（通信与信息系统专业论文）sdh专用分接器控制平台的设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着数字信息技术和网络技术高速发展，嵌入式系统广泛地渗透到工程应用 的各个领域。针对不同领域的应用特征，对源码公开的l i n u x 系统通过适当裁减和 修改，构建了面向不同应用的嵌入式l i n u x 系统。 论文介绍了一种基于嵌入式系统的“s d h 专用分接器控制平台”实现方案， 可通过网络在线配置s d h 专用分接器，完成时隙配置、开销插入配置、环回配置、 映射模式配置、模式选择、芯片复位控制等功能。 论文首先分析嵌入式系统的特点，并对l a c o s 和p c l i n u x 等常用嵌入式操作 系统进行了分析比较，论文还讨论了p c l i n u x 的硬实时性扩展方案。结合本课题 的要求及方案设计，确定p c l ，i n u x 作为s d h 专用分接器控制平台的嵌入式操作系 统。论文对控制平台的详细方案进行了讨论和设计。并实现了硬件平台和软件开 发平台的搭建、底层驱动的接口和应用程序的开发。完成了项目相关功能的调试 和测试。 控制平台的硬件是基于m o t o r o l a 的m c f 5 2 4 9c o l d f i r e 嵌入式处理器，以 m 5 2 4 9 c 3 开发板为基础实现的，提高了开发的效率和成功率。软件设计分为两个 部分，即“软件开发平台的建立”和“控制应用程序设计实现”。前者主要是搭建 开发的硬件平台和软件开发环境以及嵌入式操作系统的移植：后者主要是在软件 开发平台上实现嵌入式控制应用程序。 本次研究的主要内容涉及m c u 、嵌入式操作系统、b o o t l o a d e r 、文件系统、 c g i 程序、w e b s e r v e r 、网页开发等。技术覆盖广泛，嵌入式系统的设计、操作系 统的移植、应用程序与底层驱动的接口、动态网页等技术。经过一年多的开发工 作，实现了s d h 专用分接器的控制平台设计方案，系统运行稳定可靠。 在s d h 技术较为成熟，嵌入式控制广泛应用的今天，该控制平台研究具有较 大的实用阶值和现实意义。 关键词：s d h 专用分接器控制平台， c l i n u x ，b o o t l o a d e r ，m c f 5 2 4 9 ，j f f s 2 ! 堕! ! 竺! a b s t r a c t i nt h et i m eo fb o o m i n gi n f o r m a t i o na n dn e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ，e m b e d e ds y s t e m h a sb e e np e r v a s i v e l ya p p l i e di nv a r i o u sa r e a so fe n g i n e e r i n g i no r d e rt o a d a p tt o d i f f e r e n ti m p l e m e n t a t i o n ，l i n u xh a sb e e nm o d i f i e da n dr e f i n e dt ob eas p e c i f i ce m b e d e d s y s t e m t h ei m p l e m e n to fa ns d ha d mc o n t r o lp l a t f o r mb a s e do nt h ee m b e d e ds y s t e m ， w h i c hi su s e dt o c o n f i g u r et h ea d ma n da c c o m p l i s ht h et i m e s l o tc o n f i g e r a t i o n 、 o v e r h e a di n s e r t i o n 、l o o p b a c kc o n f i g e r a t i o n 、m a p m o d ec o n f i g e r a t i o n 、m o d es e l e c t i o na n d r e s e te t c ，i si n t r o d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l y , t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee m b e d d e ds y s t e mh a v e b e e na n a l y s e di nt h e d i s s e r t a t i o n t h e nt h ep o p u l a re m b e d e do ss u c ha s c o sa n dg c l i n u xi sc o m p a r e d ， t h er e a l - t i m es o l u t i o no ft h eg c l i n u xi sa l s od i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t s o ft h ep r o j e c ta n dt h es o l u t i o nd e s i g n ，p c l i n u xi ss e l e c t e da st h eo so fs d ha d m c o n t r o lp l a t f o r m c o n s e q u e n t l y , t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e sa n dd e s i g n st h es p e c i f i c s o l u t i o no f t h ec o n t r o lp l a t f o r mt h e ni tc o m p l e t e st h ec o n s t r u c t i o no f b o t ht h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r e p l a t f o r m ，i n t e r f a c eb e t w e e nc g ia n dd r i v e r s ，t o p l e v e la p p l i c a t i o n p r o g r a m i n g f i n a l l y , t h et e s to f t h ew h o l ef l a t f o r mi sc o m p l e t e d t h eh a r d w a r ep a r to ft h ec o n t r o lp l a t f o r mi sb a s e do nt h em o t o r o l a5 2 4 9 c 3 d e v e l o p i n gb o a r di no r d e rt oa c c e l e r a t et h ee f f i c i e n c y t h es o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e st w o p a r t s ，c o n s t r u c t i o no ft h es o f t w a r ep l a t f o r ma n dt h ec o n t r o la p p l i c a t i o n t h ef o r m e rp a r t i n c l u d e sc o n s t r u c t i o no ft h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n ds o f t w a r ep l a t f o r ma sw e l la st h e p o r t i n go ft h ee m b e d e do st h el a t t e ri s t h ep r o g r a m i n go ft h ee m b e d d e dc o n t r o l a p p l i c a t i o n t h er e s e a r c hi n c l u d e sm a n yp a r t ss u c ha sm c u 、e m b e d e ds y s t e m 、b o o t l o a d e r 、 f i l e s y s t e m 、c g i 、w e b s e r v e r 、h r r pe t c a n di t a l s oi n v o l v e sw i t hm a n ys p e c i f i c t e c h n o l o g i e ss u c ha se m b e d d e ds y s t e md e s i g n 、p o r t i n go ft h ee m b e d d e do s 、i n t e r f a c e b e t w e e nt o p l e v e lc g ia n dd r i v e s 、d y n a m i cw e bt e c h n o l o g ye t c a f t e ro n ey e a ro f d e v e l o p m e n t ，t h ew h o l es o l u t i o nh a sb e e nc o m p l e t e da n dt h ec o n t r o lp l a t f o r mi ss t a b l e a n dc r e d i b 】e i i a b s t r a c t n o w a d a y ss d ha n de m b e d e d 。s y s t e ma r es t i l ld e v e l o p i n g ，t h er e s e a r c ho ft h e c o n t r o lp l a t f o r mi sq u i t ev a l u a l b ea n d m e a n i n g f u l k e y w o r d ：s d ha d d d r o pm u l t i p l e x e r c o n t r o l p l a t f o r m ，g c l i n u x ，b o o t l o a d e r m c f 5 2 4 9 ，j f f s 2 i l l j ； - 图目录 图目录 图2 1 嵌入式系统结构图 图2 2l a c l i n u x 源码包组织结构图 图2 3g c l i n u x + r t a i 双内核结构图 图3 1 专用a d m 框图 图3 2s d h 专用分接器总体设计框图 图3 3 控制平台整体设计方案 图4 。ls d h 专用分接器硬件总框图 图4 2m c f 5 2 4 9 模块框图 图4 3m 5 2 4 9 c 3 开发板模块框图 图5 1 控制平台软件结构图 图5 2 文件系统层次 图5 3c g i 程序文件结构图 图5 4s d h 专用分接器c g i 程序目录 图5 5 页面实例图 图5 - 6 控制平台w e b 页面结构图一 图6 - 1 控制平台测试环境 图6 2c f f l a s h e r 界面 图6 - 3t a r g e tc o n f i g e r a t i o n 界面 图6 4c o l i l o 烧写 图6 5c o l i l o 的测试平台 图6 - 6m i n i c o m 终端 图6 7c o l i l o 的启动 图6 8g c l i n u x 的启动 图6 - 9 应用程序测试环境 图6 1 0 用户配置主界面 图6 1 1p m 5 3 6 6 芯片配置目录 图6 1 2p m 5 3 6 6 芯片读写寄存器子目录 图6 - 1 3p m 5 3 6 6 读写寄存器返回信息 v “均殂挖挖筋如”弘甜舵拍卯”铊诌舛弱弱卯矾酡以舛 表目录 表目录 表4 一lm c f 5 2 4 9 总线信号总览 表4 2m 5 2 4 9 c 3 开发板地址空间映射 表5 1c o l i l o 支持的处理器一 表5 2c o l i l o 编译生成的文件格式一 表5 3g c l i n u x 的源码目录 表5 - 4r o m f s 文件系统目录一 表5 5c g i 程序文件说明 表5 - 6o p e n ( ) 调用中的标志位说明 v i i 勰四”弘甜铝 缩略语表 a d m a p l a r m c g i c o l i l 0 d m a e m a c g p l o g p l i t u t j f f s 2 m i p s m m u p d h p l l p p c r t a i r t h a l r t l i n u x 缩略语表 a d d d r o pm u l t i p l e x e r a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e t h ec o l d f i r el i n u xl o a d e r d i r e c tm e m o r ya c c e s s e n h a n c e d m u l t i p l y a n da c c u m u l a t e m o d u l e g e n e r a lp u r p o s ei n p u t o u t p u t g e n e r a lp u b l i cl i c e n s e i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n t e l e c o m m u n i c a t i o ns e c t o r j o u m a l i n gf l a s hf i l es y s t e mv e r s i o n2 m i c r o p r o c e s s o r w i t h o u t i n t e r l o c k e d p i p e ds t a g e s m e m o r ym a n a g eu n i t p l e s i o c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y p h a s e - l o c k e dl o o p p o c k e tp c r e a l t i m ea p p l i c a t i o ni n t e r f a c e r e a l t i m eh a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e r r e a l t i m ei d n u x v 分插复用器 应用程序接口 英国a r m 公司的处理器 通用网关接口 m o t o r o l a 的b o o t l o a d e r 直接内存存取 增强型累积乘法单元 通用输入输出 通用性公开许可证 国际电信联盟一电信标准 部 日志型闪存文件系统第二 版 无内部互锁流水级的微处 理器 内存管理单元 准同步数字系列 锁相环 口袋个人电脑 实时应用接口 实时硬件抽象层 实时的l i n u x 缩略语表 s d h s d r a m s o n i h l u a r t s s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a m s y n c h r o n o u so p t i cn e t u n i v e r s a l a s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r i x 同步数字体系 同步动态存储器 同步光纤网络 通用异步接收器发送器 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名：缒日期：“年r 月1 7 t 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：选导师签名：鱼咝 日期：妒6 年a - - 月2 6 日 第一章引言 1 1开发技术背景 第一章引言 8 0 年代中期以来，光纤通信在电信网中获得了大规模应用。随着电信网的发 展和用户要求的提高，光纤通信中的准同步数字体系( p d h ) 暴露出一些固有的弱 点。从而同步数字体制( s d h ) 开始取代p d h 而成为通信网的主要传输方式。 美国贝尔通信研究所的科学家提出了“同步光网络( s o n e t ) ”的概念和相应 标准，并于1 9 8 6 年将s o n e t 确立为美国新数字传输体系的标准。1 9 8 8 年，原国 际电报电话咨询委员会c c i t t ( 现国际电信联盟标准化部i t u t ) 接受了s o n e t 的概念，并重新将其命名为同步数字体制( s d h ) ，使其成为不仅适用于光纤也适 用于微波和卫星通信的技术体制。在随后的几年间，i t u t 又多次通过或修改了一 系列有关s d h 国际标准的建议，形成s d h 的基本框架，在世界范围内就s d h 的 基本软硬件问题达成一致的协议，为在全球大力发展s d h 开辟了通路。 随着数字技术的发展和新的体积更小的控制芯片和功能更强的操作系统的出 现，嵌入式系统已经广泛的应用于国防、工业控制、通信、办公自动化和消费电 子等领域。 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。其功能和性能影响着整个系统的设 计。嵌入式处理器的选择，制约了其配套的外围器件的选择，也很大程度上影响 着系统软硬件功能的划分策略，包括操作系统的选择。嵌入式处理器的功能强弱 决定了系统的性能指标上限。 目前的嵌入式处理器主要包括p o w e r p c 、m o t o r o l a6 8 0 0 0 、a r m 系列等。i n t e l 公司的x 8 6 系列芯片产品在整个微处理器市场上获得约8 0 的份额，同时i n t e l 也推出了基于x 8 6 的嵌入式处理器芯片。主要有以下几个系列：i 9 6 0 系列、嵌入 式3 8 6 4 8 6 系列，以及最新的基于s t r o n g a r m 核的s a l1 0 、s a l1 0 0 、s a i1 1 0 系列 和x s c a t e 系列等。a r m 公司是一家英国的专业处理器设计公司，从a r m 6 开始为市 场所接受，到a r m 7 成为授权最广泛的产品。在此之后，a r m 公司相继推出了a r m 8 、 a r m 9 、a r m i o 等产品。m o t o r o l a 是全球最大的嵌入式处理器制造商，其嵌入式处 理器芯片主要集中于网络和数据通信领域。其处理器主要是基于先进的r i s c 结构 的p o w e r p c 处理器内核，其产品有好几个系列，包括著名的6 8 系列、c o l d f i r e 系 电子科技大学硕士学位论文 列、m p c 系列等，品种多达几十种。6 8 系列，此系列产品成熟稳定，并且已经得 到广大用户的认可，应用广泛；c o l d f i r e 系列改进了6 8 0 0 0 的体系结构，提高了 计算性能并增加了部分d s p 功能，支持充足的嵌入式外围设备，功耗极低；m p c 则 主要是为网络和数据通信领域提供广泛的支持。 如果说嵌入式处理器是整个嵌入式系统的核心器件的话，嵌入式操作系统就 是整个嵌入式系统的“灵魂”。嵌入式操作系统的引入，改变了嵌入式系统落后的 开发方式，加快了嵌入式系统的开发速度，提高了代码的可重用性和可靠性。 目前的嵌入式操作系统主要有v x w o r k s 、w i n e e 、v r t x 、p s o s 、p a l m0 s 、d e l t a 0 s 、g c o s 、嵌入式l i n u x 等。 v x w o k s 是美国w i n d r i v e r 公司的产品，以其良好的可靠性和卓越的实时性被 广泛的应用于通信、军事、航天等高精尖技术及实时性要求较高的领域中。w i n c e 是由微软推出的，为有限资源的平台设计的多任务、多优先级的嵌入式操作系统。 v r t x 是老牌的嵌入式操作系统，在商业嵌入式系统的早期应用较名。p s o s 是i s i 公司推出的嵌入式操作系统，该公司已经为w i n d r i v e r 所兼并。p a l m0 s 是3 c o m 公司出品的，在p d a 市场上占有很大的市场份额。d e l l ：a0 5 是电子科技大学开发 的国内完全自主知识产权的r t o s 。 以上的r t o s 都是商用的嵌入式操作系统，在系统可靠性和技术支持方面有 其优势，但其价格昂贵，源核心代码不公开，使得每个系统上的应用软件和其它 系统无法兼容。这种封闭性还导致对各种设备的支持方面存在很大的问题，移植 变得很困难。而g c o s 和嵌入式l i n u x 正是由于其开放源代码的优势越来越广泛 的应用在嵌入式领域中【2 j 。 肚c o s 是由j e a nj l a b r o s s e 开发的公开源代码、结构小巧、具有可剥夺实时内 核的嵌入式操作系统【j j 。p c o s 适合小型控制平台，具有执行效率高、占用空间小、 实时性能优良和可扩展性强等特点。嵌入式l i n u x 则是继承标准l i n u x 的优良特性， 针对嵌入式处理器的特点设计的一种操作系统，具有内嵌网络协议、支持多种文 件系统、开发者可利用标准l i n u x 先验知识等优势。 在嵌入式l i n u x 中应用比较广泛的有r t - l i n u x 、k u r tl i n u x 、f c l i n u x 等。 r t - l i n u x 是美国新墨西哥理工学院计算机系的v i c t o ry o d a i k e n 和m i c h a e lb a r a n o v 开发的双内核嵌入式实时操作系统。k u r tl i n u x 是美国k a n s a s 大学开发的通过 强化l i n u x 时钟机制和调度机制来获得实时性的嵌入式实时操作系统。p c l i n u x 的 基本思想则是去掉标准l i n u x 里的虚拟存储器管理功能，这样一方面减少了内核的 体积，另一方面又增强了内核的实时性能。 第一章引言 l a c l i n u x 是完全符合g n u g p l 公约的项目，与u n i x 完全兼容，完全开放代 码。英文单词中的“u ”表示m i c r o ，“小”的意思，c 表示c o n t r o l ，“控制”的意 思，所以l a c l i n u x 字面上的理解就是“微控制领域中的l i n u x 系统”【4 j 。 g c l i n u x 支持多种文件系统，包括n f s ( 网络文件系统) 、e x t 2 、r o m f s 、j f f s 、 m s d o s 及f a t l 6 3 2 等。通常采用的文件系统是r o m f s ，这种文件系统相对于 一般的e x t 2 文件系统所需的空间更少。r o m f s 文件系统不支持动态擦写保存，对 于系统需要动态保存的数据采用虚拟r a m 盘或者j f f s 的方法进行处理( r a m 盘 将采用e x t 2 文件系统) 。 对于l a c l i n u x 的实时性问题，t a c l i n u x 自身不提供实时性。但是它可以采用 r t - l i n u x 的实时解决方案。r t - l i n u x 任务调度管理器把普通e i n u x 的内核当成一 个任务运行，同时调度管理其它实时任务。而对于所有的非实时进程则交给普通 l i n u x 内核处理：这种方式对于解决普通操作系统的实时性问题是个很好的解决方 案，实现简单，二且实时性容易检验，与原来的版本保持兼容性。g c l i n u x 可以使用 r t - l i n u x 的实时补丁，以增强实时性，使其可以应用于工业控制等一些实时性要 求较高的场合”1 。 l a c l i n u x 操作系统上面有很多第三方的标准软件模块，例如网络协议 栈，w e b s e r v e r 等。标准软件模块的加载使用很方便，提高了开发的效率和节约_ 丌发 周期 6 1 。 1 2课题来源与意义 本课题“s d h 专用分接器的设计实现”目的是设计一个基于高性能嵌入式处 理器、s d h 分接复用芯片、嵌入式操作系统的s d h 专用分接器。该专用分接器可 分接复用光网络信号，可网络在线实时配置系统参数。 在国内现阶段光传输网在技术上已经比较成熟。但传统的光传输设备体积较 大，而且功能复杂，不适合一些特殊的应用场合。而本课题研究的s d h 专用分接 器具有特殊的应用场合。s d h 专用分接器输出的d s 3 支路在国内较为少见【7 】。并 且该课题基于嵌入式操作系统的控制平台，网络在线配置s d h 专用分接器的这种 实现方案据笔者搜寻还没有发现这样应用。 在s d h 技术较为成熟，嵌入式系统接入网络大势所趋的今天，该嵌入式系统 研究根据特殊的应用背景，进行有针对性的研究，具有较大是实用阶值和现实意 义。 电子科技大学硕士学位论文 1 3课题研究内容 本课题的目标是设计一种基于网络实时配置的专用s d h 分接器方案，要求该 分接器能够输出e l ，d s 3 ，s t m 1 信号，且该分接器的输入信号等级为s t m 一1 6 。 方案设计的主要研究内容包括方案功能和s d h 协议分析，s d h 专用分接器的组成 结构分析设计，构建针对本系统的嵌入式软件的开发环境，在此环境下面进行 b o o t l o a d e r 、g c l i n u x 操作系统的剪裁和开发、p c l i n u x 环境下p m cs d h 芯片设 备驱动程序和上层应用程序的设计以及网络c g i 程序的设计开发。 首先分析系统功能，进行方案功能分析和组成结构设计，然后进行嵌入式处 理器和s d h 分接复用芯片等的选型，接着进行以确定各芯片为硬件平台的系统硬 件设计。根据采用的硬件平台和嵌入式操作系统，构建特定的丌发环境。软件平 台设计是在r e d h a t 9l i n u x 下，使用g n u 开发工具实现b o o t l o a d e r ，i j c l i n u x 操 作系统，j f f s 2 文件系统，驱动程序，应用程序等。 硬件方面的研究内容包括： 1 结合方案设计功能要求以及整体方案结构，分析比较当前嵌入式市场主流 的3 2 位嵌入式处理器和s d h 分接复用芯片，完成m c u 和s d h 套片的选型。 2 根据所选择的处理器和s d h 套片，结合系统方案的整体设计，进一步进 行方案设计系统信号流程、系统软硬件的分层结构等的详细规划。 软件方面的研究内容包括： 1 使用m 6 8 k 的g n u 开发工具，实现控制平台的b o o t l o a d e r 的设计与实现； 2 g c l i n u x 在m c f 5 2 4 9 上的的移植，j f f s 2 文件系统的移植： 3 p m c 芯片的 _ t c l i n u x 驱动的设计与实现； 4 基于g c l i n u x 强大网络功能的上层应用程序的设计与实现。 1 4作者所做工作 在本课题的研发工作中，作者负责课题研究的“s d h 专用分接器控制平台设 计实现”。具体工作包括： 1 分析并理解s d h 协议i t u yg 7 0 7 y 1 3 2 2 ； 2 分析并理解控制平台硬件部分：m c f 5 2 4 5 处理器以及m 5 2 4 9 c 3 开发板； 3 搭建软件开发平台，包括建立软件开发环境、b o o t l o a d e r 的移植、p c l i n u x 的移植、j f f s 文件系统的移植； 第一章引言 4 控制c g i 应用程序的编写、应用程序与底层驱动的接口、w e b s e r v e r 的配 置以及配置网页的编写； 5 s d h 专用分接器控制平台的测试。 1 5 本论文的章节安排 本论文论述了可网络在线实时配置的嵌入式s d h 专用分接器控制平台方案设 计实现的研究。基于m o t o r o l a3 2 位嵌入式r i s c 处理器c o l d f i r e 5 2 4 9 ，包括控制 平台硬件设计、嵌入式系统b o o t l o a d e r 实现、嵌入式l i n u x 移植以及l a c l i n u x 上 的上层应用程序开发等技术。本文介绍了相关的技术背景知识，将按照如下章节 安排展开：。 第一章引言。简介论文课题研究背景和课题内容。 第二章g c l i n u x 系统分析。首先简介嵌入式系统，然后通过比较p c l i n u x 与 p c o s ，选择l a c l i n u x 作为控制系统的操作系统。接着介绍g c l i n u x 的特点以及 关于它的实时性问题。 第三章控制平台设计及论证。通过课题指标要求的分析，设计控制系统的实 现方案，并进行了可行性分析。 第四章详细阐述控制平台的硬件电路。 第五章软件的设计实现。首先介绍了整个控制平台的软件结构，然后详细介 绍了各个部分软件的实现。包括b o o t l o a d e r 的实现，g c l i n u x 的移植，j f f s 2 文件 系统的移植，上层应用程序的实现以及和底层驱动程序的接口等部分。 第六章详细介绍控制平台的调试与测试。 第七章对论文工作做出总结以及对未来的展望。 在附录中给出本次设计相关的的函数目录。 电子科技大学硕士学位论文 第二章 g c l i n u x 系统分析 2 1嵌入式系统简介 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) 定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、 软件硬件可裁剪，适合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的 专用计算机系统8 1 。 嵌入式系统结构如下图2 - 1 嵌入式系统结构图所示【9 1 ： 嵌入式应用软件 嵌入式操作系统 l 圈匿习 嵌入式硬件平台 圈2 - 1 嵌入式系统结构幽 下面具体介绍嵌入式系统的软硬件特性。 1 硬件特性 嵌入式系统总是面向特定应用的，与通用p c 的硬件相比，它的硬件具有以下 特性： 体积小，集成效率高。嵌入式系统总是去除冗余，力争用最小的系统完成 目标功能，特别在一些手持设备中更是这样。 面向特定应用的特性。具体嵌入式系统只能适应某特定应用，针对另一 应用就需要重新设计硬件系统。 低功耗，电磁兼容性好，能在恶劣环境下面工作，即使死机也要求能够快 速启动。 总之嵌入式系统硬件在价格、功能、体积、重量、能耗等方面都有严格的限 制。 2 软件特性 软件是一个应用系统的灵魂，对于嵌入式系统的软件部分，它具有以下特点： 嵌入式软件的研发与硬件密切相关。由于嵌入式软件的开发是针对具体的 第二章此l i n u x 系统分析 硬件平台进行的，它往往牵涉硬件驱动方面的一些软硬结合部分，这就要求开发 人员必须具备相关的硬件知识。 软件代码要求高效率和高可靠性( 小) 。由于嵌入式系统中软件运行空间有 限，内存空间非常宝贵，在软件的编程过程中必须时刻考虑软件的运行效率，同 时选用高质量的编译工具。在实时系统中，处理器必须严格处理异步发生的各种 任务，这对程序的算法设计提出了更高的要求。另外，嵌入式软件系统还应该有 异常处理、快速复位等特点。 软件一般固化在f l a s h 或r o m 中。为了提高执行速度和系统可靠性，同 时缩短系统复位时间，一般在嵌入式软件调试好后，会下载固化到目标板中的 f l a s h 或r o m 中。目标板启动时，再运行其中的代码，而不是像p c 那样从硬盘 存储器中读取程序j 。 2 2 g c l i n u x 与p , c o s 的比较 g c o s 和p 。c l i n u x 操作系统，是当前得到广泛应用的两种免费且公开源码的 嵌入式操作系统。g c o s 适合小型控制平台，具有执行效率高、占用空间小、实 时性能优良和可扩展性强等特点，最小内核可编译至2 k b 。2 c l i n u x 则是继承标 准l i n u x 的优良特性，针对嵌入式处理器的特点设计的一种操作系统，具有内嵌网 络协议、支持多种文件系统、开发者可利用标准l i n u x 先验知识等优势。其编译后 目标文件可控制在几百k b 数量级。 2 2 1 进程调度 任务调度主要是协调任务对计算机系统内资源( 如内存、i o 设备、c i u ) 的争 夺使用。进程调度又称为c p u 调度，其根本任务是按照某种原则为处于就绪状态 的进程分配c p u 。由于嵌入式系统中内存和i o 设备一般都和c p u 同时归属于某 进程，所以任务调度和进程调度概念相近，很多场合不加区分，下文中提到的任 务其实就是进程的概念。 进程调度可分为“剥夺型调度”和“非剥夺型调度”两种基本方式。所谓“非 剥夺型调度”是指：一旦某个进程被调度执行，则该进程一直执行下去直至该进 程结束，或由于某种原因自行放弃c p u 进入等待状态，才将c p u 重新分配给其他 进程。所谓“剥夺型调度”是指：一旦就绪状态中出现优先权更高的进程，或者 运行的进程已用满了规定的时间片时，便立即剥夺当前进程的运行( 将其放回就绪 电子科技大学硕十学位论文 状态) ，把c p u 分配给其他进程。 作为实时操作系统，g c o s 是采用的可剥夺型实时多任务内核。可剥夺型的 实时内核在任何时候都运行就绪了的最高优先级的任务。g c o s 中最多可以支持 6 4 个任务，分别对应优先级0 6 3 ，其中0 为最高优先级。调度工作的内容可以分 为两部分：最高优先级任务的寻找和任务切换。 其最高优先级任务的寻找是通过建立就绪任务表来实现的。9 c 0 s 中的每一 个任务都有独立的堆栈空间，并有一个称为任务控制块t c b ( t a s kc o n t r o lb l o c k ) 数据结构，其中第一个成员变量就是保存的任务堆栈指针。任务调度模块首先用 变量o s t c b h i g h r d y 记录当前最高级就绪任务的t c b 地址，然后调用 o st a s k s w ( ) 函数来进行任务切换。 g c l i n u x 的进程调度沿用了l i n u x 的传统，系统每隔定时间挂起进程，同时 系统产生快速和周期性的时钟计时中断，并通过调度函数( 定时器处理函数) 决定进 程什么时候拥有它的时间片。然后进行相关进程切换，这是通过父进程调用f b r k 函数生成子进程来实现的。g c l i n u x 系统f o r k 调用完成后，要么子进程代替父进 程执行( 此时父进程已经s l e e p ) ，直到子进程调用e x i t 退出；要么调用e x e c 执行一 个新的进程，这个时候产生可执行文件的加载，即使这个进程只是父进程的拷贝， 这个过程也不可避免。当子进程执行e x i t 或e x e c 后，子进程使用w a k e u p 把父进 程唤醒，使父进程继续往下执行。 g c l i n u x 由于没有m m u 管理存储器，其对内存的访问是直接的，所有程序中 访问的地址都是实际的物理地址。操作系统对内存空问没有保护，各个进程实际 上共享一个运行空间。这就需要实现多进程时，进行数据保护，也导致了用户程 序使用的空间可能占用到系统内核空间，这些问题在编程时都需要多加注意，否 则容易导致系统崩溃。 由上述分析可以得知，g c o s 内核是针对实时系统的要求设计实现的，相对 简单，可以满足较高的实时性要求。而p c l i n u x 则在结构上继承了标准l i n u x 的 多任务实现方式，仅针对嵌入式处理器特点进行改良。其要实现实时性效果则需 要使系统在实时内核的控制下运行，r t - l i n u x 就是可以实现这一个功能的一种实 时内核。 2 2 2文件系统 所谓文件系统是指负责存取和管理文件信息的机构，也可以浣是负责文件的 第二章比l i n u x 系统分析 建立、撤销、组织、读写、修改、复制及对文件管理所需要的资源( 如目录表、存 储介质等) 实施管理的软件部分。 p c o s 是面向中小型嵌入式系统的，如果包含全部功能( 信号量：消息邮箱、 消息队列及相关函数) ，编译后的g c o s 内核仅有6 1 0 k b ，所以系统本身并没有 对文件系统的支持。但是p c o s 具有良好的扩展性能，如果需要的话也可自行加 入文件系统的内容。 p _ c l i n u x 则是继承了l i n u x 完善的文件系统性能。其采用的是r o m f s 文件系统， 这种文件系统相对于一般的e x t 2 文件系统要求更少的空间。空间的节约来自于两 个方面，首先内核支持r o m f s 文件系统比支持e x t 2 文件系统需要更少的代码，其 次r o m f s 文件系统相对简单，在建立文件系统超级块( s u p e r b l o c k ) 需要更少的存储空 间。r o m f s 文件系统不支持动态擦写保存，对于系统需要动态保存的数据采用虚拟 r a m 盘的方法进行处理( r a n 盘将采用e x t 2 文件系统) 。 p c l i n u x 还继承了l i n u x 网络操作系统的优势，可以很方便的支持网络文件系 统且内嵌t c p i p 协议，这为p c l i n u x 开发网络接入设备提供了便利。 由两种操作系统对文件系统的支持可知，在复杂的需要较多文件处理的嵌入 式系统中p c l i n u x 是一个不错的选择。而斗c o s 则主要适合一些简单的控制平台 【l0 1 2 3 g c l i n u x 系统 l i n u x 是一种在网络上产生的操作系统，它的产生来自于一名芬兰学生l i n u s t o r v a l d s 的业余爱好。在网络上l i n u x 的开发成为一些高手热衷的项目，使得l i n u x 在短期内就成为了一个稳定、成熟的操作系统。 嵌入式系统和l i n u x 完美的结合，与l i n u x 本身的优良特性有着密不可分的关 系。 1 免费的开源代码。l i n u x 遵循g p l 协议，用户可以免费获得内核源代码， 这就满足了千差万别的嵌入式系统要对内核做不同的修改和优化的需求，同时也 给了嵌入式应用开发者更多的借鉴，大大地节省了丌发工作量，缩短了丌发时间； 2 功能强大的内核，性能高效、稳定、多任务l i n u x 的内核非常稳定。它的 高效和稳定性己经在各个领域，尤其是在网络服务器领域得到了很好的验证，而 且l i n u x 内核小巧灵活，易于裁剪，这使得l i n u x 很适合嵌入式系统的应用； 3 支持多种体系结构。l i n u x 系统支持的体系结构非常多，包括x 8 6 ，a r m ， 电子科技大学硕士学位论文 m i p s ，a l p h a ，s p a r c 等，具有很好的可移植性： 4 完善的网络通信、图形和文件管理机制。l i n u x 强大的网络功能办是适合 于应用在嵌入式环境： 5 支持大量的周边硬件设备，驱动丰富。l i n u x 上的驱动非常丰富，支持各 种主流硬件设备和最新硬件技术，而且随着l i n u x 的广泛应用，越来越多的芯片厂 家开始提供l i n u x 上的驱动； 6 大小功能均可定制，l i n u x 内核精简而高效，其核心部分可按需求进行裁 剪。 正是有了以上优良的特性，l i n u x 才在嵌入式领域中取得了飞速的发展，成为 了嵌入式领域首选的操作系统 。 在现存的嵌入式操作系统中以l i n e 0 公司的p c l i n u x 在国内最为常用， g c l i n u x 是l i n e o 公司的拳头产品，是开放源代码的一个典范之作。一个功能完整 的系统包括了任务管理、设备驱动程序、网络功能等特性的内核的最低硬件需求 仅为2 0 0 k br a m ，i m br o m ，这可以很好的满足大多数嵌入式环境的要求。而 它最成功之处还在于它不需要微处理器的m m u 的支持，这就使得在低硬件成本 的嵌入式市场上大受欢迎。 l i n e o 公司的g c