（电路与系统专业论文）嵌入式Linux内核分析及其在多媒体机顶盒中的应用研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕士学位论文 摘要 随着数字信息技术和网络技术的发展，嵌入式产品已经广泛地进入社会生活 的方方面面。l i n l i x 操作系统有诸多优点，将l i n u x 操作系统进行嵌入式改造，应 用于嵌入式产品的开发，是当前技术热点之一。作为信息家电代表的多媒体机顶 盒，功能复杂，技术先进。将嵌入式l i n u x 应用于多媒体机顶盒，能够降低成本， 简化开发流程，提高系统性能，是未来多媒体机顶盒发展趋势。 本文详细论述了本人在硕士论文期间对嵌入式l i n u x 和机顶盒领域所做的研 究和实践，提出了基于嵌入式l i n u x 的多媒体机顶盒方案。本文首先对嵌入式系 统和l i n u x 的发展历史做了简要的回顾，接着深入分析了l i n u x 内核源代码，对典 型嵌入式l i n u x 一一u c l i n u x 操作系统进行了研究，包括u c l i n u x 的发展历史，内 核技术，移植方案，应用程序的开发等。实时性改造是嵌入式l i n u x 的关注对象 之一，文中分别讨论了l i n u x 实时性改造的两种主要的方法一- - r t l i n u x 和r t a i ， 深入研究了它们的内核结构，实现机制原理，安装步骤，编程方法等，并对r t l i n u x 的实时性进行了测试。接着对机顶盒做了综合分析，包括其功能，种类，机顶盒 的关键技术等。文章提出了基于嵌入式l i n u x 操作系统的多媒体机顶盒方案，其 硬件平台以韩国三星公司出品的s 3 c 2 8 0 0 c p u 和s 5 h 2 0 1 0 m p e g 2 解码器芯片组 为核心，在其基础上构建了嵌入式l i n u x 操作系统，形成多媒体机顶盒软件系统， 并介绍了一些典型应用程序的实现，如m i n i g u i 、e p g 、股市证券软件等。最后文 章对机顶盒的发展趋势做了分析。 关键词：嵌入式l i n u x ；多媒体机顶盒： r t l i f l u x ： r t a i ；嵌入式系统 璧全耋! ! ：罂窒竺坌堑垒苎奎耋坚竺墨堡塞塞墼壁里至耋 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c e m e n to ft h e d i g i t a l i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dn e t w o r k t e c h n o l o g y ，t h ep r o d u c t so fe m b e d d e ds y s t e mh a v ea l r e a d yw i d e l yb e e nu s e di nm a n y a s p e c t so fs o c i e t y a sl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mh a sag r e a td e a lo fa d v a n t a g e s ，i ti so n e o ft h ep r e s e n tt e c h n o l o g i c a lf o c u s e st ot r a n s f o r ml i n u xt oa i le m b e d d 日o p e r a t i n g s y s t e m ，a n d t o a p p l y i tt ot h ee m b e d d e dp r o d u c t s r e p r e s e n t e da si n f o r m a t i o n h o u s e h o l da p p l i a n c e s ，t e c h n i q u eo ft h em u l t i m e d i as e t t o p b o xi sa d v a n c e d t h e r ea r e 7 m a n ya d v a n t a g e so fa p p l y i n ge m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mt ot h em u l t i m e d i a s e t - t o p - b o x ，s u c ha sc u t t i n gd o w nt h ec o s t s ，s i m p l i f y i n gt h ep r o c e d u r eo fd e v e l o p i n g a n di m p r o v i n gs y s t e m a t i cp e r f o r m a n c e i ti sad e v e l o p m e n tt r e n dt oa p p l ye m b e d d e d l i n u xo p e r a t i n gs y s t e mi ns e t - t o p - b o xi nt h ef u t u r e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t u d ya n dp r a c t i c ei nt h ef i e l d so fe m b e d d e dl i n u x o p e r a t i n gs y s t e ma n ds e t t o p b o xd u r i n gt h ep e r i o do fm yw o r k i n ga tm a s t e rt h e s i s f i r s t l y , t h ep a p e rb r i e f l y s u m m a r i z e st h eh i s t o r ya n dd e v e l o p m e n ts i t u a t i o no f e m b e d d e ds y s t e ma n dl i n u x a f t e ra n a l y z i n gl i n u xk e r n e li n d e p t h ，t h e t h e s i s d i s c u s s e sat y p i c a le m b e d d e dl i n u x - 一u c l i n u x ，i n c l u d i n gt h ek e r n e lt e c h n o l o g y , t h e b a s i cs e q u e n c eo fp o r t i n g ，a n dm e t h o do fp r o g r a m m i n g t h er e a l t i m et r a n s f o r m i n gi s t h eo t h e rc o n c e r nt a r g e to fe m b e d d e dl i n u x t h i r d l y , t w ok i n do fr e a l - t i m el i n u x e m b e d d e ds y s t e m s 一- r t l i n u xa n dr t a ia r ei n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l yi nt h ep a p e r a p r o f o u n dr e s e a r c ha b o u tt h e i rk e r n e ls t r u c t u r e sa n dt h er e a l i z a t i o nm e c h a n i s m sh a s b e e nd o n e t h er e a l - t i m ec a p a b i l i t yo fr t l i n u xi st e s t e di np a p e r , w h i c hi sam a i n w o r ko ft h et h e s i s t h e nt h et h e s i ss u m m a r i z es e t t o b o x ，i n c l u d i n gi t sf u n c t i o n ，t h e k i n d ，k e yt e c h n o l o g y f i n a l l yt h ep a p e rp u tf o r w a r das c h e m eo ft h em u l t i m e d i a s e t - t o p b o x ，w h o s eh a r d w a r ei s b a s e do n $ 3 c 2 8 0 0c p ua n d $ 5 h 2 0 10m p e g - 2 d e c o d e rc h i p s e tp r o d u c e db ys a m s u n gc o r p o r a t i o n t h es o f t w a r es y s t e mi sc o n s t i t u t e d b ye m b e d d e d l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m s o m e t y p i c a la p p l i c a t i o np r o g r a m s a r e d i s c u s s e d ，f o ri n s t a n c em i n i g u i ，e p gs t o c km a r k e ts e c u r i t i e ss o f t w a r e k e yw o r d s ：e m b e d d e dl i n u x ； m u l t i m e d i as e t t o p b o x ；r t l i n u x ；r t a i ； e m b e d d e ds y s t e m i i 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： 争盗德 日期：石年r 月罗日 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“”) 作者签名： 导师签名： 日期：2 耐年乡月，日 日期：工神s 年岁月尹日 撼颓 莽 硕士学位论文 1 1 课题研究背景与意义 第1 章绪论 后p c 时代的到来，使建立在其基础上的嵌入式系统已经广泛地进入社会生 活，如消费电子领域、国防、通信、工业控制等。随着国内外嵌入式产品( 如机 顶盒、车载电脑等) 的进一步开发和推广，嵌入式技术越来越和人们的生活紧密， 相关。 当今嵌入式技术的热点之一就是将嵌入式l i n u x 操作系统应用于各种嵌入式 产品。l i n u x 操作系统诞生于1 9 9 1 年，到现在不过十几年，然而它在全球计算机 产业界中掀起的巨澜却超过了之前任何一个操作系统。如今l i n u x 已经成为一个 稳定、成熟、实用的操作系统。 l i n u x 操作系统具有许多优点：内核稳定、功能强大、支持多种硬件平台、 应用软件多、兼容性好；内核可以根据需要进行裁减；使用成本低；开发资源丰 富，众多专业的商业公司参与，发展潜力大，能加快产品的开发速度等等。使用 l i n u x 开发嵌入式产品成为业内的趋势。 信息家电是消费电子领域的一个主要部分，而机项盒( s e t t o p b o x ，s t b ) 是目前信息家电中代表性的技术设备。最初的机顶盒仅仅能够使模拟电视机接收 到数字电视信号，功能单一，结构简单，然而现在机顶盒的功能已从一个多频率 的调谐器和解码器跃升为大量电影、多媒体事件、新闻等联机数据库的一个控制 终端。机顶盒不再仅仅是在模拟电视到数字电视的过渡产品，它可以支持几乎所 有的数据广播和交互式多媒体应用，诸如：数字电视广播接收、数据广播、电子 节目指南、准视频点播、视频点播、电子邮件、因特网接入、远程教育、远程医 疗、网上购物、网上收费、电子广告、股市证券服务、网上音频视频广播业务 可视电话与电视会议；社区多功能服务等等。 现实中存在着通信网、计算机网和广播电视网，三网合一是必然趋势，而且 三网在骨干网的传输技术上已经融合。机顶盒是网络的终端产品，最终将发展成 为家庭网关。机顶盒与p c 、打印机、d v d 机等数字设备连接起来，并通过双向 模块与i n t e r n e t 相连，就能够真正地成为信息家电。可以预见，机顶盒将从一个 单一功能的编解码器发展到一个多媒体终端产品，多媒体机顶盒是机顶盒的发展 方向。 多媒体机顶盒的技术集中包括了多媒体、计算机、数字压缩编码和网络通信 技术中的各种先进的技术，功能复杂，是嵌入式系统在信息家电方面的典型应用， 嵌入式“n u x 内核分析及其在多媒体机顶盒中的应用研究 其中嵌入式实时操作系统是多媒体机顶盒软件的核心。 与p c 操作系统不同，机顶盒中的操作系统采用实时操作系统，可以在实时 的环境中工作，并能在较小的内存空间中运行，这部分往往简单而高效。实时操 作系统负责本地资源和网络资源的管理，包括各种硬件的控制、系统资源的分配 等，提供基本的操作功能和设备的访问控制，在启动机顶盒时，由引导程序通过 网络从中心控制系统下载，为各种应用程序提供底层接口，分配内存等。 在当前的机项盒产品中，流行的嵌入式操作系统有前流行的实时操作系统有 o s 2 0 s t l i t e 、v x w o r k s 、p s o s 、w i n d o w sc e 等，它们都是商用的实时搽柞系统。 成本是制约机顶盒发展的主要因素，使用v x w o r k 、w i n d o w sc e 等操作系统则会 因为有较高的授权费用，增加了机顶盒的成本。而将嵌入式l i n u x 应用于机顶盒 方案将能够大大地降低机顶盒的成本。因为该系统源代码开放，且免费使用，可 以降低机顶盒的成本。此外，从事嵌入式l i n u x 的厂商在技术方面能针对不同应 用提供经过剪裁、优化和中文化的l i n u x 内核；提供硬件外设的驱动支持，并可 根据客户的需要完成专门定制的外设驱动、多种硬件平台支持；为资源受限的嵌 入式系统提供灵活的配置和裁剪方案，并可以根据操作系统、基本运行库、文件 系统或是应用程序需要量身定制；为了让嵌入式设备真正跨入节能环保的行列， 通过增强的a p m 和a c p i 电源管理模块，可将能源消耗降低到最低程度；能根据 客户的需要提供诸如q t o p i a 、q t e m b e d d e d 和m i n i g u i 等多种g u i 解决方案。因 此，各大嵌入式商家纷纷步入这一潮流。 1 2 本文的主要工作 要充分发挥l i n u x 的优点，将其应用于多媒体机顶盒中，就必须对其内核深 入分析，进行嵌入式改造。l i n u x 的嵌入式改造主要针对体积和实时性而言，本 文在深入分析l i n u x 内核的基础上，分别讨论了两种改进嵌入式l i n u x 操作系统 实时性的方法一r t l i n u x 和r t a i 。最后提出了基于三星公司的$ 3 c 2 8 0 0c p u 和 $ 5 h 2 0 1 0 m p e g 一2 解码器芯片组硬件平台的多媒体机顶盒方案，分别讨论了硬件结 构和软件方案，并简要地给出了一些典型应用程序的实现方法。 全文的主要内容及章节分布为： 第一章：简要介绍了嵌入式l i n u x 应用于多媒体机顶盒背景意义，明确了本 文的研究方向。 第二章：总结了嵌入式操作系统的发展历史；讨论典型的嵌入式操作系统和 其相关的主流处理器芯片；回顾了l i d l j x 的发展历史，分析优势，对各种流行的 嵌入式l i n u x 操作系统进行了比较。 硕士学位论文 第三章：深入分析了l i n u x 内核源代码，对主要进行体积改造的u c l i n u x 操 作系统进行了研究，包括u c l i n u x 的发展历史，内核架构，移植方案，应用程序 的开发等，做了系统韵研究。 第四章：分别讨论了l i n u x 实时性改造的两种方法一一r t l i n u x 和r t a i ，包 括它们的内核架构，实现机制原理，安装步骤，编程方法等，对r t l i n u x 的实时 性迸行了测试。 第五章：对机顶盒做了一个全面的总结，包括其功能，种类，当今流行的机 顶盒产品，机顶盒的关键技术等，展望了机顶盒的发展趋势。 第六章：基于前面各章的研究结果，提出了基于嵌入式l i n u x 操作系统的多 媒体机顶盒方案，其硬件平台以三星公司出品的$ 3 c 2 8 0 0c p u 和$ 5 h 2 0 1 0m p e g 一2 解码器芯片组为核心，在其基础上构建了嵌入式l i n u x 操作系统，形成多媒体机 顶盒软件系统，并简单介绍了一些典型应用程序的实现，如m i n i g u i 、e p g 、股市 证券软件等。 结束语：总结本文的工作。 3 第2 章嵌入式操作系统简述 随着数字信息技术和网络技术的高速发展，社会已经进入了后p c 时代。建 立在其基础上的嵌入式系统已经广泛地社会生活的方方面面，如国防、通信、工 业控制、消费电子领域等。随着国内外嵌入式产品( 如机顶盒、车载电脑等) 的 进一步开发和推广i 嵌入式技术越来越和人们的生活紧密相关。 2 1 嵌入式操作系统 2 1 1 从嵌入式系统到嵌入式操作系统 早在2 0 世纪6 0 年代，嵌入式这个概念就出现了，在通信方面，嵌入式系统 被应用于电子机械电话交换的控制。但嵌入式计算机的真正发展是在微处理器问 世之后，如i n t e l 公司4 0 0 4 、8 0 8 0 8 0 8 5 、8 0 8 6 ，m o t o r o l a 的6 8 0 0 、6 8 0 0 0 等。以 微处理器作为核心所构成的系统，广泛地应用于仪器仪表、医疗设备、家用电器 等领域。到了8 0 年代，各种总线、接口和外设的完善和标准化进一步提升了嵌入 式计算机系统的技术水平，使其迅速渗入社会生活的各个领域。2 0 世纪9 0 年代， 在分布控制、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统进一步加 速向高速、高精度、低功耗发展。2 1 世纪是一个高度信息化的世纪，嵌入式系统 将会发展更加迅猛，更加彻底地渗入社会的各个方面1 2 们。 从嵌入式系统的发展历程可以给它作2 个定义：嵌入式系统是计算机软件和 硬件的综合体，它是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件皆可裁剪，从 而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计 算机系统。 早期的嵌入式系统很多都不用操作系统，它们只是为了实现某些特定功能， 使用简单的循环控制对外界的控制请求进行处理，不具备现代操作系统的基本功 能( 如进程管理、存储管理、设备管理、网络通信等) 。随着对嵌入式系统的要求 越来越复杂，利用越来越广泛的时候，缺少操作系统就成为一个最大的缺点，因 为每添加一项新功能都有可能要从头设计软件系统，否则只能增加开发成本和系 统复杂度。 c 语言的出现使操作系统的开发变得越来越简单。可以利用c 语言很快地写 出一个小型的、稳定的操作系统。众所周知，c 语言的作者d e n n i sm r i t e h i e 和 b r i a nw k e r n i g h a n 利用它写出了著名的u n i x 操作系统，直接影响了这3 0 年计 算机业的发展。同时，c 语言的出现对嵌入式系统来说，在效率和速度上提高了 - d 很多。 。随着嵌入式系统的功能越来越复杂，硬件所提供的条件越来越好，选择嵌入 式操作系统也就势在必行。首先，应用开发者的精力通常都集中在自己的应用领 域，而没有时问和精力全面掌握操作系统，所以需要嵌入式操作系统提供服务。 其次，嵌入式系统的最大特点就是个性突出，每个具体的嵌入式系统都有自己独 特的地方，当其有某种特殊需要时如果操作系统能够给予支持，则往往会有事半 功倍之效。 而且，嵌入式操作系统引入到嵌入式系统中，能够对嵌入式系统韵开发产生 极大推动作用。在没有操作系统的嵌入式系统下，每当要进行进一步的开发和功 能的扩展，都会带来巨大的劳动力的无谓消耗。而嵌入式操作系统则可以提供给 用户的各种a p i ，来对嵌入式系统进行有效的管理。 如今，越来越多的用户在开发嵌入式产品时选用嵌入式操作系统，嵌入式操 作系统已经成为当前行业关注的热点之一。 2 1 2 典型的嵌入式操作系统 从2 0 世纪8 0 年代起，国际上就开始进行一些商用嵌入式操作系统的研究和 开发。到现在已呈百花齐放的局面，各种嵌入式操作系统产品应用也比较广泛， 它们各有自己独特之处。以下便简要罗列现在较流行的嵌入式操作系统1 2 2 】。 v x w o r k s 操作系统是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的 嵌入式实时操作系统。它是美国w i n d r i v e r 公司的产品，因其良好的可靠性和卓 越的实时性被广泛的应用在通信、军事、航空航天等高精尖技术及实时性要求极 高的领域中，已经包括在爱国者导弹和火星探测器等许多领域中得到了成功的应 用。多家著名的公司如c i s c os y s t e m s ，3 c o m ，l u c e n t 等都是v x w o r k s 的主要 商业用户，可见v x w o r k s 的使用范围之广和影响力之大。 1 1c o s i i ( | lc o s 是“m i c r o c o n t r o l l e ro p e r a t i n gs y s t e m ”的缩写) 是由美 国人j e a nj l a b r o s s e 开发的实时嵌入式操作系统。这个内核的产生和l i n u x 有点 相似，作者在1 9 9 2 年开发了名为uc o s 的实时操作系统，并公开了其源代码， 这一行动推动了1 1c o s i i 的发展。目前i tc o s i i 被移植到i n t e l 、a r m 、m o t o r o l a 等8 1 种不同的处理器上，并且有许多嵌入式产品已经使用uc o s i i 作为其操作 系统。从其内核结构上分析，pc o s i i 其实只是一个实时操作系统，它的全部核 心代码只有8 3 k 字节，仅包含了进程调度、时钟管理、内存管理和进程间通信与 同步等基本功能，而没有包括i ，o 管理、文件系统、网络等额外的模块。1 1c o s i i 的可移植性非常强，只用修改内核的3 个文件就将其移植到不伺的c p u 上。总的 看来斗c o s i i 对硬件要求比较简单，各种类型的c p u 都可以运行，对r o m 和 r a m 要求也不高，内核比较精简，这些优点使其在近年得到了较为广泛的应用。 很多。 随着嵌入式系统的功能越来越复杂，硬件所提供的条件越来越好，选择嵌入 式操作系统也就势在必行。首先应用开发者的精力通常都集中在自己的应用领 域，而没有时间和精力全面掌握操作系统，所以需要嵌入式操作系统提供服务。 其次嵌入式系统的最大特点就是个性突出，每个具体的嵌入式系统都有自己独 特的地方，当其有某种特殊需要时如果操作系统能够给予支持，则往往会有事半 功倍之效。 而且，嵌入式操作系统引入到嵌入式系统中，能够对嵌入式系统韵开发产生 极大推动作用。在没有操作系统的嵌入式系统下，每当要进行进。步的丌发和功 能的扩展。都会带来巨大的劳动力的无谓消耗。而嵌入式操作系统则可以提供给 用户的各种a p i ，来对嵌入式系统进行有效的管理。 如今，越来越多的用户在开发嵌入式产品时选_ i ；| j 嵌入式操作系统，嵌入式操 作系统已经成为当前行业关注的热点之一。 2 1 2 典型的嵌入式操作系统 从2 0 世纪8 0 年代起，国际上就开始进行一些商用嵌入武操作系统的研究和 开发。到现在已旱百花齐放的局面，各种嵌入式操作系统产品应用也比较广泛， 它们各有自己独特之处。以下便简要罗列现在较流行的嵌入式操作系统1 2 2 1 。 v x w o r k s 操作系统是目前雇入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的 嵌入式实时操作系统。它是美国w i n d r i v e r 公司的产品，因其良好的可靠件和卓 越的实时性被广泛的应用在通信、军事、航空航天等高精尖技术及安时性要求极 高的领域中，已经包括在爱国者导弹和火星探测器等许多领域中得到了成功的应 用。多家著名的公司如c i s c os y s t e m s ，3 c o m ，l u c e n t 等都是v x w o r k s 的主要 商业用户，可见v x w o r k s 的使用范围之广和影响力之火。 uc o s 【i ( i ic o s 是“m i c r o c o n t r o l l e ro p e r a t i n gs y s t e m ”的缩写) 是由美 国人j e a nj l a b r o s s e 开发的实时嵌入式操作系统。这个内核的产生和l i n u x 有点 相似，作者在1 9 9 2 年开发了名为uc o s 的实时操作系统，并公开了其源代码， 这一行动推动了pc o s i i 的发展。目前pc o s i i 被移植到i n t e l 、a r m 、m o t o r o l a 等8 1 种不同的处理器上，并且有许多嵌入式产品已经使用uc o s 一1 1 作为其操作 系统。从其内核结构上分析，1 1c o s i i 其实只是一个实时操作系统，它的全部核 心代码只有8 3 k 字节，仅包含了进程调度、时钟管理、内存管理和进程间通信与 同步等基本功能，而没有包括i o 管理、文件系统、网络等额外的模块。i 1c i o s i i 的可移植性非常强，只用修改内核的3 个文件就将其移植到不同的c p u 上。总的 看来uc o s - i i 对硬件要求比较简单，各种类型的c p u 都可以运行，对r o m 和 r a m 要求也不高，内核比较精简，这些优点使其在近年得到了较为广泛的应用。 r a m 要求也不高，内核比较精简，这咎优点使其在近年得到了较为广泛的应用。 8 璧全垂! 尘= 空兰坌堑墨茎窑耋矍堡丝至垒土墼鏖星窒塞 uc o s i i 的不足之处是其只适合于简单、任务数目较少的应用。 w i n c e 是由微软公司推出的嵌入式实时操作系统，是从整体上为有限资源的 平台设计的多任务、多优先级的操作系统。其模块化设计允许它对于从掌上电脑 到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。操作系统的摹本内核需要至少 2 0 0 k b 。但它的最大缺点是实时性不好，是软实时操作系统，只能用于对实时性 要求不高的场合。 v r t x 是老牌嵌入式实时操作系统，在早期的商用嵌入式操作系统中曾扮演 “领头羊”的角色；v r t x 具有一组满足用户需要的模块化的编程界面和工具。 无论是对存储器和耗能有限制的手持器件，还是用于电话交换的网络管理卡， v r t x 都有一套工具满足开发者的需求。通过对可向上兼容编程接口和面向对象 开发的支持，v r t x 保证在将来支持和能重复利用其源码。v r t x 的特点包括易 于载入定制硬件、文件系统支持及a n s i p o s i x 接口。v r t x 还支持多种网络协 议。 3 c o m 公司的p a l m o s 操作系统在p d a 市场上占有很大的市场份额，p a l m o s 目前获得了i b m 、o r a c l e 、n o k i a 和s o n y 等国际知名公司的支持。它有开放的操 作系统应用程序接口，开发商可以根据需要自行开发所需要的应用程序。据称已 有超过2 0 0 0 0 0 以上的软件开发者正在为p a l mo s 平台开发软件应用程序，同时 也有相当多硬件开发人员在为p a l m o s 系统开发外围扩展设备。目前在国内也已 经形成了一股为p a l mo s 开发软件的力量，有相当多的职业和业余的软件开发人 员加入到为p a l mo s 开发软件的队伍来。 以上介绍的r t o s 都是商用的嵌入式操作系统，它们在系统的可靠性和用户 的技术支持上都有自己的优势。但是，这些专用操作系统均属于商业化产品，其 价格昂贵；而且由于很多时候它们的核心源代码都是不公开的，这使得每个系统 上的应用软件与其他系统都无法兼容。由于这种封闭性还导致商业嵌入式系统在 对各种设备的支持方面存在很大的问题，使得他们的软件移植变得很困难。由于 l i n u x 自身诸多优势，在嵌入式这个i t 业新的关键领域，嵌入式l i n u x 操作系统 适时地出现在各嵌入式厂商面前，吸引了许多开发商的目光，成为嵌入式操作系 统的新宠。在后面的章节里，本文将对嵌入式l i n u x 操作系统作深入的分析。 2 1 3 主流的嵌入式芯片 嵌入式处理器是嵌入式系统中的核心部件。嵌入式处理器的功能和性能，影 响着整个系统的设计。处理器的选择往往会限制操作系统的选择，操作系统的选 择又会限制开发工具和编程语言的选择：同时制约了其配套的外围器件的选择， 因此嵌入式处理器的功能强弱决定了系统的性能指标。 目前，嵌入式处理器主要可以分为如下几类： 硕士学位论文 ( 1 ) 嵌入式微处理器嵌入式微处理器是和通用计算机的微处理器对应而言 的。在应用中，一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上，在母板上只保留 和嵌入式相关的功能即可，这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。目 前的嵌入式处理器主要包括x 8 6 系列、a r m 、p o w e r p c 、m o t o r o l a6 8 0 0 0 、m i p s 等。 ( 2 ) 嵌入式微控制器嵌入式微控制器又称单片机。它是将整个计算机系统 集成到一块芯片上。一般在单片机里面以一块嵌入式微处理器内核为核心，然后 集成上r o m e p r o m 、a d 、d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等等必要的产品和功能 外设。因为这些功能外设是集成在这块单片机芯片中的，因此需要生产出一系列， 的产品方便用户的定制。 目前的嵌入式微控制器主要有8 0 5 1 、p 5 1 x a 、m c s 一2 5 1 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、 c 1 6 6 1 6 7 、m c 6 8 h c 0 5 1 1 1 2 1 6 、6 8 3 0 0 等等。目前的嵌入式市场由单片机占领了 约7 0 的市场份额。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器在d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 里面专门为系统结 构和指令系统针对离散时间信号处理进行设计，提高了编译效率和执行速度。在 数字滤波、f f t 、谱分析、图像处理的分析等领域，d s p 正在大量进入嵌入式市 场。 由于嵌入式l i i n u x 大多运行在嵌入式微处理器上，以下将主要介绍主流的嵌 入式微处理器。 如今在嵌入式微处理器产品中占据最大市场份额的是a r m 公司的a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 系列嵌入式馓处理器。成立于2 0 世纪8 0 年代的英 国专业处理器设计公司a r m 公司是目前最成功的处理器i pc o r e 提供商。a r m 公司本身并不生产和销售芯片，而是采用技术授权的方式，让其它半导体制造商 进行a r m 微处理器的制造。a r m 公司设计了一系列的微处理器内核结构，以适 应不同应用领域的需要。 a r m 系列的处理器的研发始于2 0 世纪8 0 年代中期，a r m 6 的推出，将a r m 引向成功。a r m 7 最初是为便携式通信设备而开发的，它是一种小型的高性能、 低功耗、可集成3 2 位r i s c 处理器内核，其经典产品a r m 7 t d m i 是目前a r m 结构中一种授权最广泛的产品，它把a r m 7 的指令系统与t h u m b1 6 位精简指令 集相结合，减少了存储器的容量，降低了系统成本，使得利用1 6 位宽度的存储器 就可以达到3 2 位存储器才有的高性能。a r m g t d m i 是一种有5 级流水线，集成 有t h u m b1 6 位精简指令集扩展功能、调试功能和哈佛结构总线的内核。在同样 的工艺条件下，它的性能是a r m 7 t d m i 性能的两倍以上，其典型应用为网络通 信和机顶盒市场。a r m l 0 t d m i 是一种比a r m 9 t d m i 有更高性能的内核，其性 能几乎是a r m g t d m i 的两倍，有6 级流水线、哈佛结构总线、t h u m b1 6 位精简 嵌入式l i n u x 内核分析及其在多媒体机顼盒中的应用研究 指令集扩展和对所有编程模型状态的全调试访问，主要应用于下一代手持通信产 品和数码电子消费产品以及多媒体应用。 m o t o r o l a 公司是全球最大的嵌入式处理器制造商，其嵌入式处理器芯片主要 集中于网络和数据通信领域。m o t o r o l a 的嵌入式处理器芯片主要基于先进的r i s c 结构的p o w e r p c 处理器内核，其产品有好几个系列。包括著名的6 8 系列、c o l d f i r e ( 冷火) 系列、m p c 系列等，品种多达几十种，其型号包括m c 6 8 3 0 2 、m c 6 8 3 6 0 、 m p c 8 5 0 、m p c 8 6 0 、m p c 8 2 4 0 、m p c 8 2 6 0 、m c f 5 2 7 2 、m c f 5 2 4 9 等。 在当今世界微处理器市场上，i n t e l 公司的x 8 6 系列芯片产品在整傣微处理器 市场上获得了大约8 0 的份额，具有压倒一切的优势。同时，i n t e l 公司也推出了 基于x 8 6 系列产品的嵌入式处理器芯片。i n t e l 公司嵌入式芯片主要有以下几个系 列：i 9 6 0 系列、嵌入式3 8 6 4 8 6 系列，以及最新的基于s t r o n g a r m 核的s a l l 0 、 s a l l 0 0 、s a l l l 0 系列和2 0 0 2 年才推出的x s e a l e 系列等。 从当前嵌入式处理器的性能和市场占有率可以看出，a r m 系列处理器内核开 发速度之快，性能之优越，是同时期的其他处理器产品无法比拟的，但是各个嵌 入式处理器产品都有各自的优点。目前，中兴通信公司已经购买了a r m 的软核， 用于自己通信芯片的开发。 2 2 嵌入式l i n u x 操作系统 2 2 1 从l i n u x 到嵌入式l i n u x l i n u x 诞生于1 9 9 1 年，到现在不过十几年，然而它在全球计算机产业界中掀 起的巨澜却超过了之前任何一个操作系统：芬兰学生l i n u st o r v a l d s 是l i n u x 操作系统的缔造者，在实现了l i n u x 的基本功能后，l i r l i s 将l i n u x 以开放源代 码的方式放到网络上，吸引了一大批顶尖黑客加入到l i n u x 的开发队伍中，使 l i n u x 在短期内成为一个稳定、成熟、实用的操作系统【2 。 与传统的操作系统不同，l i n u x 操作系统的开发一开始就在f s f ( 自由软件基 金会组织) 的g p l ( g n up u b l i cl i c e l q s e ) 的版本控制之下，l i n u x 内核的所有源 代码都采取了开放源代码的方式。其内核的发布是由l i 2 u xt o r v a l d s 和m a nc o x 等领导的内核开发小组控制。世界各地的开发者们都将自己对l i n u x 内核所作的 修改提交给l i n u s 小组，由这个小组进行统一控制，随时对内核进行更新升级。 整个开发过程都使用c v s ( 著名的自由版本控制软件) 进行版本控制，使得全世 界的几千名开发者可以通过网络进行系统开发。l i n l l x 内核开发的速度相当快， 几乎每隔三天就进行一次内核升级。 和其他操作系统相比，l i n u x 操作系统具有以下优点： ( 1 ) 内核稳定、功能强大、支持多种硬件平台、兼容性好l i n u x 是一个类 - 8 硕士学位论文 u n i x 的操作系统，其代码是完全开放的，内核功能强大实现简洁。它提供了类u n i x 的编程接口和系统调用，可以方便地将u n i x 系统上的应用程序移植到l i n u x 上。 另外由于其开放源代码的缘故，使得l i n u x 的源代码得到了众多项尖黑客的审查 和修改，有非常好的稳定性。最新的l i n u x 内核支持多种体系结构的处理器，包 括目前流行的i n t e lx 8 6 、m o t o r o l a i b mp o w e r p c 、a r m 、c o m p a qa l p h a 、s u ns p a r c 等微处理器体系结构。 ( 2 ) 内核可以根据需要进行裁减根据g p l 协议规定，l i n u x 操作系统的源 代码可以免费获得，并在遵守g p l 协议的条件下进行修改。这就使得修改l i n u x 内核来满足自己的需要成为可能。目前，众多的嵌入式l i n u x 版本，正是受益于 l if l u x 的这一特点。 ( 3 ) 强大的网络功能l i n u x 操作系统最突出的是网络部分，基本上所有的 网络协议和网络接口都可以在l i n u x 上找到，l j _ n u x 内核比标准的u n i x 处理网络 协议更加高效，系统的网络吞吐性能更好，这也是l i n u x 在网络服务器市场上占 据较大市场份额的重要原因。 ( 4 ) 使用成本低、网络资源丰富l i n u x 是免费软件，只需要遵循g p l 的规 定，就可以免费使用。l i n u x 下同样有遵循g p l 规定的汇编( 如c 、c + + 、j a v a 等) 的软件工具开发包，如大名鼎鼎的g n u 工具链( 如g c c 、g d b 等) 。这些软件从功 能角度上看并不亚于商用开发包，甚至优于某些商业产品。这样，使用l i n u x 构 建服务器系统或是软件开发环境等，其软件购买费用可以忽略不计，这点优势是 其他商用操作系统无法比拟的。l i n u x 有非常多的文档支持，从为初学者准备的 各种培训教程到非常详细的联机帮助文档一应俱全。 l i n u x 作为互联网发展的产物，许多关于l i f l u x 的文档都可以在i n t e r n e t 上 找到和下载。l i n u x 文档工程是为l i n u x 提供系统化的文档支持的项目，在世界 上许多程序员和用户的帮助下，它已经收集了非常详细的系统文档和使用文档。 此外，各种关于l i n u x 的书籍和杂志如雨后春笋般出现，大量的英文资料也正在 被翻译成中文，极大方便了中文读者。 ( 5 ) 众多专业的商业公司参与，发展潜力大l i n u x 开放源代码的特点，使 得一大批商业公司都参与到对l i n u x 的开发之中，如r e d h a t 、v a l i n u x 和c y g w i n 等。这些公司一方面参与l i n u x 的开发，一方面将l i n u x 内核和应用软件整合起 来，加入到自己的安装和配置管理工具打包发行，即l i n u x 发行版本。许多著名 的商业软件都有了l i n u x 下的版本，如办公自动化的s t a ro f f i c e 、集成丌发环 境k d e v e l o p 、数据库o r a c l e8f o rl i n u x 、n e t s c a p en a v i g t o r6 0 浏览器等， 像b o r l a n d 这样的顶级商业r a d 开发工具厂商也推出了其旗舰产品d e l p h i 的 l i n u x 版本k y l i x ，简化了l i n u x 下应用软件的开发。像k d e 、g n o m e 等强大的桌 面环境的推出，在很大的程度上也提高了l i n u x 的易用性。这些l i n u x 发行版本 嵌入式l i n u x 内核分析及其在多媒体机硬盒中的应用研究 整合了大量的l i n u x 应用软件，并且提供了相对容易的使用和管理界面，极大地 降佃i 了l i n u x 的使用难度。 从以上所述可见，l i n u x 具有相当多的优点。它的内核稳定、功能强大、可 裁减和低成本的特性非常适合嵌入式应用。但是l i n u x 最初并不是为嵌入式系统 设计的。l i f l u x 内核本身不具备强实时性，并且内核体积较大，因此要把l i n u x 用于嵌入式系统，必须对l i n u x 进行实时化、嵌入式化，这正是目前嵌入式开发 的新热点。 嵌入式l i n u x 僦是嵌入式系统中使用的l i n u x 。通常是将标准的瞌n u x 进行 相应改造后，再用作嵌入式计算机的操作系统，为嵌入式应用程序提供操作系统 服务。要修改l i n u x 使其嵌入式化，主要集中在两个方面：一是体积，二是实时 性。针对这两个方面，国外一些公司和机构开发出了各具特色的嵌入式l i n u x 版 本。在实时性方面，最有名的嵌入式l i n u x 版本有r t l i f l u x 和k u r t l i n u