（电磁场与微波技术专业论文）嵌入式系统在光通信设备中的应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 嵌入式系统是以应用为中心的硬件设计和面向应用的软件产品开发为基础的专 用 陪机系统，广泛应用在现代社会中。从概念上讲，嵌入式系统并不是近来才出来 的产品，但随着计算技术和通信技术的迅速发展以及i n t e r n e t 的广泛应用，嵌入式系 统却从来没有象现在这样风靡过。关于嵌入式系统的开发的技术研究很长时间以来一 直备受重视。典型的嵌入式应用是以微处理器或者微控制器为核心的硬件设计和基于 点入手，对嵌入式系统的广泛应用做了较 详细的分析，并介绍了用于嵌入式系统的核心件微操作系统，以及l i n u x 在嵌入式 领域中的优势，具体介绍了u c l i n u x 。 l 然后从具体作的项目出发，深入分析了嵌入式系统的特点及相关的功能，项目 的组成部分，提出了硬件平台的模型和采用徽操作系统的类型，软件的编写探讨和 解决了如何在分布在各地的光传输接入设备中实现嵌入式管理以及面临的问题： 1 、从过去、现在和未来的发展详细论述了嵌入式系统的优势、劣势和主要任务， 对嵌入式l i 眦的前景作了深入分析。 2 、如何实现用户机上的信号采集控制模块，由于用户机的分散性，决定了用户 机上的一种重要的嵌入式系统形式一无微操作系统的单片机，分析了w 7 8 e 5 1 单片机 的使用、硬件电路的设计、上下微机之间通信帧格式、通信软件的编写和4 8 5 串行总 线通信问题，并且在不同运行环境中进行仿真； 3 、论述了嵌入式网管板系统的硬件平台构架，采用性价比高的m c f 5 2 7 2 微处理 器为核心来构造硬件组件，u c l i n u x 为微操作系统来开发应用软件，同时协调数据的 传送和远程调试，以及相关的网络通信问题； 4 、在f l a s h 闪存中实现i f f s 文件系统，这样可以在闪存中保存必要的网络数据 信息供程序调用； 5 、在实现嵌入式两管的基础上，编写w i n d o w s 用户程序，采用数据库来存储 用户板状态信息和控锚信息，以前后台线程交互来保持程序的稳定，友好的人机界面： 6 、整个系统进行测试，并对今后要改进的地方提出些建议卜 。 | 黼：u c l 妇i 单片机系统? 踟；网冬， 串口通信 华中科技大学硕士学位论文 = = ；= ；= = = = ；= = = = j l = = = = = = = 目= = j 目目 a b s t r a c t e m b e d e d s y s t e m a r eb a s e do n a p p l i c a t i o n - c e n t e r e dh a r d w 甜ed 嚣i g na n da p p l i c a t i o n s p e c i f i cp r o d u c td e v e l o p m e n t e m b e d e ds y s t e m sa r ew i d e l ya p p l i e di nm o d e r n s o c i e t y i t i s n tan e w t h i n g i n c o n c e p t b u ti si e a l l yg o i n gf a s h i o n a b l ea n di r r e s i s t i b l eo n l yw i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g i e s m o t i v a t e d b y t h ea d v a n c e d c o m p n t i n g ，c o m m u n i c a t i o na n d t h ei n - d e p t ha p p l i c a t i o no f t h ei n t e m e t t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t f o re m b e d d e d s y s t e m i s c o n s e q u e n t l yh a v i n g b e e na t t r a c t i v ea n d s i g m f i c a n t at y p i c a le m b e d d e da p p l i c a t i o ni st h ei n t e g r a t i o no fh a r d w a r ed e s i g n c e n t e r e do nam i c r o p r o c e s s o ro rm i c m c o n t r o l l c ra n ds o r w a r ed e v e l o p m e n tb a s e do n e m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m a tf i r s tt h i st h e s i s p a r t i c u l a r l ya n a l y z e st h e w i d e a p p l i c a t i o no f t h ee m b e d e ds y s t e m f i x ) mv i e wo fe m b e d d e df i e l dt h r o u g ht h e c o n c e p ta n dc h a r a c t e r i s t i c o fe m b e d d e d s y s t e m ，a n d i n t r o d u c e st h ec o r e a p p l i e d i n e m b e d d e d 趼s t e m m i c r oo p e r a t i n g s y s t e m ，a n dt h ea d v a n t a g eo ft h e l i n u xi ne m b e d d e df i e l d ，i nd e t a i li n t r o d u c e st h e u c l i n u x t h e nt h et h e s i st h o r o u g h l ya n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ee m b e d e d s y s t e ma n d m l a t e df u n c t i o n s ，t h ee l e m e n t so ft h ep r o j e c t , b r i n g i n gu pam o d e lo f h a r d w a r e p l a t f o r m a n dt h e s t y l e o fm i c r o - o p e r a t i n gs y s t e m , t h es o f t w a r ew r i t i n g , a n d d i s c u s s i n g a n d f i g n r m go u tt h er e a l i z a t i o no ft h ee m b e d a dn e t w o r k - m a n a g e m e n ti nm a n yd i s p e r s e d f i b e re q u i p sb a s e d u p o nm c f 5 2 7 2 w 7 8 e 5 1 c o n c r e t e l y , t h i sp a p e rm a i n l yc o n c e r n s t h e f o l l o w i n g i s s u e s ： 1 p o i n t i n go u tt h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fe m b e d e ds y s t e ma n ds e t t i n g f o r t ht h ec o l n n l o nt a s k sf a c e di nb u i l d i n ga ne m b e d d e d s y s t e mt h r o u g h t h ep a s t 、t o d a y a n dt h e d e v e l o p i n g o ft h ef u t u r e ，a n dt h o r o u g h l ya n a l y z e st h ef o r e g r o u n do ft h e e m b e d d e dl i n u x 2 h o wt or e a l i z et h em o d u l eo fd a t a - c o l l e c t i o na n dc o m m a n di n b s e l e q u i p m e n t s ，o w i n gt ot h ed e c e n t m l i z a t i o n , d e c l d i n gt h ei m p o r t a n tf o r m a to fe m b e d a d 啦m 也es i n g l e e h i p w i t h o u tam i c r o - o p e r a t i n gs y s t e m , a n a l y z m gt h e 璐eo f w 7 8 e 5 1s i n g i e c h i p 、t h ed e s i g no f h a r d w a r ec i r c u i t 、c o m m u n i c t i o nf l a m eb e l 阳，啪t h e 华中科技大学硕士学位论文 s i n g l e c h i pa n dt h ep c 、t h ew r i t i n go f t h ec o m m u n i c d o ns o r w a r ea n d4 8 5s e r i a lb u s c o m m u n i c a t i o n ，a n de m u l a t i n gi nd i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e 3 i n t r o d u c i n gt h eh a r d w a r e p l a t f o r m t r u s so fe m b e d e dn e t w o r k s y s t e m ，u s i n gt h e m c f 5 2 7 2a st h ec o r eo ft h eh a r d w a r ea n dt h eu c l i n u xa st h em i c r o - o p e r a t i n gs y s t e m t oc r e a t et h e a p p l i e ds o f t w a r e ，a n da s s o r t i n g w i t hd a t a - t r a n s m i s s i o na n dr e m o t e d e b u g g i n g ，p o i n t i n go u tt h ep r o b l e m sa n do v e r c o m i n gt h er e l a t e d i s s u e si nn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n 4 r e a l i z i n gt h ej f f sd o c u m e n ts y s t e mi nt h ef l a s h ，s oc a ns a v eu s e f u ln e t w o r k d a t at op r o v i d ef o rt h es o r p r o g r a m 5 b a s e du p o nt h er e a l i z a t i o no f e m b e d e ds y s t e mm o d u l e ，w r i t i n gt h ew i n d o w s p r o g r a m m e ，u s i n gd a t a b a s et os a v et h es t a t ei n f o r m a t i o n o ft h eu s e re q u i p m e n t sa n dt h e c o n t r o l l i n gi n f o r m a t i o n , m a i n t a i n i n g t h es t a b l eo f t h e p r o g r a m m et h r o u g h t h ea l t e r n a t i o n o f t h ef r o n ta n db a c kt h r e a d s ，a n dm a k i n gt h ef r i e n d l yi n t e r f a c et ot h eo p e r a t i n gm e n 6 t e s t i n gt h ew h o l es y s t e m ，a n db r i n g i n gu ps o m e a d v i c eo ni m p r o v e m e n ti nt h e f u t u r e k e y w o r d s ：u c l i n u x ，s i n g l e c h i p ，e m b e d e ds y s t e m ，t c p i p , n e t w o r k ， s e d a lc o m m u n i c a t i o n h i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 单片机在8 0 年代进入中国，由于易学易用而倍受青眯，单片机具有这样的特 点：把c p u 、存储器、外设部件( 完成i o ) 等做在一块芯片上，现在具有这种特 点的芯片，功能越来越强大，可以针对不同的应用目标，设计出各种应用系统， 称为嵌入式系统。 1 1 嵌入式系统的概念0 , 6 1 什么是嵌入式系统，什么是嵌入式微处理器? 有的人会说：嵌入式系统不就 是单片机吗? 其实，单片机仅是嵌入式系统的一种应用形式，嵌入式系统一般指 非p c 机系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器，微处理器、存储器及 外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件( o s ) ( 要求实时 和多任务操作) 和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程 序控制者系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 故嵌入式系统被定义为：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。 i a p p l i c a t i o n s t 下 i e m b e d e d i ( o 牟脚r a t i n g p l s 蜘y s t e m ) 一t _ 广 嵌入式处理嚣为 棱心的硬件平台 图1 1 嵌入式系统的结构图 1 2 嵌入式系统的特点阳 软件固化。一般没有硬盘或软盘那样的设备，为了提高执行速度和系统可靠性， 华中科技大学硕士学位论文 通常把软件固化在r o m 、p r o m 、e p r o m 或f l a s hm e m o r y 等n o n - v o l a t i l e 存储介质中。 面向应用。嵌入式系统特别是嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速 度、处理能力、电磁兼容等方面均受到应用要求的制约，同时不通的应用目标 决定不同的系统平台，系统在实现时常常针对应用的特点，作优化设计和处理。 资源有限。必须针对具体的应用特点，对硬件和软件量体裁衣，合理选择，精 巧设计。 而嵌入式系统的核心部件嵌入式微处理器的特点一般有： 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间， 从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化， 而避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功 能，同时也有利于软件诊断。 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展满足应用的最高性能的嵌入式微处理 器。 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信 设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此。 1 3 嵌入式系统的分类 嵌入式系统在制造业、过程控制、交通通信、仪器仪表、航天航空、军事装 备等领域中已得到广泛的应用，并将进步应用在p d a 、接入、交换、智能电器 等新兴领域中，可以按照不同的标准对这些“盒子”进行分类： 1 3 1 从时间敏感性【6 i 硬实时系统，对事件的响应必须如期完成，如航天中的控制系统等。 非实时系统，对事件的响应没有严格的规定，如因特网中的路由器等。 软实时系统，对事件的响应允许意外的延迟，如要求屏幕能及时刷新的手持系 统等。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 3 2 从系统硬件结构1 , 1 1 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，大部分的中国硬件开发 人员都是从单片机的应用开发开始进行嵌入式系统开发的，目前8 0 5 1 体系的占据 大半江山。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，嵌入式处理器的寻 址空间一般从6 4 k b 到1 6 - 3 2 m b ，处理速度从0 1 m i p s 到2 0 0 0 m i p s 。 1 嵌入式微处理器( e m b e d e d m i c r o p r o c e s s o ru n i l e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装配 在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度 减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在 功能上和标准微处理器基本是一样的，但是在工作温度、成本、功耗、可靠性、 健壮性等方面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。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块 电路板上，称为单板计算机。嵌入式微处理器目前主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、 s c - 4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m 口s 、删等。 2 嵌入式微控制器( m i c r o c o d t r o 盯u n i t , m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块 芯片中。嵌入式微控制器一般为某一种微处理器内核为核心，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，记数器、w a t c h d o g 、i o 、串行口、 脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要功能和外设。和嵌 入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，目前是嵌入 式系统工业的主流。嵌入式微控制器的品种很多，有代表性的有8 0 5 1 、p 5 1 x a 、 m c 6 8 h c 0 5 、m c s 9 6 等。 3 嵌入式d s p 处理器 e m b e d c dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊的设计，使其适合于执行d s p 算法， 编译效率较高，指令执行速度较高。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面d s p 算法 正在大量进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功 能，过渡到采用嵌入式d s p 处理器。这方面主要有1 1 的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的d s p 5 6 2 0 0 系列。 4 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化，在一个硅片上实现一个更为复杂的系 统成为可能，这就是s y s t e mo nc m p ( s o c ) 各种通用的处理器内核将作为s o c 3 华中科技大学硕士学位论文 设计公司的标准库，和许多其他嵌入式系统外设一样，成为v l s i 设计中一种标准 的器件，用标准的v h d l 等语言描述，存储在器件库中，用户只需定义出其整个 应用系统。 1 4 嵌入式系统的历史 嵌入式系统硬件上的发展，可分为以下两个显著的阶段： i 电路设计阶段 这个阶段，不同的应用问题，往往需通过不同的硬件电路设计来解决，如6 0 年代后期出现的程控电话系统。 2 程序设计阶段 这个阶段，硬件提供了一个可简化编程的通用模型，把许多原来的电路设计 问题转化为程序设计问题，如单片机应用系统。 雨在软件的发展上，则可分为如下两个显著阶段： 1 无操作系统阶段 这些系统多为8 1 6 为系统，硬件能力有限( 如m c s 5 1 寻址只有1 2 8 k ) ，不足 以支持一个操作系统。在这些系统中，不分系统软件和应用软件，运行的软件就 是一个简单的控制环( c o n t r o ll o o p ) ，无法实现象t c p i p 这样复杂的网络协议，并 由设计者提供所有必要的低级i o 等方面处理。 2 有操作系统阶段 基于e m p u 的嵌入式系统，硬件能力强大，如p o w e r p c8 6 0 的寻址空间为4 g ， 速度可大8 7 m i p s ( a t6 6 m h z ) ，能够支持操作系统来合理地调度多任务、利用系统 资源、降低应用设计的复杂性，而且一般还具有网络访问能力。 1 5 嵌入式系统的未来阁 无疑，将来的嵌入式系统会变得更快、更节能、更可靠，甚至可更小，以下 特点将代表着嵌入式系统的未来走向： 1 网络访问能力 随着i n t e r a c t 的发展，越来越多的嵌入式系统提出了网络互连要求，这就要求， 一个嵌入式系统必须能够支持某种网络协议栈( n e t w o r k p r o t o c o ls t a c k ) 。 华中科技大学硕士学位论文 = 目e e = = = = = e | 日= _ j _ _ l = e _ e 自l _ = = = _ = = 日；_ ： 2 采用3 2 位系统 随着系统功能越来越强，硬件成本不断地下降，基于3 2 位硬件平台的嵌入式 系统将是大势所趋，这些系统的硬件能力非常强大。 3 开发更加容易 随着应用复杂性的增长，程序变得越来越大，不仅要有完善的开发工具( 如c 编译器和源码级调试器) 使应用程序能用高级语言来编写，而且可能需要虚存机制 和多任务管理。 4 基于操作系统 为了支持网络协议、更好地管理资源和便于开发应用程序，越来越显示了操 作系统的重要性。 1 6 嵌入式操作系统1 4 1 嵌入式系鄹m b e d e do p e r a t i n gs y g e m ：e o s ) 是用于嵌入式系统的操作系统， 它提供了嵌入式应用软件的基础和开发平台，e o s 通常具有一个标准操作系统所 具有的功能：将c p u 时间、中断、f o 、定时器等资源包装起来而留给用户标准的 a p i 系统调用，对任务进行合理调度以保证实时性和可靠性等。 1 6 1e o s 的特点 通用操作系统的最大特点是m a k et h ec o m m o nc 雒ef a s t ，e o s 的最大特点 是”a p p l i c a f i o n s p c c i 丘c o p e r a 血g s y s t e m , 除了能满足应用本身的需求外，一个好的 e o s 应具有如下特点： 可裁减性高，以支持e o s 的个性化开发。 开发工具全，好的工具可加快开发速度。 可移植性好，避免重复应用开发。 使用成本低，降低产品的总成本。 占用资源少，适应系统资源限制。 1 6 2 e o s 的分类 内部专用，无法购买的如c i s c o 公司的i o s 等。 商业性的，可以购买的如w i n d o 啪c e ，v 姗0 r l 玛，p a l mo s 等。 5 华中科技大学硕士学位论文 开放软件，可免费使用。目前主要是对p cl i n u x 作嵌入性改造后的各种 衍生版，可统一称为嵌入式l i n u x 。 在开发一个基于f d s 的嵌入式系统时，如果不打算开发一个内部专用的e o s ， 那么可供选择的现成的e o s 只有后两种，而商业嵌入式操作系统高价、专用且源 码不公开，而嵌入式l i n u x 则价格低廉，功能强人，源码公开，易于移植，这些特 点使嵌入式l i n u x 很有吸引力。 1 7 论文的内容和结构 本论文论述了在光通信传输接入设备中进行嵌入式开发要解决的主要问题： 1 确定系统平台和总体设计任务，包括硬件和软件方面。 2 从用户板着手开发数据信号采集和控制模块，包括电路和汇编软件。 3 开发嵌入式网络管理模块，建立系统硬件平台。 4 开发w i n d o w s 系统下用户监控软件，建立网络连接。 5 处理串口通信、网络通信的调试。 本论文共分5 章： 第一章：对嵌入式系统的概念、历史和发展做了必要的论述，并概括了本文研 究内容。 第二章：对嵌入式r t o s 进行深入的分析，并对u c l i n u x 作了详细的论述。 第三章：对嵌入式系统软硬件开发原理进行阐述。 第四章：对用户板进行数据信号采集控制模块的设计，主要面临的闯题和一般 步骤。 第五章：嵌入式网管板的总体设计分析，包括硬件，软件需求，平台的确定， 结构图，要解决的任务及设计方法与步骤。 第六章：嵌入式h a s h 中j f f s 文件系统的实现。 第七章：嵌入式应用软件开发的方法和相应的模型。 第八章：w i n d o w s 系统下的用户应用软件开发，系统的测试。 总结：小结以前的工作，展望未来 华中科技大学硕士学位论文 ；j = = = = = = = ；j l = 自e ；= 2 _ = 自= ；= = = _ = 2 嵌入式l i n u x 系统 e o s 为嵌入式系统的运行提供了一个非常好的软件平台，目前虽然有许多嵌 入式操作系统，但是把l i n u x 作为e o s 正被越来越多的人选择。 2 1 l i n u x 操作系统1 7 l 简单地说，l i n u x 是类u n i x 的操作系统，但又不是简化的u n i x ，因为l i n u x 虽 然继承了u n i x 的特征，在很多方面却超过了它。l i n u x 是无数计算机爱好者共同 努力的结果。l i n u x 由于在运行效率、支持多c p u 、支持虚拟内存、多文件系统、 硬件支持要求不高、稳定性能好、源码公开等方面的特征，使得它的发展极为迅 速。 2 2l i n u x 的优势l 御l 支持的平台广，便于移植。 l i n u x 的开放源代码和提供的l k m 机制，能满足嵌入式系统的定制要求。 免费使用，技术支持好。 另外，采用一些其他的机制，可以让l i n u x 支持硬实时。 2 3 嵌入式l i n u x 系统的构成 一个特定的l i n u x 系统可以是，从一个只有内存管理、任务调度、定时器服务 的缩简的微内核系统，到能支持各种文件系统和多种网络服务的完整服务器。 2 3 1 最小的l i n u x 系统 引导程序，完成硬件初始化和内核加载。 最小化的l i n u x 内核，配鼍成仅支持内存、进程管理和定时器服务。 i n i t 程序，作为初始用户进程。 华中科技大学硕士学位论文 = 自；= = = = = = = _ j l = = = = _ l = | e = | _ t 一_ 2 3 2 基本的l i n u x 系统 在上面的基础上还需加上： 硬件设备的驱动程序，包括s e r i a lc o n s o l e p o r td r i v e r 等。 一个或几个应用进程，提供必要的应用效能、实现具体的应用目标 2 3 3 实用的l i n u x 系统 在上面的基础上还需加上： 根文件系统，基于f l a s h r o m r a m 建立。 网络能力，如支持t c p f i p 协议栈。 n v r a m ( n o n - v o l a t i l er a m t b a t t e r yb u f f e r e ds r a m ) 保存配置数据，提 供虚存交换区。 2 4 嵌入式l i n u x 的特性 嵌入式系统通常对实时性、内存体积、资源等有特定要求，下面介绍l l n u x 在 这些方面的技术可行性。 2 4 1 实时特性1 7 8 ，1 0 l 简单地说，嵌入式系统常被错误地划分为实时系统，但其实它们中的大多数 并不要求具备实时性，实时性是相对的，硬实时是能在极短的时间( 微秒级) 内 相应，并以某种确定的方式去处理事件。 对大多数嵌入式系统来说，有1 到5 毫秒的实时相应事件就足够了，而对于 我们的嵌入式系统，考虑到网络的延时性，0 5 秒数据库刷新一次就可以了。l i n u x 内核对实时进程的调度提供了一定的支持，能满足大部分的软实时。但是由于l i n u x 内核的非抢占性，无法实现硬实时，不过采用一定的技术可以解决。 2 4 2 内存占用1 1 0 i l i n u x 内核是常驻内存的，在简单的系统中，当启动后，内核和各种应用程序 均驻留在内存中，但也可以利用l i n u x 动态装卸程序的能力来节省r a m ：应用程 序只需在运行时才临时装载到内存中，一旦运行结束，就释放掉占用的资源。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = z = l = = = = = ；_ 目= = j 目_ = = ；= ；= = = t = l ；= - 典型的嵌入式系统都有闪存( f l a s hm e m o r y ) ，闪存可被组织成一个文件 系统( 用闪存的驱动程序作为从闪存到文件系统的接口) ，所有应用程序以文件的 形式被存放到闪存中，并在必要的时候被装载到内存中，另外l i n u x 还可以通过一 下机制节省r a m ： 系统启动后，释放掉为启动而存在的代码所占用的空间。 l k m 可动态地装卸驱动程序，只装载那些用得着的驱动软件。 2 4 3 虚存特性【1 0 l 2 4 3 1 两个硬件条件 提供分页机制 提供交换空间 2 4 3 2 虚存带来的好处 编写代码时不用考虑程序的s i z e 问题( 虚拟空间4 g ) 虚存机制也提供了一种进程间保护机制( 虚址隔离) 提供进程间通信机制( s y s t e m v i p c 内存共享) 提供动态连接能力，允许对库函数等代码复用( 程序代码共享) 把数据文件映射到进程的虚存地址空间( 通过m m a p 系统调用) ，便于文 件操作。 2 4 3 3 嵌入式l i n u x 的处理【】3 】 在基于l i n u x 的嵌入式系统中，虚存机制对磁盘的依赖问题，可通过使用 n v r a m 来解决。对于虚存机制所引入的执行时间的不确定性问题，可用一些解 决实时性的措施。一般的做法是尽量保留l i n u x 的这特性。 2 4 4 文件系统 文件系统可建立在一个传统的磁盘上，也可建立在f l a s hm e m o r y 中。 f l a s h 内存被组织成很多小块( 扇区) ，把一个作为引导块( 存放c p u 上电后运行的 第一个程序：引导程序) ，并利用余下的块建立一个文件系统，l i n u x 的内棱映像就 可以被引导程序从f l a s h 中加载到r a m 中运行，我们将在f l a s h 中实现j f f s 文 件系统。 ， 华中科技大学硕士学位论文 一般不采用闪存作内存交换( s w a p ) 区，因为闪存有写次数限制，在对它写次数 达到一定值后( 一般1 0 0 0 到4 0 0 0 0 0 ) 将永久损坏，在嵌入式系统中可这样安排： 用f l a s h 存放只读固件( 如内核映像等) 在速度很快的r j m ( 一般采用s d r a m ，工作频率与c p u 的外频同步) 中 运行程序。 使用n v r a m 来保存配置性数据、存放r u n t i m e 数据。 基于l i n u x 的嵌入式系统还需要个r a md i s k 来建立根文件系统。 在一个基于l i n u x 的嵌入式系统中，通常应有这样的配置： 3 2 位嵌入式c p u + 2 6 4 兆的r a m + 1 - - 3 2 兆的f l a s h r d ，e p r o m 2 5 嵌入式l i n u x 的弱点 l i n u x 不是为对存储空间过分敏感的系统设计的，典型的l i n u x 嵌入式系 统应有1 0 m 左右的f l a s h 空间与8 m 左右的r a m 空间。 l i n u x 优点之一是灵活性与可配置性，而对于嵌入式系统来说，这种灵活 性则成了一种负担一一消耗存储和处理器资源。 没经过特殊裁减的l i n u x 嵌入式系统，无法保证所谓“硬”实时性，l i n u x 的实时应用受到一定局限。 大多数l i n u x 应用程序都会使用虚拟内存机制，但嵌入式系统可能裁减掉 了该特性，所以不可认定一个嵌入式系统能够运行任何一个t i n u x 应用程 序。 2 6 一种嵌入式l i n u x 介绍得m l 我们介绍的这种l i n u x 也是专门为嵌入式系统设计的，它就是u c l i n u x 。 u c l i m t x 是l i n u x 2 0 版本的一个分支，它被设计用来应用徽控制领域。 在u c l i n u x 这个英文单词中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u c l i n u x 就是m i c r o - c o n t r o l - l i m ，字面上的理解靛是“针对微控制领 域而设计的l i n u x 系统”。 u c l i n u x 的最大特征是没有m m u ( 内存管理单元模块) ，它很适合那些没有 m m u 的处理器。 华中科技大学硕士学位论文 同标准的i i n u x 相比，由于u c l i n u x 自身不支持m m u ，多任务的实现就需要 一些技巧了。但是，在u c l i n u x 上运行的绝大多数用户程序都不需要多任务。另 外，针对u 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，以紧缩和裁减 基本的代码。这就使得u c l i n u x 的内核非常小，但是它仍然保持了稳定性、强大 的网络功能和出色的文件系统等优点。 同时它还有一个完整的t c p i p 协议栈，并对其他许多协议都提供支持。 2 6 iu c l i n u x 的小型化 i 标准的l i n u x 可能采用的小型化方法 1 ) 重新编译内核 l i n u x 内核采用模块化的设计，即很多功能块可以独立遗加上或卸下，开发人 员在设计内核时把这些内核模块作为可选的选项，在编译系统内核时指定。通过 对内核的重新配置，可以使系统运行所需要的内核显著减小，从而缩减资源使用 量。 2 ) 制作r o o t 文件系统映像 l i n u x 系统在启动时必须加载根文件系统，因此剪裁系统同时包括r o o tf i l e s y s t e m 的剪裁。在x 8 6 系统下，l i n u x 可以在d o s 下，使用l o a d l i n 文件加载启动。 2 u c l i n u x 采用的小型化方法 1 ) u c l i n u x 的内核加载方式 f l a s h 运行方式：把内核的可执行映像烧写到f l a s h 上，系统启动时从f l a s h 的某个地址开始逐句执行，这种方法实践上是很多嵌入式系统采用的方 法 内核加载方式：把内核的压缩文件存放在f l a s h 上，系统启动时读取压缩 文件在内存中解压，然后开始执行，这种方式相对复杂一些，但是运行速 度可能更快( r a m 的存取速率要比f l a s h 高) 。同时这也是标准l i n u x 系统 采用的启动方式。 2 ) u c i a n u x 的根( r o o t ) 文件系统 u c l i m l x 系统采用r o m f s 文件系统，这种文件系统相对子一般的c x t 2 文件系 统要求更少的空间。空问的节约来自两个方面：第一，内核支持m m _ f s 文件系统比 支持c x t 2 文件系统需要的代码更少。第二，r o m , f s 文件系统相对简单，在建立文件 系统超级块( 用来描述文件系统整体信息的数据结构，是文件系统的核心所在) 华中科技大学硕士学位论文 = = = = z e l = = ；= = e = = ；i = = _ _ ；z 目 = 时需要更少的存储空间。r o t o r 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 n l 盘的方法进行处理( r a m 盘采用e x t 2 文件系统) 。 3 ) u c l i n u x 的应用程序库 u c l i n u x 小型化的另一个做法是重写了应用程序库，相对于越来越全也越来越 大的g l i c 库，u c l i b c 对l i b c 做了精简。u c l i n u x 对用户程序采用静态连接的形式， 这种做法会使应用程序变大，但是基于内存管理的问题，不得不这么做。 2 6 2u c l i n t t x 针对实时性的解决方案 u c l i n u x 本身并没有关注实时问题，它并不是为了l i n u x 的实时性而提出的。 另外有一种l i n u x r t - l i n u x 关注实时问题。r t - l i n u x 执行管理器把普通l i n u x 的内 核当成一个任务运行，同时还管理了实时进程。而非实时进程则交给普通l i n u x 内核处理。这种方法已经应用于很多的操作系统用于增强操作系统的实时性，包 括一些商用版u n i x 系统，w m d o w s n t 等等。这种方法优点之一是实现简单，且 实时性能容易检验。优点之二是由于非实时进程运行于标准l i n u x 系统，同其它 l i n u x 商用版本之间保持了很大的兼容性。优点之三是可以支持硬实时时钟的应 用。u c l i n u x 可以使用r t - l i n u x 的p a t c h ，从而增强u c l i n u x 的实时性，使得u c l i n u x 可以应用于工业控制、进程控制等一些实时要求较高的应用。 2 6 3u c l i n u x 的内存管理 u c l i n u x 同标准l i n u x 的最大区别就在于内存管理，同时也由于u c l i n u x 的内 存管理引发了一些标准l i n u x 所不会出现的问题。在l i n u x 中最重要的就是虚存机 制。当然，虚存系统并不是没有代价的，内存管理需要地址转换表和其他一些数 据结构，留给程序的内存就减少了。地址转换增加了每一条指令的执行时间，而 对于有额外内存操作的指令会更严重。 而对于u c l i n u x 来说，其设计针对没有m 瞰j 的处理器，即u c l i n u x 不能使用 处理器的虚拟内存管理技术( 应该说这种不带有m m u 的处理器在嵌入式设备中相 当普偏) 。u c l i n u x 仍然采用存储器的分页管理，系统在启动时把实际存储器进行分 页。在加载应用程序时程序分页加载。但是由于没有m m u 管理，所以实际上 u c l i n u x 采用实存储器管理策略( r e a lm c m c o r ym a n a g e m e n t ) 。这一点影响了系统工 作的很多方面。 u c l i n u x 系统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 ， 华中科技大学硕士学位论文 = = = 日j 目= = j ；目目_ = = ；目= = ；= = = = _ = 目；口= = ；= e = l 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。操作 系统对内存空间没有保护( 这实际上是很多嵌入式系统的特点) ，各个进程实际上共 享一个运行空间( 没有独立的地址转换表) 。 一个进程在执行前，系统必须为进程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中。与之相对应的是标准l i n u x 系统在分配内存时没有必要 保证实际物理存储空间是连续的，而只要保证虚存地址空间连续就可以了。另外 一个方面程序加载地址与预期( 1 d 文件中指出的) 通常都不相同，这样r e l o c a t i o n 过 程就是必须的。此外磁盘交换空间也是无法使用的，系统执行时如果缺少内存将 无法通过磁盘交换来得到改善。 u c l i n u x 对内存的管理减少同时就给开发人员提出了更高的要求。如果从易用 性这一点来说，u c l i n u x 的内存管理是一种倒退，退回了到了u n i x 早期或是d o s 系统时代。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的内存，从而系统将在启动的初始化阶段对 内存进行分页，并且标记已