（通信与信息系统专业论文）基于linux嵌入式系统下的snmp原理与实现.pdf

摘要 摘要 随着网络技术的发展，网络设备往往由许多相对独立的可管理模块组成，这 些管理模块必须能够被灵活地扩展，以满足特定的应用。由于这些可管理模块可 能包含其特定的标准或私有的m m ，故对于网络管理，尤其是对代理的可扩展性 提出了更高的要求。然而作为网络管理协议事实行业标准的s n m p 却没有提供能 够将众多模块纳入到统一的a g e n t 管理之下的解决方案。当前网络管理中应用最 为广泛并作为行业标准的s 订p ( s i m p l en e 铆o r km a i l a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) ，共有 s n m p f v 2 c v 3 ) 三个版本，其中多数设备配备的还是v 1 和v 2 c 版本的代理程序。 由于本文中提到的无线网络接入设备还没有定义标准的节点，因此，要用s n m p 对接入设备以及与之相连的其它网络设备进行管理，必须要扩展原有的m i b 。 由于不同设备采用的操作系统有很大区别，所以要求代理程序能够很方便地 在不同系统下移植，不能带有专有操作系统的痕迹。目前商业上的一些s n m p 代 理开发工具，如v x w o r k s 本身提供了较好的m m 编译工具，用户只需要通过接口 函数来维护m i b 库，完成私有m m 变量代理的实现，并且它具有整体化的设计思 想，模块化程度较高，便于二次开发，但是价格昂贵。开源的n n u x 系统网络管理 开发不同于v x w b r k s 系统。笔者通过对s n m p 代理的分析，采用n e t s 砌p 为基础， 实现了一个无线网络接入设备的基于s n m p v 2 c 的代理，它具有s n m p 基本管理功 能，并成功移植到m o t o r o l ap o w e r p c 8 2 5 0 上的p p c i l i n u x 嵌入式系统，且运行良好。 关键词：简单网络管理协议，n e t s n 呻，管理信息库，代理，嵌入式系统，p p c 一| in u x a b s a c t a b s t r a c t l l w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e 咐0 r kt e c h n o l o g y ，n e 押o r kd e v i c eu s u a l l yi sc o m p o s e d o fm a yi n d e p e n d e ta n d t m l l a b l em o d u l e s i o r d e rt os a t i s f ys p e c i f i ca p p l i c a t i o n ， t h e s em o d u l e sn e e dt ob en e x i b l ee x t e n d e d t 0n e m o r km a a g c m e n t ，l l i g h e rr e q u e s ti s b r o u 班tf o 州a r dt oe x t e n s i b i l i t yo fn e t w o r kd e v i c e ，e s p e c i a i l yt oa g e n t ，b e c a u s et h e s e c o n t m l l a b l em o d u l e sm y n t a i nt h e i rs p e c i f i c a l l ys t a l l d a r do rp d v a t e l yo w n e dm i b h o w e v e r ，a st h ei n d u s t r ys t a n d a r do fn e t w o r km a a g c m e mp r o t o c o “np r a c t i c e ，s n m p d o e sn o to f f e ras o l u t i o no fu i f i c da g e n tm a n a g e m e n ti l l d u d i g u m e r o u s n o w ， s n m p ( s i m p l en e t w o r km 柚a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) i sb e i l l gu s c db r o a d l y ，a n di st h e i d u s t r ys t a n d a r d o ft l l en e t 、v o r km a l l a g e m e n t hh a st h i e ev e r s i o s ：s n m p v l ， s n m p v 2 c ，s n m p v 3 ，m o s te q u i p m c n ti sf i t t e dw i t hv 1 v 2 cv e r s i o na g c n t b e c a u s e t h e r ei sn os t a n d a r dn o d ef b rw i r e l e s sn e 抑o r kc b 加e c t i o nd e v i c em e n t i o n e di nt l l i s p 印e rd e f i n e di nm i b ，w em u s te x t e dt h e 叫e n tm i bt r c ei fw ew a n tt om a n a g et h i s f a c i l i t ya n do t h e r st h a tc o n n e c ti tb ys n m 卫 a st h e r ea r e 罂e a td i 拄e r e n c ea m o n gd i 丘c r c n t 叩e r a t i o ns y s t e m s a d o p t e db y d i 如r e md e v i c e s ，a g e n tp m 鲫ns h o u l db ea b l et ob et r a n s p l a l l t e dv e r yc o n v e n i e t l y a n dh a v en oe x c l u s i v es y s t e m a t i cm a r k a tp r e s e n t ，t h e r ea r es e v e r a lc o m m e r c i a l d e v e l o pk i t sf o rd e v e l o p i n gs n m pa g e n t f 研e x 锄p l e ，v x w b r k so sp m v i d eag o o d m i bc o m p i l e lu s e r sd oj u s to n l yi n v o k ci n t e r f a c ef u n c t i o n st om a i n t a i nm i bl i b r a r y a dr e a l i z ep r i v a t e l yo w n e dm i ba g e n t i t sw h o l ed e s j 留p h i l o s o p h yi sv e r yg o o da n d t h e m o d u l a r i z a t i o d e g r e ei sh i 曲 n sc o n v e i l i c n tf o ru s e r sc a y i gs e c o n d a r y d e v e l o p m e n t ，b u ti t sp r i c ei sh i 曲髓ed e v e l o p m e mo fn e 俩o r km a n a g e m e n to nl i 肌x o st h a to p e ns o u r c et 0a l lp e o p l ei sd i 彘r e t 矗o mo nv x w b r k s0 s b ya n a l y z i n g s n m p a g c t ，u s i n gn e t s n m pl 【i t ，t h ea u t h o rr e a l i z c daw 眈l e s sn e m o r kc o n c c t i o n d c v i c ea g e n tt h a tb a s c do ns n m p v 2 c t h ea g e mb et 删1 s p l a i l t e dt o 锄b e ds y s t c m p p c l i n l l ( o n m o t o r o l ap o w e r p c 8 2 5 0s u c c e s s f i l l l y ，c o u l d p r o v i d eb a s a ln e t w o r k m a n a g e m e n tf l l i l c t i o i l sa n dm sw e l l 1 【e y w o r d ：s n m bn e t - s m p ，m i b ， a g e t ， e i n b e ds y s t e m ， p p c l i n u x 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成爨。尽我魇知，除了文巾特裂鼹 美_ 蠡泼霹致落中鬃罗列豹内鸯渡乡 ，论文孛不 包含其他人已经发表或撰碍过的研究成果：也不锶含为获得西安电子科技大学或 其它教育攒| 擒鳃学位或逶书露馊爨过戆誊孝精。与我一弱王痒懿嚣悫黠本磷究繇徽 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 孛谚攀位论文与资瓣装套不实之处，本人承掇一凌楼关责任。 本人笈名：愆聋施 目麓；地：f ：至l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解话安电予科技大学有关保留和使用学位论文的溉定，即；研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为珏安电子科技大学。 学校有权绦留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部溅部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守诧趣定) 本学位论文属于保密在年解密后邋用本授权书。 本人签名：一徽出日期：逊，：羔： 导师签名：蝴日期：型型 第一章绪论 第一章绪论 随着计算机使用的迅速普及，以及嵌入式系统的广泛应用，使得网络规模不 断扩大，同时影响网络服务的因素也随之增多。为了对网络设备进行有效地管理， 确保信息网络安全、可靠地运行，要求开发出实用的、功能强大的网络管理软件 是网络应用技术的大课题。 早期的网络管理工作是一种以人工为主，辅以某个公司的专用管理软件的模 式。但是随着网络产品的多元化，网络结构的复杂化，人工方式已经远远不能满 足对新的网络管理需求。为了简化和统一对网络的管理，i s o 和i n t e m e t 组织都提 出了自己的网络管理框架、协议标准和服务，即i s o o s i ( i n t e m a t i o n a lo r g a i l i z a 吐o n f o rs t a n d a r d i z a t i o n 伽e ns y s t 锄si i l t e o o 衄e c t i o n ) 的公共管理信息服务和协议 ( c m l s c m c o 蛐o nm a n a g e m e n t 嘲l a t i o ns e i c ea n dc o m i n 0 m a n a g e m e n t i n f o 肋a t i o np r o t o c 0 1 ) 和i m e m e t 的简单网络管理协议( s n m p v l v 柳3 ，s i m p l e n 色t w o r km a n a g c m e n tp r o t o c o l 髓i o n1 2 3 ) 。基于这两种模型和协议，不少研究 机构都试图定义一种单一的管理异构网络的方法来简化网络管理的策略和机制。 这些工作向标准化网络管理迈出了脚步。 现代的计算机网络管理，是基于对电信网的管理发展而来的。它经过早期的 手工管理、计算机管理再到电信管理网( ，孙l n ，i h e m m t l l l i c a t i o nm 锄a g c m e n t n e 咐o r k ) ，最后发展到计算机网络管理。计算机网络管理的需求是多方面的，从技 术层面上讲可分为：网络故障诊断、网络计费管理、网络的安全管理、网络流量 控制和网络路由选择策略管理等。网络管理开发者可跟据自己的需求制定相应的 网络管理方案。 笔者结合先前的实际项目需要，实现了一个对无线网络接入设备的管理程序。 这个设备具有简单的网络路由功能，通过卫星或天线把本地机或局域网与 i n t e r n e t 或其它专用网络相连，从而实现与外界的通信。由于我们在网络中使用 t c 邛套接字开发网络应用程序，所以也采用了同样基于t c m p 的简单网络管理 协议( s n m p s i m p l en e t w o r km a i l a g c m e mp i d 眦0 1 ) 实现对这个网络设备的管理。 s n m p 是在简单网管监视协议( s g m p ，s i m p l eg a t e w a ym 咖j t o r i n gp m t o c 0 1 ) 上发展 而来的。s g m p 是比较成功的管理中介系统( 网管) ，对它进行扩展，加入对末端系 统的管理，就演化到s n m p 协议了。s n m p 已经经过s n m p v l v 2 c 、，3 三个版本的 发展，得到了广泛的应用，并成为网络管理方案和协议的事实标准。所以我们采 用s n m p 也是对大多数网络设备的支持。 s n m p 是建立在用户数据报协议( u d eu s e rd a t ap r o t o c 0 1 ) 之上的支持多个代 理的管理协议。因为h t e m e t 管理信息和s n m pp d u 的格式都是按照a s n 1 语法 2 基于l 抽嵌入式系统下的s n m 口原理与实现 定义的，所以在u d p 上需要进行编码。这种编码功能按照基本编码规则( b e r ，b a s i c e n c o d i n gr u l e s ) 来进行。s n m p 有五种类型的p d u 操作：g e t r e q u e s t 、 g e t n e x t r c q u e s t 、s e t r e q u e s t 、r e s p o n s c 和t r a p 。s n m p 协议的操作基本上就是依 赖于管理者与代理之间发送和响应这些p d u 来实现的。管理者发送g e t r e s p o n s e 、 g e t n e x t r e q u e s t 和s e t r e q u e s tp d u 给代理，代理通过r e s p o n s e 响应，如果代理发 生异常，它就通过t r a pp d u 向管理者发送报告。 本文s n m p 程序是在s o u f c e f o r j 驴提供的c t s n m p 软件包基础上实现的。我 们对已有的n e t s n m p 软件包中的管理代理进行扩展，并结合软件包提供的各种文 档配置适合自己需要的网络管理程序。最后把配置好的代理端程序编译后烧写到 我们的嵌入式系统中，实现管理端对代理管理与控制的功能。 嵌入式系统具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突 出特征。目前已经广泛应用于军事国防、消费电子、网络通信、工业控制等数字 行业。嵌入式系统包括硬件和软件两部分。硬件系统主要包括处理器微处理器、 存储器及外设部件和i 0 接口。嵌入式软件部分包括操作系统s ) 和应用程序，与 硬件系统结合组成一个完整的嵌入式产品。嵌入式处理器是嵌入式系统硬件的核 心，目前世界上存在上千种具有嵌入式功能的处理器，体系结构包括m c u 、m p u 等几十个系列。根据应用领域的不同，嵌入式系统可以分为下面几类：嵌入式微 控制器( m c u ) 、嵌入式数字信号处理控制器( d s p ) 、嵌入式微处理器( m p u ) 和嵌入 式片上系统( s o c ) 。当前的嵌入式微处理器中，数a r m 系列、p p c 系列处理器广 泛应用，这是由于它们各自的特点决定的。a r m 系列处理器价格便宜，主要应用 于手持移动终端设备上。而p p c 系列处理器主要应用在网络设备上，因为p p c 系 列处理器是双核处理器，具有专门的通信处理模块( c p m ) ，分担了核心处理器的大 部分网络处理负担，从而提高了系统的通信能力。这也是在本文中选用p p c 系列 处理器的主要原因。 嵌入式系统软件主要是嵌入式操作系统。操作系统所具有的基本功能，如： 内存管理，进程管理等，嵌入式操作系统都具有，它是一个微型的操作系统。目 前市场上使用广泛的操作系统有：v x w b r i 【s 、w 铀d o w sc e 、l x 、p a h no s 、0 s 9 、 p s o s 、j i n i 、q n x 和h o p e 等。这些操作系统都有一个共性，它们都是付费的系 统，都有自己的特色。然而对于嵌入式产品生产企业来说，付费系统会给他们带 来较高的生产成本，从而压缩了利润空间。有没有免费的嵌入式操作系统可供选 择呢? 答案是肯定的。u 删x 系统是一款免费的、开放的操作系统，并且开发者可 以跟据自己的需要而更改、裁减内核代码，使得系统使用起来非常灵活。基于p p c 的l i n u x 与p c 使用的l i n l l 】【基本上是一致的，它们的差别只是c p u 结构不同。 而广泛应用的u c l i n u x 与p p c u n u x 的区别在于，u a i n 呱是应用在没有m m u 的处 理器之上，p o w e r p c 处理器是有m m u 的，所以p 0 w e r p c 上的i j n 呱移植比u a i n l l 】【 第一章绪论 移植更为容易。 嵌入式系统软件中还有一个重要的组成部分就是应用软件，正是有了应用软 件，才使得嵌入式系统具有专业产品的特性。在我们的无线网络接入设备中，为 了能够对该网络设备的网络状态和系统运行情况进行实时观察，保证网络正常运 行，而设计了网络管理程序。 第二章嵌入式系统及嵌入式u n u x 2 1 1 嵌入式系统 第二章嵌入式系统及嵌入式l in u x 2 1 嵌入式系统及嵌八式应用 嵌入式系统被描述为：以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、 蜀嘉性、藏本、体强、凌裁等缘畲蛙严格要求豹专曩谤箕秘系统。嵌入式系绞主 矮由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成。在 嵌入式系统孛，操终系绞露痤翅软磐集成子诗舞撬硬件系统之巾，鄹系统静痤瘸 软件与系统的专用硬件一体化。它是集软硬件予体的w 独立工作的“器件”。 2 1 2 嵌入式系统的历史发展 嵌入式系统瓣宙瑗凳今已经各3 0 多年静瓣交了，嵌入式按术也历缀了尼个发 展阶段。进入9 0 年代后，以计算机和软件为核心的数字化技术取得了迅猛发展， 不莰广泛渗透弱事圭会经济、军事、交逶、逶信等稻关雩亍娆，蔼簸深入弱家奄、娱 嫌、艺术、社会文化等各个领域，掀起了一场数字化技术革命。多媒体技术与i i l t e m e t 静瘟臻逐速善及，瀵费壤予、计舞襁、遴信穆c ) 体铑憝势鑫趋明显，嵌入式按术 樽度成为一个研究热点。综观嵌入式技术的发展，大致经历了以下4 个阶段。 ( 1 ) 第一泠羧是敷繁芯片戈核心懿霹绩程按裁器形姣熬系绞，同嚣重矮毒与熬 浏、伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一燎专业性极强的工 照控钊系统孛，敷没蠢操终系统熬支抟，逶避汇编潺富缓疆越系绞遴行壹接控 制，运行结束后清除内存。这一阶段系统的主袋特点悬：系统缱构和功能都相对 单一，处理效率较低，秽糖容量较小，几乎没蠢用户接翅。由予这秽嵌入式系统 使用简便、价格低廉，以前在国内工业领域应用较为普遍，但怒已经远远不能适 嶷商效的、需要大容量存健奔履驰现代织工业披露l 和新兴趣售感家电等领域的霭 求。 ( 2 ) 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以楚单操作糕统为核心敬嵌入式系绕。 遮一阶段系统的主要特点是：o u 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率 旖；操作系统具有一定的兼容性釉扩展髅；应用软件较专业，用户界瑶不够友好； 系统主娶用来控制系统负载瓯及虢控应掰程序运行。 ( 3 ) 第三阶段是以嵌入式操佧系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要 特点是；嵌入式操作系统能运 亍予各种举两类登盼镞处壤器上，兼容往好；操作 !基于u n u x 嵌入式系统下的s n m p 原理与实现 系统内核耩小、效窜高，弗置具鸯高度的攘块仡帮扩展性；其备文件和哥浆管穗、 设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等劝能；嶷有大量的应用 程痔接蠲淞p 1 ) ，开发应藤弦序筒攀；嵌入式应瘸稷序丰富。 ( 4 ) 第四阶段是以基于h l t e m c t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展 懿除羧。蟊藩大多数嵌入式系统还缀立于轴l e m e t 之矫，餐箍着孙t e 糟e l 的发展戳 及b t e m e t 技术与信息家电、工业控制技术椁结合日益密切，嵌入式设各与i l l t 哪c t 结合孝孥霞表饕嵌入式按术静囊正来采。 2 。1 3 嵌入式应用的现状 嵌入式系统是灏囱应用的，其成用领域十分广泛，可以应用农现捉绲王避鲍 各个领域。微控制秣就是就是最普遍应用的嵌入式计算机，数量可达几亿到几十 亿，远远大于个人螽式机，嵌入式设备从来没有象现在这样风摩过。 嵌入式系统应黼领域可以概括为以下三个方面： ( 1 ) 国骑应用领域：武器控制、军事电子装备、军事遥信及军梁指挥系缆。 ( 2 ) 民用电子装备及梳嘏一律识设备：备种测黧仪器仪表；数掇装置、工业控 制机器、机器入等工业电予设备；机电一体化工程机械及农业机械；汽车、机车、 琵虢及虢瓣电子设备；办公自动能设备；诗算机外帮设备：通讯控箭器及通讯设 备；商用收漱机等商用电予设备；医疗电予设备等。 ( 3 ) 家瘸宅器及瀵费类毫子产懿：数字龟_ 莞税袋盒、录像祝、v c d 、d v d 、 手机、可视电话、掌上电脑、个人数字助理( p d a ) 、家庭网络设备、洗衣机、电冰 箨、餐髓磊蹙、跨火茨盗设备等。 = 十一世纪是数字化网络的时代，计算机、通信、控制形成“3 c ”技术相互 融会，漤费类电子产鑫灌豢数字稔技术与秘缮靛善获菰走淹数字诧、褥终豫。嵌 入式计算设备是实现电子产品数字化、网络化的技术基础。 2 2 嵌入式系统的技术特点 2 2 + 1 嵌入式策统的特点分析 嵌入式计算机系统同通糟型计算机系统相比具有以下特点： 1 、嵌入式系统通常是颡向特定应用的 嵌入式c p u 与通用型的最大不阊就是嵌入式c 雕大多工作在为特定用户群设 计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，黢够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯盼内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型 第二章嵌入式系统及嵌入式i 删l x 7 伍，移麓能力大大增强，与霹络豹藕合晓越来越紧密。 2 、嵌入式系统是将先进的计算机技术、半鼯体技术和电予技术与备个行业的 美体癍麓稳结会螽静产耱。这一点藏决定了宅必然是一个技术密集、资金密集、 高度分散、不断创新的知识集成系统。 3 、嵌入式系统的裂俘帮软释都必袋嵩效率穗设计，量钵裁农、去除冗余，力 争在有限的硅片面积上实现更商的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择 踅具寿竞争力。 4 、嵌入式系统和具体应用脊机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产晶 嗣步进露，因魏嵌入式系绞产熬量进入枣场，矮骞较妖豹垒露攥蘩。 5 、为了提高执行速度和系统可靠惶，嵌入戏系统中的软件般都网化在存储 器芯片或单片搬本身中，嚣不怒存贮在磁痰等载俸孛。 6 、嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户遇常也是不 能对其中兹程序劝毙进纷修改的，必须纛一套弹发王其襄环境才戆避行好发。 2 2 2 嵌入式系统工业的特点和要求 1 、嵌入式系统工业是不可蹩断的高度分散的工业 簸蘩释意义t 来说，逶甭诗葬梳行效懿技拳楚垄断瓣。占整个计算橇行、韭粥 的p c 产业，8 0 采用i n t e l 的8 x 8 6 体系结构，芯片基本上出自m t e l ，a m d ，c v r i x 等届家公司。在死手每螽诗算狐必备我搽作系统鞫文字笼理器方蘧，m j c f o s o 蠢瓣 w i n d o w s 及w b r d 占8 0 - 9 0 ，凭借操作系统还可以搭配其它应用程序。因此当代 靛逶露诗雾税工歉懿蒸羞褰被谈梵是塞w l 嚣l e l 醚l c f o s o 鑫鞫越| e l 粥年我蓊建立豹联 盟1 垄断的工业。 嵌入式系缝粼不网，它是一个努教瓣工照，充满了竞争、裁遇与翅羲，没番 哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。即便在体系结构上存在着主 流，毽务不翅嗣戆应届领域决定了不可辘畜少数公司、少数产熬垄瑟全部枣场。 因此嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的，留给器个行业的中小规 模高技零公司鹣宅4 毅余媲缀大。：舄癸，孝土会上瓣各个瘦翅领域整在不凝扩大戆， 漤求其中的嵌入式处理器核心也同步发展，这也构成了推动嵌入式工业发展的强 大动力。 嵌入式系统工业的蕊础是戳应用为中心的“芯片”设计和面向应用的软件产 鼯开发。 2 、嵌入式系统具有的产品特征 嵌入式系统是面向用户、薅向产品、越向应熙豹，如果独立于应用馥哥亍发鼹， 粥会失去市场。嵌入式缝理嚣酌功耗、体积、成本、可靠性、涟度、处避能力、 ! 基于u n u x 嵌入式系统下的s n m p 原理与实现 电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，这些也是各个半导体厂商之间竞争的 热点。 和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁 衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用 对处理器的选择面前更具有竞争力。嵌入式处理器要针对用户的具体需求，对芯 片配置进行裁剪和添加才能达到理想的性能，但同时还受用户订货量的制约。因 此不同的处理器面向的用户是不一样的，可能是一般用户，行业用户或单一用户。 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同 步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。嵌入式系统 中的软件，一般都固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体，可以随意更换， 所以嵌入式系统的应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长。另外，各个行业的 应用系统和产品，和通用计算机软件不同，很少发生突然性的跳跃，嵌入式系统 中的软件也因此更强调可继承性和技术衔接性，发展比较稳定。 嵌入式处理器的发展也体现出稳定性，一个体系一般要存在8 1 0 年的时间。 一个体系结构及其相关的片上外设、开发工具、库函数、嵌入式应用产品是复杂 的知识系统，用户和半导体厂商都不会轻易地放弃一种处理器。 3 、嵌入式系统软件的特征 嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理器系 统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同。 ( 1 ) 软件要求固态化存储 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器 芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 ( 2 ) 软件代码高质量、高可靠性 尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加， 但在大多数应用中，存储空问仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此要求程 序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度、提高执行速度。 ( 3 ) 系统软件( 0 s ) 的高实时性是基本要求 在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度 是保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效 率的，这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成，因此系统软件的高实时 性是基本要求。 ( 4 ) 多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础 4 、嵌入式系统开发需要开发工具和环境 通用计算机具有完善的人机接口界面，在上面增加一些开发应用程序和环境 即可进行对自身的开发。而嵌入式系统本身不具各自举开发能力，即使设计完成 第二章嵌入式系统及嵌入式u n u x 9 以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环 境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各 种逻辑分析仪、r a s h 烧写器、混合信号示波器等。 5 、嵌入式系统软件需要r t o s 开发平台 通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口i ) ，是计算机基本组成不 可分离的一部分，应用程序的开发以及完成后的软件都在o s 平台上面运行，但一 般不是实时的。嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运 行，但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、一般以成熟的实时操作系统作 为开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障 软件质量。 6 、嵌入式系统开发人员以应用专家为主 通用计算机的开发人员一般是计算机科学或计算机工程方面的专业人士，而 嵌入式系统则是要和各个不同行业的应用相结合的，要求更多的计算机以外的专 业知识，其开发人员往往是各个应用领域的专家。因此开发工具的易学、易用、 可靠、高效是基本要求。 2 3 典型的嵌入式系统 信息家电商机引发全球嵌入式操作系统平台大战，全球4 大操作系统阵营 w i n c e ，p a l mo s ，e p o c 和工j n l l x 展开规格战，各拥有软件及硬件合作厂商逐鹿 信息家电市场的份额。 全球手持式信息家电快速增长，据预测，2 0 0 0 年至2 0 0 4 年市场增长率将到达 7 7 4 ，个人数码助理器( p d 、智慧型手机等手持式信息家电操作系统竞争日益 激烈。除了为后个人电脑时代的硬件大厂带来新一轮商机外，应用软件厂商包括 电子字典、电子地图、游戏开发业者的商机也大量涌现。 微软视窗操作系统拥有个人电脑上操作系统占有率的优势，使w i n c e 拥有强 大的窗口资源支援。不过p a l m o s 操作系统拥有全球p d a 产品7 0 的市场占有率， 同时获得3 c o m ，m m 和索尼等跨国公司的支持。e p o c 是发展自欧洲的操作系统、 是由世界上最大的3 家移动电话厂商诺基亚、爱立信和摩托罗拉所共同开发、整 合组成新公司，开发出来的新操作系统在3 大电话厂商的合作下，e p o c 市场潜力 很大，且占有率高，但应用功能以手机为主，目前并不开放授权。此外，在3 大 主流操作系统品牌外，l i n u x 也将是今后一股强劲的力最，由于l i n u x 开放源码， 也成为各家厂商极力发展的操作系统，且其内核小，潜力可观。 塑基于【j n u x 嵌入式系统下的s n m p 原理与实现 2 4 嵌入式系统的发展趋势 以信息家电为代表的互联网时代的嵌入式产品，不仅为嵌入式市场展现了美 好前景，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了新 的挑战。这主要包括：支持日趋增长的功能密度、灵活的网络联接、轻便的移动 应用和多媒体的信息处理。此外，当然还需应付更加激烈的市场竞争。 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 随着因特网技术的成熟、带宽的提高，i c p 和a s p 在网上提供的信息内容日 趋丰富、应用项目多种多样，像电话手机、电话座机及电冰箱、微波炉等嵌入式 电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级，设 计师们一方面采用更强太的嵌入式处理器如3 2 位、6 4 位r 1 s c 芯片或信号处理器 d s p 增强处理能力，同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制 功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 目前，国外商品化的嵌入式实时操作系统，己进入我国市场的有w i n d r i v e r ， m i c r o s o f t ，q n x 和n u c l e a r 等产品。我国自主开发的嵌入式系统软件产品如科银 ( 嘶e t e k ) 公司的嵌入式软件开发平台d e l t a s y s t 啪，它不仅包括d e n a c o r e 嵌入式 实时操作系统，而且还包括l a m d 删s 交叉开发工具套件、测试工具、应用组件 等。此外，中国科学院也推出了h o p e 嵌入式操作系统。 2 、联网成为必然趋势 为适应嵌入式分布处理和上网需求，面向2 1 世纪的嵌入式系统要求配备标准 的一种或多种网络通信接口。对于联网要求，嵌入设备配备通信接口，并需要 t ( p i p 协议软件支持。由于家用电器相互关联( 如防盗报警、灯光能源控制、影视 设备和信息终端交换信息) 及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备 还需具备e e l 3 9 4 ，u s b ，c a n b l u e t 0 0 曲或i r d a 通信接口，同时也需要提供 相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编程模式， 如w e b 或无线w 曲编程模式，还需要相应的浏览器，如h ，i m l 、w m l 等。 3 、支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本 为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存 容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术的要求。如选用最 佳的编程模型和不断改进算法，采用j a v a 编程模式，优化编译器性能。因此，既 要软件人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术，如j a v a 、w 曲和w a _ p 等。 4 、提供多媒体人机界面 嵌入式设备之所以为亿万用户接受，重要因素之一是它们与使用者之间的亲 第二章嵌入式系统及嵌入式u n u x 和力，自然的人机交互界面。如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习惯的 方向盘、脚踏板和操纵杆。人们与信息终端交互要求以g u i 屏幕为中心的多媒体 界面。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已取得 初步成效。目前一些先进的p d a 在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音方布， 但离掌式语言同声翻译还有一定距离。 5 、嵌入式操作系统与嵌入应用软件协同发展。嵌入式系统中的重要角色包括 嵌入式应用软件，嵌入式系统应用领域千差万别，只有充分重视应用软件的发展， 才能满足丰富多彩的应用要求。 2 5 嵌入式u n u x 系统 在本章前面的小节中，已经阐明了在嵌入式系统中引入嵌入式操作系统的必 要性，在本节中将讲述l i m 在嵌入式系统中的应用。 i j n u x 从1 9 9 2 年问世到现在，短短1 4 年的时间内已发展成为一个功能强大、 设计完善的操作系统，目前舢x 已经可以与各种传统的商业操作系统分庭抗礼， 占据了相当大的市场份额。在嵌入式领域i j 肌x 同样获得了飞速发展，目前正在开 发的嵌入式系统中，4 9 的项目选择l 抽l l x 作为嵌入式操作系统。i j n u x 之所以能 在嵌入式系统市场上取得如此迅速的发展，与它自身的优良特性有着不可分割的 关系。 2 5 1u n u x 作为嵌入式操作系统 将u 肌x 作为下一代嵌入式系统开发工具，不论在技术上还是商业上都是非常 有道理的。从技术方面讲，i j 加x 存在许多现实的、可以量化的优势，例如广泛的 硬件支持、良好的可伸缩性、卓越的性能、极高的可靠性和开放的a p i 。从成本方 面讲，免交版税、免费或廉价的软件组件以及免费的源代码，这些都会在降低产 品成本和提高产品灵活度上得到很大的优势。以下是“n u x 能够给嵌入式系统开发 带来的可测算的利益。具体地讲，选择u u x 作为嵌入式系统开发平台，至少可以 找到以下四个因素： 一，硬件支持开放的设备驱动程序 在基于传统嵌入式操作系统的环境中寻找合适的设备驱动程序可能是一个令 你头疼的问题。在桌面或者服务器的环境中，几乎不到六个月就会出现新的外部 设备。外设厂商们自己会为桌面，服务器的操作系统追加新的驱动程序，以支持他 们新推出的显卡、网卡以及其他各种设备。而对于嵌入式操作系统，设备厂商不 会提供驱动程序。操作系统提供商的资金、人力有限，很难及时提供这些驱动程 基于l m l l 】【嵌入式系统下的s n m p 原理与实现 序。传统的r 1 1 0 s 厂商有两种方式来支持客户选定的硬件：一种是支付咨询开发 费，聘请别人来开发设备驱动程序；另一种是从开放源代码社区寻找工j n u x 驱动程 序，然后再投入一定的资金和人力对其进行修改，以适应自己的系统。 相比之下，很容易找到l i n u x 的设备驱动程序，设备接口代码总是与新设备的 推出相同步的，有时甚至还会早于设备的推出。 二，可裁减的u n u x 传统的嵌入式操作系统总是为其内核的小巧和高效而沾沾自喜。即使是在今 天，存储空间的增长单位达到了1 6 m b ，许多厂商仍然在夸耀自己的“微内核解决 方案只有1 5 k b ”。实际上，一个可行的商业化操作系统，其内核的大致空间为1 2 8 2 5 6 k b ，另外需要1 0 0 2 0 0 k b 来支持t c 【p 栈和插件库。对于一个w e b 装置， 还需要5 0 1 5 0 k b 用作m - i p 服务器，外加最少6 4 k b 的工作r a m 。可见，一个 8 0 0 k b 到1 m b 的嵌入式系统软件并不算是庞然大物。 在嵌入式i j n u x 系统中，你只选用对你的应用有意义的部件。例如，不需要读 写文件系统。同样，网络、g u i 、外壳以及无数的实用程序和库，都可以丢得远 远的。 三，u n u x 与实时性 许多嵌入应用都有实时性的要求。然而，对延迟时间的敏感程度常常是不同 的，具体情况取决于控制算法、通信协议和用户接口等因素。而且，许多实时性 的要求都是“软性”的，超过一两次系统响应时问的限制并不影响整个系统的运 行。即使是在真正的“硬”实时系统中，仍然可以通过提高设备或c p u 的性能来 满足要求。 如果将通用操作系统( g p o s ，g e r a l p u q o s e0 恤r a t i n gs y s t e m ) ，如、) l ，i n d o w s n t ，用于实时嵌入应用，那将是一场灾难。因为在多线程、多任务环境中，它对 每个任务的相应处理是平等的，响应时间受到系统负载的影响。i j n u x 虽然一开始 是为台式机和服务器开发的，也是一种通用操作系统，但它却能用于实时嵌入领 域。有两种办法解决i j n u x 的实时问题：第一，在系统中插入实时内核；第二，改 进进程调度器和设备驱动程序。 其实，第二种办法是比较明智的，根据实际应用的需要优化现有的u n u x 代码。 在设法提高u n l l 【的反应速度之前，测试其实际的实时性能是非常重要的。也许， 现有的嵌入式l _ m u x 系统已经能够满足具体应用的实时性要求。如果实际应用的要 求真的超出了现有的嵌入式i j n 眍的能力，也不必失望。一些软件公司的工程师们 正在进一步优化嵌入式u 仙x 的性能，在内核和接口两个层面上都将会有更令人鼓 舞的结果。 四，合作与支持 与专有嵌入式操作系统厂商的商业合作关系是比较复杂的，你会涉及到价格 第二章嵌入式系统及嵌入式ij n u x 昂贵的知识产权工具、版税等问题。他们希望得到客户的重复购买，因而采取了 一些技术锁定措施。 相反，嵌入式【j n u x 的商业模式是不同的，不再把知识产权看作是利润来源， 而是提供订阅用户和专业服务外加标准版嵌入式u n u x 软件f 例如h a r dh a t l i n u x1 。通过向订阅用户收取一定的费用，基于一个稳定的软件版本，从而可以 形成一个长期的商业合作战略。 2 5 2 嵌入式i j n i i x 的开发和应用优势 由于嵌入式l j n u x 具有天生秉承的优势，越来越多的企业和科研机构已经把目 光转向了嵌入式u n u x 的开发和应用上。归纳而言，嵌入式l j n u x 至少具有以下九 点优势： 1 、开放的源码，丰富的软件资源 n l l x 是自由的操作系统，它的开放源码使用户获得了最大的自由度。u n u x 上的软件资源十分丰富，每一种通用程序在i j n u x 上都可以找到。 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，它的高效和稳定性已经在各个领域，尤其在网络服务 器领域，得到了事实的验证。u n u x 内核小巧灵活，易于裁减，这使得它很适合嵌 入式系统的应用。 3 、支持多种体系结构，如x 8 6 、p o w e r p c 、删、m m s 、a l p h a 、s p a r c 等。目前，i j n u x 己经被移植到数十种硬件平台上，几乎支持所有流行的c p u 。 4 、完善的网络通讯、图形、文件管理机制 u n l l 【自问世就与网络密不可分，网络是u n u x 的优势。另外，u n u x 还支持 多种文件和图形系统。 5 、支持大量的周边硬件设备 l i n u x 上的驱动已经非常丰富了，它们支持各种主流硬件设备和最新硬件技 术。 6 、大小、功能都可定制 l i n l l 】【秉承u n i x 的优秀设计思想，非常灵活，各部分都具有可定制性。 7 、良好的开发环境，不断发展的开发工具集 i j n u x 有着非常优秀的完整开发工具链，有十几种集成开发环境，其中很多是 免费的，大大降低了开发费用。 8 、软件开发者的广泛支持 l i n u x 的自由精神吸引了成千上万的程序员投入到i j n u x 的开发和测试中来， 这使得u 肌x 在短