（电路与系统专业论文）嵌入式Linux在多媒体通信系统中的研究与应用[电路与系统专业优秀论文].pdf

西北工业大学硕士论文 摘要 摘要 随着嵌入式技术、计算机技术和通信技术的发展，多媒体技术作为一种全方 位的信息获取和通信方式必将成为嵌入式和实时应用领域必不可少的技术之一。 多媒体通信数据吞吐量大、延迟小、响应快等特点，使得系统必须具有较高的实 时性并保证多媒体应用的q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) ，这对运算和存储资源要 求较高。而嵌入式系统是小型、资源有限( 如：内存体积，存储空间) 的设备， 因此，嵌入式系统资源的管理者嵌入式操作系统必须更高效地利用系统中的 各种资源，为多媒体应用提供o o s 保证，以适应多媒体通信的应用。 利用l i n u x 搭建嵌入式操作系统是近年来出现的最令人振奋的方案，嵌入式 l i n u x 的开发和研究是目前操作系统领域的一大热点。然而，l i n u x 是一个通用 的桌面操作系统，并不是专为嵌入式系统和实时应用而设计，不能完全适应嵌入 式系统和多媒体通信应用的需要。本文围绕着将l i n u x 改造成为符合嵌入式系统 和多媒体通信应用要求的关键技术和实现方法展开讨论。首先，全面、深入的论 述了l i n u x 作为嵌入式操作系统的优势与不足，以及l i n u x 在嵌入式应用中所面 临的主要问题和解决方法。然后，深入分析了l i n u x 的实时特性和资源管理特性， 论述了l i n u x 在实时应用中存在的技术障碍，在综合分析了目前l i f l u x 实时扩展 的各种技术的基础上，提出并实现了一个适用于多媒体通信的l i n u x 实时扩展方 案，满足了多媒体应用对实时性和q o s 保证的要求。最后，在上述工作的基础上， 讨论组建多媒体通信系统平台的关键问题和步骤，为多媒体通信应用奠定基础， 并指出了论文存在的不足和将来研究的方向。 关键词：多媒体通信实时应用嵌入式系统嵌入式操作系统 嵌入式l i n u xq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 耍韭三些盔兰堕主迨壅 一垒! 壁型 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , e m b e d d e dt e c h n o l o g ya n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a sa ne f f e c t i v e a n dv i v i d w a yo fc o m m u n i c a t i o n s ， m u l t i m e d i at e c h n o l o g yv a i lb e c o m ea ni n d i s p e n s a b l et e c h n o l o g yi ne m b e d d e da n d r e a l t i m ea p p l i c a t i o na r e a s s i n c em u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n sh a v et h ef e a t u r e s u c ha sh i g hd a t at h r o u g h p u t ，l i t t l ed e l a ya n df a s ti nr e s p o n s e ，e t c ，i ti sr e q u i r e dt h a t s y s t e m sm u s ts u p p o r tq o s ( 0 u a l i t yo fs e r v i c e ) a n d r e a l - t i m ea p p l i c a t i o n ，w h i c h d e m a n d sh i g hc o m p u t i n ga n dl a r g es t o r a g e e m b e d d e ds y s t e mi ss m a l li ns i z e ，l i m i t s i nr e s o u r c e ，s ot h er e s o u r c em a n a g e ro fe m b e d d e ds y s t e m ，e m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e mm u s tm a k em o r ee f f i c i e n t l y u s eo fs y s t e mr e s o u r c ei no r d e rt om e e tt h e r e q u i r e m e n t o fm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n s o n eo ft h em o s tp r o m i s i n ge m e r g i n ga r e a ss e e m st ob er u n n i n gl i n u xi n e m b e d d e de n v i r o n m e n t s t h er e s e a r c ha n dd e v e l o po fe m b e d d e dl i n u xb e c o m ea h o t s p o t i n o p e r a t i n gs y s t e m r e s e a r c ha r e a s l i n u xi sac o n v e n t i o n a lb e s t o f f e r o p e r a t i n gs y s t e m t h a ti sn o td e s i g n e df o re m b e d d e d s y s t e m s a n dr e a l t i m e a p p l i c a t i o n s s ol i n u x c a n n o t c o m p l e t e l y m e e tt h er e q u i r e m e n to fe m b e d d e d s y s t e m s a n dm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n s s e v e r a lk e yt e c h n i c a l p r o b l e mo ft r a n s f o r m i n g l i n u xt oe m b e d d e d s y s t e m a n dm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n a p p l i c a t i o n s b e d i s c u s s e da n ds o l v e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l y , t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f l i n u xu s e da se m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mw a sp o i n t e do u t ，a n dt h ec o m m o nt a s k f a c e di nb u i l d i n gs u c h a ne m b e d d e dl i n u x s y s t e mw a s s e tf o r t h t h e na d e s c r i p t i o no f t h er e a lt i m ef e a t u r ea n dr e s o u r c e m a n a g e m e n t o fl i n u xw a sm a d e ，a n dt h e s h o r t c o m i n g o fl i n u xi nr e a l - t i m e a p p l i c a t i o n sa r e a w a s p o r t e do u t a tt h es a m e t i m e ar e a lt i m es u p p o r to fl i n u xk e m e lb ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e di no r d e rt om a k e l i n u xm e e tt h eq o sa n dr e a lt i m e r e q u i r e m e n to fm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n a p p l i c a t i o n s i nt h el a s tp a r to f t h i sd i s s e r t a t i o n h o wt oc u s t o mt h es t a n d a r dl i n u xt o b ef i tf o rt h ea p p l i c a t i o nd e f i n e d b y a s p e c i f i ce m b e d d e ds y s t e m w a sd e s c r i b e d a n da m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n p l a t f o r mb a s e d o ne m b e d d e dl i n u xw a s b u i l t l a s t l y , t h e s h o r t c o m i n go f t h ep r e s e n tw o r ki sp o i n t e do u ta n dt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o ni nt h e f u t u r ei sd i s c u s s e d k e y w o r d s ：m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n , r e a l t i m ea p p l i c a t i o n ，e m b e d d e d s y s t e m ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，e m b e d d e dl i n u x ，q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) n 西北工业大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 在当今信息时代，以计算机技术、芯片技术和软件技术为核心的数字化技术 取得了迅猛发展，不仅广泛渗透到社会、经济、军事、交通、通信等相关行业， 而且深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，掀起了一场数字化技术革 命。现代控制技术、多媒体技术与i n t e r n e t 的应用与普及，促使电子、计算机、 通信( 3 0 一体化趋势步伐加快，嵌入式技术再度成为一个研究热点。 1 1 嵌入式系统概述 1 1 1 嵌入式系统的概念 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和各个行业的具 体应用相结合后的产物。它是以应用为中心、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。嵌入式系统的基础是以应用为中心的芯片设计和面向应用的软件产品开 发。 典型的嵌入式系统由两部分组成：以嵌入式处理器( m p u ) 或微控制器( m c u ) 为核心的硬件部分和基于嵌入式应用的实时操作系统( r t o s ) 及应用软件部分。 嵌入式系统的硬件部分，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。软件部分是实现应用目标的关键，主要包括操作系统软件( r t o s ) 和应用程序。应用程序控制着系统的运作和行为：而操作系统控制着应用程序编 程实现与硬件的交互。 嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如：掌上设备、移动计算设 备、信息家电、各种通信设备、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。 1 1 2 嵌入式系统的历史和发展 嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史，综观嵌入式技术的发展，大 致经历了以下四个阶段。 1 ) 无操作系统的嵌入算法阶段。这阶段是以单芯片为核心的可编程控制 器形式的系统。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宣接控制。这一阶段系统的 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 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。 2 ) 简单监控式的实时操作系统阶段。这一阶段的嵌入式系统主要以嵌入式 处理器为基础、以简单监控式操作系统为核心。系统的特点是处理器种类繁多， 通用性比较弱；系统开销小，效率高；系统一般配备系统仿真器，具有一定的兼 容性和扩展性；操作系统的用户界面不够友好，其主要用来控制系统负载以及监 控应用程序运行。 3 ) 通用的嵌入式实时操作系统阶段，如v x w o r k s 、p s o s 、n e c u l e u s 、w i n d o w s c e 等是这一阶段的典型代表。这阶段系统的特点是能运行在各种不同类型强 大的微处理器上：具有强大的通用型操作系统的功能，如具备了文件和目录管理、 多任务、设备支持、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能：具有大量的丰富 的应用程序接口( a p i ) 和嵌入式应用软件丰富。 4 ) 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 r n e t 的发展以及 i n t e r n e t 技术与多媒体技术、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。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。 1 2 嵌入式系统与多媒体通信 1 2 1 多媒体通信技术概述 随着计算机技术和通信技术的飞速发展，人们对信息的需求已不满足于传统 的电报电话业务，甚至传统的文件传输、电子邮件等数据业务，而是追求更高品 质的集视频、图象、声音、文字、甚至动画等为一体的多媒体应用服务。 由于早期的i n t e r n e t 带宽窄、路由瓶颈、接入速率低、延迟大而不确定， 使得适时性强的音视频流质量不能得到保证，限制了基于i p 的多媒体通信的广 泛应用。尽管如此，多媒体的应用的发展并没有停止，人们还是在专网上或局域 网上开发了诸如基于h 3 2 0 的视频会议、远程教学等应用。随着宽带i p 技术和 多媒体技术的发展和成熟，为i p 多媒体的应用发展奠定了坚实的基础，种类繁 多的多媒体视频应用应运而生。多媒体通信业务主要包括以下几种类型： 会话型业务，如视频会议、可视电话、远程教育、远程医疗等： 检索型业务，如多媒体数据库查询、视频点播( v o d ) ； 分配型业务，如音频视频广播等：还有多媒体电子信函型业务。 2 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 其中，视频会议作为多媒体会话型通信业务的典型，在社会性的信息交流中 发挥了巨大的作用。通过多媒体技术和网络通信技术的支持，视频会议系统为身 处异地的人们提供了一个相互讨论问题并可协同工作的环境。它集计算机的交互 性、通信的分布性，以及电视的真实性为一体，具有明显的优越性。随着宽带 i p 技术已经日渐成熟，在i p 网上同样能够提供高质量的图象传输服务。而且， i n t e r n e t 已经成为全球公认的信息传送平台，因此，基于i p 的h 3 2 3 会议电视 系统将成为主流应用。 多媒体通信的发展反映了通信向高层次发展的一种趋势，它将彻底改变传统 通信系统单一媒体、单一电信业务的格局。未来通信骨于网络将采用包交换的传 输方式，发展包交换网络上的多媒体通信系统，包括以多媒体会议系统为主的多 媒体通信业务将是信息高速公路的主体通信业务，也是未来通信发展的方向，而 基于i p 网络进行多媒体通信已是势在必行。 1 2 2 嵌入式技术的发展与多媒体通信 计算机主频的提高和删x 技术的发展，使得p c 机的运算能力有了大幅度提 高，p e n t i u mi i 级的p c 已具备强大的视频、音频压缩处理能力，目前，已经涌 现出许多基于p c 平台的多媒体通信实现方案，如n e t m e e t i n g 等一些v o i p 软件。 这种纯软件方案能以较低价格提供中等水平的通信质量。这种方案易于实现，却 有很大的局限性：由于音频视频压缩编解码都在主机c p u 上运行，要求主机的性 能很高；一个主机只能支持l 2 个通信端口，容量有限：主机操作系统的非实 时性通常会导致延时非常大；通信的范围也只能局限在局域网内，使用范围非常 有限。 为了满足用户更大范围，更高质量的通信需求，基于嵌入式系统的多媒体通 信系统的研制和开发成为了一大热点，如：多媒体网关，多媒体终端，多点控制 器等嵌入式设备。使用这些专用的设备能够满足家庭、企业、工厂、学校等多种 场合高质量的多媒体通信需求。 另外，通信技术和计算机技术蓬勃发展，将多媒体技术应用到嵌入式设备中 成了必然的趋势。如今，消费电子产品的需求日益扩大，如：p d a 、多媒体电话、 机顶盒、电子书、w e b p h o n e 等，为了满足用户对于嵌入式设备更便捷、更自然 使用的需求，要求这类嵌入式系统支持各种多媒体应用，提供多媒体信息处理的 能力。而且，随着无线通信技术的飞速发展，在各种手持设备如：移动电话、智 能手机、掌上电脑、p d a 等的多媒体应用正在逐渐兴起。这些需求对嵌入式芯片 技术和嵌入式操作系统技术提出了新的挑战。 耍! ! 三、业查堂堡主堡塞 蔓二童缝鱼 随着嵌入式技术和计算机技术的发展，以及各项关键技术的逐渐成熟，多媒 体技术作为一种全方位的信息获取和通信方式必将成为嵌入式和实时应用领域 必不可少的技术之一。嵌入式系统必将与多媒体通信技术、i n t e r n e t 和无线网 络密切结合，营造出一个丰富多彩的世界。 1 3 嵌入式操作系统 1 3 1 嵌入式操作系统简介 芯片技术和微处理器的迅速发展，价格低廉、结构小巧的c p u 和外设连接提 供了稳定可靠的硬件架构，那么限制嵌入式系统发展的瓶颈就突出表现在了软件 方面。在上述的嵌入式设备中，对系统资源的管理和用户层的软件开发都是基于 嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 来完成的。嵌入式操作系统提 供了嵌入式应用软件的基础和开发平台，是嵌入式系统中软件的基础。它是一段 嵌入在目标代码中的软件，用户的应用程序都建立在嵌入式操作系统的基础上。 嵌入式操作系统是嵌入式系统中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、设备驱动接口、通信协议、图形界面以及嵌入式浏 览器等。嵌入式操作系统中最关键的部分是实时多任务内核，主要实现任务管理 ( 多任务和基于优先级的任务调度) 、任务间同步和通信( 信号量和消息等) 、存 储器优化管理( 含r o m 的管理) 、实时时钟服务、中断管理服务等等。这些管理 功能通过内核服务函数形式交给用户调用，也就是嵌入式操作系统的a p i 或系统 调用。嵌入式操作系统的基本结构如图1 3 1 所示。 i o 管理 驱动内存系统网络 g u l 程序管理 a p i模块 文件系统 编程 驱动程序 接口嵌入式操作系统内核 蕺翱鞲墨霜_ 蕊_ _ 熊猫簿裁麟嚣- 猷撩糍糕虢瓣嚣豁鬻猫 硬件抽象层( h a r d w a r ea b s t r a c t i 。nl a y e r ) 图1 3 1 ：e o s 基本结构 1 3 2 嵌入式操作系统的特点 嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，能够有效管理越来越复杂的 系统资源；能够把硬件抽象化，提供库函数、驱动程序、开发工具集以及应用程 4 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 序，使开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来，提高开发效率，提高 系统稳定性，缩短开发周期。与通用操作系统相比，嵌入式操作系统除了能满足 应用本身的需求外，在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应 用的专用性等方面具有较为突出的特点： 可栽减性高，以支持嵌入式系统的个性化开发。 开发工具全，好的工具可加快开发进度。 可移植性好，避兔重复应用开发。 使用成本低，降低产品的总成本。 占用资源少，适应嵌入式系统资源的限制。 1 4 嵌入式l i n u x 成为新亮点 从八十年代末开始，陆续出现了许多嵌入式操作系统，比较著名的有v x w o r k 、 p s o s 、n e c u l e u s 和w i n d o w sc e 等。这些专用的操作系统各有特点，适用于不同 场合，但它们都是商业化产品，其高昂的价格和生产版税使得产品成本很高；而 且，源代码封闭性也大大限制了开发者的积极性。另外，结合我国国情，当前国 家对自主操作系统的大力支持，为源码开放的l i n u x 的推广提供的广阔的发展前 景。 l i n u x 的稳定性、可靠性、灵活性，与其支持多种微处理器体系结构、硬件 设备、图形界面和通信协议等诸多优点相结合，使得l i n u x 成为一个日益流行的 操作系统平台。它的使用跨越了整个计算应用软件领域，从i b m 的微型l ir l u x 手 表，到掌上设备、i n t e r n e t 上网工具、瘦客户机、防火墙、工业机器人技术、 电话基础构造设备等，甚至是基于簇的超级计算机。并随着信息家电的兴起， l i n u x 在嵌入式系统和实时应用领域更是如火如荼，成为这领域的新亮点。 嵌入式l i n u x 是指对l i n u x 经过小型化裁剪，实时化扩展后，能够存储在存 储芯片或微处理器中，应用于特定嵌入式场合的专用l i n u x 操作系统。鉴于嵌入 式l i n u x 的诸多优势和广阔的应用空间，嵌入式l i n u x 的研究是目前操作系统领 域的一个热点。国内外许多大学、研究机构和著名公司纷纷加入嵌入式l i n u x 的 开发工作，较成熟的嵌入l i n u x 产品不断涌现，如：r t - l i n u x 、e m b e d i x 、u c l i n u x 等。已经形成了能与w i n d o w sc e 等商业嵌入式操作系统进行有力竞争的局面。 嵌入式l i n u x 操作系统的迅速崛起，主要由于人们对自由软件的渴望与嵌入 式系统应用的特制性要求提供系统源码的支持，而且，对嵌入式应用开发者而言， 需要的是一套高度简练、界面友好、性能稳定、应用广泛、易开发、多任务，并 且价格低廉的嵌入式操作系统。正是嵌入式操作系统的这些特点和特殊要求，为 l i n u x 在嵌入式系统中的发展提供了广阏的舞台。l i n u x 不仅开放源代码，而且 西北工业大学硕士论文第一章绪论 系统内核小巧、可定制、高效稳定、网络结构完整，裁减后的系统很适合如网络 通信设备、信息家电、多媒体通信设备等嵌入式系统的开发。另外，由于l i n u x 的高度灵活性，程序员可以很容易的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。而且l i n u x 固有的多任务、高效稳定的系统特征，也 促使l i n u x 成为嵌入式操作系统的新贵。 1 5 论文内容及结构 在嵌入式设备中，嵌入式操作系统负责系统资源的管理并对用户层的软件开 发提供支持。多媒体通信具有数据吞吐量大，延迟小，响应侠等特点，需要系统 有较高实时性并为多媒体应用提供q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 保证，这对计算 和存储资源的要求都比较高。而嵌入式系统是小型的、资源有限( 如：内存体积， 存储空间) 的设备，因此嵌入式操作系统必须更高效地利用系统中的各种资源， 为多媒体应用提供q o s 保证。然而，l i n u x 是一个通用的桌面操作系统，并非专 为嵌入式系统和实时应用设计。l i n u x 在实时性及资源管理等方面并不能完全适 应嵌入式系统和多媒通信应用的需要，这就必须对l i n u x 内核相关部分进行改造 和优化。本文共分为五章，详细论述了l i n u x 在支持嵌入式应用和多媒体通信中 所要面临的问题和解决方法： 第一章：对嵌入式技术和多媒体通信的概念、发展和它们之间的联系做了必 要的论述，并概括了本文研究内容。 第二章：全面、深入的论述了l i n u x 作为嵌入式操作系统的优势与不足，以 及在嵌入式应用中所面临的主要问题和解决方法。 第三章：分析了l i n u x 的实时特性并论述了l i n u x 在实时应用中存在的技术 障碍，详细深入的分析了当前l i n u x 实时扩展的各种技术及其优缺点。 第四章：详细深入的论述了多媒体通信的特点及其对操作系统的要求，借鉴 了当前l i n u x 实时扩展的各种技术，提出并实现了适用于多媒体通信的l i n u x 实 时扩展方案。 第五章：在上述工作的基础上，组建了基于嵌入式l i n u x 的多媒体通信应用 平台，为多媒体通信应用奠定了基础。在本章中，论述了系统平台组建的几个关 键f 3 题和步骤，如：内核定制和编译、系统引导、根文件系统的建立等。并讨论 了系统平台的相关组件：多媒体通信协议和嵌入式g u i 的相关问题。 6 西北工业大学硕士论文 第二章嵌入式l i n u x 技术综述 第二章嵌入式l i n u x 技术综述 2 1 嵌入式l i n u x 的优势 2 1 1 l i n u x 操作系统的特性 l i n u x 是类u i n x 操作系统，是免费的，源代码开放的，符合标准规范的3 2 位( 在6 4 位c p u 上是6 4 位) 操作系统。l i n u x 拥有现代操作系统的具有的特性： 分时操作系统，整体式内核结构，运行效率高，但不易修改 支持内核模块l k m ( l o a d a b e lk e n e lm o d u l e ) ，可以动态加载模块 支持内核线程，支持用户线程，并使用p t h r e a d s 线程库实现 支持内存保护，内核态不可抢占 支持多c p u ，并使用s m p ( s y m m e t r i cm u l t i p l ep r o c e s s o r ) 模式 文件系统，l i n u x 通过v f s 支持绝大部分文件系统 支持虚拟内存管理 支持p i p e 、s y s t e m vi p c 、s i g n a l 进程间通信 支持网络，并采用b s d 方式实现 真正的抢先式多任务处理，支持多用户( 包括权限管理) 兼容p o s i x 标准，便于软件移植 多种g u l 支持和桌面环境 速度快、效率高( 代码质量高、精简) 、稳定性高，而对硬件要求低 基于g p l ( g n ug e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) ，可任意修改和利用 支持动态库( 动态连接) ，支持多种可执行格式( 如：e l f ) 提供一套免费的，性能优秀的开发和调试工具( g c c 、g d b 等) 2 1 2l i n u x 作为嵌入式操作系统的优点 目前，l i n u x 在嵌入式领域获得了飞速发展，这与其自身的优良特性密不可 分，将l i n u x 应用于嵌入式系统的开发有如下优点： 1 ) 内核源码开放，功能强大，性能高效稳定。 l i n u x 的内核的高效稳定已经在各个领域得到了验证。l i n u x 内核可以灵 活定制，易于裁减。在内核代码完全开放的前提下，可以根据系统需求对内 核进行改造满足各种应用需求，并减少成本。 7 西北工业大学硕士论文 第二章嵌入式l i n u x 技术综述 2 ) 强大的网络功能支持。 l i n u x 源于i n t e r n e t 并属于类u n i x 操作系统，这就保证了它支持所有 标准i n e r n e t 协议，并且可以利用许多基于l i n u x 实现的通信协议栈如： o p e n h 3 2 3 、s i p 等进行应用开发。 3 ) 大量驱动程序支持，丰富的自由软件资源。 l i n u x 上的驱动程序非常丰富，它们支持各种主流硬件设备和最新硬件 技术。而且，l i n u x 上的软件资源十分丰富，已经涌现出大量开放源码应用 程序，可以在这些应用程序的基础上进行二次开发和移植，减少系统开发难 度，缩短开发周期。 4 ) 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 、a l p h a 、s p a r c 等多种体系结构。目前， l i n u x 已经被移植到数十种硬件平台上，几乎支持所有流行的c p u 。 5 ) 完善的文件管理机制和图形g u l 支持。 l i n u x 支持多种文件系统，如：e x t 2 、v f a t 等。在g u i 方面，l i n u x 既 有成熟的xw i n d o w s ，也有q t e m b e d d e d 、m i n i g u i 等多种嵌入式g u i 。 6 ) 良好的开发环境，不断发展的开发工具集。 l i n u x 具备完整的开发工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和 交叉运行环境，并且可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍，而直接使 用内核调试器来进行操作系统的内核调试和查错。 2 2 嵌入式l j n u x 内核总体结构 嵌入式l i n u x 内核采用单内核结构，这是由标准的l i n u x 内核结构所决定的。 相对于许多嵌入式操作系统所采用的微内核结构，l i n u x 内核特点是结构较为简 单、性能好、较为成熟；但是，对于具体的嵌入式系统中应用环境和配置环境变 化大的情况，其开发难度较大。 嵌入式l i n u x 操作系统研发的目的是能内装于专用系统设备中，并对特定 的硬件环境提供良好的支持。它首先必须具有通用操作系统的基本功能，包括进 行计算和数据处理等功能。除此以外，嵌入式l i n u x 操作系统还具有良好的可用 性、可伸缩性、易于移植配置、结构紧凑、稳定可靠、合理的体系结构、支持多 品种的微处理器芯片等特点，并能根据各种嵌入式系统的具体要求提供多种功能 模块，如实时支持，高速文件系统，t c p i p 网络系统，i d e ( i n t e g r a t e d d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ) 等。 8 西北工业大学硕士论文 第二章嵌入式l i n u x 技术综述 2 2 1 基本功能与结构 嵌入式l i n u x 内核继承标准的l i n u x 内核的基本功能。因此从逻辑上，嵌入 式l i n u x 内核主要由以下几个子系统组成：内存管理、进程管理、进程间通信、 文件系统、网络等，其结构如图2 2 1 所示。 应用程序 内核 内核 硬件 圈2 2 i ：嵌入式l i n u x 内核结构 进程调度( s c h e d ) ：进程是某特定应用程序的一个运行实体。进程调度是 l i n u x 内核重要的组成部分，控制进程对c p u 的访问。当需要选择下一个进程运 行时，由调度程序选择最值得运行的进程。可运行进程实际上是仅等待c p u 资源 的进程，如果某个进程在等待其它资源，则该进程是不可运行进程。l i n u x 使用 了比较简单的基于优先级的进程调度算法选择新的进程。 内存管理( 删) ：内存管理允许多个进程安全共享物理内存区域。l i n u x 支持虚拟内存管理，即在计算机中运行的程序内存占用总量可以超过物理内存的 大小，操作系统只是把当前使用的程序块保留在内存中，其余的程序块则保留在 磁盘中。必要时，操作系统负责在磁盘和内存间交换程序块。内存管理从逻辑上 分为硬件无关部分和硬件有关部分。硬件无关部分提供了进程的映射和逻辑内存 的对换；硬件相关的部分为内存管理硬件提供了虚拟接口。 l i n u x 对虚拟内存的管理：通过地址映射实现执行文件的逻辑地址到虚拟地 址的映射：通过内存映射和请求页机制实现将正运行进程的虚拟页装载入物理内 存；通过交换机制完成物理内存内容的换入出，保证系统中有足够的空闲页： 通过内核内存管理完成对内存的释放、分配和回收：通过与特定结构相关的模块 9 西北工业大学硕士论文第二章嵌入式l i n u x 技术综述 完成内存初始化工作：并可通过共享内存机制实现多进程间通信。 虚拟文件系统( v f s ) ：v f s 屏蔽了各种硬件的具体细节，为所有的设备提 供了统一的接口，提供了多达数十种不同的文件系统。虚拟文件系统可以分为逻 辑文件系统和设备驱动程序。逻辑文件系统指l i n u x 所支持的文件系统，如e x t 2 、 f a t 等，设备驱动程序指为每一种硬件控制器所编写的设备驱动程序模块。 内核其它部分通过与v f s 的交互完成对类型的逻辑文件系统的调用和操作； 各个逻辑文件系统也必须向v f s 提供特定的接口和操作函数。v f s 以此方式完成 对逻辑文件系统的数据抽象，并支持多种文件系统的挂接，支持内核其它部分通 过统一方式调用多种文件系统。 网络接口( n e t ) ：l i n u x 支持b s d 套接字，支持多种网络协议，包括全部 的t c p i p 协议组。提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持。l i n u x 内核的网络部分由b s d 套接字、网络协议层和网络设备驱动程序组成。网络接口 可分为网络协议和网络驱动程序。网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输 协议。网络设备驱动程序负责与硬件设备通讯，每一种可能的硬件设备都有相应 的设备驱动程序。 进程间通讯( i p c ) ：支持进程间各种通信机制。常用的进程间通信机制有： 管道、有名管道( f i f o ) 、s y s v i p c 机制( 包括消息队列、信号量和共享内存) 、 网络s o c k e t 方式和双工管道。 设备驱动程序( d e v i c ed r i v e r ) ：设备驱动程序是l i n u x 内核的主要部分， 它运行在特权级的处理器环境中，从而可以直接对硬件进行操作。设备驱动程序 控制操作系统和硬件设备之间的交互：设备驱动程序提供一组操作系统可理解的 抽象接口完成和操作系统之间的交互；而与硬件相关的具体操作细节由特定设备 的服务和中断处理程序完成。通过这种方式，用户进程可通过对一些设备无关软 件的调用完成对物理设备的控制处理，从而便于对物理设备的管理。对于驱动程 序，可以采用模块方式进行加载。常用的i o 设备包括块设备、字符设备和网络 设备等。 22 2 内核子系统问的依赖关系 在l i n u x 内核中，各个部分之间不是孤立的，而是相互之间存在紧密的依赖 关系，如图2 2 2 所示，它们之间通过调用共同的资源而产生复杂的关系。 处于中心位置的进程调度，所有其它的子系统都依赖它，因为每个子系统都 需要挂起或恢复进程。一般情况下，当个进程等待硬件操作完成时，它被挂起； 当操作真正完成时，进程被恢复执行。例如，当一个进程通过网络发送一条消息 1 0 西北工业大学硕士论文第二章嵌入式l i n u x 技术综述 时，网络接1 ：3 需要挂起发送进程，直到硬件成功成功地完成消息的发送，当消息 被成功的发送出去以后，网络接口给进程返回一个代码，表示操作的成功或失败。 其它子系统以相似的理由依赖于进程调度。 进程调度与内存管理之间的关系：这两个子系统互相依赖。在多道程序环境 下，程序要运行必须为之创建进程，而创建进程的第一件事，就是将程序和数据 装入内存。 进程间通信与内存管理的关系：进程间通信子系统要依赖内存管理支持共享 内存通信机制，这种机制允许两个进程除了拥有自己的私有空间，还可以存取共 同的内存区域。 虚拟文件系统与网络接口之间的关系：虚拟文件系统利用网络接口支持网络 文件系统( n f s ) ，也利用内存管理支持r a m d i s k 设备。 内存管理与虚拟文件系统之间的关系：内存管理利用虚拟文件系统支持交 换，交换进程( s w a p d ) 定期由调度程序调度，这也是内存管理依赖于进程调度 的唯一原因。当一个进程存取的内存映射被换出时，内存管理向文件系统发出请 求，同时，挂起当前正在运行的进程。 除了这些依赖关系外，内核中的所有子系统还要依赖于一些共同的资源。这 些资源包括所有子系统都用到的过程。例如：分配和释放内存空间的过程，打印 警告或错误信息的过程，还有系统的调试例程等等。 ：依赖于 图2 2 2 ：内核子系统间依赖关系 ：一 2 3 嵌入式l ir l t l x 面临的问题 l i n u x 是运用于通用计算机的分时操作系统，并非专为嵌入式系统设计，而 西北工业大学硕士论文第二章嵌入式l i n u x 技术综述 嵌入式系统通常对系统资源有特定要求。对于嵌入式l i n u x 的主要挑战是把系统 资源的需求减少，以适应于诸如实时性、内存体积、闪存容量等资源的限制。下 面探讨l i n u x 在这些方面的所面临的问题及解决方法。 2 3 1 实时性 “实时”指的是来自外界的事件必须在可预测的、相对短的时间段内得到响 应。多数系统并不需要严格的实时性，软实时已经可以满足系统需求。 在系统中有许多资源：c p u 、内存、f o 设备带宽( 磁盘和网络的接口) 和 系统总线的带宽。操作系统的一个主要功能是让系统用户重复使用系统资源，即 资源的共享。对于用户竞争的资源，传统的操作系统按照公平性和有效性调度分 配。公平性和有效性是当前通用操作系统对资源管理的重要目的。但是，对于多 媒体应用重要的特点是时间的限制和q o s 的要求，所以适应多媒体应用的操作 系统必须支持实时和q o s 保证。 虽然l i n u x 内核对实时进程的调度提供了一定程度的支持，能满足部分软实 时应用，但由于其基于分时操作系统的设计，实时性能不强，缺乏多媒体应用 q o s 保证的机制，并不适应多媒体应用的特点。对于这一问题的解决，可以对 l i n u x 内核进行实时扩展，使其更高效地利用系统中的各种资源，为多媒体应用 提供q o s 保证。l i n u x 开放源码的特性，使这种实时扩展成为可能。l i n u x 的实 时扩展是l i n u x 在嵌入式和实时应用领域发展的关键问题，也是嵌入式l if l u x 技 术研究的热点和难点。关于l i n u x 的实时扩展将在第三章和第四章详细论述。 2 3 2 存储设备与内存占用 标准的l i n u x 内核通常驻留在内存中，每一个应用程序程序都是从磁盘运 到内存上执行。当程序结束后，它所占用的内存就被释放，程序被卸载。但在一 个嵌入式系统里，一般没有磁盘，而是使用如d o m ( d i s ko nm o d u l e ) 或d o c ( d i s ko nc h i p ) 等闪存设备( f l a s h m e m o r y ) 。 有两种途径可以消除l i n u x 对磁盘的依赖： 在一个简单的嵌入式系统里，当系统启动后，内核和所有的应用程序都 驻留在内存里。这是大多数传统的嵌入式系统工作模式，l i n u x 同样支持这种方 式。 在许多复杂的嵌入式系统中，应用程序较多，如果都常驻内存，内存消 耗很大。为解决这个问题，可利用l i n u x 动态装载程序的功能，来节约内存：当 需要应用程序时，把程序调入内存运行：程序运行完毕，卸载程序，清空内存。 使用这种运行方式需要在闪存上建立文件系统( 如：e x t 3 f s 、j f f $ 2 等) ， 1 2 西北工业大学硕士论文第二章嵌入式l i n u x 技术综述 使用f l a s h 的驱动程序来驱动闪存上文件系统工作( 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在闪存中，并在需要的 时候被装载到内存中。这种动态的、“根据需要加载程序”的能力是支持其它一 系列功能的重要特征： 1 1 统启动后，可以释放掉为启动而存在的代码所占用的空间。这样可以节省内 存，特别是那些配置一次以后就不再更改的网络堆栈。 2 ) 可使用l i n u x 模块加载的功能( l k m ) 可动态地装卸驱动程序，只装载那些 必须的驱动程序，以节省内存空间。 3 ) 软件的升级更模块化。可以在f l a s h 上升级应用程序和加载新的驱动程序。 4 ) 配置信息和运行时间参数可以作为数据文件储存在f l a s h 上。 2 3 3 闪存m t d 驱动程序 m t d ( m e m o r yt e c h n o l o g yd e v i c e ) 设备是象闪存芯片、小型闪存卡等之类 的闪存设备，它们在嵌入式设备中的使用正在不断增长。 m t d 驱动程序是在l i n u x 下专门为嵌入式环境开发的新的一类驱动程序。相 对于常规块设备驱动程序，使用m t d 驱动程序的主要优点在于m t d 驱动程序是专 门为基于闪存的设备所设计的，所以它们通常有更好的支持、更好的管理和基于 扇区的擦除和读写操作的更好的接口。l i n u x 下的m t d 驱动程序接口被划分为两 类模块：用户模块和硬件模块。 用户模块：这些模块提供从用户空间直接使用的接口：原始字符访问、原 始块访问、f t l ( 闪存转换层，f l a s ht r a n s i t i o nl a y e r 用在闪存上的一种 文件系统) 和j f s ( 即日志文件系统，j o u r n a l e df i l e s y s t e r i r 一在闪存上直 接提供文