（电工理论与新技术专业论文）基于32位arm+linux平台的设计和应用.pdf

基于3 2 位a r ml i n u x 平台的实现与设计 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi n i n f o r m a t i o nt i m e sa n dt h ea b o a r da p p l i c a t i o no fi n t e r n e t ，i ti sc l e a rt h a t3 c ( c o m p u t e r ， c o m m u n i c a t i o na n dc o n s u m e r ) w i l lc o n v e r g ei nt h en e a rf u t u r ew h i c hw i l ll e a dt h e f o c u so fc o m p u t e ri n d u s t r yf r o mt h ec o m p u t ep r o d u c tt oi n f o r m a t i o np r o d u c t t h e e m b e d d e ds y s t e ma n de m b e d e do sh a v ea p p r o a c h e dar e m a r k a b l ed e v e l o p m e n t t h i st h e s i s ，f i r s t l y , s u m m a r i z e st h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo ft h ee m b e d d e d s y s t e m ，t h e ni n t r o d u c e s t h er e s e a r c ho fe m b e d d e dt e c h n o l o g ya td o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a l o nt h eb a s eo fs y n t h e t i cc o m p a r i n ga l lk i n d so fe m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e me x i t i n gt o d a y ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ee x c e l l e n c ea n dl i m i t a t i o no fu s i n gl i n u x t ob u i l de m b e d d e ds y s t e m a - n dt h ee x p l o i t a t i o no ft h ed r i v e rf o rl i n u x t h ep r o c e s so ft r a n s p l a n t i n gl i n n xt oa r mi sc o m p l i c a t e da n dh i g h l ys k i l l f u l t h i s p a p e rh a se x p a t i a t e dt h ep r o c e s so ft r a n s p l a n t i n ga n da l s oh a sp u tf o r w a r ds o m e c o n s t r u c t i v ep l a n s a n dt h e nm a i n l yd i s c u s s e dt h ep r o g r a m m i n gm e t h o d sa n ds k i l l so f d r i v e r su n d e rl i n u xe n v i r o n m e n t b e c a u s eo ft h em e t e rw i t hh i g hq u a l i t y 、m u l t i t a s k a n dm u l t i p l ec a p a b i l i t y ，t h ec o m p l i c a t e dd a t at e r m i n a l sa n dp r e p o s i t i v em a c h i n e ，a st h e d e m a n do fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eb eh i g h e ra n dh i g h e r ，m o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d s e r v i c e s ，e m b e d d e dl i n u xp l a t f o r mh a v eb e e nu s e df o rp r o d u c t s a tl a s t ，b a s e do nt h e r e s e a r c hr e s u l t ，t h eg p r ss m a r tt e r m i n a ls y s t e mb a s e do ne m b e d d e dl i n u xh a sb e e n s u c c e s s f u l l yd e s i g n e d t h i ss y s t e ma d o p t e da d v a n c e da n dr e a s o n a b l et r u s so fh a r d w a r e a n ds o f t w a r e ，a n de m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n g s y s t e m t h i ss y s t e m c o l l e c t sm e t e r d a t a ，s u c ha sc o m p l e xc u r v e ，e l e c t r i c a le n e r g ya n ds oo nt h r o u g hr s 4 8 5 t h e ni ts e n d s d a t at oc o n t r o lc e n t e rt h r o u g hg p r sw i r e l e s sm o d u l ef r o ms i e m e n s a tl a s t ，v i al i n u x a p p l i c a t i o np r o g r a ma n a l y s i n ga n dd i s p o s i n g ，m u l t i f u n c t i o n a ls m a r tt e r m i n a ls y s t e m h a sh i g hp r e c i s i o n t h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e mh a sb e e nr e a l i z e da n ds u c c e s s f u l l yu s e di nw a s i o n e l e c t r o n i c sc o ，l t dg p r st e r m i n a l s a l lt h ed r i v e r sa n da p p l i c a t i o n sh a sb e e no p e r a t i n g s t a b l yo n8 m f l a s h t h em e t h o d sr e p o r t e di nt h ep a p e rc o u l db eb e n e f i c i a lt ot h e r e s e a r c ho ne m b e d d e ds y s t e ma n dt h ea p p l i c a t i o ni ne m b e d d e dl i n u x k e yw o r d s ：e m b e d d e d - l i n u x ；o p e r a t i n gs y s t e m ；g p r s ；w i r e l e s sm o d u l e ； s m a r tt e r m i n a ls y s t e m 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：砻幻现q k 日期参删年r 月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：抽b 年i 月，u 日 日期：0 柙b 年i 一月，w 日 第1 章绪论 1 1 嵌入式系统定义和特点 根据i e e e ( 豳际电气和媳予工程师协会) 的定义，嵌入式系统鼹“控制、监视或 者疆韵设荟、秘器秘车运运行戆装萋”( 藤文秀：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 r a s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n eo rp l a n t s ) l 。不过，上述定义并不髓充 分体现出嵌入式系统的精髓。目前国内蒋遍的认同鼹：嵌入式系统是以应用为中 心、以计算机技术为基础、较晔硬件可裁剪，满足应用系统对功缝、可靠性、成 本、体积、功耗严格要求的专麓计算辊系统弦l 。这个定义将搡佟系统帮功能软 警集 成予计算机硬件系统之中，简单的说就熙系统的应用软件与系统的硬件一体化， 类似予b i o s 的工作方式，典有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点。特 爱逶会手要求实涎夔窝多任务黪律系。 这一定义几乎包括了我们周围的所裔电器设备：如掌上p d a 、移动计算设备、 电视机顶盒、葶机上网、多媒体、汽车电子、微波炉、家庭自动化系统、电梯控 捌、安全系统、囊动售货撬医疗仪器、爨旗取款等等。据绞诗，每年只骞l o ，2 0 璐 的计算机芯片悬为台式或漆上电脑而设计豹，这也意味着每年宥l 。2b i l l i o nc p u 是为嵌入式设备而设计制造的。 般两言，熬个嵌入式菇统的体系缕构可以分成四个部分：嵌入式处理嚣、 嵌入式终霞设鍪、嵌入式搽终系统移嵌入斌应用较绛瞳碧图1 1 掰示： 强 。 嵌入式系统酶缝捧 嵌入式系统是继i t 网络技术之后，又个新的技术发展方向。嵌入式系统是 将残进的计算机技术、半导体技术和电予技术和各个行业的具体威用相结合厝的 产物。宙予嵌入式系统其毒髂辍枣、毪熊强、功耗低、胃靠牲襄泼及瑟彝嚣簸瑾 用的突出特征，醴前已经广泛地应用于军事国防、消费电子、网络通信、工娥控 制等各个领域。随着计算机技术与通信技术的发展，嵌入式系统的研究与开发也 有着越来越重要的实际意义。 嵌入式系统与通用计算机系统相比，具有一些自己的特点，下面分别列出其 中的主要方面。 1 面向特定应用( s p e c i a la p p l i c a t i o no r i e n t e d ) 嵌入式系统与通用型计算机系统的最大不同点就是嵌入式系统大多工作在为 特定用户群设计的系统中，通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够 把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设 计趋于小型化，移动能力大大增强。 2 高度密集( h i g h l yc o m p a c t ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和微电子技术以及各个行业 的具体应用相结合后的产物。这就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高 度分散但管理集中、不断创新的知识集成系统。 3 生命周期长( l o n gl i f ec y c l e ) 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。 4 程序可固化( r o m a b l e ) 为了提高执行速度，增强系统的可靠性，嵌入式系统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，这点就与通用计算机系统 有本质的区别。 1 2 嵌入式系统的历史、现在和发展趋势 虽然嵌入式系统是晟近几年才风靡起来，但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的嵌入式微处理器及系统的大规模应 用，嵌入式系统已有了近3 0 年的历史。 综观嵌入式技术的发展，大致经历了以下4 个阶段【4 j ： 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、伺 服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控 制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制， 运行结束后清除内存。这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能都相对单 一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统 使用简便、价格很低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远远不能 适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电等领域 的需求。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这 一阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效 硕士学位论文 率高：操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够 友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 第三阶段是以嵌入式操作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行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系 统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、 设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应 用程序接口( a p i ) ，开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以基于i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶 段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r n e t 之外，但随着i n t e m e t 的发展以 及i n t e r n e t 技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与 i n t e r n e t 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。 目前，随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式技术全面展开，目前已 经成为通信和消费类产品的共同发展方向。总体来说，嵌入式系统分别在硬件及 软件( 主要是嵌入式操作系统) 方面获得发展。 硬件方面，处理器芯片从单一的4 位、8 位微控制器向1 6 位及3 2 位高端处理 器发展，数字处理芯片d s p 及嵌入式片上系统更是现在的技术热点。不仅有各大 公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配套开发包。目前底层系统和 硬件平台经过若干年的研究，已经相对比较成熟，实现各种功能的芯片应有尽有。 从软件方面讲，也有相当多的成熟系统软件。国外商品化的嵌入式操作系统， 已进入我国市场的有很多。我国自主开发的也有一些，如h o p e n 嵌入式操作系统。 而且网上也可以找到各种各样的免费资源，从各大厂商的开发文档到各种驱动程 序源代码。 在嵌入式系统发展到现在这个程度，利用的范围除了在自动化控制、军事技 术、工业生产、科学研究等方面的应用之外，现在逐步在向日常生活中渗透。而 p c 的发展现在也正在减缓趋势。据有关报道，p c 的增长率由九十年代中期的年 递增率3 5 下降到去年的1 5 。从市场的观点来看，p c 机已经从高速增长进入到 平稳发展的市场顶峰对期，单纯由p c 机带领的电子产业蒸蒸日上的对代已经成为 历史，现在的电子产业的发展需要寻找一个新的“战略转折点”。这个时候，根据 p c 时代的概念，美国b u s i n e s s w e e k 杂志提出了“后p c 时代”的概念。在这个时代， 占电子市场主体的不再是p c 和家用电器，而是具备视听功能、信息处理和双向网 络通信功能的信息电器以及网络信息产品。 现在嵌入式系统应用技术热点有以下方面1 5 j ：移动互连、网络技术、网络家电、 微电子机械、国防工业、生物微电子技术( d n a ) ，电子商务、i n t e r n e t 。而且现 在网络在人们生活中的应用越来越广泛，自然而然，在嵌入式系统中使用网络系 统也成为了一项基本的要求。把网络协议栈实现在嵌入式系统中，对日常生活中 基于3 2 位a r ml i n u x 平台的实现与设计 的需要极有意义。利用嵌入式系统中的网络功能，可以实现信息电器这一即将取 代p c 而在后p c 时代占据市场主体的商品。我们知道，如果在上面所说的那种采 用循环控制的嵌入式系统中加入网络协议栈，复杂度会呈指数级增长。这种情况 下，在嵌入式操作系统中增加网络协议模块要方便得多，并且还能方便各种网络 应用程序的不同平台移植。 由此可见未来嵌入式系统的几大发展趋势： 1 嵌入式产品将与互联网应用相互促进，快速发展，嵌入式产品将成为互联 网的主要终端之一，网上将出现大量的服务于嵌入式产品的软件，并有专门服务 于嵌入式产品的内容。嵌入式设备网络互联成为必然趋势。 2 随着微电子技术的快速发展，芯片功能更加强大，s o c 将成趋势，这不仅 能降低成本，缩小产品体积，还将增强产品的可靠性。同时，软件硬件的紧密结 合，嵌入式软件与硬件的界线更加模糊，嵌入式软件时常以硬件形态存在，这种 方式可提高实时性，增强可维护性。 3 无线通讯产品将成为嵌入式软件的重要应用领域。一方面，已有的无线产 品将借助芯片技术和嵌入式软件来提高性能，另一方面当前许多嵌入式产品都将 增加无线通讯功能。因此，未来几年，蓝牙等相关技术会与嵌入式软件相互促进， 共同发展，使更多的产品具有通讯功能，使更多的通讯产品更好地为用户服务。 4 嵌入式操作系统会与嵌入式应用软件协同发展。嵌入式应用软件是嵌入式 系统中的重要角色。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。 5 嵌入式操作系统是在多种硬件平台上发展起来的，随着嵌入式系统的广泛 应用，信息交换、资源共享机会增多，由此相关的标准问题也将日渐突出，如何 建立相关标准成为业界关注的问题。 1 3 研究嵌入式技术的意义 嵌入式系统将成为i t 界的又一个焦点，开发中国自主产权的嵌入式处理器和 嵌入式操作系统，对于我们国家的民族i t 工业来讲，将有十分重要的战略意义。 我们应该抓住机遇，组织力量，重点出击，取得主动权。从目前国内i t 市场来看， 嵌入式系统及其产品在由家电产品和i n t e r n e t 衍生出来的新型市场中占有主导地 位和独特份额。因此，嵌入式系统的市场争夺战，是未来后p c 时代i t 市场的关 键之战。 嵌入式c p u 是嵌入式系统的核心。拥有自己的嵌入式c p u 和支撑硬件是发 展自主产权嵌入式系统的前提条件和基础。操作系统是软件产业的基础和龙头， 它能左右软件产业发展的方向，是世界软件产业最大的利润来源。研制自主版权 的嵌入式操作系统意义重大，它可以摆脱p c 时代我们被外国牵着鼻子走的局势， 4 硕士学位论文 可以摆脱w i n t e l 的束缚，使中国的i t 行业真正走向成熟和自立。 对于嵌入式操作系统应尽早抓标准，既可防止不合国情的外国产品成为事实 标准，也可防止出现无序竞争。在另一方面，嵌入式系统的硬件技术已经成熟， 只要引进先进技术，根据专业性的特征，加以吸引和同化，就可以形成自己的嵌 入式系统硬件生产体系。此外，可以将嵌入式系统设计和开发列入产业发展计划， 重点支持软件和芯片设计发展：在政府有关部门的支持下，建立嵌入式硬件和软 件开发基地，创造良好的无发环境，集中优秀人才和先进技术。同时国内的软件 开发商、硬件制造商、信息服务商、信息运营商应该结成联盟，形成产业链，产 生总体优势，形成我们自己的竞争优势。 1 4 课题研究内容及组织形式 l i n u x 是一种支持多种体系结构处理器的操作系统，有很强的移植性，本文描 述了将a r ml i n u x 一直到基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器的目标板上的方法和过程。首 先说明了如何搭建移植环境，然后着重讨论了在该开发板上b o o t l o a d e r 的实现以及 a r ml i n u x 内核和文件系统的移植的方法，对于在这种基于l i n u x 的嵌入式系统 环境下如何开发驱动程序也作了分析与探索。基于上述研究成果，成功地设计了 一种基于嵌入式l i n u x 的g p r s 智能抄表系统，该系统采用先进而合理的软硬件 架构，嵌入l i n u x 操作系统，通过r s 4 8 5 来采集电表数据，比如复合曲线、电能 量等等，再通过西门子公司的g p r s 无线模块m c 3 5 来发送抄表数据到控制中心， 通过l i n u x 应用程序的分析处理，实现高精度、多功能的智能抄表系统 最后将g p r s 抄表系统应用在3 2 位嵌入式l i n u x 平台上。 论文的组织结构如下： 第一章是对嵌入式系统的综述，对嵌入式系统的定义、特点、应用以及国内 外研究现状和发展趋势进行了介绍。 第二章介绍了嵌入式操作系统以及r t o s 的概念和技术特点，并分析了l i n u x 相关技术及其嵌入式l i n u x 的特点、衡量标准及嵌入式l i n u x 的研究应用现状及优 缺点。 第三章详细论述了3 2 位处理器a r m 的主要结构和特点，移植环境的建立， 以及将嵌入式l i n u x 操作系统移植到a r m 上的方案。简单介绍了l i n u x 的内核、 文件系统和系统的启动过程。 第四章主要介绍了l i n u x 驱动程序的一些分类与特征，并具体介绍了驱动程序 在i 0 端口、内存处理、终端处理、时钟等等方面的实现 第五章介绍了抄表系统的总体设计原则，以及智能抄表系统的功能，并且介绍 了本人在a r m 上移植l i n u x 的方法与心得体会，并在3 2 位l i n u x 乎台上实现了 基于3 2 位a r ml i n u x 平台的实现与设计 抄表系统。 第六章着重介绍了g r p s 抄表的p p p 拨号，以及模块注册网络依附u d p 建立 与数据包收发的软件部分的编写。 第2 章嵌入式操作系统及其选型 本章主要介绍了嵌入式操作系统，并着重描述了嵌入式l i n u x 操作系统的优缺 点和在开发中我们为什么要选择l i n u x ，以及它在开发中的不足之处。 2 1 嵌入式操作系统 2 1 1 嵌入式操作系统概念及特点 操作系统主要有四种基本结构，即通用操作系统、层次结构操作系统、客户 服务器方式操作系统与嵌入式操作系统i6 1 矗e 们在日常工作学习环境中接触最多的 是通用操作系统。通用操作系统是由分时操作系统发展而来，大部分都支持多用 户和多进程，负责管理众多的进程并为它们分配系统资源。分时操作系统的基本 设计原则是尽量缩短系统的平均响应时间并提高系统的吞吐率，在单位时间内为 尽可能多的用户请求提供服务。由此可以看出，分时操作系统注重平均表现性能， 不注重个体表现性能。 嵌入式操作系统是相对于其他常规操作系统而言的，一般是指系统的内核， 或者微内核。嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂，它的出现大大提高了嵌入式 系统开发的效率，这不仅体现在其减少系统开发总工作量，而且提高了嵌入式应 用软件的可移植性。为了和嵌入式系统特点相匹配，一个典型的嵌入式操作系统 一般要包括操作系统所具备的最基本功能，如进程调度、内存管理以及中断处理 等，同时要具有小巧、速度快和响应可预测性等特点，必须保证实时任务在要求 的时间内完成。要注意的是，实时特性不是嵌入式系统所必需的，具各较好实时 性的嵌入式操作系统严格的讲应该是嵌入式实时操作系统。由于嵌入式系统很多 情况下是用于工控等场合，所以绝大多数的情况都对实时性有一定的要求。嵌入 式系统一般没有外部存储器，所有的程序和数据都装在f l a s h 等固态的电子盘上。 在嵌入式操作系统中，内核或微内核至少应包含如下几个部分i 。7 】 1 进程调度 在当前的嵌入式应用中，进程调度的好坏是至关重要的。操作系统在决定进 程运行的时间的同时还需要维护各个进程的状态信息，即进程的执行环境。在其 他任务占用处理器的控制权之前，进程的环境必须保留下来，以备下次执行时恢 复进程的执行环境。操作系统为每个进程维护了一个称为进程控制块的数据结构 ( p c b ) ，以记录进程的有关信息。嵌入式操作系统中的进程状态主要有如下三种：运 行态( r u n n i n g ) 、就绪态( r e a d y ) 、阻塞或等待状态( w a i t i n g ) 。三种状态之间的关系图 如下。 7 基于3 2 位a r ml i n u x 平台的实现与设计 图2 1 操作系统进程状态关系图 在嵌入式操作系统中与进程调度密切相关的是调度程序。调度程序决定哪个 进程有权占用处理器。大部分的嵌入式操作系统使用的一种优先级的抢占式调度 算法，即任何时刻，占用处理器的进程必须是所有进程中优先级最高的进程。除 了采用这种调度算法外，操作系统中的任务调度策略目前使用最广泛的主要可分 为两种，一种是静态表驱动方式，另一种是固定优先级抢先式调度方式。 2 存储管理 嵌入式操作系统的存储管理较之通用操作系统来讲要简单很多。嵌入式操作 系统一般采用静态存储分配策略，从而使得嵌入式应用中进程的数量及所使用的 内存资源可以测量。对于嵌入式系统中虚存管理问题，嵌入式操作系统一般采用 如下两种方式： ( 1 ) 在原有虚存管理机制的基础上增加页面锁功能，用户可将关键页面锁 定在内存中，从而不会被s w a p 程序将该页面交换出内存。这种方式的优 点是既得到了虚存管理机制为软件开发带来的好处，又提高了系统的可预 测性。 ( 2 ) 采用静态内存划分的方式，为每个实时任务划分固定的内存区域。这 种方式的优点是系统具有较好的可预测性，缺点是灵活性不够好，任务对 存储器的需求一旦有变化就需要重新对内存进行划分，此外虚存管理机制 所带来的好处也丧失了。目前市场上的实时操作系统一般都采用第一种管 理方式。 3 中断处理： 在通用操作系统中，大部分外部中断都是开启的，中断处理一般由设备驱动 程序来完成。由于通用操作系统中的用户进程一般都没有实时性要求，而中断处 理程序直接跟硬件设备交互，可能有实时性要求，因此中断处理程序的优先级被 设定为高于任何用户进程。但对于嵌入式操作系统采用上述的中断处理机制是不 合适的。首先，外部中断是环境向操作系统进行的输入，它的频度是与环境变化 的速率相关的，而与操作系统无关。如果外部中断产生的频度不可预测，则一个 硕上学位论文 任务在运行时被中断处理程序阻塞的时间开销也是不可预测的，从而使任务的实 时性得不到保证，如果外部中断产生的频度是可预测的，一旦某外部中断产生的 频度超出其预测值( 如硬件故障产生的虚假中断信号或预测值本身有误) 就可能 会破坏整个系统的可预测性。一种较适合嵌入式操作系统的中断处理方式为：除 时钟中断外，屏蔽所有其它中断，中断处理程序变为周期性的轮询操作，这些操 作由核心态的设备驱动程序或由用户态的设备支持库来完成。 2 2 嵌入式操作系统选型 在嵌入式系统的开发中，嵌入式操作系统软件是实现各种系统功能的关键， 也是计算机技术最活跃的研究方向之一。不同的应用对嵌入式软件系统有不同的 要求，通常，应用系统对嵌入式软件的基本要求是体积小、执行速度快、具有较 好的可裁减性和可移植性。随着嵌入式系统发展和应用的多样性，嵌入式操作系 统的选择主要考虑以下几方面的因素： 1 操作系统的硬件支持：如支持目标硬件平台和可移植性； 2 开发工具的支持程度：如编译器、链接器、调试器及仿真环境等； 3 能否满足系统应用需求：如实时性、中文化支持、可靠性等； 4 成本和技术支持：如整个目标系统的成本和操作系统的成本： 5 自行开发或自建操作系统：如l i n u x 和u c o s 等。 2 2 1 目前流行的嵌入式操作系统 目前，用于嵌入式环境的嵌入式操作系统种类繁多【5 】：如微软的w i n d o w s c e ， 3 c o m 公司的p a l mo s ，i n t e g r a t e ds y s t e m s 公司的p s o s ，美国w i n d r i v e r 公司的 v x w o r k s ，l y n x 的l y n x o s 以及加拿大q n x 公司开发的q n x ，还有丌放源码的实 时u c o s 等等，都是当今主流的嵌入式操作系统。表2 1 显示了嵌入式操作系统 的有关信息。 这些操作系统都已处于稳定实用的阶段，如我国的中兴通讯、华为技术等企业 就是使用p s o s 与v x w o r k s 来开发通讯产品的。 在国内，嵌入式操作系统又可分为两大类型：一类是自主版权的操作系统； 另一类是基于自由软件l i n u x 的操作系统。自主版权的操作系统方面，国内有“女 娲h o p e n ”操作系统、桑夏2 0 0 0 操作系统和d e l t a o s 操作系统等。 表2 1 各种嵌入式操作系统介绍 操作系统应用领域 地域 w i n c e消费电子，视频终端美国 e m b e d i x消费电子，电信，工控，信息家电，运输，零售 美国 h o p e n 消费电子，信息家电，导航系统中国 p a i m o s 掌上电脑美国 p s o s 消费电子，工控，网络设备，航空，防御系统，交通，医疗设备美国 q n g 消费电子，电信，汽车，医疗设备 加拿大 v x w o r k s消费电子，工控，网络设备，航空，防御系统，交通，医疗设备美国 u c ，o s工控，交通，医疗设备 美国 2 2 2 嵌入式操作系统的比较 从上面我们列出的嵌入式操作系统相关信息及应用领域上看其各有千秋，都 是比较成熟的，也是目前比较优秀的嵌入式操作系统【1 0 1 ，它们所具有的特点见表 2 2 。 表2 2 主要嵌入式操作系统比较 操作系统特点价格 v x w o r k s可靠、实时和可裁减，支持p o s i x 每客户1 6 5 0 0 美元 1 0 0 3 1 b 实时扩展以及t c p i p 网络协议， 高效的微内核 p s o s 完全可扩展、模块化、高性能嵌入式 首次1 6 2 2 万r m b 左 操作系统，支持多类型处理器和文件系右，以后每客户收费在6 - 9 统 万r m b 之间 q n x q n x 是唯一可以将实时p o s i x 环境 按目标系统使用的系统 外加一个完全的窗口系统安装在lm 以模块配置价格 下的电子盘或只读存储器上的操作系 统，真正的微内核，具有完全可伸缩性， 高性能、健壮、可靠性好、速度极快 l y n x o s 分布式、可扩展，支持多进程和多线开发环境许可证7 0 0 0 美 程。l y n x o s 包括b s d 系统调用接口和 元，每客户1 0 0 0 0 美元 库函数，能为任何一个u n i x 的平台上 的应用提供相当高程度的源码级兼容 w i n d o w s c e嵌入但不够实时，属于软实时操作系需要许可证费 统，与w i n d o w s 兼容，小内核，可伸缩 实时操作系统，可视化界面满足大部 分嵌入式和非嵌入式的需要 1 0 硕士学位论文 从表2 2 中，我们看到了各种嵌入式操作系统具备的一些基本的特点就是： 1 体积小、具有微内核、符合p o s i x 标准 2 可裁减、可扩充，一般具有模块化结构 3 支持多种c p u 、移植性能好 4 支持网络环境、有较好的开发调试环境 5 有的还要有具备很好的实时性，有的甚至要符合p o s i x1 0 0 3 1 b 实时扩展 标准 但同时也我们看到了这些操作系统存在的共同问题就是价格特别昂贵，更大 的系统收取的费用更高，一些系统版本升级也需要付费，这些都是嵌入式系统价 格上的巨大屏障。透过这种价格，我们还看到，用户对于这种操作系统的使用很 不自由。由于系统内核不公开，一切开发要依赖于操作系统提供商提供的支持， 用户无法根据自己的需求方便地进行应用开发，这也是它们共同存在的问题。 正是这么昂贵的价格和核心的不公开使得嵌入式产品开发及应用变得非常困 难，但从另一方面讲，也使得对嵌入式操作系统的研究开发蕴含着巨大的商业价 值。国内的嵌入式系统开发也已经取得了一定的成绩，包括中科院的e e o s ，凯思 的h o p e no s 等等。但是国内的产品很大程度上只是外国公司的附属和扩充，国 内的技术含量较低。下面做一些简略介绍： 1 e e o s e e o s 是中科院计算所组织开发的开放源码的嵌入式操作系统。该嵌入式操作 系统重点支持j a v a ，要求一方面小型化，一方面能复用l i n u x 的驱动和其它模块。 计算所将在2 3 年内持续投入，以建立扩展能力强、功能完善、稳定、可靠的嵌 入式操作系统平台。包含e 2 实时操作系统，e 2 工具链及e 2 仿真开发环境的完整 系统。e 2 实时操作系统包含r t o s 内核系统和一些支持组件，支持p o s i x 标准。 e 2 实时操作系统强调模块化，各模块解决方案可移植、可互换。此外e 2 实时操 作系统提供开放源码。 2 h o p e n o s 女蜗h o p e no s 是凯思集团自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。其内核h o p e nk e r n e l 占 用空间小，并具有实时、多任务、多线程的系统特征。使用者可以很容易地对这 一操作系统进行定制或作适当开发。 该系统不仅可以广泛应用于移动计算平( p d a ) 、家庭信息环境( 机顶盒，数字 电视) 、通讯计算平台( 媒体手机) 、车载计算平台( 导航器) 、工业、商业控制( 智能 工控设备，p o s a t m 机) 、电子商务平台( 智能卡应用，安全管理) 等信息家电上， 还可应用于与i n t e r n e t 相联接的许多接入设备。 该系统目前己能在x 8 6 ，p a - r i s c ，p o w e rp c ，a r m ，s t r o n ga r m ，m i p s ，6 8 x x x 等多种芯片上运行。 在自由版权方面，嵌入式l i n u x 进展较快。在中国，以l i n u x 为基础的嵌入式 操作系统比较活跃，其中中软l i n u x 、红旗l i n u x 、东方l i n u x 是业界的代表。其 介绍见表2 3 。 表2 3 国内嵌入式l i n u x 比较 操作系统介绍 中软l i n u x以数控平台为背景，推出了中软l i n u x 3 0 。中软嵌入式l i n u x 是 实时系统，这套基于l i n u x 的嵌入式系统不仅满足了数控机床的需 求，同时可以应用于其它工业控制领域 红旗l i n o x 把工控和信息家电作为主要的发展领域。红旗l i n u x 为用户提供 了w i n d o w s 风格的控件集、图形中文环境和嵌入式数据库的开发工 具。中科红旗公司开发出了针对工控领域的嵌入式l i n u x 系统 东方l i n u x是凯思集团推出的产品，已经推出了网络计算机( n c ) 。采用东 方l i n u x 的n c 系列产品除具有传统终端的功能之外，还具有本地 计算能力，用户可以通过n c 使用安装在服务器上的应用程序，并 可以使用多种本地软件。该产品可应用于政府、国防、教育、商业、 金融等领域 2 3l i n u x 操作系统介绍 l i n u x 是一种通过网络产生的操作系统，是由芬兰赫尔辛基大学的学生l i n u s t o r v a l d s 首创，在全世界各地的u n i x 编程高手、编程奇才的协助下，以英特网为 联系媒介，由分布在全世界各地的成千上万的计算机爱好者共同创造成功的，这 也使得l i n u x 在短期内就成为了一个稳定、成熟的操作系统。 简单地说，l i n u x 是一套免费使用和自由传播的类u n i x 操作系统，它主要用 于基于i n t e lx 8 6 系列c p u 的计算机上。这个系统是由全世界各地的成千上万的程 序员设计和实现的。其目的是建立不受任何商业化软件的版权制约的、全世界都 能自由使用的u n i x 兼容产品。值得我们注意的是，l i n u x 的开发是在g p l ( g n u p u b l i cl i c e n s e ) 的版本控制之下，因此l i n u x 内核的所有源代码都是采取开放源代 码的方式。我们缺乏对操作系统的开发经验，这样的条件对我们来说是一个很大 的契机，使我们利用l i n u x 进行嵌入式系统的开发成为可能。l i n u x 内核的开发是 由l i n u st o r v a l d s 领导的内核开发小组进行开发的。世界各地的高手们将自己对 l i n u x 内核做的改动交给l i n u s 小组，由这个小组进行统一控制，随时对内核进彳亍 更新升级。整个开发的过程遵循c v s 版本控制，保证开发的质量。目前在他们的 公共站点h t t p ：w w w k e r n e l o r e , 上几乎每三天进行次内核的升级，目前最新的内 核的稳定版本是开发出来的l i n u x 2 4 内核。 硕士学位论文 l i n u x 以它的高效性和灵活性著称。它能够在p c 计算机上实现全部的u n i x 特性，具有多任务、多用户的能力。l i n u x 是在g n u 公共许可权限下免费获得的， 是一个符合p o s i x 标准的操作系统。l i n u x 操作系统软件包不仅包括完整的l i n u x 操作系统，而且还包括了文本编辑器、高级语言编译器等应用软件。它还包括带 有多个窗口管理器的x w i n d o w s 图形用户界面，如同我们使用w i n d o w s n t 一样， 允许我们使用窗口、图标和菜单对系统进行操作。 l i n u x 之所以受到广大计算机爱好者的喜爱，主要原因有两个，一是它属于自 由软件，用户不用支付任何费用就可以获得它和它的源代码，并且可以根据自己 的需要对它迸行必要的修改，无偿对它使用，无约束地继续传播。另一个原因是， 它具有u n i x 的全部功能，任何使用u n i x 操作系统或想要学习u n i x 操作系统的 人都可以从l i n u x 中获益。 l i n u x 在这几年不断成熟，越来越多的人加入了l i n u x 的行列。以前l i n u x 只 是一群黑客的玩具和专家实验用的操作系统，而现在即使是电脑的普通用户也在 用l i n u x 。经过近些年的发展，l i n u x 开始使人们相信它是一个健壮的可靠的高性 能的操作系统。作为网络操作系统，它已经占领了互联网上6 0 的份额；作为桌 面系统，它正不断地完善xw i n d o w s 系统，以易用性来吸引普通用户。同时，愈 来愈多的嵌入式系统设计人员发现l i n u x 可以成为一个优秀的嵌入式操作系统。 i d c 发布的统计表明，未来的4 5 年内，信息家电市场会增长5 1 0 倍，这 将带动嵌入式操作系统的发展i 甜。另据统计，现在嵌入式系统带来的工业年产僮已 经超过了1 万亿美元，为此相关厂商纷纷将注意力集中到了嵌入式操作系统。但 嵌入式应用系统多种多样，对操作系统的要求也不一，目前厂商和用户又多了一 个选择，那就是嵌入式l i n u x 。 正是嵌入式操作系统与l i n u x 的这些特点，为l i n u x 在嵌入式系统中的发展提 供了广阔的舞台。由于l i n u x 的高度灵活性，程序员可以很容易地根据应用领域 地特点对它进行定制开发，以满足自己地实际应用需要。l i n u x 固有的多任务、高 效、稳定的特征，使其成为嵌入式操作系统中的新贵。嵌入式l i n u x 一般按照嵌 入式目标系统的要求而设计，由一个体积很小的内核及可扩充、可裁减的系统模 块组成。目前，国内外不少大学和公司都加入了嵌入式l i n u x 的开发中来，形成 了一系列的产品，有专门从事操作系统内核开发的，也有根据应用需要定制内核， 开发应用软件等等。 根据l i n u x d e v i c e s c o r n 筹划的年度e m b e d d e dl i n u xm a r k e ts u r v e y 。根据这次 调查，在嵌入式l i n u x 的应用中，使用的最多的产品是“h o m eg r o w n ”，也就是开 发人员获得g n u l i n u x 代码后根据需要自己进行编译和改进的嵌入式l i n u x 操作 系统【1 4 l 。开发人员使用各种产品的排列情况如图2 3 ： 图2 3 嵌入式l ；n u x 开发原型选择 2 4 嵌入式l i n u x 操作系统的优缺点 2 4 1 嵌入式l i n u x 的优势 由于嵌入式系统越来越追求数字化、网络化和智能化，因此原来在某些设备 或领域中占主导地位的软件系统越来越难以为继，因为要达到上述要求，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软硬件沟通。 l i n u x 在这方