（电力电子与电力传动专业论文）μclinux的嵌入式远程控制系统综合设计.pdf

西华大学硕士学位论文 个适合于嵌入式l i n u x 系统的轻量级图形用户界面。课题介绍了m i n i g u i 针对 远程监控系统的使用和移植并设计编写了远程监控系统中需要人机交互的图 形用户终端界面。 随着计算机、通信和网络技术的不断进步，嵌入式i n t e m e t 远程控制技术必 将达到更广阔的发展。论文技术在阶段研究成果的基础上提出了嵌入式远程控 制的基本方案，最终被确认为委托研究项目，应在工程实践中逐步得到完善。 关键词：g c l i n u x 、m i n i g u i 、w e b s e r v e r 、嵌入式系统、远程控制 i l e m b e d d e dr e m o t ec o n t r o ls y s t e m i n t e g r a t e dd e s i g n b a s e do ng c l i n u x s y s t e m m a j o ro fe i e c t r i cp o w e re l e c t r o na n d t r a n s 嘶s s j o n m a s t e r ：r e ny u a n l i n s u p e r v i s o r ：l us h u n c h a n g ? m b 蚴g e m b e d d e d 妣h o n o l o g ya n di n t e r n e tt e c h o n o l 。g yt h a ta r ed e v e l 。p e d 叩m y a n d w i 如1 y u s e d , t h ec o n s t m c t i 。n 。f r e m 。t e c o n t r o l s y s t e mu 三n g ! ：( ：m 舢m l c a t i o n t e c h n 0 1 0 9 ya n dn e 铆o r k t e c l l l l 。1 。g yi st h ep r i 。一够o ft h i ss u b j e c t i 廿虹s p 印：l ：，e 谢k e da b o u “e v e r a i c 。n u n 。nu s e de m b e d d e d0 p e r a t i i l gs y s t e 孟a n d ：。竺a r e d t h e 1 w ec h 0 0 s e du c l i i l u ) 【o s w h i c hi sab 珈1 c h 。fl i n u xo sa n d ：e 二e 1 翼m g r a p i d l ya s 舭p l a t f 0 珊o f s m d y w i t ht h i sp l a t f o r m ，u s i j l ge m b e d d e d 钯c 竺。y ，w e a c h i e v e dt h e r e m o t e c o n t r o l s y s t e mb a s e d0 nn e 觚。r k t e c l l l l 。l 。g v m ，? b e d d e d r e m o t e c o n t r 0 1 s y s t e m0 ng c l i n u x0 p e r a t j n gs y s t e mi st 0i n t r o d u c e w e b 了e e r t e c l l l l 0 1 0 9 yt 0 廿1 e t e s ta n dc o n t r o le q u i p m e n t0 n w h i c h “c l i l l u xo sj s 竺1 n m 硎盯a k e t h ee q u i p m e n t h a t e r a c 慨w i t ht h e 毗m e t u s i n g t h e t e 粤。：o 等y s t u d i e di 1 1t b j sp a p e r ，n os p e c i a l c 。皿n u n i c a t i o nc 。肋e c t i o ni sn e e d e d ， a 1 1 d o n l y b a s e d o n e x i 吼i n gh a t 锄e t c o m m u n i c a t i 。nt e c h n o l o g y ，y o hc a l lt a n s 嘶i a n d r e c e i v e d a t u m ，w o r d sa n di m a g e i n f o r m a t i o n 1 1 1t e n ：1 1 so f t h e t e c h n o i 。2 v p ie s e n t e da b o v ew ec a l la c h i e v er e a l - t i m ec o n t r o la tc u s t o m t e 删n a l 一 。竺。r d c ：r t oe s t a b l i s ha r a p i da n de f f e c t i v es y s t e me n v i r o n m e n t ，w em a k eu s eo f a 7 ，砒记s a h i g h - p e 墒n m n c e ，l 。wp 。w e r c 。n s u m p t i 。土3 2 ：三= m f l c r 0 1 p r o c e s ，s o r h at h ed e s i g n w i t hi t sc 。r ec h i pf o r t r a n s p l a n t a t i o no i lt h ep l a t f o n n ! ：1 m e 心妇帔o p e r a t i n g s y s t e 驰 c 。n s t m c t e d r e m 。t em o n i t o r i n go f t h e1 m p l e m 肋t a t i 。no f t h ed e v e l 叩m e n t s y s t e 驰c 。m p i l e re n v i r o n m e n t w eh a v e d e v e l o p e dr e s e a 比he n v i r o n m e n tg c l i n u x b a s e d b s ( b r o w s e r s e r v e r ) s t l l l c t u r e 两华大学硕十学位论文 o ft h ew e b s e r v e rt e c h n o l o g y ，s ot h a tw ec a nt h r o u g hr a n d o mi n t e m e tc u s t o m e r st o e n dt h ei eb r o w s e ro nt h er e m o t ec o n t r o le q u i p m e n ta tt h es c e n eo ft h ee n v i r o n m e n t t oa c h i e v er a p i du n d e r s t a n d i n ga n dt i m e l yt r e a t m e n t i nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s w eu s ec g it e c h n o l o g yi nt h ep r e p a r a t i o no ft h eu s e ra n d t h es e r v e rc a nb eu s e dt o a c h i e v et h ed y n a m i ci n t e r a c t i v ew e b t e c h n o l o g y g c l i n u xe m b e d d e ds y s t e m sp r o d u c t se q u i p p e dw i t ha ne x c e l l e n tg r a p h i c a lu s e r i n t e r f a c ep r o d u c t sa n du s e r - f r i e n d l ya n dr e l i a b l em a n n e r ，t oc o n d u c ti n t e r a c t i v e a p p l i c a t i o n sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yw i d e s p r e a d b a s e do nt h ec o n d i t i o n so ft h e e m b e d d e ds y s t e mh a r d w a r el i m i t a t i o n s ，t od i s c u s st h ec u r r e n te p i d e m i co fs e v e r a l e m b e d d e dl i n u xg u ia n ds e l e c tt h ec h o i c eo f s m a l l ，h o m e ，h i g h - p e r f o r m a n c ea n d e a s yt ot r a n s p l a n tm i n i g u ia sag r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t t a r g e t s m i n i g u ii sas u i t a b l ef o re m b e d d e dl i n u xs y s t e m sl i g h t w e i g h t g r a p h i c a l u s e ri n t e r f a c e m i n i g u ii n t r o d u c e dt h et o p i cf o rt h eu s eo fr e m o t e m o n i t o r i n g s y s t e ma n dt h ep r e p a r a t i o no fg r a f ta n dd e s i g no ft h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mi n n e e do fi n t e r a c t i v eg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c et e r m i n a l w i t ht h e c o m p u t e r ,c o m m u n i c a t i o n sa n dn e t w o r kt e c h n o l o g ya d v a n c e s ， e m b e d d e di n t e m e tr e m o t ec o n t r o lt e c h n o l o g yw i l lr e a c hab r o a d e rd e v e l o p m e n t p a p e r si 1 1t h es t a g eo fr e s e a r c hr e s u l t so nt h eb a s i so ft h ee m b e d d e dr e m o t ec o n t r o l o ft h eb a s i c p r o g r a m m e ，w a se v e n t u a l l yi d e n t i f i e d a sc o m m i s s i o n e dr e s e a r c h p r o j e c t si ne n g i n e e r i n gp r a c t i c es h o u l db eg r a d u a l l yi m p r o v e d k e y w o r d s ：g c l i n u x 、m i n i g u i 、w e b s e r v e r ，e m b e d d e ds y s t e m 、r e m o t ec o n t r o l i v 两华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的科研成果。除了文中特别加以标准和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得西华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谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此声明。 作者签字：侈函术劢叨年石月争日 导师签意：7 形多年月争e l 场圯黻 西华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 远程控制系统简介 远程控制技术是指用户利用计算机通过网络系统实现对远程现场环境状态 的监视和控制，能够实现远程控制的计算机软硬件系统称为远程控制系统，也就 是说将控制器和监制对象在地理位置上进行分离，随着计算机技术、通信技术、 控制技术尤其是网络技术的快速发展，该技术必将引发了控制领域深刻的技术 变革。 嵌入式处理器的快速发展已经能够满足当前测控实时性的要求。嵌入式操 作系统出现，使当前控制系统应用中的任务复杂性要求达到满足，同时也可以 更好地管理越来越复杂的硬件资源、提供良好的人机交互界面、远程通信等功 能。概括起来控制管理系统的发展大致经历了以下三个阶段乜1 。 第一代控制系统是为不同的且相互独立的设备和电路分别配备各自独立 的监控装置。然而随着设备的分布越来越复杂，单一的各自独立的监控装置造 成现场的维护管理效率低下，往往由于同一原因产生的报警事件而引起的响 应，但又无从分析诸多报警现象的内在关系，难以尽快地排除故障和恢复业务。 第二代控制系统是将各类设备和电路的控制管理物理地综合为一个集中 监控管理系统，利用一套显示装置对全网进行集中监控。由于目前大多数分布 式监测系统只是在局域网上，由于各个系统的逻辑功能仍旧是相互分离的，难 以具备较强的故障管理和系统维护功能。 第三代控制系统是基于i n t e m e t 的远程控制，它将工业现场的一切监控和管 理的功能综合于一个公共的智能平台上，全方位地检测整个网络的运行状态。 能够提供具有高级自动化水平的报警分析和故障定位功能，支持维护控制行动 的决策，预测网络异常情况对业务性能的冲击并做出相应的应急对策。 计算机网络以及智能仪表技术的发展，使得远距离地进行监测和控制成为 可能。远程控制技术是故障监测与诊断技术和计算机通信技术相结合的高级诊 断技术，提供故障诊断服务的远程客户端和服务器端通过计算机通信网络连接 起来。当现场设备出现故障时，系统可以通过计算机通信网络将现场设备状态 信息传输到远程控制中心，由用户对设备故障进行诊断处理。 两华大学硕十学位论文 论文基于i n t e m e t 的远程控制系统的传输通道是因特网，使用的是我们常见 的t c p i p 协议，充分利用了现有的网络资源，因而开发周期短、维护费用小、 同时又具有很高的灵活性等众多优点，嵌入式i n t e r n e t 技术必将在众多领域 得到更加广泛的实际应用。 1 2 嵌入式系统概念和特点 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是指“控制、监视或者辅助装置、机器和设 备运行的装置( 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 rp l a n t s ) 。我们可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综 合体，还可以涵盖机械等附属装置。中国嵌入式领域比较认同的概念是：嵌入 式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，硬件软件可裁减，适应系统 对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统旧1 。 嵌入式系统通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌 入式应用软件等几大部分组成( 如图所示) 。核心嵌入式处理器主要包括嵌入式 微控制器( m c u ) 如各类型的单片、嵌入式d s p 处理器( d s p ) 、嵌入式微处理器 ( m p u ) 、嵌入式片上系统( s o c ) 。论文研究所使用就是以a r m l p c 2 2 1 0 微处理器 作为设计的核心芯片。 f i g u r e1 1f r a m e w o r ko fe m b e d d e ds y s t e m 图1 1 嵌入式系统的组成 2 两华大学硕士学位论文 嵌入式技术已经广泛应用于过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、 航空、航天、智能家电等领域网络技术的飞速发展，也使得大量的各种各样 的嵌入式产品要赋予新的概念一般来说嵌入式系统具有以下一些特点“1k s l 。 ( 1 ) 嵌入式系统通常极其关注成本； ( 2 ) 嵌入式系统通常有实时性约束； ( 3 ) 嵌入式系统软件要求极高的稳定性和错误处理能力； ( 4 ) 嵌入式系统大多有严格的功耗约束； ( 5 ) 嵌入式系统的系统资源比通用计算机系统少的多； ( 6 ) 嵌入式系统通常在r o m 中存放所有的目标代码； ( 7 ) 嵌入式微处理器包含专用调试电路。 嵌入式系统快速发展目前主要是由于两个方面技术的快速发展，一方面是 芯片制造技术的快速发展和半导体制造工艺的日益提高。现在芯片工艺使得芯 片的体积更小、结构越来越复杂、功耗越来越低、寿命越来越长、处理能力也 越来越快另一方面，各个嵌入式系统系统软件的出现和发展，解决了上一代 嵌入式系统那种缺乏统一管理的状态。例如，在多任务嵌入式系统中，为了保 证每个任务及时执行，需要对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调 度。 1 3 课题背景及论文所做的研究工作 嵌入式芯片与嵌入式操作系统及其相应软硬件产品的快速发展成为嵌入式 技术发展的强劲动力，同时互联网的成功极大地推动了整个社会的信息化，网络 化。于是，嵌入式系统与网络结合的技术迅速渗透到日常生活的各个领域。人 们希望当一台设备具有网络功能时，可以在任何时间、任何地点、使用任何平 台随时查看设备的实时状态，并在远程实现对这台设备的监视、控制、诊断、 测试和配置等。预计在不远的将来，我们使用的每台设备中都将有一个i p 地 址，与i n t e m e t 网络相连接，具有远程诊断和维护等功能。因此，嵌入式设备接 入i n t e r n e n t 是嵌入式技术一种必然的发展趋势，引发了工业控制领域的深刻技 术变革，也使各个孤立的设备节点之间彼此之间有了联系。 两华大学硕士学位论文 在此背景下论文通过阅读大量的科技文献及相关实践研究的基础上，分析 研究了嵌入式i n t e m e t 技术特点、g c l i n u x 操作系统的架构和构建以及嵌入式 w e b s e r v e r 系统的设计和实现，并在此基础上完成p , c l i n u x 嵌入式远程控制系 统的综合设计。总观全文由六章组成，每章主要的内容如下。 第一章绪论。主要介绍课题工作的背景，分析了远程监控系统的发展历史与 研究意义，及嵌入式系统的概念和特点并依此总结了提出本课题必要性和主要 工作。 第二章g c l i n u x 操作系统的平台构建。分析嵌入式操作系统的选择、分析 g c l i n u x 操作系统的特点、组成，具体裁剪移植过程以及交叉编译环境的建立， 从而最终构建好远程控制系统的运行平台，并给出了普遍的嵌入式应用开发实 例以验证系统平台工作可靠性。 第三章远程控制系统中的m i n i g u i 研究。本章分析了在嵌入式l i n u x 下的 g u 概况，及典型的几种嵌入式g u i ，并通过多方面比较对所选择适合本课题 的m i n i g u i 。同时，在对m i n i g u i 的体系结构、特点等方面进行研究的基础上， 实现m i n i g u i 在的移植以及应用程序的开发。 第四章嵌入式i n t e r n e t 技术的远程控制系统。重点分析了嵌入式系统与网 络技术的结合，分析常见的c s 和b s 两种通信模式的特点、c g i 的原理其及 编程，并在最后实现了嵌入式的b o a 服务器技术。 第五章控制系统测试。分析在开发平台上模拟远程控制技术在具体实例上的 实现并给出最终的结果。 第六章总结和展望。总结本课题的研究内容以及实际应用情况并展望了课题 的进一步后续开发要点。 4 两华大学硕士学位论文 第二章p c l i n u x 操作系统平台构建 2 1 嵌入式操作系统 2 1 1 嵌入式操作系统简介 i t 技术的快速发展，互联网的迅速普及以及3 c ( 计算机、通讯、消费电子) 合一的加速，数字化时代已经来临。数字化时代的一大主流产品就是嵌入式接 入设备，而嵌入式软件更是数字化产品的核心。因此，作为嵌入式软件的基础 和龙头，嵌入式操作系统在产业发展过程中则扮演着越来越重要的角色。 通过嵌入式操作系统，我们可以对整个系统的底层硬件设备进行管理，对 所有应用任务的运行进行调度；并且为用户提供了开发应用的接口，屏蔽了底 层的很多细节。开发人员只须通过将应用程序分割成若干独立的任务模块来进 行开发，这样大大简化应用程序的设计过程，缩短了开发周期，减少重复劳动， 提高了开发产品的效率，提高知识创新的效率。在原来无嵌入式操作系统的情 况下，添加一项新功能都有可能需要从头开始设计，随着系统越来越复杂，势 必造成工作量大，易于出错，使得应用软件变得过于复杂，加大开发难度，难 以保证系统的安全性和可靠性17 。 嵌入式操作系统是在嵌入式系统启动后首先执行的管理程序，管理系统的 软硬件环境。而用户的应用程序是运行于其上的各个任务，嵌入式操作系统根 据各个任务的要求，进行资源( 包括c p u 、存储器、外设等) 管理、消息管理、 任务调度、异常处理等工作。在有嵌入式操作系统支持的系统中，每个任务有 一个优先级，根据各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的 要求。开发人员在编写应用程序时，分别编写各个任务，然后将任务提交到嵌 入式操作系统进行管理、调度，这样大大减少了程序编写的工作量，而且减少 了出错的可能，保证最终程序具有高可靠性。 纵观嵌入式操作系统的发展历程，大致经历了以下四个阶段： 1 无操作系统阶段 嵌入式系统最初的应用是基于单片机的，大多以可编程控制器的形式出现， 具有监测、伺服、设备指示等功能，通常应用于各类工业控制和飞机、导弹等 武器装备中，一般没有操作系统的支持，只能通过汇编语言对系统进行直接控 两华大学硕士学位论文 制，运行结束后再清除内存。这些装置虽然已经初步具备了嵌入式的应用特点， 但仅仅只是使用8 位的c p u 芯片来执行一些单线程的程序，因此严格意义上 说此时的技术还谈不上”系统”的概念。 2 简单操作系统阶段 随着微电子工艺水平的提高，i c 制造商开始把嵌入式应用中所需要的微处 理器、i 0 接口、串行接口以及r a m 、r o m 等部件统统集成到一片v l s i 中， 制造出面向i 0 设计的微控制器，并一举成为嵌入式系统领域中异军突起的新 秀。与此同时，嵌入式系统的程序员也开始基于一些简单的”操作系统”开发嵌 入式应用软件，大大缩短了开发周期、提高了开发效率。 3 实时操作系统阶段 2 0 世纪9 0 年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需 求的牵引下，嵌入式系统进一步飞速发展，而面向实时信号处理算法的d s p 产品则向着高速度、高精度、低功耗的方向发展。随着硬件实时性要求的提高， 嵌入式系统的软件规模也不断扩大，逐渐形成了实时多任务操作系统( r t o s ) ， 并开始成为嵌入式系统的主流。 这一阶段嵌入式系统的主要特点是：操作系统的实时性得到了很大改善， 已经能够运行在各种不同类型的微处理器上，具有高度的模块化和扩展性。此 时的嵌入式操作系统已经具备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、 图形用户界面( g u i ) 等功能，并提供了大量的应用程序接口( a p i ) ，从而使 得应用软件的开发变得更加简单【8 】【9 】。 4 面向i n t e m e t 阶段 未来的社会无疑必将是一个网络的时代，将嵌入式系统应用到各种网络环 境中去的呼声自然也越来越高。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 之外， 随着i n t e m e t 的进一步发展，以及i n t e m e t 技术与信息家电、工业控制技术等的 结合日益紧密，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合才是嵌入式技术的真正未来。 2 1 2 常见的几种嵌入式操作系统 目前，国内外的嵌入式操作系统已经从简单走向成熟，比较常用的主要有 6 两华大学硕士学位论文 v x w o r k s ，q n x ，p a l mo s ，w i n d o w sc e ，s y m b i a n ，l i n u x 等。在国内的嵌入式 操作系统研究开发有两种类型，一类是基于国外操作系统二次开发完成的，比 如海信的基于w i n d o w sc e 的机顶盒系统；另一类是中国自主开发的嵌入式操 作系统，如凯思集团公司自主研制开发的嵌入式操作系统”女蜗计划”( h o p e n o s ) 等，下面就简要介绍这几种非l i n u x 操作系统的概况 1 0 】i 1 1 1 w i n d o w sc e ： 系统内核较小，能作为一种嵌入式操作系统应用到工业控制等很多领域。 其优点在于便携性、提供对微处理器的选择以及非强行的电源管理功能。内置 的标准通信能力使w i n d o w sc e 能够访问i n t e m e t 并收发e m a i l 或浏览w e b 。 w i n d o w sc e 特有的与w i n d o w s 类似的用户界面使最终用户易于使用。w i n d o w s c e 的缺点是速度慢、效率低、价格偏高、开发应用程序相对较难。 p a l m0 s ： 由3 c o m 公司开发，在掌上电脑和p d a 市场上独占其霸主地位，它有开放 的操作系统应用程序接e i ( a p i ) ，开发商可根据需要白行开发所需的应用程序。 q n x q n x 是由加拿大q s s l 公司开发的分布式实时操作系统，它由微内核和一 组共操作的进程组成，具有高度的伸缩性，可灵活地剪裁，最小配置只占用几 十k b 内存。因此，可以广泛地嵌入到智能机器、智能仪器仪表、机项盒、通 讯设备、p d a 等应用中去。 h o p e no s ： 凯思集团白主研制开发的嵌入式操作系统，由一个体积很小的内核及一些 可以根据需要进行定制的系统模块组成。其核心h o p e nk e m e l 一般为1 0 k b 左 右大小，占用空间小，并具有实时、多任务、多线程的系统特征。 s y m b i a n ： 该操作系统的前身是e p o c ，而e p o c 是“e l e c t r o n i cp i e c eo fc h e e s e 取 第一个字母而来的，其原意为”使用电子产品时可以像吃乳酪一样简单”，是设 计时坚持的理念。它是一个实时性、多任务的3 2 位具有功耗低、内存占用少 等特点，非常适合手机等移动设备使用。s y m b i a n 主要用于高端的智能手机， 其开发语言为c + + 。 7 西华大学硕十学位论文 v x w o r k s ： w i n d 砌v e r 公司的v x w o r k s 是较为有特色的一种实时操作系统。系统运行 系统的核心是一个高效率的微内核，该微内核支持各种实时功能，微内核设计 减轻了系统负载并可快速响应外部事件。在美国宇航局的“极地登陆者号、 “深空二号和火星气候轨道器等登陆火星探测器上，就采用了v x w o r b 负 责火星探测器全部飞行控制。日前在全世界装有v x w o r k s 系统的智能设备数 以百万计，其应用范围遍及各个众多领域。 嵌入式l i n u x ： 由于源代码的开放性以及强大的网络功能，在中低端的嵌入式网络设备中 的应用，比起s y m b i a j l ，v x w o r k s 等有许多优势。开发嵌入式l m u x 产品，从产 品上市时间到产品系列化，除人员以外所需的投入均较少嵌入式l m u x 以其特 有的开放性、与生俱来的网络特性成为嵌入式操作系统的主流之一。 嵌入式l m u x 操作系统的特点【9 】 1 1 ) 便于扩充实时性要求 操作系统实时性的决定因素和中断例程本身、内核中的驱动程序以及内核 中任务调度程序有关，而响应延迟时间主要受中断的优先级和其他进程暂时地 关闭中断响应的影响，因此内核任务管理和驱动中断的机制必须保证实时的要 求。目前大多数嵌入式操作系统并不具备严格的实时性，w m d o w sc e 甚至基 本上不具备实时性的特点。而嵌入式l i n u x 可以很好地满足实时性要求。针对 i n m lx 8 6 处理器进行实时扩充，r t l m u x 就是一个很好的例子，它把l i n u x 作 为自己的一个任务，这样实时性要求很高的任务不受非实时的l i n u x 的干扰， 可以更容易得到满足另外还提供了实时任务和l i n u x 的基本核心、其他任务间 的接口。 2 ) 具有很高的适应性和可靠性 l m u x 继承了u n 故的优点，其适应性和稳定性是非常突出的。嵌入式l i n u x 是一个跨平台的系统，到目前为止可以支持几十种c p u 。值得注意的是很多 c p u 包括家电业的芯片，都开始做l i n u x 的平台移植工作，移植的速度远远超 过j a v a 的开发环境同时，嵌入式l i n u x 内核的结构在网络方面是非常完整的， 提供了包括十兆、百兆、千兆的以太网络以及无线网络、光纤甚至卫星的支持， 西华大学硕士学位论文 所以l i n u x 很适于做通信设备的开发。此外，高可靠性是嵌入式l i n u x 领先于 其他嵌入式操作系统最明显的地方。l i n u x 原先主要用于服务器领域，有较高 的可靠性。现在，嵌入式l i n u x 中虽然对内核进行了一些裁减，但仍然保持原 l i n u x 高可靠性特点，在使用l i n u x 开发的产品中一般很少有系统崩溃的现象。 3 ) 具有成熟的开发工具 开发嵌入式系统的关键是需要一套良好的开发和调试工具，嵌入式l i n u x 利用g n u 项目的c 编译器来编译程序，使用g d b 源程序级调试器来调试程序 它们提供了合适的手段，使客户能够方便地开发嵌入式l i n u x 的各种应用程序。 开发时可在p c 上交叉编译应用程序，调试时可通过串口t e l n e t 等登陆硬件平 台，同时可利用n f s 调试已存在p c 机中的文件 4 ) 可以灵活地配置内核 一般说来，嵌入式操作系统使用的存储容量都十分有限，不能像普通计算 机那样采用海量存储器来进行数据存储。通常采用软件固化的方法，将程序和 操作系统嵌入到整个产品里面，因此减少操作系统的体积是关键。嵌入式l i n u x 除了本身体积较小以外，还保留了l i n u x 操作系统中非常有特色的一点，用户 可以自己根据需要裁减内核，完全可以根据不同的任务来选择特定内核模块， 而将不用的部分去掉，减少体积，从根本上解决开发中体积和功能之间的矛盾。 论文在进行嵌入式应用开发时，结合实际需求，选择嵌入式u c l i n u x 作为 开发的研究对象，在操作系统选择时主要考虑以下几个方面： 1 ) 操作系统的硬件支持 这主要从两个方面考虑：是否支持目标硬件平台和可移植性。 2 1 能否满足应用需求 主要包括：操作系统性能要求、内核存储空间要求、网络化支持、应用行业 的标准性、技术支持、是否公开源代码等。 2 2 论文硬件开发平台 论文在设计中应用了高性能、低功耗、3 2 位r i s c 结构的a r m 7 微处理器 的开发板作为课题实验平台，该a r m 硬件平台功能框图如图2 1 所示，其中 9 两华大学硕士学位论文 主要包括了外部存储器电路、以太网接1 5 1 电路、j t a g 接口、r s 2 3 2 串口电路 等等与开发相关的各个外设硬件配置等。 核心板有以下器件组成： c p u ：a r m 7 t d m i s 微控制器l p c 2 2 1 0 ，系统时钟可以达到6 0 m h z 。 n o rf l a s h ( b o o t l o a d e r ) ：2 m 字节的s s t 3 9 v f l 6 0 芯片。 p s r a m ：8 m 字节的m t 4 5 w 4 m w l 6 芯片。 n a n df l a s h ：1 6 m 字节的k 9 f 2 8 0 8 u o c 芯片 以太网接口：以太网接口芯片r t l 8 0 1 9 a s ，采用r j 4 5 接口。 复位电路：带1 2 c 存储器的电源监控芯片c a t l 0 2 5 j i 一3 0 j t a g 接口：2 0 芯标准的j t a g 接口，支持a d s l 2 及j t a g 烧录。 时钟晶振：外部的1 1 0 5 9 2 m h z ，同时可支持p l l 和i s p 功能。 8 个独立的l e d 灯，一个蜂鸣器，一个独立按键。 5 2 英寸的3 2 0 * 2 4 0 彩色液晶屏，带触摸屏。 直流电机驱动电路 r s 2 3 2 转化电路可完成u a r t 通讯实验。 2 5 6 字节的e 2 p r o m ( 1 2 c 总线接口) 相应的系统需要的相应传感器 核心板的外存储器由2 m 字节1 6 位数据宽度的n o rf l a s h ( s s t 3 9 v f l 6 0 ) 和 8 m 字节1 6 位数据宽度的p s r a m ( m t 4 5 w 4 m w l 6 ) 以及1 6 m 字节8 位数据宽度的 n a n df l a s h ( k 9 f 2 8 0 8 u o c ) 组成。其中n o rf l a s h 用来存储启动程序或者固 化代码；p s r a m 用来在线调试程序：n a n df l a s h 用来存储操作系统和应用 程序。 论文考虑到移植的内核和文件系统的大小，所以特意将b o o t l o a d e r 放在 n o rf l a s h 里而g c l i n u x 操作系统则放在1 6 m 的n a n df l a s h 里面。我们所说 的b o o t l o a d e r 作用主要是在嵌入式系统开始启动时为操作系统的正常执行做 好相关的一系列的初始化工作，并在成功引导g c l i n u x 操作系统后将系统的控 制权交给操作系统，由操作系统管理和维护整个系统。 下面是对研究开发平台的一些相关硬件的简单介绍和分析。 1 0 西华大学硕十学位论文 f i g u r e2 1f u n c t i o nf r a m e w o r ko f h a r d w a r ef l a t 图2 1 硬件平台功能框图 ( 1 ) 平台上核心a r m 芯片是由p h i l i p s 公司生产的a r m 7 t d m i s 微控制器 l p c 2 2 1 0 。它是一个基于支持实时仿真和嵌入跟踪的3 2 16 位 a r m 7 t d m i s 刑c p u 。对代码规模有严格控制的应用可使用16 位t h u m b 模式 将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小。l p c 2 2 1 0 是1 4 4 脚封装、具 有极低的功耗、2 个3 2 位定时器、8 路1 0 位a d c 、p w m 通道输出以及多达9 个外部中断管脚使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和电子收款 机( p o s ) 。通过配置总线，l p c 2 2 1 0 最多可提供7 6 个g p i o 。由于内置了宽范 围的串行通信接口，l p c 2 2 1 0 也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软 件调制解调器以及其它各种类型的应用【4 】【5 】【引l p c 2 2 1 0 具有1 6 k b 的静态 r a m 作为代码和数据的存储。 ( 2 ) 开发平台网卡芯片采用的是r t l 8 0 1 9 a s ，以太网接口电路如图2 2 所 示。l p c 2 2 1 0 具有外部总线接口，所以电路设计为1 6 位总线方式对r t l 8 0 1 9 a s 进行访问，即数据总线d 0 - d 1 5 与芯片的s d 0 s d l 5 连接，由于r t l 8 0 1 9 a s 工作电压是5 v 而l p c 2 2 1 0 的i o 电压是3 3 v ，所以在总线上串接保护电阻。 r t l 8 0 1 9 a s 芯片工作在跳线模式，其基地址为0 x 3 0 0 ，所以电路上s a 6 、s a 7 、 s a l 0 s a l 9 均接地，s a 8 、s a 9 接电源。s a 5 与片选信号i on c s l 连接，因 此，其地址为o x 8 3 0 0 0 0 0 0 0 x 8 3 0 0 0 0 1 f 。 西华大学硕士学位论文 f i g u r e2 2i n t e r f a c ec i r c u i to fe t h e m e t 图2 2 以太网接口电路 2 3 基于1 1c l i n u x 操作系统平台构建 2 3 1 嵌入式c l i n u x 操作系统 ( 1 ) 什么是i t c l i n u x g c l i n u x 是l i n u x2 0 版本的一个分支，它被设计主要用来应用于微控制领 域。我们知道，l i n u x 是一种很受欢迎的操作系统，原本被设计为桌面系统， 并广泛应用于服务器领域。而随着嵌入式技术的发展，l i n u x 更大的影响在于 它正逐渐地应用于嵌入式设备，i _ t c l i n u x 正是在这种技术发展的氛围下产生了。 g c l i n u x 是一个g n u 的项目，代码完全开放。l a c l i n u x 的英文解释为m i c r o c o n t r o ll i n u x ，可理解就是“针对微控制领域而设计的l i n u x 系统。它专门应 1 2 两华大学硕士学位论文 用于没有m m u 的c p u ，并专为嵌入式系统做了许多小型化的工作，已支持的 微处理器包括m o t o r o l a 公司的m c 6 8 k 系列、d r a g o n b a l l 系y l j ( 6 8 e z 3 2 8 和 6 8 v z 3 2 8 ) $ 1 1c o l d f i r e 系列，a r m 7 t d m i ， i n t e l i 9 6 0 、a t a r i6 8 k 等。 同标准的l i n u x 相比，由于g c l i n u x 自身不支持m m u ，多任务的实现就需 要技巧了。但是，在g c l i n u x 上运行的绝大多数的用户程序并不需要多任务。 另外，针对g c l i n u x 内核的二进制代码和源代码都经过了重新编写，以紧缩和 裁剪基本的代码。这就使得g c l i n u x 的内核同标准的l i n u x 内核相比非常之小， 但是它仍保持了l i n u x 操作系统的主要的优点，如稳定性、强大的网络功能和 出色的文件系统支持等。i _ t c l i n u x 就包含l i n u x 常用的a p i 、小于5 1 2 k 的内 核和相关的工具，操作系统所有的代码加起来小于9 0 0 k b 【1 2 】【1 3 】。 i - t c l i n u x 有一个完整的t c p i p 协议栈，同时对其它许多的网络协议都提供 支持。这些网络协议都在l x c l i n u x 上得到了很好的实现。g c l i n u x 可以称作是 一个针对嵌入式系统的优秀网络操作系统。g c l i n u x 所支持的文件系统有多种， 其中包括最常用的n f s ( n 络文件系统) 、e x t 2 、r o m f s ，m s d o s 及f a t1 6 3 2 等 ( 2 ) p c l i n u x 的内核结构和运行条件 在g c l i n u x 的发布中，l i n u x m m n o m m u 目录取代了l i n u x m m 目录，前者 就是修改后的内存管理子系统被修改，去除了m m u 硬件的依赖，并在内核软 件自身提供的内存管理函数。同时，在内核中加入了“位置无关代码( p i c ) ” 的程序加载模块，用来支持使用固定基准地址的可执行文件。l i n u x 下的所有 可执行文件的格式在g c l i n u x 并不被支持，因为这些格式用到了虚拟内存的一 些功能，所以g c l i n u x 使用另外一种扁平格式的可执行文件格式，它只包含可 执行的代码和数据，还有一些把可执行文件加载到内存任意位置所需要的可重 定位的信息。 由于去除了与m m u 相关的代码，c l i n u x 可以生成精简的内核与应用程 序，这一特点在嵌入式系统中的优势非常显著。同时，这种差别对一般应用程 序开发者来说几乎是透明的，所以g c l i n u x 的优点是相当明显的。 在g c l i n u x 嵌入式系统下开发应用程序与标准l i n u x 下并没有太大区别【1 4 】。 西华大学硕上学位论文 但是，由于系统中没有对m m