从信息采集、数据处理、传输、 系统控制等的方式和结构形式。信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，使 视频监控系统与安防系统中其它各子系统间实现无缝连接，并在统一的操作平台 上实现管理和控制，这也是系统集成化的含义。 2 无线网络化 除了数字化，2 l 世纪另一大特征就是网络化的兴起，这其中又以无线局域网 技术为其最鲜明的特点。无线局域网技术是计算机网络与无线通信技术相结合的 产物。无线局域网基本上可以提供有线局域网的所有功能。但是，无线局域网技 术具有传统局域网无法比拟的灵活性，并且无线局域网的通信范围不受环境条件 的限制，最大传输范围可达到几十公里。 虽然无线局域网的安全问题一直存在争议，但是随着w a p i ，8 0 2 1 li 等标准 的建立以及相关技术的发展，无线局域网正在变得越来越安全可靠。而且相对于 有线网络，无线局域网的组建、配置和维护较为容易。除此之外，伴随着无线通 信技术的发展，无线局域网内的数据传输速率越来越高，网络q o s 也越来越有保 证。 无线数字监控是无线网络发展至今最为广泛的应用之一。在通常情况下，监 控点和中央控制中心相距较远，而且位置较分散，利用传统网络布线的方式不但 成本非常高，而且一旦遇到河流山脉等障碍时，有线网络更是束手无策。此时， 无线网络无可比拟的优势就体现了出来，利用无线网桥技术，可以将多个监测点 与中央控制中心连接起来，且搭建迅速，可以在最短的时间内迅速建立起无线网 络链路。 北京邮电大学硕士学位论文嵌入式系统介绍 第二章嵌入式系统介绍 2 1 嵌入式系统 随着信息技术的迅速发展，计算机产业的发展已经到了所谓的后p c 时代。 3 c ( c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n ，c o n s u m e r ) 合一的发展趋势逐渐明朗，计算机 微型化和专业化趋势己成事实。这两种发展趋势都产生了一个共同的需求：嵌入 式系统( e m b e d d e ds y s t e m ，e s ) 。 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，使用于 应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面有特殊要求的专用计算机 系统。 嵌入式系统与通用计算机系统的本质区别在于系统应用的不同，嵌入式系统 是将一个计算机系统嵌入到对象系统中。这个对象可能是庞大的机器，也可能是 小巧的手持设备，用户并不关心这个计算机系统的存在。 2 1 1 嵌入式系统组成 嵌入式系绀1 】一般包括嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和 应用程序4 个部分。 1 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件嵌入式处理器与通用处理器的最大 不同点在于其大多工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把通用计算机中许 多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利子嵌入式系统设计趋于小型化， 并具有高效率、高可靠性等特征。大的硬件厂商会推出自己的嵌入式处理器，因 而现今市面上有1 0 0 0 多种嵌入式处理器芯片，其中使用最广泛的有a r m ， m i p s ，p o w e r p c ，m c 6 8 0 0 0 等。 2 外围设备 外围设备是指在一个嵌入式系统中，除了嵌入式处理器以外用于完成存储、 通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可分为以下3 类： 存储器：静态易失性存储器r a m s r a m ) 、动态存储器( d 删) 和非 易失性存储器( fl as h ) 。其中，f l a s h 具有可以擦写次数多、存储速 度快、容量大及价格低等优点，在嵌入式领域得到了广泛的应用。 接口：应用最广泛的包括并口、r s 2 3 2 串口、i r d a 红外接口、s p i 串行 外围设备接口、1 2 c 总线接口、u s b 通用串行总线接口、e t h e m e t 网口等。 人机交互：l c d ，键盘和触摸屏等人机交互设备。 2 北京邮电大学硕士学位论文嵌入式系统介绍 3 嵌入式操作系统 在大型嵌入式应用系统中，为了使嵌入式开发更方便、快捷，需要具备一种 稳定、安全的软件模块集合，用以管理存储器分配、中断处理、任务间通信和定 时器响应，以及提供多任务处理等，即嵌入式操作系统。嵌入式操作系统的引 入大大提高了嵌入式系统的功能，方便了应用软件的设计，但同时也占用了宝贵 的嵌入式系统资源。一般在比较大型或需要多任务的应用场合才考虑使用嵌入式 操作系统。 4 应用软件 嵌入式系统的应用软件是针对特定的实际专业领域，基于相应的嵌入式硬件 平台，并能完成用户预期任务的计算机软件。用户的任务可能有时间和精度的要 求。有些应用软件需要嵌入式操作系统的支持，但在简单的应用场合下不需要专 门的操作系统。 由于嵌入式应用对成本十分敏感，因此，为减少系统成本，除了精简每个硬 件单元的成本为，应尽可能地减少应用软件的资源消耗，尽可能地优化。 图2 1 嵌入式系统体系结构 2 1 2 嵌入式系统特点 嵌入式计算机系统与通用计算机系统相比具有以下特点： 嵌入式系统是面向特定系统应用的。嵌入式处理器大多数是专门为特定 应用设计的，具有低功耗、体积小、集成度高等特点，一般是包含各种 外围设备接口的片上系统。 嵌入式系统涉及计算机技术、微电子技术、电子技术、通信和软件等各 行各业。它是一个技术密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 北京邮电大学硕士学位论文嵌入式系统介绍 嵌入式系统的硬件和软件都必须具备高度可定制性。只有这样才能适用 嵌入式系统应用的需要，在产品价格性能等方面具备竞争力。 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效地设计，在保证稳定、安全、可靠 的基础上量体裁衣，去除冗余，力争实现更高的性能。这样，才能最低 限度地降低应用成本。 嵌入式系统的生命周期相当长。当嵌入式系统应用到产品以后，还可以 进行软件升级，它的生命周期与产品的生命周期几乎一样长。 嵌入式系统不具备本地系统开发能力，通常需要有一套专门的开发工具 和环境。 嵌入式系统通常还有减少功耗的要求。这一方面是为了省电，因为嵌入 式系统往往需要以电池供电；另一方面是为了减少发热量，因为嵌入式 系统中并没有设计风扇等排热手段。 可靠性与稳定性对于嵌入式系统有着特别重要的意义，所以即使逻辑上 的系统结构相同，在物理组成上也会有所不同。同时，对使用的元器件 的质量和可靠性要求都比较高，因此元器件的平均故障时间成为关键的 参数。此外，环境温度也是需要重点考虑的问题。 2 2 嵌入式操作系统 2 2 1 嵌入式操作系统介绍 嵌入式操作系统【2 i e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m ) 是一种用途广泛的系 统软件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域。e o s 负责嵌入系统的全 部软、硬件资源的分配、调度工作，控制、协调并发活动。它必须体现其所在系 统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。目前，已推出一些 应用比较成功的e o s 产品系列。随着i n t e m e t 技术的发展、信息家电的普及应用 及e o s 的微型化和专业化，e o s 开始从单一的功能方向向高专业化的强功能方 向发展。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以 及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。e o s 是相对于一般操作系统而言 的，它除具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、 文件功能等外，还有以下特点： 可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。 强实时性。e o s 实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。 统一的接口。提供各种设备驱动接口。 操作方便、简单、提供友好的图形g u i ，图形界面，追求易学易用。 4 北京邮电大学硕士学位论文嵌入式系统介绍 提供强大的网络功能，支持t c p i p 协议及其它协议，提供 t c p 厂u d p p p p p 协议支持及统一的m a c 访问层接口，为各种移动计算 设备预留接口。 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的干 预，这就要负责系统管理的e o s 具有较强的稳定性嵌入式操作系统 的用户接口一般不提供操作命令，它通过系统调用命令向用户程序提供 服务。 固化代码。在嵌入系统中，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，而用各种内存 文件系统。 更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。 2 2 2 主要嵌入式操作系统介绍 1 嵌入式l t n u x 嵌入式l i n u x ( e m b e d d e dl i n u x ) 是指对标准l i n u x 经过小型化裁减处理之后， 能够固化在容量只有几m b 字节的存储器芯片或者单片机中，是适合于特定嵌入 式应用场合的专用l i n u x 操作系统。 嵌入式l i n u x 同l i n u x 一样，具有低成本、多种硬件平台支持、优异的性能 和良好的网络支持等优点。 2 v x w o r k s v x w o r k s 操作系统是美国风河公司设计开发的一种嵌入式实时操作系统 ( r 1 旧s ) 。v x w o r k s 具有实时性强、系统开销小、进程调度、进程间通信、中断 处理等系统公用程序精炼的特点。此外，v x w o r k s 提供的多任务机制，对任务的 控制采用优先级抢占河轮转调度机制，这充分保证了可靠的实时性。另外 v x w o r k s 具有高度的可靠性，从而保证了用户工作环境的稳定。 3 q n x q n x 也是一款实是操作系统，由加拿大q n x 软件系统有限公司开发。q n x 的体系结构决定了它具有非常好的伸缩性，用户可以把应用程序代码和q n x 内 核直接编译在一起，使之为简单的嵌入式应用生成一个单一的多线程映象。 q n x 实时操作系统是一个开放的系统，其应用程序接口完全符合p o s i x 标 准，具有良好的可移植性。 4 w i n d o w sc e w i n d o w sc e 是微软开发的一个开放的、可升级的3 2 位嵌入式操作系统。 北京邮电大学硕士学位论文嵌入式系统介绍 w i n d o w sc e 的图形用户界面相当出色。w i n d o w sc e 具有模块化、结构化和基 于w i n 3 2 应用程序接口以及与处理器无关等特点。 2 2 3 嵌入式l in u x 的优势 目前，嵌入式的主流系统包括嵌入式l i n u x ， w i n d o w sc e ，v x w o r k s 等， 在所有的操作系统中，l i n u x 是一个发展最快、应用最为广泛的操作系统。l i n u x 遵循的源代码开放的原则，使嵌入式l i n u x 操作系统具有如下的优势： 1 低成本开发系统 l i n u x 的源码开放性允许任何人可以获得并修改l i n u x 的源码。这样一方面 大大降低了开发的成本，另一方面又可以提高开发产品的效率。并且还可以在 l i n u x 社区中获得支持。 2 可应用于多种硬件平台 l i n u x 可支持x 8 6 、p o w e r p c 、a r m 、x s c a l e 、m i p s 、s h 、6 8 k 、a l p h a 、 s p a r c 等多种体系结构，并且已经被移植到多种硬件平台。这对于经费、时间 受限制的研究与开发项目是很有吸引力的。l i n u x 采用统一的框架对硬件进行管 理，同时从一个硬件平台到另一个硬件平台的改动与上层应用无关。 3 可定制的内核 l i n u x 具有独特的内核模块机制，它可以根据用户的需要，实时地将某些模 块插入到内核中或者从内核中移走，并能根据嵌入式设备的个性需要量体裁衣。 经裁减的l i n u x 内核最小可达到1 5 0 k b 以下，尤其适合嵌入式领域中资源受限 的实际情况。当前的2 6 内核加入了许多嵌入式友好特性。 4 性能优异 l i n u x 系统内核精简、高效和稳定，能够充分发挥硬件的功能，因此它比其 他操作系统的运行效率更高。在个人计算机上使用l i n u x ，可以将它作为工作站。 它也非常适合在嵌入式领域中应用，对比其他操作系统，它占用的资源更少，运 行更稳定，速度更快。 5 良好的网络支持 l i n u x 是首先实现t c p i p 协议栈的操作系统，它的内核结构在网络方面是 非常完整的，并提供了对包括十兆位、百兆位及千兆位的以太网，还有无线网络、 t o k e nr i n g ( 令牌环) 和光纤甚至卫星的支持，这对现在依赖于网络的嵌入式设 备来说是很好的选择。 6 北京邮电大学硕士学位论文嵌入式l i n u x 系统组成部分介绍 第三章嵌入式l in u x 系统组成部分介绍 一个嵌入式l i n u x 系统从软件的角度看通常可以分为四个层次，如下图所 示： 1 引导加载程序：包括固化在固件( f l l t i i w a l e ) 中的b o o t 代码( 可选) ，和 b o o t l o a d e l 两大部分。 2 l i n u x 内核：特定于嵌入式板子的定制内核以及内核的启动参数。 3 文件系统：包括根文件系统和建立于f l a s h 内存设备之上文件系统。通常用 r a md i s k 来作为m o t f s 。 4 用户应用程序：特定于用户的应用程序。有时在用户应用程序和内核层之间 可能还会包括一个嵌入图形用户界面。常用的嵌入式g u i 有：q t 和m i n i g u i 。 b o t t o m t o p 图3 - 1 嵌入式l i n u x 系统的层次结构 3 1 b o o t l o a d e r 以及其主要任务介绍 3 1 1b o o l ：l o a d e r 概念 b o o t l o a d e r 1 1 ( 引导加载程序) 是系统加电后运行的第一段代码。一般它只在 系统启动时运行较短的时间，对于嵌入式系统来说，这是一个非常重要的系统组 成部分。 1 b o o t l o a d e r 所支持的c p u 和嵌入式板型 各种不同的c p u 体系结构都具有不同的b o o t l o a d e r 。有些b o o t l o a d e r 也支持 多种体系结构的c p u ，例如u b o o t 就同时支持a r m 体系结构和m i p s 体系结构。除 了依赖于c p u 的体系结构外，b o o t l o a d e r 实际上也依赖于集体的嵌入式板级设备 的配置。 2 b o o t l o a d e r 的安装媒介 系统上电后，所有的c p u 都从某个由c p u 制造商预先设置的地址上取得指 令。而基于c p u 构建得嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备( 如：r o m ， e e p r o m 或f l a s h 等) 被映射到这个预先设定的地址上。因此在系统上电后， c p u 将首先执行b o o t l o a d e r 程序。 7 北京邮电大学硕士学位论文 嵌入式l i n u x 系统组成部分介绍 3 用来控$ 1 b o o t l o a d e r 的设备或机制 主机和目标机之间一般通过串口建立连接，b o o t l o a d e r 软件在执行时通常会 通过串口来进行i o ，比如：输出打印信息到串口。 4 b o o t l o a d e r 的启动过程是单阶段还是多阶段 通过多阶段的b o o t l o a d e r 能够提供更为复杂的功能以及更好的可移植性。从 固态存储设备上启动的b o o t l o a d e r ) k ：多数都是两阶段的启动过程，即启动过程可 以分为s t a g e l 和s t a g e 2 两部分。 5 b o o t l o a d e r 的操作模式 大多数b o o t l o a d e r 都包含两种不同的操作模式：启动加载模式和下载模式， 这种区别仅对于b o o t l o a d e r 开发人员才具有区别。从最终用户的角度并不存在两 种工作模式的区别。 启动加载模式：这种模式也称为自主模式。b o o t l o a d e r ) a 目标机上的某个固 态存储设备上将操作系统加载到r a m 中运行，整个过程没有用户的介入。本模 式是b o o t l o a d e r 的正常工作模式。 下载模式：在这种模式下，目标记上的b o o t l o a d e r ：将通过串口连接或者网络 连接等通信手段从主机下载文件，比如下载内核映像和根文件系统映像等。从主 机下载的文件通常首先被b o o t l o a d e r 保存到目标机的r a m 中，然后再被 b o o t l o a d e r 写入到目标机上的f l a s h 类型的固态存储设备中。b o o t l o a d e r 的这种 模式通常在第一次安装内核与根文件系统时被使用。工作于这种模式下的 b o o t l o a d e r 通常都会向它的终端用户提供一个简单的命令行接口。 6 b o o t l o a d e r 与主机之间进行文件传输所用的通信协议 最常见的情况就是，目标机上的b o o t l o a d e r j 臣过串口与主机之间进行文件传 输，传输协议通常是x m o d e m y m o d e m z m o d e m 协议中的一种。此外，通过以太网 连接可以借助t f t p 协议来下载文件。 3 1 2b o o t l o a d e r 的主要任务 b o o tl o a d e r 的实现依赖于c p u 的体系结构，因此大多数b o o tl o a d e r 都 分为s t a g e l 和s t a g e 2 两大部分。依赖于c p u 体系结构的代码，比如设备初始化 代码等，通常都放在s t a g e l 中，且通常都用汇编语言来实现，以达到短小精悍 的目的。而s t a g e 2 则通常用c 语言来实现，这样可以实现给复杂的功能，而且 代码会具有更好的可读性和可移植性。 b o o t l o a d e r 的s t a g e l 通常包括以下步骤( 以执行的先后顺序) ： 硬件设备初始化。 为加载b o o tl o a d e r 的s t a g e 2 准备r a m 空间。 北京邮电大学硕士学位论文嵌入式l i n u x 系统组成部分介绍 拷贝b o o t l o a d e r 的s t a g e 2 到r a m 空间中。 设置好堆栈。 跳转n s t a g e 2 的c 入口点。 b o o tl o a d e r 的s t a g e 2 通常包括以下步骤( 以执行的先后顺序) ： 初始化本阶段要使用到的硬件设备。 检测系统内存映射( m e m o r ym a p ) 。 将k e r n e l 映像和根文件系统映像从f l a s h 上读到r a m 空间中。 为内核设置启动参数。 调用内核。 3 2 内核介绍 内核，是一个操作系统的核心。它负责管理系统的进程、内存、设备驱动程 序、文件和网络系统【3 】，决定着系统的性能和稳定性。内核独立于普通应用程序， 它一般处于系统态，拥有受保护的内存空间和访问硬件设备的所有权限。 1 进程管理： 内核负责创建和终止进程，并且处理它们和外部世界的联系( 输入和输出) 。 对整个系统功能来讲，不同进程之间的通信( 通过信号、管道、进程间通信原语) 是基本的，这也是由内核来处理的。另外，调度器，可能是整个操作系统中最关 键的例程，是进程管理中的一部分。更广义的说，内核的进程管理活动实现了在 一个c p u 上多个进程的抽象概念。 2 内存管理： 计算机内存是主要资源，而使用内存的策略是影响整个系统性能的关键。内 核为每个进程在有限可利用的资源上建立了虚拟地址空间。内核不同部分通过一 组函数与内存管理子系统交互，这些包括从简单的m a l l o e f r e e 到更稀奇古怪的功 能。 3 文件系统： u n i x 系统是建立在文件系统这个概念上的。u n i x 里几乎所有东西都可以看 作文件。内核在非结构的硬件上建立了结构化的文件系统，这个抽象的文件被系 统广泛应用。另外，l i n u x 支持多文件系统类型，即物理介质上对数据的不同组 织方法。 4 设备控制： 几乎每种系统操作最后都要影射到物理设备上。除了处理器、内存和少数其 他实体外，几乎所有设备的控制操作都由设备相关的代码来实现。这些代码就是 9 北京邮电大学硕士学位论文嵌入式l i n u x 系统组成部分介绍 设备驱动程序。内核必须为每个外部设备嵌入设备驱动程序，从硬盘驱动器到键 盘和磁带。 5 网络： 网络必须由操作系统来管理，由于大多数网络操作不是针对进程的：接收数 据包是异步事件。数据包必须在进程处理它们以前就被收集，确认和分发。系统 通过程序和网络接口发送数据包，并且应该可以正确地让程序睡眠，并唤醒等待 网络数据的进程。另外，所有路由和地址解析问题都是在内核里实现的。 3 3 文件系统介绍 ，r 、 s y s t e mc a l li n t e r f a c e ( s c i ) p r o c e s sv i r t u a if i l e m a n a g e m e n t ( p m )s y s t e m ( v f s ) m e m o r y n e t w o r ks t a c k m a n a g e m e n t ( m m ) 触峋。e 岫。n 螨c 删。 图3 - 2l i n u x 内核体系图 文件系统【4 】是操作系统一个重要的部分。l i n u x 下的文件系统主要可分为三部 分：一是上层文件系统的系统调用( o p e n ，r e a d 等) ，二是虚拟文件系统( v m u a l f i l c s y s t c ms w i t c h ，v f s ) ，三是挂载到v f s 中的各种实际文件系统，例如j f f s 2 ， y a f f s 2 等。如下图所示： i 鬲口彤啜!ii i “ ! i 瓜蔽焉( v f s ) 内棱层l ： | 虚报文件系统l 内该瑶 ： i ：二二 = 。l l ，。_ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ j _ - 。r _ 。_ _ - _ - _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ 。叫i i i tt i i 圆圈曰l i 匝巫圈匝圃| | 广一+ 一一一一一+ 一+ 。r 。一一一一一。节一一一一l ie 至三4 毯驱动i ：i 硬件缮i i 圃囱囱l 图3 3l i n u x 文件系统结构图 1 0 北京邮电大学硕士学位论文嵌入式l i n u x 系统组成部分介绍 v f s 作为虚拟文件系统是物理文件系统与服务之间的一个接口层。v f s 使得 用户可以直接使用一般的系统调用而无需考虑具体文件系统和实际物理介质。 v f s 只存在内存中，不存在于任何外存空间。v f s 的功能包括：( 1 ) 记录可用 的文件系统的类型( 2 ) 将设备同对应的文件系统联系起来( 3 ) 处理一些面向 文件的通用操作。 3 3 1l i n u x 根文件系统 根文件系统是存放运行、维护系统所需的各种工具软件、库文件、脚本、配 置文件和其他特殊文件的地方。l i n u x 遵守文件系统科学分类标准( f i l e s y s t e m h i e r a r c h ys t a n d a r d ，f h s ) 。 表3 - 1l i n u x 根文件系统的目录结构 目录名称含义 b i n 存放二进制程序，诸如l s ，c d 等命令 b o o t 存放系统启动的一些程序 d e v 存放设备文件。如网卡等 e t e存放系统配置文件 h o m e 用户根目录 1 i b存放库文件 m e d i a 媒介的挂载点 m n t 该目录用来为其他文件系统提供安装点 o p t 不随发行版本一起交付的程序 p r o c p r o c 文件系统目录 r o o t 超级用户的根目录 s b i n 存放超级用户运行的二进制文件 s r v 存放一些服务的目录 s y ss y s 文件系统目录 | v a i 存放一些临时性文件和日志文件 3 3 2 嵌入式文件系统 不同的文件系统类型有不同的特点，因而根据存储设备的硬件特性、系统需 求等有不同的应用场合。在嵌入式l i n u x 应用中，主要的存储设备为r a m ( d 删，s d 洲) 和r o m ( 常采用f l a s h 存储器) ，常用的基于存储设备 的文件系统类型包括：j f f s 2 ，y a f f s ， e r a m f s ，r o m f s ，r a m d i s k ， r a m f s t m p f s 等。 北京邮电大学硕士学位论文嵌入式l i n u x 系统组成部分介绍 1 基于f l a s h 的文件系统 f l a s h ( 闪存) 作为嵌入式系统的主要存储媒介，有其自身的特性。f l a s h 的写 入操作只能把对应位置的l 修改为0 ，而不能把0 修改为l ( 擦除f 1 砒就是把 对应存储块的内容恢复为1 ) ，因此，一般情况下，向f l a s h 写入内容时，需要先 擦除对应的存储区间，这种擦除是以块( b l o c k ) 为单位进行的。 闪存主要有n o r 和n a n d 两种技术。f l a s h 存储器的擦写次数是有限的， n a n d 闪存还有特殊的硬件接口和读写时序。因此，必须针对f l a s h 的硬件特性 设计符合应用要求的文件系统；传统的文件系统如e x t 2 等，用作f l a s h 的文件系 统会有诸多弊端。 在嵌入式l i n u x 下，m t d ( m e m o r yt e c h n o l o g yd e v i c e ，存储技术设备) 为 底层硬件( 闪存) 和上层( 文件系统) 之间提供一个统一的抽象接口，即f l a s h 的文件系统都是基于m t d 驱动层的。使用m t d 驱动程序的主要优点在于，它 是专门针对各种非易失性存储器( 以闪存为主) 而设计的，因而它对f l a s h 有更 好的支持、管理和基于扇区的擦除、读写操作接口。 ( 1 ) j f f s 2 j f f s 文件系统最早是由瑞典a x i sc o m m u n i c a t i o n s 公司基于l i n u x 2 0 的内核 为嵌入式系统开发的文件系统。j f f s 2 ( 日志闪存文件系统版本2 ( j o u m a l l i n g f l a s hf i l e s y s t e mv 2 ) 是r e d h a t 公司基于j f f s 开发的闪存文件系统，最初是针 对r e d h a t 公司的嵌入式产品e c o s 开发的嵌入式文件系统，所以j f f s 2 也可以 用在l i n u x ，u c l i n u x 中。j f f s 2 主要用于n o r 型闪存，基于m t d 驱动层，特 点是：可读写的、支持数据压缩的、基于哈希表的日志型文件系统，并提供了崩 溃掉电安全保护，提供“写平衡”支持等。缺点主要是当文件系统已满或接近满 时，因为垃圾收集的关系而使i f f s 2 的运行速度大大放慢。 ( 2 ) y a f f s ( y e ta n o t h e rf l a s hf i l es y s t e m ) y a f f s y a f f s 2 是专为嵌入式系统使用n a n d 型闪存而设计的一种日志型 文件系统。与i f f s 2 相比，它减少了一些功能( 例如不支持数据压缩) ，所以速度 更快，挂载时间很短，对内存的占用较小。另外，它还是跨平台的文件系统，除 了l i n u x 和e c o s ，还支持w i n c e ，p s o s 和t h r e a d x 等。 y a f f s y a f f s 2 自带n a n d 芯片的驱动，并且为嵌入式系统提供了直接访 问文件系统的a p i ，用户可以不使用l i n u x 中的m t d 与v f s ，直接对文件系统 操作。当然，y a 凰也可与m t d 驱动程序配合使用。 y a f f s 与y a f f s 2 的主要区别在于，前者仅支持小页( 5 1 2b y t e s ) n a n d 闪存，后者则可支持大页( 2 k b ) n a n d 闪存。同时，y a f f s 2 在内存空间占 用、垃圾回收速度、读写速度等方面均有大幅提升。 1 2 北京邮电大学硕士学位论文嵌入式l i n u x 系统组成部分介绍 ( 3 ) c r a m f s ：c o m p r e s s e dr o m f i l es y s t e m c r a m f s 是l i n u x 的创始人l i n u st o r v a l d s 参与开发的一种只读的压缩文件系 统。它也基于m t d 驱动程序。 在c r a m f s 文件系统中，每一页( 4 l ) 被单独压缩，可以随机页访问，其压 缩比高达2 ：1 ，为嵌入式系统节省大量的f l a s h 存储空间，使系统可通过更低容 量的f l a s h 存储相同的文件，从而降低系统成本。 c r a m f s 文件系统以压缩方式存储，在运行时解压缩，所以不支持应用程序以 x i p 方式运行，所有的应用程序要求被拷到r a m 里去运行，但这并不代表比 r a m f s 需求的r a m 空间要大一点，因为c r a m f s 是采用分页压缩的方式存放档案， 在读取档案时，不会耗用过多的内存空间，只针对目前实际读取的部分分配内存， 尚没有读取的部分不分配内存空间，当我们读取的档案不在内存时，c r a m f s 文 件系统自动计算压缩后的资料所存的位置，再即时解压缩到r a m 中。另外，它 的速度快，效率高，其只读的特点有利于保护文件系统免受破坏，提高了系统的 可靠性。 由于以上特性，c r a m f s 在嵌入式系统中应用广泛。但是它的只读属性同时又 是它的一大缺陷，使得用户无法对其内容对进扩充。c r a m f s 映像通常是放在f l a s h 中，但是也能放在别的文件系统里，使用l o o p b a c k 设备可以把它安装别的文件 系统里。 ( 4 ) r o m f s 传统型的r o m f s 文件系统是一种简单的、紧凑的、只读的文件系统，不支持 动态擦写保存，按顺序存放数据，因而支持应用程序以x i p ( e x e c u t ei np l a c e ， 片内运行) 方式运行，在系统运行时，节省r a m 空间。u c l i n u x 系统通常采用 r o m f s 文件系统。 2 基于r a m 的文件系统 ( 1 ) r a m d i s k r a m d i s k 是将一部分固定大小的内存当作分区来使用。它并非一个实际的文 件系统，而是一种将实际的文件系统装入内存的机制，并且可以作为根文件系统。 将一些经常被访问而又不会更改的文件( 如只读的根文件系统) 通过r a m d i s k 放在内存中，可以明显地提高系统的性能。 在l i n u x 的启动阶段，i n i t r d 提供了一套机制，可以将内核映像和根文件系统 一起载入内存。 ( 2 ) r a m f s t m p f s r a m f s 是l i n u st o r v a l d s 开发的一种基于内存的文件系统，工作于虚拟文件系 统( v f s ) 层，不能格式化，可以创建多个，在创建时可以指定其最大能使用的 北京邮电大学硕士学位论文嵌入式l i n u x 系统组成部分介绍 内存大小。 r a m f s t m p f s 文件系统把所有的文件都放在r a m 中，所以读写操作发生在 r a m 中，可以用r a m f s t r n p f s 来存储一些临时性或经常要修改的数据，例如t r a p 和v a t 目录，这样既避免了对f l a s h 存储器的读写损耗，也提高了数据读写速度。 r a m f s t m p f s 相对于传统的r a m d i s k 的不同之处主要在于：不能格式化，文 件系统大小可随所含文件内容大小变化t m p f s 的一个缺点是当系统重新引导时 会丢失所有数据。 1 4 北京邮电大学硬士学位论空无境棍糖瞌控骱式系统组成 第四章