（电路与系统专业论文）基于Linux的嵌入式GUI的研究与开发[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 摘要 嵌入式系统是以应用为中心，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、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌 入式g u i ( 图形用户界面) 为嵌入式系统提供了应用与特殊场合人机交互接口。 嵌入式软件都是用于专用的系统中，其个性化软件的图形界面，人性化视觉效果 将直接影响产品的销量。而以往开发商只重视产品的性能和功效，忽略了图形界 面的开发。本文的研究目的就是基于l i n u x 系统在a r m 9 开发板建立图形界面程 序，并在存储式电子压力计项目中应用，使得项目在实际使用中用到的软件只需 低成本、携带方便的硬件平台。 本文在对嵌入式系统和图形界面大量研究和实践的基础上，首先简要分析了 a r m 微处理器系列，几种主流嵌入式操作系统，以及l i n u x 系统的优良特性；然 后详细地分析和阐释了l i n u x 内核的进程管理、内存管理、中断与异常处理、系统 调用，l i n u x 文件系统和常用的4 种嵌入式文件系统类型，即c r a m f s ，j f f s ，y a f f s 和n f s 文件系统类型，s b c 2 4 4 0 硬件平台，重点总结和归纳了基于s b c 2 4 4 0 开发 板和应用程序需求的嵌入式l i n u x 内核的裁剪，以及内核和文件系统类型为y a f f s 和n f s 的文件系统的移植；接下来以q t e m b e d d e d 的特点和原理为基础上，系统 地阐述了为开发和运行g u i 程序，分别为主机和目标板编译和安装q t e m b e d d e d 软件过程，q t e m b e d d e d 软件的移植过程，以及g u i 的开发过程；最后，结合存 储电子压力计系统回放软件的详细分析与设计有软件功能分析，软件数据流程图， 和界面设计等，以及g u i 程序的交叉编译与移植，实现了在开发板中建立l i n u x 系统，即在s b c 2 4 4 0 开发板中成功烧写内核，文件系统，和g u i 程序，并且系统 和程序各功能均运行良好。 关键词：嵌入式系统；a r m ；图形用户界面；移植 英文摘要 g u ir e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e mb a s e do n l i n u x a b s t r a c t e m b e d d e ds y s t e mh a sc l o s er e l a t i o nw i t hp r a c t i c a la p p l i c a t i o na n di sb a s e do n c o m p u t e rt e c h n o l o g y i ti sas p e c i f i cc o m p u t e rs y s t e mw h o s es o f t w a r ea n dh a r d w a r ec a l l b ec u t a n di ts a t i s f i e dt h ea p p l i c a t i o ns y s t e mo nt h ec o n s t r a i n to ft h e i rf u n c t i o n , r e l i a b i l i t y ，c o s t , s i z ea n dp o w e rc o n s u m p t i o n e m b e d d e dg u i ( g r a p h i cu s e ri n t e r f a c e ) s u p p o r t st h eh u m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i v ei n t e r f a c eb e t w e e nt h ea p p l i c a t i o na n dt h e s p e c i a lo c c a s i o nf o rt h ee m b e d d e ds y s t e m e m b e d d e ds o f t w a r ei su s e df o rs p e c i a l c o m p u t e r , s oi t sg r a p h i ci n t e r f a c eo fp e r s o n a l i t ys o f t w a r ea n dh u m a nv i s u a le f f e c t d i r e c t l ya f f e c tp r o d u c ts a l e s i nt h ep a s t , d e v e l o p e r so n l ya t t a c hi m p o r t a n c et op r o d u c t p e r f o r m a n c ea n de f f e c t i v e n e s s ，b u tn e g l e c tt h ed e v e l o p m e n ti nt h eg u i i nt h i sp a p e r , t h ep u r p o s eo ft h es t u d yi sb a s e do nt h el i n u xs y s t e mi n t h ea r m 9b o a r dt od e v e l o pa g u i p r o g r a mf o rt h es t o r a g ee l e c t r o n i cm a n o m e t e rp r o j e c t , a n ds u p p o r tt h eh a r d w a r e w h i c hi sl e s sc o s ta n dc o n v e n i e n tf o rc a r r y i n gw h e nt ou s et h es o f t w a r ei nt h ep r o j e c t i nt h i st h e s i s ，f i r s t , t h e r ea r ea r m m i c r o p r o c e s s o rs e r i e s ，s e v e r a lm a i n s t r e a m e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m st ob eb r i e f l ya n a l y z e d ，a sw e l la sl i n u xs y s t e me x c e l l e n t c h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hi sb a s e do na l o to fr e s e a r c ho nt h ee m b e d d e ds y s t e ma n dt h eg u i a f t e rt h a t ，n o to n l yp r o c e s sm a n a g e m e n t , m e m o r ym a n a g e m e n t ，i n t e r r u p to re x c e p t i o n h a n d l e ra n ds y s t e mc a l l so fl i n u xk e r n e la n ds b c 2 4 4 0h a r d w a r ep l a t f o r ma r ea n a l y z e d ， b u ta l s ol i n u xf i l es y s t e ma n d4k i n d so fc o m m o ne m b e d d e df i l es y s t e mt y p e s ，t h a ti s ， c r a m f s ，j f f s ，y a f f sa n dn f s t h e ni t i ss u m m a r i z e di nt h et a i l o rd e t a i l so f e m b e d d e dl i n u xk e r n e lb a s e do ns b c 2 4 4 0b o a r da n da p p l i c a t i o np r o g r a m , a n di nt h e p o n i n go fk e r n e l ，f i l es y s t e mo fy a f f s a n df i l es y s t e mo fn f s l a t e ro n , b a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dp r i n c i p l e so fq t e m b e d d e d ，t h ep r o c e s so ft h e c o m p i l e ra n d i n s t a l l a t i o no fq t e m b e d d e df o rt h eh o s tc o m p u t e ra n dt h et a r g e tb o a r d ，t h ep r o c e s so f q t e m b e d d e dp o r t i n g ，a n dt h ep r o c e s so ft h eg u id e v e l o p m e n ta l es y s t e m i c a l l y e x p o u n d e d f i n a l l y ，b e c a u s eo fc o m b i n e dad e t a i l e da n a l y s i sa n dd e s i g nw h i c hi s s o t h v a r ef u n c t i o na n a l y s i s ，d a t af l o wc h a r ts o f t w a r e ，a n di n t e r f a c ed e s i g n , a sw e l la s 英文摘要 c r o s sc o m p i l e ra n dp o r t i n go fg u ip r o c e d u r e s0 1 1t h ef e e d b a c ks o r w a r eo fs t o r a g e e l e c t r o n i cm a n o m e t e rs y s t e m ，t h ed e v e l o p m e n tb o a r de s t a b l i s h e sl i n u xs y s t e m ，t h a ti s ， o nt h es b c 2 4 4 0d e v e l o p m e n tb o a r dt h e r ea r ek e r n e l ，f i l es y s t e m , a n dg u ip r o c e d u r e s ， a n ds y s t e m sa n dt h ef u n c t i o n so fs o i l , r a r ea l er u n n i n gw e l l k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；a r m ：g u l ( g r a p h i c u s e ri n t e r f a c e ) ；p o r t i n g 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人部币声明：本论文是在导师的指导下，独。节进行研究t 作所取得的成果， 撰写成颀上学位论文竺基至互坠丛茎的送式q 些l 鲤丛究生筮：。除论文中已经 注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：婊草空伽g 年3 月沾日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法 ，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密d ( 请在以上方框内打“4 ，) 论文作者签名：矩荤士导师签名：训口型 日期：伽g 年弓月1 t 囡 基于l i n u x 的嵌入式g u i 的研究与开发 第1 章绪论 1 1 嵌入式系统概述 随着嵌入式设备与i n t e r a c t 的广泛结合，手机、p d a 、路由器和调制解调器等 复杂的高端应用对嵌入式处理器的性能提出l 了更高的要求。虽然8 位单片机为核 心的嵌入式技术不断发展，性能也不断提高，但是由于其性能的局限性，己经无 法满足未来高性能嵌入式技术的发展需求。激烈的市场和技术竞争要求不断提高 嵌入式系统的性价比，同时，也要求缩短嵌入式系统的开发周期。自从2 0 世纪7 0 年代出现嵌入式系统的概念以来，嵌入式系统以其高性能，低功耗等特点高速发 展。当时的嵌入式系统很多都不采用操作系统，它们只是为了实现某个控制功能， 使用简单的循环控制来对外界的控制请求进行处理。随着嵌入式系统的发展，当 应用系统越来越复杂，使用范围越来越广泛时，每增加一项新的应用功能，都可 能需要从头开始设计系统软件，没有操作系统己成为其最大缺陷。但是目前在8 位单片机上运行嵌入式操作系统尚有一定困难，因此，以3 2 位处理器作为高性能 嵌入式系统开发的核心己经是嵌入式技术发展的必然趋势f l 】。 嵌入式系统是以应用为中心，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、功耗有严格要求的专用计算机系统。它 主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部 分组成。它具有懈嵌入性一、“专用性”与“计算机系统 这三个基本要素【2 1 。 嵌入式系统有以下特点【3 】： 1 嵌入式系统低功耗、体积小、专用性强。 2 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 器芯片本身中，而不是存储在磁盘等介质中。 3 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，系统要精简。操作系统一 般和应用软件集成在一起。 4 对软件代码质量要求很高，应该尽最大可能避免死机的情况发生。因为嵌 入式设备所处的环境一般是无人职守或条件苛刻的情况下。 第1 章绪论 5 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和开发环境。 6 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与各个行业的 具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它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，从事嵌入式系统开发的人才也必须是复合 型人才。 1 2 图形用户界面 嵌入式g u i 为嵌入式系统提供了一个应用与特殊场合的人机交互接口。嵌入 式g u i 要求简单、直观、可靠、占用资源小且反应快速，以适应系统硬件资源有 限的条件。另外，由于嵌入式系统硬件本身的特殊性，嵌入式g u i 应具备高度可 移植性与可裁减性，上层接口与硬件无关，以适应不同的硬件条件和使用需求。 图形用户界面除以上的基本特性外，还有一些已被人们逐步接受的主要的基本特 性【4 】。 1 采用图形标识：图形用户界面采用的位映像图形显示技术，用户对应用程 序的控制主要是通过操纵显示在屏幕上的图形对象来完成的，这些图形对象都是 软件控制下的位映像图形实现。 2 人机接口友好：应用程序的运行不再由编程安排好的过程来驱动，而是由 用户通过图形用户界面引入的输入设备来移动光标、当前焦点或者点触图形对象， 实现对应用程序的直接操作，这是一种消息事件驱动方式，它体现了人在控制应 用程序运行中的中心地位。 3 界面定制：图形用户界面一方面提供了可视的( 如窗口、滚动条等) 和非 可视的( 如屏幕、颜色、字体等) 界面对象，另一方面又允许用户根据需要对应 用程序的界面进行剪裁和定制，如移动、缩小或放大窗口、设置颜色等。 4 信息反馈：图形用户界面的帮助机制能为用户操作界面提供导航，而它的 保护机制又为系统可靠运行提供容错排错，这两者都有大量的信息反馈。 5 界面一致：图形用户界面系统作为一个完整的运行环境，应该提供一个不 依赖具体文件的界面设计标准，使得在该环境下运行的各种应用程序的界面风格 基于l i n u x 的嵌入式g u i 的研究与开发 及其与用户交互的方式都具有良好的一致性。 6 开发工具：开发工具是图形用户界面系统的一个重要组成部分，是用户在 图形用户界面环境下开发应用程序的重要手段。 随着虚拟现实、科技计算可视化和多媒体技术的飞速发展，新的人机交互技 术不断出现，更加自然的交互方式将逐渐为人们所重视。新一代图形用户界面的 主要特征可以归结为i 删： 1 以用户为中心：以用户对界面的需求变化为出发点，使用户界面的外在形 式和内部机制能符合不同用户的需求，这就是以用户为中心的设计思想。例如， 非特定人的连续语音识别技术，它将使计算机能理解人们的要求而成为一种重要 的输入界面和手段。在传统的人机系统中，人被认为是操作者，人去适应机器； 在一般的人机系统中，人被称为用户，能与机器对话，但无主动控制能力；而在 虚拟现实系统中，人才是主动的参与者，机器将对人的各种动作作出反应。 2 多通道：多通道界面旨在充分利用一个以上的感觉和运动通道的互补特性 来捕捉用户的意向，从而增进人机交互中的自然性。人的感觉通道有视觉、听觉、 触觉、嗅觉和平衡等；人的运动通道有手、嘴、眼、头、足及身体等。传统计算 机操作时，人的眼和手十分累，效率也不是很高。若将听、说和手、眼等协同动 作，采用多通道、以自然方式交互，不仅可以实现高效人机通信，也可以由人或 机器选择最佳反应通道，从而不会使某一通道负担过重。 3 智能化：精确交互技术是指能使用一种技术来完全说明用户交互目的的交 互方式，键盘和鼠标均需用户精确输入。而人们的动作或思想往往并不是很精确， 计算机应该理解人的需求，甚至于纠正人的错误，智能化的界面是一个重要方向。 4 高宽带：现在计算机输出的内容已经可以快速、连续的显示彩色图像，其 信息量非常大。而人们的输入却还是使用键盘一个一个的敲击，因而，计算机的 输入宽带是很低的。新一代的用户界面应该支持高的输入宽带，快速大批量的输 入信息。语音、图像及姿势等输入和理解是今后的发展方向。 3 - 第l 章绪论 5 不限制地点：目前，计算机主要是在办公室、实验室或家庭中使用，人们 面对着计算机屏幕进行操作，这种操作方式限制了计算机的应用。采用语音输入 输出或其它计算机视觉( 摄像输入) 技术，则可不受地点的限制。 6 图形编程：图形用户界面的编程是很费时的工作，而采用图形编程则比较 简单和直观。现在有些多媒体制作工具采用图形方法设计多媒体文档脚本，以便 于交互修改、控制时间关系。新一代的用户界面应尽可能通过图形化的开发工具 进行设计。 一个好的图形用户界面g u i 一般能做n - 减少用户的认知负担；保持界面的 一致性；满足不同目标用户的创意需求；用户界面友好；图标识别平衡；图标功 能一致；建立界面与用户的互动交流。 1 3 论文的目的及主要完成工作 本课题的研究目的是设计和开发一个应用程序，在以a r m 9 为核心的嵌入式 系统上运行，并在存储式电子压力计项目中应用。该软件有主窗口界面，可对窗 口上的菜单、标准控件、对话框等操作，并能实现各自的功能。 本课题的工作是在r e d h a tl i n u x 系统中建立交叉开发环境，根据开发板的硬 件特性配置裁剪l i n u x 内核，选择与制作根文件系统，在q td e s i g n e r 中根据软件 系统的设计与分析开发应用程序，同时裁剪和交叉编译q t e m b e d d e d 软件和应用 程序，最终将丌发板引导程序v i 、l i n u x 内核、l i n u x 文件系统、q t e m b e d d e d 软件以及g u i 程序移植到开发板中并且运行良好。 由于通常的存储式电子压力计回放软件都是安装在电脑中的。如果电脑是放 在机房，从井中采回来的数据将不能及时回放，而如果把电脑带到井边，携带起 来不是很方便，而且成本也比较高。本课题的研究将弥补以上的不足，同时回放 软件能实现和在电脑上的一样的效果。 基于l i n u x 的嵌入式g u i 的研究与开发 第2 章a r m 微处理器和嵌入式l in u x 系统 2 1a r m 微处理器 2 1 1a r m 微处理器系列 删( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以 认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1 9 9 1 年a r m 公 司( a d v a n c e dr i s cm a c h i n el i m i t e d ) 成立于英国剑桥，最早由a r c o n 、a p p l e 和 v l s i 合资成立，a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为 嵌入式r i s c 处理器的知识产权p 供应商，公司本身并不直接从事芯片生产，而 是靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从 a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当 的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市场，利用这种合伙关系， a r m 很快成为许多全球性r i s c 标准的缔造者。目前，全世界有几十家大的半导 体公司都使用a r m 公司的授权，其中包括h t e l 、i b m 、s a m s u n g 、l g 半导体、 n e c 、s o n y 、p h i l i p 等公司，这也使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制造、 软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场并被消费者所接受， 更具有竞争力【3 。 目前，基于a r m 核结构的微处理器包括下面几个系列： l 、a r m 7 系列 a r m 7 系列包括a r m t t d m i 、a r m 7 2 0 t 、a r m 7 t d m i s 、a r m 7 e j ，该系 列中，使用最广泛的是基于a r m 7 t d m i 核的a r m 处理器，比如s a m s u n g 的 $ 3 c 4 5 1 0 b 、s 3 c 4 4 b o x 等，在这里后缀的含义是：t 为支持t h u m b 指令集，d 为 支持片上调试( d e b u g ) ，m 为内嵌硬件乘法器( m u l t i p l i e r ) ，i 为支持片上断点 和调试点。 2 、a r m 9 系列 a r m 9 系列包括a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 。a r m 9 处理器采用了5 级流水线，指令执行效率较a r m 7 有较大提高，而且带有m m u 功能，这也是与 第2 章a r m 微处理器和嵌入式l i n u x 系统 a r m 7 的重要区别。同时，该系列的处理器支持指令c a c h e 和数据c a c h e ，因而具 有更高的数据处理能力，主要应用在无线设备、手持终端、数字照相机等。 3 、a i 蝴9 e 系列 a r m 9 e 系列包括a r m 9 2 6 e j s 、a r m 9 4 6 e s 、a r m 9 6 8 e s ，该系列的处理 器是综合类的处理器，它使用单一的处理器和提供了微处理器、d s p 、j a v a 应用， 因而非常适用于同时使用d s p 和微处理器的场合。采用了5 级流水线，支持d s p 指令集、3 2 位的高速a m b a 总线接口，带有m m u 功能，最高主频可达3 0 0 m i p s 。 4 、删1 0 e 系列 a r m l 0 e 系列包括a r m l 0 2 0 e 、a r m l 0 2 2 e 、a r m l 0 2 6 f a s ，该系列的a r m 处理器采用了新的体系结构，同a r m 9 系列的相比有了很大的提高，采用了更高 的6 级流水线结构，支持d s p 指令，适合同时需要高速数字信号处理的场合，支 持6 4 位的高速a m b a 总线接口、3 2 位的a r m 指令集和1 6 位的t h u m b 指令集。 主要应用于下一代的无线设备、数字消费品等。 5 、a r m l l 系列 a r m ll 系列包括a r m l1 3 6 j ( f ) - s ，a r m i1 5 6 t 2 ( f ) - s ，a r m l1 7 6 j z ( f ) - s ，a r m 公司2 0 0 3 年推出了a r m ll 构架的核，基于a r m i1 核结构的处理器具有更高的 性能，尤其是在多媒体处理能力方面，采用了先进的o 1 3 1 m 工艺，最高工作频率 可达7 5 0 m h z 。 6 、s e c u r c o r e 系列 s e c u r c o r e 系列包括s e c u r c o r es c l 0 0 、s e c u r c o r es c i1 0 、s e c u r c o r es c 2 0 0 和 s e c u r c o r es c 2 2 ，s e c u r c o r 系列处理器专为安全需要而设计，提供了对于安全方案 解决的支持，主要应用在比如电子商务、电子银行、网络认证等对安全性要求很 高的场合。 7 、i n t e l 的x s c a l e ， x s c a l e 处理器是i n t e l 公司基于a r m v 5 t e 系列结构的解决方案，是一款高性 能、低功耗的3 2 位r i s c 处理器，有p x a 2 5 x 系列和p x a 2 7 x 系列，相比较早期 基于l i n u x 的嵌入式g u i 的研究与开发 的s t r o n g a r m 处理器，x s c a l e 处理器是i n t d 公司目前主推的a r m 处理器，主要 应用在p d a 和网络产品等方面。 2 1 2a r m 微处理器的特性 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有以下特点【8 】：体积小、低功耗、低 成本、高性能；支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器 中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定。 a r m 微处理器的工作状态般有两种，并可在两种状态之间切换：执行3 2 位字对齐的a r m 指令的a r m 状态和执行1 6 位的半字对齐的t h u m b 指令的 t h u m b 状态，两种指令均有切换处理状态的指令。 a r m 体系结构有大端格式和小端格式两种存储字数据。大端格式是字数据的 高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存在高地址中。小端格式则刚好相 反。 a r m 微处理器支持7 种运行模式：l 、用户模式( u s r ) ：a r m 处理器处于正常 的程序运行状态；2 、快速中断模式( 知) ：用于高速数据传输或通道处理；3 、外部 中断模式( i r q ) - 用于通用的中断处理；4 、管理模式( s v c ) ：操作系统使用的保护模 式，系统复位后的缺省模式：5 、指令终止模式( a b t ) ：当指令预取终止时进入该模 式；6 、数据访问终止模式( a b 0 ：当数据访问终止时进入该模式，可用于虚拟存储 及存储保护；7 、系统模式( s y s ) - 运行具有特权的操作系统任务。 a r m 微处理器支持7 种异常类型：复位：未定义指令；软件中断；指令预取 中止；数据中止；i r q ( 外部中断请求) ；f i r ( 快速中断请求) 。 a r m 9 系列微处理器在高性能、低功耗特性方面提供更佳的性能：5 级流水线 设计，大大提高了处理能力；采用哈佛结构，哈佛结构具有分离的数据和程序空 间及分离的访问总线；而通用的计算机和a r m 7 均采用冯诺依曼结构，与哈佛 结构相反，共用数据存储空间和程序存储空间，它们共享存储器总线；引入高速 缓存和写缓存；支持m m u 。 第2 章a r m 微处理器和嵌入式l i n u x 系统 2 2 嵌入式操作系统 2 2 1 几种主流嵌入式操作系统 嵌入式操作系统e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 是一种支持嵌入式系统应 用的操作系统软件，它是嵌入式系统( 包括软、硬件的) 极为重要的组成部分， 通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、通信协议、图形界面、标准化 浏览器等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的最基本功能，如任务调度、同步 机制、中断处理、文件处理等外，还具有可裁减；统一的接口；操作方便、简单； 提供强大的网络功能：强稳定性，弱交互性；可固化代码；良好的移植性等【9 】。 嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度、控制、 协调并发活动，它必须体现其所在系统的特征，能通过装卸某些模块来达到系统 所要求的功能。在嵌入式操作系统环境下开发应用程序使程序的设计和扩展变得 容易，不需要大的改动就可以增加新的功能。通过将应用程序分割成若干独立的 任务模块，使应用程序的设计过程大为简化，而且对实时性要求苛刻的事件都得 到了快速、可靠的处理。通过有效的系统服务，嵌入式操作系统使得系统资源得 到更好的利用。以下简要介绍几种目前市场上流行的嵌入式操作系统： l 、v x w o r k s v x w o r k s 是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种实时嵌入式操作系 统( r t o s ) ，提供了高性能的内核、友好的用户开发环境、高效的实时任务调度、 中断管理，实时的系统资源以及实时的任务间通信。它支持如x 8 6 、i 9 6 0 、s u ns p a r e 、 m o t o r o l a m c 6 8 x x x 、m i p sr x 0 0 0 、p o w e rp c 等多种处理器，是当前嵌入式系统中 使用最广泛、市场占有率最高的操作系统。但由于v x w o r k s 的开发和使用都需要 支付高额的专利费，因此大大增加了用户的开发成本；同时由于v x w o r k s 的源码 不公开，造成它部分功能的更新滞后【1 0 1 。 2 、w i n d o w sc e w i n d o w sc e 是微软开发的一个开放的、可升级的3 2 位嵌入式操作系统，是 基于掌上型电脑类的电子设备操作系统，是精简的w i n d o w s9 5 。w i n d o w sc e 具 基于l i n u x 的嵌入式g u i 的研究与开发 有模块化、结构化和基于w i n 3 2 应用程序接口以及与处理器无关等特点；它不仅 继承了传统的w i n d o w s 图形界面，并且用户在w i n d o w sc e 平台上可以使用 w i n d o w s 上的编程工具、也可以使用同样的函数、使用同样的界面风格，绝大多 数w i n d o w s 上的应用软件只需简单的修改和移植就可以在w i n d o w sc e 平台上继 续使用，使得熟悉p c 机w i n d o w s 系统的用户能很快学会它的使用。与v x w o r k s 一样，w i n d o w sc e 的价格也很昂贵。 3 、q n x q n x 是加拿大q n x 公司的一个实时的、可扩充的操作系统，是业界公认的 x 8 6 平台上最好的嵌入式实时操作系统之一，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。这独一无二的微内核实时平台，是建立在微内核和完全地址空 间保护基础之上的，它同样具有实时性强、稳定可靠的优点【1 。 其它的嵌入式操作系统如：pc o s i i 也是一个典型的实时操作系统。它的特 点是公开源代码，代码结构清晰，注释详尽，组织有条理，可移植性好，可裁减， 可固化及抢占式的多任务实时内核。而n u c l e u s 实时操作系统是a c c e l e r a t o r t o c h n o l o g y 公司开发的嵌入式r t o s ，产品只需一次性购买l i c e n s e s 就可以获得 操作系统的源码，并且免版税。n u c l e u s 的内核非常小巧，只有4 k b - - - 2 0 k b ，稳 定性高。n u c l e u s 得到许多第三方工具厂商和方案提供商的支持。目前n u c l e u s 在 国内得到广泛的应用，特别是在手机制造行业，几乎所有的手机厂商都采用了 n u c l e u s 解决方案。但在所有的操作系统中l i n u x 是一个发展最快、应用最广泛 的操作系统。下一节将进一步详细介绍。 2 2 2 嵌入式l i f l u x 系统的特性 免费使用和自由传播的类u n i x 操作系统l i n u x 是一个源代码开发的、成熟而 稳定的网络操作系统。l i n u x 自发布以来，在嵌入式领域取得了飞速的发展，目前 在开发的嵌入式系统中，4 9 的项目选择l i n u x 作为嵌入式操作系统。l i n u x 之所 以能在嵌入式系统市场上取得如此快的发展，与它自身的优良特性有着不可分割 的关系【1 2 1 。 第2 章a r m 微处理器和嵌入式l i n u x 系统 ( 1 ) 开放源码，丰富的软件资源 l i n u x 是自由的操作系统，它的开放源代码使用户获得了最大的自由度。l i n u x 上的软件资源十分丰富，每一种通用程序在l i n u x 上都可以找到，并且每天都在增 加。在l i n u x 开发程序往往不需要从头做起，而是先选择一个类似的自由软件，进 行二次开发。这就大大节省了开发工作量，缩短了开发时间。l i n u x 还具备一整套 工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境，可以跨越嵌入式 系统开发中仿真工具的障碍。如利用g n u 的g e e 做编译器，用g d b ，k g d b ，x g d b 做调试工具，能够很方便地实现从操作系统到应用软件各个级别的调试。 ( 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，而且l i n u x 内核小巧灵活，易于裁剪。这时l i n u x 能适 合嵌入式系统的应用。 ( 3 ) 支持多种体系结构 l i n u x 能支持x 8 6 、a r m 、m i p s 、s h 、x s c a l e 等多种体系结构。目前，l i n u x 已被移植到数十种硬件平台上，几乎所有流行的c p u ，l i n u x 都能支持。现在l i n u x 已经可以在没有m m u 的处理器上运行了。这就进一步促进了l i n u x 在嵌入式系统 中的应用。 ( 4 ) 完善的网络通信、图形和文件管理机制 l i n u x 诞生于因特网时代并具有u n i x 的特性，强大的网络功能保证了它支持 所有标准的因特网协议，可以利用l i n u x 的网络协议栈开发嵌入式的t c p i p 网络 协议栈。在支持图形方面，l i n u x 上既有成熟的xw i n d o w ，也有q t 、m i n i g u i 等嵌入式g u i 。此外l i n u x 还支持e x t 2 、e x t 3 、f a t l 6 、f a t 3 2 、r o m f s 等多种文件系 统，有的文件系统还具有防断电功能，这为开发嵌入式系统打下了很好的基础。 ( 5 ) 支持大量的周边硬件设备，驱动丰富 l i n u x 上的驱动非常丰富，支持各种主流硬件设备和最新硬件技术，而且随着 l i n u x 的广泛应用，许多芯片厂家也开始提供l i n u x 上的驱动。这进一步促进了 基于l i n u x 的嵌入式g u i 的研究与开发 l i n u x 各种硬件平台上的应用。 ( 6 ) 大小功能都可定制 l i n u x 继承了u n i x 的优秀设计思想，内核与用户界面是完全独立的。它非常 灵活，各部分的可定制性都很强，能适合多种需求，能根据嵌入式设备的个性需 要量体裁衣，是硬件资源有限的嵌入式系统的首选。且l i n u x 符合i e e ep o s i x 1 标准，使应用程序具有较好的可移植性。 正是嵌入式操作系统的特殊要求，为l i n u x 在嵌入式系统中的发展提供了广阔 的空间。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的特点对它 进行定制开发，以满足自己的实际应用需要。l i n u x 固有的多任务、高效、稳定的 系统特征，使l i n u x 成为嵌入式操作系统中的新贵。嵌入式l i n u x 一般是按照嵌入 式目标系统的要求而设计，由一个体积很小的内核及一些可以根据需要进行裁剪 的系统模块组成。一般来说，整个系统所占用的空间不会超过几兆大小。 第3 章嵌入式l i n u x 系统裁剪与移植 第3 章嵌入式l jn u x 系统裁剪与移植 3 1l i n u x 内核和文件系统 3 1 1l in u x 系统 l 讪x 系统一般包括启动( 引导) 系统、中断与异常处理、内存管理、进程间 通信机制、网络管理、系统调用、文件系统、设备驱动程序等。启动( 引导) 系 统、中断与异常处理、内存管理、进程间通信机制、系统调用组成l i n u x 的基本内 核【1 3 1 们。 在p c 的体系结构中，p c 机中的引导加载程序由b i o s ( 其本质就是一段固件 程序) 和位于硬盘m b r 中的o sb o o t l o a d e r ( 比如，l i l o 或g r u b 等) 一起组 成。b i o s 在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘m b r 中的b o o tl o a d e r 的主要运 行任务就是将内核映像从硬盘读到r a m 中，然后跳转到内核的入口点去运行，即 开始启动操作系统。而在嵌入式系统中，通常并没有像b i o s 那样的固件程序，本 课题的a r m 启动程序采用的是v i v i 引导程序，系统上电后首先被执行，初始化 硬件设备、建立内存空间的映射图，为调用操作系统内核准备好正确的环境。 一、进程管理：进程执行操作系统中的任务，进程是存放在磁盘上的包括一 系列机器代码指令和数据的可执行的映象，操作系统是多进程的，并且负责创建、 管理和删除系统中的进程。l i n u x 系统使用系统调用r o d e o 来创建一个进程，使用 e x i t ) 来结束进程。f o n 【( ) 的主要任务是初始化要创建进程的数据结构，其主要的步 骤有： l 、申请一个空间的页面来保存t a s ks l r u c t ； 2 、查找一个空的进程槽( f i n d _ e m p t y _ _ p r o e e s s o ) ； 3 、为k e r n e l _ s t a c k _ _ p a g e 申请另一个空闲的内存页作为堆栈； 4 、将父进程的l d t 表复制给子进程； 5 、复制父进程的内存映射信息； 6 、管理文件描述符和链接点。 基于l i n u x 的嵌入式g u i 的研究与开发 撤销一个子进程必须通知父进程，另外k i l l o 也可以结束一个进程。进程拥有 各自的权利和责任，并且如果一个进程崩溃，它不应该让系统中的另一个进程崩 溃。l i n u x 系统中包括以下几种类型的进程：交互进程：该进程由s h e l l 控制和运 行的，可以在前台运行，也可以在后台运行；批处理进程：该进程不属于某个终 端，被提交到一个队列顺序执行；守护进程：该进程只有在需要的时候被唤起在 后台运行，一般在l i n u x 启动时开始执行。l i n u x 支持多种内部进程间通信机制： 信号，管道，信号量，共享内存，消息队列。 二、内存管理：标准l i n u x 系统是针对有内存管理单元的处理器设计的。在这 种处理器上，虚拟地址被送到存储管理单元( m m u ) ，再把虚拟地址映射为物理 地址。系统的虚拟内存可以比系统的实际物理内存大得多，这样就扩大了进程的 地址空间。系统为每一个进程提供了自己的虚拟地址空间，这些空间对应的物理 地址是完全分开的，所以避免了进程之间的相互影响，起到了保护进程的作用。 由于物理内存比虚拟内存小得多，所以l i n u x 必须要有效的利用物理内存，一种节 约的方法是：需求加载技术是仅在实际需要时才加载执行文件中的页面。当进程 试图访问一个不在物理内存中的虚拟内存页面时，c p u 会产生一个缺页异常，缺 页异常处理程序就会根据引起缺页异常的具体线性地址把执行文件中相关的代码 页从文件系统中加载到物理内存。内存管理还包括页面置换，为配合页面置换， l i n u x 有s w a p 交换空间，和交换缓存、页缓存等高速缓存区，以提高操作效率。 但是，由于没有外部大容量磁盘的支持，a r m - - l i n u x 不采用m m u 机制，处理器 直接把线性地址映射到物理地址，则l i n u x 系统对内存的访问是直接的，都是实际 的物理地址。 三、中断与异常处理：中断( i n t e r r u p t ) 和异常( e x c e p t i o n ) 是指系统、处