（机械制造及其自动化专业论文）嵌入式linux的研究及其应用.pdf

摘要 嵌入式l i n u x 的研究及其应用 学科：机械制造及其自动化 研究生签字： 指导教师签字： 摘要 f 计算机技术、通讯技术相结合的信息时代的快速发展和互联网的广泛应用， 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 ) 合一已经成为必然趋势，计算机工 业的中心将从计算产品转移到信息产品。由于信息产品功能需求的不断增加，嵌 人式操作系统必将成为软件业的重要分支。同时在计算机本身的领域，微型化和 专业化也需要嵌入式系统的支持。因此，研究嵌人式系统的关键技术嵌入式 操作系统有着重要的学术意义和实际意义。) r 一刁，一 本文在对嵌入式系统的概念、特点及软硬件进行较详细讨论的基础上，分析 了嵌入式系统的发展趋势和目前存在的问题。从对嵌入式处理器的支持、实时支 持、网络支持、g u i 开发等方面对多种操作系统进行了分析比较，依据l i n u x 的 特点和开发环境，选择l i n u x 作为改造成符合嵌入式操作系统要求的操作系统。 以x 8 6 体系结构的p c 为平台，采用i s a 总线结构的工控板卡，在嵌入式l i n u x 的运行和开发环境下，给出了通用i s a 工业控制卡在嵌入式l i n u x 中实现高速实 时数据采集、编制l i n u x 驱动程序及实现多任务的方法。并针对嵌入式设备的输 入、输出都不是标准设备的特点，采用液晶模块和l e d 数码管作系统输出，实 现了数据的高速实时采集，并将采集到的数据输出到标准c r t 输出设备，同时 通过l p t 口输出到液晶模块和l e d 数码管。结合嵌入式l i n u x 的网络特性，以 n e 2 0 0 0 网卡为对象，探讨了网络设备的驱动机理和实现方法。 关键词：嵌入式系统；l i n u x ； - _ _ _ _ “。 r t o s ：r tl i n u x ；l i n u x 网络驱动程序 _ ”一_ _ - r e s e a r c ho fe m b e d d e dl i n u x o p e r a t i o ns y s t e m a n d i t sa p p l i c a t i o n d i s c i p l i n e ：m a n u f a c t u r eo f m e c h a n i c a la n da u t o m a t i o n s t u d e n t s i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： a b s t r a c t i ti sa t e n d e n c y t oc o m b i n e 3 c ( c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n a n d c o n s u m e r ) w i t h t h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt i m e sa n db o a r d a p p l i c a t i o n o fi n t e r n e t t h ef o c u so f c o m p u t e ri n d u s t r yi st r a n s f e r r e df r o m t h e c o m p u t e rp r o d u c t st oi n f o r m a t i o np r o d u c t s e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mw i l lb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tb r a n c h e si n s o f t w a r ef i e l db e c a u s eo ft h eg r a d u a li n c r e a s eo ft h er e q u i r e m e n t so fi n f o r m a t i o n p r o d u c t sf u n c t i o n a tt h es a m et i m ee m b e d d e ds y s t e ms u p p o r tt h em i n i a t u r ea n d s p e c i a l i z a t i o no ft h ec o m p u t e rf i e l d ，t o o s o ，i ti si m p o r t a n tt or e s e a r c ht h ek e y t e c h n i q u e so f e m b e d d e ds y s t e m - - - - - e m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m b a s e do nt h ed i s c u s s i o no ft h ec o n c e p t s ，f e a t u r e ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h e d e v e l o p m e n ta n dp r e s e n tp r o b l e m sa b o u te m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma r ea n a l y z e d a n ds o m eo p e r a t i o ns y s t e m sa r ec o m p a r e do nt h ee m b e d d e dp r o c e s s o r , r e a lt i m e ， n e t w o r k ，g u i ，a n de t c a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r ea n dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ， l i n u xi ss e l e c t e da st h er e c o n s t r u c t i o nt o o lo fe m b e d d e do p e r a t m gs y s t e m b a s e d x 8 6 p c ，c o n t r o l l e rw i t hi s a ，t h ep a p e rp r e s e n t sam e t h o d t h a tr e a l i z eh i g h s p e e dd a t a c o l l e c t i n g a n dd r i v e r p r o g r a m m i n g i nl i n u xe n v k o n m e n t s i n c et h ei oo f e m b e d d e de q u i p m e n t si sn o ts t a n d a r d ，l c da n dl e da r eu s e da so u t p u tt or e a l i z e t h eh i 曲一s p e e da n dr e a l t i m ed a t ac o l l e c t i o n a n dc o l l e c t e dd a t aa r et r a n s p o r t e dt o t h es t a n d a r dc r t , l c da n dl e db y 唧p o r t c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f l i n u xn e t w o r ka n ds e l e c t i n gt h en e 2 0 0 0n e tc a r da so b j e c t ，t h ed r i v em e c h a n i s m a n dr e a l i z a t i o no fn e t w o r k e q u i p m e n t a r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：e m b e d d e d o p e r a t i n g s y s t e m ；l i n u x ；r t o s ；r t l i n u x ； l i n u xn e t w o r kd e v i c ed r i v e r s 绪论 1 绪论 随着社会的日益信息化，计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一个角 落，任何人都可拥有从小到大的各种使用嵌入式技术的电子产品，小到m p 3 、 p d a 等微型数字化产品，大到网络家电、智能家电、车载电子设备等。 目前，各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过了通用计 算机。在工业和服务领域中，使用嵌入式技术的数字机床、智能工具、工业机器 人、服务机器人正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。 1 1 嵌入式系统的定义 1 1 1 嵌入式系统的定义 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、 监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”( 原文为d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ， m o n i t o r , o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo r p l a n t s ) “】。这主要是从 应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还涵盖机 械等附属装置。不过，上述定义并不能充分体现出嵌人式系统的精髓。目前国内 一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可裁 剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系 统”。 可以从以下几个方面来理解嵌入式系统的定义【2 】： 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相 结合才会具有生命力、才更具有优势。嵌入式系统是与应用紧密结合的， 它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行 业的具体应用相结合后的产物。 嵌入式系统必须根据应用需求可对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功 能、可靠性、成本、体积等要求。 同时还应该看到，嵌入式系统本身还是一个外延极广的名词。凡是与产品结 合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以称为嵌入式系统，而且有时很难给 它下一个准确的定义。现在人们讲嵌入式系统时，某种程度上是指近些年来发展 起来的具有操作系统的嵌入式系统，本文也沿用这一概念。 一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分睁( 如图1 1 所示) ：处理器、 存储器、输入，输出( i o ) 和软件( 由于多数嵌入式设备的应用软件和操作系统 西安工业学院硕士学位论文 都是紧密结合的，在这里对其不加区分， 这也是嵌入式系统和w i n d o w s 系统的最大 区别) 。 1 1 2 嵌入式系统的历史 虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来 的，但是这个概念并非新近才出现。从2 0 世纪7 0 年代单片机的出现到今天各式各样 图1 1 嵌入式系统组成 的嵌入式微处理器、微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近3 0 年的发 展历史1 5 。 嵌入式系统最初的应用是基于单片机的。2 0 世纪7 0 年代单片机的出现， 使得汽车、家电、工业机器、通信装置等产品可以通过内嵌电子装置来获得更 佳的性能，更容易使用，更快、更便宜。这些装置已经初步具备了嵌入式的应 用特点，但这时的应用只是使用8 位的芯片，执行一些单线程的程序，还谈不 上“系统”的概念。 8 0 年代早期，开发人员为了进一步缩短开发周期，降低开发成本并提高开 发效率，开始用商业级的“操作系统”编写嵌人式应用软件。 1 9 8 1 年，r e a d ys y s t e m 开发出世界上第1 个商业嵌入式实时内核 ( v t r x 3 2 ) 。这个实时内核包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、 任务间通信、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。此后一些公司也 纷纷推出了自己的嵌入式操作系统，如i n t e g r a t e ds y s t e mc o r p o r a t i o n ( i s i ) 的 p s o s 和w i n d r i v e r 的v x w o r k s 、q n x 公司的q n x 等。这些嵌入式操作系统均 采用占先式的调度，响应的时间很短，任务执行的时间可以确定；系统内核很 小，具有可裁剪性、可扩充性和可移植性，可以移植到各种处理器上；较强的 实时性和可靠性。 9 0 年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时内核逐 渐发展为实时多任务操作系统( r t o s ) ，并作为一种软件平台逐步成为目前国 际嵌入式系统的主流。 1 2 嵌入式系统的硬件 构成嵌入式系统的硬件主要由处理器、存储器、i o 接口电路等，而处理 器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分”1 。目前嵌入式处理器的寻址空间可以 从6 4 k b 到1 6 m b ，处理速度最快可以达到2 0 0 0 m i p s ，封装从几个引脚到几百 西安工业学院硕士学位论文 个引脚不等。 ( 1 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t 。m c u ) 嵌入式微控制器的典型代表是单片机。单片机芯片内部集成r o m e p r o m 、 r a m 、总线、总线逻辑、定时针数器、看门狗、i o 、串行口、脉宽调制输出、 a d 、d a 、f l a s h 、e e p r o m 等各种必要功能和外设，微控制器的最大特点是 单片化，体积小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高，适合于控制。 ( 2 ) 嵌入式d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 。d s p ) d s p 处理器”堤专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法 方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。d s p 的理论算法 在2 0 世纪7 0 年代就已经出现，但是由于专门的d s p 处理器还未出现，所以这 种理论算法只能通过m p u 等由分立元件实现。随着大规模集成电路技术的发 展，1 9 8 2 年世界上诞生了首枚d s p 芯片，其运算速度比m p u 快了几十倍。至 8 0 年代中期，随着c m o s 技术的进步与发展，第二代基于c m o s 工艺的d s p 芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到了成倍提高。到8 0 年代后期， d s p 的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方 面。9 0 年代后，d s p 发展到了第五代产品，集成度更高，由于d s p 的很高编 译效率和运算速度，非常适合于需要大量运算技术领域，如语音处理、图像处 理、编解码技术等。 ( 3 ) 嵌入式微处理器( m i c r o p r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 嵌入式微处理器4 1 是由通用计算机中的c p u 演变而来的。它的特征是具有 3 2 位以上的处理器，具有较高的性能。但与计算机处理器不同的是，在实际嵌 入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能 部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计 算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e m o n c h i p 。s o c ) 片上系统s o c t 8 1 是追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用 领域的热门话题之一。s o c 最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在 处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且s o c 具有极高的综合性，在一个硅 片内部运用v h d l 等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传 统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点地连接焊制，只需要使用 精确的语言，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 通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于绝大部分系统构件都是 在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高 了系统的可靠性，提高了设计生产效率。 西安工业学院硕士学位论文 1 3 嵌入式系统的软件 1 3 1 嵌入式系统的软件分类 嵌入式系统的软件是系统实现功能的灵魂，合理的选择系统软件的实现方 法可以提高系统的可靠性，降低开发成本。通常系统软件可以划分为两类 9 0 1 ： 嵌入式应用程序和嵌入式操作系统。一般来说，并不是所有的嵌入式系统都有 操作系统，大量存在的嵌入式系统只是有一个应用程序在运行，例如：目前在 我国广泛使用的5 l 系列单片机。然而，随着硬件的功能越来越强大，存储器的 价格越来越低，更重要的是系统的功能日益复杂( 比如，一些复杂的通信协议 的实现) ，就要求使用合适的嵌入式操作系统来降低开发难度，使系统开发人员 可专注实现系统功能，不必浪费精力做繁琐的基础工作，以提高开发效率。 嵌入式操作系统主要有两大类，如图1 2 所示：实时式系统和分时系统。 其中实时系统又分为两大类：硬实时系统和软实时系统2 3 1 。 l 系统分时系统删系统 一硬实时系统 图1 2 嵌人式系统分类 实时嵌入式系统【4 】【8 1 是为执行特定功能而设计的，可以严格地按时序执行 功能。其最大的特征就是程序的执行具有确定性。硬实时系统指的是如果系统 在指定的时间内未能实现某个确定的任务，则会导致系统的全面失败。而在软 实时系统中，虽然响应时问同样重要，但是超时却不会导致致命错误。一个硬 实时系统往往在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片，而软 实时系统则主要在软件方面通过编程实现时限的管理。 所谓分时系统【1 ”就是操作系统为每个应用程序分配了相n l q 隔的时间片， 然后让每个任务轮流执行，而每个正在运行的任务都觉得自己在独占c p u ，就 像d o s 应用程序一样，所以每个应用程序都是平等的。现有的绝大多数的桌面 操作系统都是分时系统，这包括典型的w i n d o w s 系统，o s 2 ，发行版本的l i n u x ， 如r a d h a t 等。 可以看出，嵌入式实时系统比较适合应用于通信、工业控制等对时间要求 比较苛刻的场合，而嵌入式分时系统则比较适合用于p d a 、手机等消费类电子 产品中。 西安工业学院硕士学位论文 1 3 2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统“习并不是一个新生的事物，从2 0 世纪8 0 年代起，国际上 就有一些r r 组织、公司开始进行商用嵌入式操作系统和专用操作系统的研发， 涌现出了些著名的嵌入式操作系统。 实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种：商用型和免费型。 商用型的实时操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往 往价格昂贵。免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，目前主要有嵌入式 l i n u x 和u c o s 。 a 商用型实时嵌入式操作系统 ( 1 ) v x w o r k s t l 2 1 i ”1 v x w o r k s 的突出特点是：可靠性、实时性和可裁减性。它是目前嵌入式系 统领域中使用最广泛、市场占有率最高的操作系统。它支持多种处理器，如x 8 6 、 i 9 6 0 、s u ns p a r c 、m o t o r o l am c 6 8 x x x 、m i p s r x 0 0 0 、p o w e r p c 等。 ( 2 ) w i n d o w se m b e d d e d t w i n d o w se m b e d d e d 产品家族主要用于建立支持具有丰富应用程序和服务 的3 2 位嵌入式系统，目前w i n d o w se m b e d d e d 产品家族主要有三种产品： w i n d o w s c e3 0 ：一种针对小容量、移动式、智能化、3 2 位、连接设备的 模块化实时嵌入式操作系统。操作系统的基本内核需要至少2 0 0 k 的r o m 。 w i n d o w s c e 3 0 以前的产品都不是实时系统，属于软实时操作系统，其优点是基 于w i n d o w s 背景，界面比较漂亮，容易为用户所接受。 w i n d o w s n te m b e d d e d4 0 ：一种针对基于p c 体系结构解决方案的全功能 嵌入式操作系统。采用p c 体系结构，继承w i n d o w s n t 4 o 的全部服务与功能， 用于快速建立功能强大且丰富的嵌入式系统。 ( 3 ) p s o s 该系统是个模块化、高性能的实时操作系统，专为嵌入式微处理器设计， 提供一个完全的多任务环境，在定制的或是商业化的硬件上具有高性能和高可 靠性，可以让开发者根据操作系统的功能和内存需求定制每一个应用所需的系 统。开发者可以利用它来实现从简单的单个独立设备到复杂的、网络化的多处 理器系统。 ( 4 ) p a l m o s 它具有开放的操作系统应用程序接口( a p i ) ，开发商可以根据需要自行开 发所需要的应用程序。p a l m o s 的优势在于可以让用户灵活方便地定制操作系统 以适合自己的习惯，目前正在通过第三方软件商进行软件的中文化工作。 西安工业学院硕士学位论文 ( 6 ) l y n x o s l y n xr e a l t i m es y s t e m s 的l y n xo s 是一个分布式、嵌入式、可规模扩展 的实时操作系统，l y n xo s 支持线程概念，提供2 5 6 个全局用户线程优先级， 提供一些传统的、非实时系统的服务特征，包括基于调用需求的虚拟内存、一 个基于m o t i f 的用户图形界面、与工业标准兼容的网络系统以及应用开发工具。 ( 7 ) q n x q n x 是在x 8 6 体系上开发出来的，这有别于其他的r t o s ，q n x 是一个 实时的、可扩充的操作系统，它部分遵循p o s i x 相关标准。它提供了一个很小 的微内核以及一些可选的配合进程。其内核仅提供4 种服务：进程调度、进程 间通信、底层网络通信和中断处理。其进程在独立的地址空间运行。所有其他 o s 服务，都实现为协作的用户进程，因此q n x 内核非常小巧( q n x 4 x 大约 为1 2 k b ) ，而且运行速度极快。由于q t c x 具有强大的图形界面功能，因此很 适合作为机顶盒、手持设备( 手掌电脑、手机) 、g p s 设备的实时操作系统使用。 b 免费型实时操作系统 ( 1 ) u c o s 【l m 1 4 1 u c o s 是源码公开的实时嵌入式操作系统，后来推出的u c o s 一是u c o s 的升级版本。u c o s 一的主要特点如下：公开源代码；可移植性强；可固化； 可裁剪；占先式；多任务； ( 2 ) 嵌入式l i n u x 7 】【l l 】1 1 5 1 由于嵌入式系统越来越追求数字化、网络化和智能化，要求整个系统必须 是开放的、提供标准的a p i ，并且能够方便地与众多第三方的软硬件沟通。 l i n u x 是开放源码的，不存在黑箱技术，遍布全球的众多l i n u x 爱好者又是 l i n u x 开发的强大技术后盾；l i n u x 的内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、 效率高；l i n u x 是一种开放源码的操作系统，易于定制剪裁；l i n u x 不仅支持 x 8 6 c p u ，还可以支持其他数十种c p u 芯片；有大量的且不断增加的开发工具， 这些工具为嵌入式系统的开发提供了良好的开发环境；l i n u x 沿用了m i n i x 的发 展方式，遵循国际标准，可以方便地获得众多第三方软硬件厂商的支持；l i n u x 内核的结构在网络方面是非常完整的，它提供了对十兆、百兆、千兆以太网、 无线网络、令牌网、光纤网、卫星等多种联网方式的全面支持。 此外，在图像处理、文件管理及多任务支持等诸多方面，l i n u x 的表现也 都非常出色，因此它不仅可以充当嵌入式系统的开发平台，其本身也是嵌入式 系统应用开发的好工具。相信随着技术的进步和需求的推动，基于l i n u x 的嵌 入式系统在今后会得到较大的发展。 西安工业学院硕士学位论文 1 4 嵌入式系统的特点及应用 1 4 1 嵌入式系统的特点 a 系统内核小”】【1 5 j 由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源相对有限，所以 内核较之传统的操作系统要小得多。比如e n e a 公司的o s e 分布式系统，内 核只有5 k b ，而w i n d o w s 的内核则要大得多。 b 专用性强 嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一 般要针对硬件进行系统的移植，根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。 同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和 系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。 c 系统精简 嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设 计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统 安全。 d 高实时性 高时实性的操作系统软件是嵌入式系统的基本要求，而且软件要求固化 存储，以提高速度，软件代码要求高质量和高可靠性。 e 多任务 嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行，但是为 了合理地调度多任务，利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口，用户 必须自行选配r t o s ( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 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。 f 开发工具和环境专门化 由于嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常 也不能对其中的程序功能进行修改，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、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程 序的开发，目标机作为执行机，开发时需要交替结合进行。 1 4 2 嵌入式系统的应用 嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括 西安工业学院硕士学位论文 a - r - 业控制 基于嵌入式芯片的工业自动化“8 1 设备具有很大的发展空间，目前已经有大 量的8 、1 6 、3 2 位嵌入式微控制器应用在工业过程控制、数控机床、电力系统、 电网安全、电网设备监测、石油化工系统等领域。就传统的工业控制产品而言， 低端型往往采用的是8 位单片机，但是随着技术的发展，3 2 位、6 4 位的微处理 器逐渐成为工业控制设备的核心。 b 交通管理 在车辆导航、流量控制、信息监测”8 3 与汽车服务方面，嵌入式系统技术已 经获得了广泛的应用，内嵌g p s 模块、g s m 模块的移动定位终端已经在各种 运输行业获得了成功的使用。 c 信息家电 这是嵌入式系统的最大应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领 人们的生活步入一个崭新的空间。即使不在家里，也可以通过电话线、网络进 行远程控制。在这些设备中，嵌入式系统是关键技术之一。 d 家庭智能管理系统 水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统“，其中嵌有专用 控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高、更准确和更安全的性能。目前 在服务领域中，一些手持设备已经体现出了嵌入式系统的优势。 e p o s 网络及电子商务 公共交通无接触智能卡( c o n t a c t l e s ss m a r t c a r t ，c s c ) 发行系统、公共电话 卡发行系统、自动售货机、各种智能a t m 终端都采了嵌入式系统技术。 f 环境监测 环境监测包括水文资料实时监测、防洪体系及水土质量监测、堤坝安全、 地震监测网、实时气象信息、水源和空气污染监测等1 。在很多环境恶劣、地 况复杂的地区，嵌入式系统可实现无人监测。 g 机器人 嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化、高智能化方面优势更加明显，同 时会大幅度降低机器人，的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应 用。 西安工业学院硕士学位论文 1 5 嵌入式系统的现状和发展趋势 1 5 1 嵌入式系统的现状 a 软硬件技术现状 ( 1 ) 应用广泛的嵌入式处理器4 l 】 目前，三类嵌入式处理器1 2 3 1 即：嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌 入式d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 应用最为广泛。 嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的c p u 。在应用中，一 般是将微处理器装配在专门设计的电路板上，在母板上只保留和嵌入式相关的 功能即可，这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。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 系列等等。 嵌入式微控制器又称为单片机，它将c p u 、存储器( 少量的r a m 、r o m 或两者都有) 和其它外设封装在同一片集成电路里。常见的有8 0 5 1 。 嵌入式d s p 专门用来对离散时间信号进行极快的处越- i - g ，提高编译效率 和执行速度。在数字滤波、f f t 、谱分析、图像处理的分析等领域，d s p 正在 大量进入嵌入式市场。 ( 2 ) 多采用微内核结构瞄1 大多数嵌入式操作系统采用了微内核结构，内核只提供基本的功能，比如： 任务的调度、任务之间的通信与同步、内存管理、时钟管理等。其它的应用组 件，比如网络功能、文件系统、g u i 系统等均工作在用户态，以系统进程或函 数调用的方式工作。因而系统都是可裁减的，用户可以根据自己的需要选用相 应的组件。 ( 3 ) 基于优先级的抢占式任务调度口2 i 在嵌入式系统中，任务即线程。大多数的嵌入式操作系统支持多任务。多 任务运行的实现实际是靠c p u 在多个任务之间切换、调度。每个任务都有其优 先级，不同的任务优先级可能相同也可能不同。任务的调度有三种方式：可抢 占式调度、不可抢占式调度和时间片轮转调度。不可抢占式调度是指，一个任 务一旦获得c p u 就独占c p u 运行，除非由于某种原因，它决定放弃c p u 的使 用权；可抢占式调度是基于任务优先级的，当前正在运行的任务可以随时让位 给优先级更高的处于就绪态的其它任务；当两个或两个以上任务有同样的优先 级，不同任务轮转地使用c p u ，直到系统分配的c p u 时间片用完，这就是时 间片轮转调度。 目前，大多数嵌人式操作系统对不同优先级的任务采用基于优先级的抢占 西安工业学院硕士学位论文 式调度法，对相同优先级的任务则采用时间片轮转调度法。 ( 4 ) 实模式的内存管理1 大多数嵌入式系统针对没有m m u 的处理器设计，不能使用处理器的虚拟 内存管理技术，采用的是实存储器管理策略。因而对于内存的访问是直接的，它 对地址的访问不需要经过m m u ，而是直接送到地址线上输出，所有程序中访 问的地址都是实际的物理地址；而且，大多数嵌入式操作系统对内存空间没有 保护，各个进程实际上共享一个运行空间。一个进程在执行前，系统必须为它 分配足够的连续地址空间，然后全部载入主存储器的连续空间。 由此可见，嵌入式系统的开发人员不得不参与系统的内存管理。从编译内 核开始，开发人员必须告诉系统这块开发板到底拥有多少内存；在开发应用程 序时，必须考虑内存的分配情况并关注应用程序需要运行空间的大小。另外， 由于采用实存储器管理策略，用户程序同内核以及其它用户程序在一个地址空 间，程序开发时要保证不侵犯其它程序的地址空间，以使得程序不至于破坏系 统的正常工作，或导致其它程序的运行异常。 b 嵌入式应用现状 进入2 0 世纪9 0 年代，嵌入式技术全面展开，目前已成为通信和消费类产 品的共同发展方向。在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。 在广播电视领域，美国已开始由模拟电视向数字电视转变，欧洲的d v b ( 数 字电视广播) 技术已在全球大多数国家推广。数字音频广播( d a b ) 也已进入 商品化试验阶段。 在个人领域中，嵌入式产品主要是作为个人移动的数据处理和通信软件。 由于嵌入式设备具有自然的人机交互界面，g u i 屏幕为中心的多媒体界面给人 以很大的亲和力。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 消息语音发布，应用范围也将目益广阔。 对于企业专用解决方案，如物流管理、条码扫描、移动信息采集等，这种 小型手持嵌入式系统发挥巨大的作用。 自动控制领域，不仅已用于a t m 机、自动售货机、工业控制等专用设备， 并且还与移动通信设备、g p s 、娱乐相结合，嵌入式系统也同样发挥巨大的作 用。 c 目前嵌入式系统存在的问题 在国内，虽然嵌入式应用、开发很广，但是多数的应用还是基于嵌入式微 西安工业学院硕士学位论文 控制器的应用，在这其中又以8 0 5 1 内核系列的单片机或指令兼容单片机应用最 为广泛。由于硬件仿真技术比较成熟，国内的基于单片机的开发系统、仿真系 统的产品数量也比较多。单片机开发语言也以使用汇编语言的居多，使用c 语 言来开发硬件系统目前还存在一些争议。 由于还没有很大范围内的使用c 语言来开发单片机系统，所以基于微控制 器的嵌入式操作系统的应用还处于起步阶段。随着互联网络和移动通信技术的 飞速发展，单片机技术和两者的结合应用越来越多，这就必然要求单片机上使 用嵌入式操作系统。 在工业控制领域，除了被广泛使用的微控制器系统外，还大量使用了基于 p c 结构的工业控制计算机，比较典型的就是i s a p c i 总线体系的i p c 和p c i 0 4 结构体系的微型计算机。这些计算机运行的操作系统种类很多，应用软件丰富， 但是多数的工控机上运行的操作系统都是非时实w i n d o w s 操作系统和d o s 操 作系统。 d o s 操作系统1 4 1 是一种比较落后的操作系统，虽然它对硬件的要求低，实 时性比较好，但它本质上是一种1 6 位、单任务的操作系统，不支持多平台，只 能运行在x 8 6 体系结构的硬件上，所以在高性能的工控机上运行d o s 系统无疑 是对硬件资源的极大浪费。 w i n d o w s 操作系统嘶1 本来就是桌面通用操作系统，由于人们的使用习惯， 所以它也被大量应用在工业控制领域，而且大量的工业控制用的控制板卡、数 据采集卡、1 0 扩展卡都是基于w i n d o w s 来设计的，有的厂商甚至为产品提供了 w i n d o w s 的设备驱动程序。对时实性要求不高的场合，使用w i n d o w s 是可行的， 但是，它毕竟不是嵌入式的操作系统，它的设计初衷就是为了最大程度的追求 任务之间的性能平均，而弱化任务的占先和中断级别的高低。这样即使应用板 卡的设计非常优良，也不能发挥其最大的效能，尤其是在某些对实时性要求较 高的场合，这一矛盾更加突出。 1 5 2 未来嵌入式系统的发展趋势 信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市 场展现了美好的前景，同时也提出了新的挑战。未来嵌入式系统将呈现如下发 展趋势2 8 1 ： 1 网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高而日益提高， 使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构 更加复杂，要求芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能。 2 网络互联成为必然趋势。未来的嵌人式设备为了适应网络发展的要求， 必然要求硬件上提供各种网络通信接口。 西安工业学院硕士学位论文 3 精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。 4 提供友好的多媒体人机界面。 1 6 本文研究的内容和技术方法 1 , 6 1 研究内容 本文针对目前嵌入式开发当中存在的一些问题进行改进和尝试，具体的内 容有： 1 通过对x 8 6 平台的硬件结构及基于此结构体系的工业控制卡的研究论 证，研究以x 8 6 体系结构的p c 为平台，采用i s a 总线结构的工控板卡，选用 嵌入式l i n u x 操作系统作为其开发平台和运行平台的解决方案。 2 在嵌入式g i n u x 的运行和开发环境下，研究通用i s a 工业控制卡在嵌入 式l i n u x 中实现高速实时数据采集、编制l i n u x 驱动程序及实现多任务的方法。 3 针对嵌入式设备的输入、输出都不是标准设备的特点，采用液晶模块和 l e d 数码管作系统输出，将系统采集到的数据不仅输出到标准输出设备：c r t 显示器，而且也可输出到l p t 口，并通过液晶模块，和l e d 数码管显示出来。 4 针对嵌入式l i n u x 的网络特性，探讨网络设备驱动程序的机理和实现方 法。 1 6 2 研究的技术方法 1 以一台通用p c 作为整个系统的开发和运行平台，具体配置如下： c p u ：i n t e l 奔腾i f i 4 5 0 m h z ； 内存：1 2 8 ms d r a m ； 硬盘：m m3 0 g ； 主板：2 个i s a 扩展槽，5 个p c i 扩展槽，1 个a g p 槽； 2 安装r e dh a t7 2 ，作为嵌入式l i n u x 的编译和连接平台。 3 选择嵌入式l i n u x 作为实时数据采集系统的运行和程序开发平台。选择 的嵌入式l i n u x 版本，可以从相关的网站上免费下载源代码，然后将其在r e d h a t 7 2 系统上进行定制内核、选择模块、编译内核、设置启动项目。 4 工业控制卡选择具有代表性的i s a 总线结构的a d 、d a 转换卡，该卡 有8 路d 转换通道，转换精度为8 位；2 路d a 转换，转换精度为8 位； a d 转换结果可以通过查询方式或者中断方式得到。将该卡安装到p c 机的一个 i s a 插槽内。 5 启动系统到嵌入式l i n u x 环境下，编制数据采集卡的设备驱动程序，将 西安工业学院硕士学位论文 结果分别输出到l p t 口，和系统控制台，同时亦可加载其他的驱动模块，运行 非实时应用程序，以实现系统的多任务。 6 为了开发液晶显示模块和l e d 显示模块，还配备了单片机开发系统， 采用单片机的型号是a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 2 和a t 8 9 c 2 0 5 1 。整个单片机的开发 工作是在w i n d o w s 9 8 下完成的，单片机开发语言选用c 5 1 ，集成开发环境采用 k e i l6 0 。 嵌入式操作系统的选择 2 嵌入式操作系统的选择 由于时代的进步和科技的飞速发展，嵌入式系统复杂程度越来越高，采用嵌 入式操作系统已经成为提高开发效率，增强系统稳定性，尽快获得市场商机的必 要手段。但是现有的嵌入式操作系统数量繁多，各具特色，选择一个合适的嵌入 式操作系统，成为产品开发成败的关键因素之一。 根据本文的研究内容，应该根据以下原则来选择嵌入式操作系统： 1 该操作系统必须支持x 8 6 计算机体系结构，即：它可以稳定的运行在任 何一台p c 上，以及和p c 相兼容的计算机上。 2 该操作系统支持3 2 位的c p u ，而且内核也应该支持3 2 位运算，这样才 能实现高速、高效率的目标代码。 3 此嵌入式操作系统是可裁剪内核的，可定制加载模块的，也就是说，它 是开放源码的。 4 既然是应用于高速实时数据采集，那么该操作系统必须是实时的，对系 统的中断相应应该是占先式的，保证优先级高的任务最先得到服务。 5 嵌入式系统联网是大势所趋，要保证该操作系统在需要的时候能较容易 的联接到网络。 6 友好的图形界面虽然不是所有的嵌人式系统都需要的，但是，如果系统 有这方面需求，应该可以提供方便可行的方案。 2 1 嵌入式操作系统对嵌入式处理器支持 就w i n d o w s 和d o s 而言，主要是作为通用桌面操作系统被使用的，因此， 对处理器的支持也仅仅限于x 8 6 体系结构的处理器，当它们被用于嵌入式系统 时，其运用的范围只限于x 8 6 体系兼容的嵌入式系统。q n x 是一个分布式、嵌 入式、可扩展的时实操作系统，它对处理器的支持也只限于x 8 6 兼容系列和 m o t o r o l a 的6 8 k 系列。l i n u x 内核提供对多种处理器的支持，并且正在进一步增 加对嵌入式微处理器的支持。l i n u x 目前的内核支持i n t e lx 8 6 、m o t o r o l a i b m p o w e r p c 、c o m p a q ( d e c ) a l p h a 、i a6 4 、s 3 9 0 、s u p e r h 等处理器体系结构，使 用这些系列的微处理器作为嵌入式系统的处理器，并采用嵌入式l i n u x 系统的产 品也不断涌现在市场上面，从这个角度讲l i n u x 是对处理器支持最多的一种操作 系统。 西安工业学院硕士学位论文 2 2 实时支持 w i n d o w s 的时实性比较差，主要原因是它是一种通用桌面操作系统，它屏 蔽了所有的硬件中断，系统对硬件中断的处理是用排队等待的方法解决的，并 没有使用优先级策略，因此它的任务平均性能较好，但是时实性很差。d o s 的 时实性很好，因为在d o s 环境下可以对系统的所有硬件资源编程，对中断的处 理是非常迅速的，但是非多任务的缺点限制了它的应用。 l i n u x 本身不是一个实时系统，l i n u x 的内核0 0 1 并不提供对事件优先级的调 度和抢占支持。但是