（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式linux的wap浏览器的研究和实现.pdf

摘要 在后p c 时代，嵌入式技术再度成为一个研究热点。无线网络的发展，特别是 带宽问题不再成为无线网络发展的瓶颈，促进了手持设备，例如p d a 及其它一些 移动终端的应用。而嵌入式浏览器作为与用户信息交互的主要载体，在手持设备 中具有举足轻重的地位。为了适应发展民族产业和满足国内广大用户的需求，电 子科技大学嵌入式教研室根据8 6 3 基金项目面向p d a 手机的嵌入式软件开发平 台，提出了基于嵌入式l i n u x 操作平台的无线网络浏览器w a p e r 本文首先分析了嵌入式浏览器所依赖的操作平台嵌入式l f n u x 操作系 统，及在该系统下进行开发的特点。然后阐述了w a p 浏览器在发展进程中的一些 关键性技术，包括w a p 技术，w b x m l 技术，g u i 技术，d o m 技术等。如何综 合考虑上述技术的实现，是w a p e r 的设计重点。 参照已有浏览器的设计思想和实现手段是w a p e r 设计的重要策略。嵌入式浏 览器种类繁多，各有不同的侧重点，本文主要对比分析了m i n i g u i 上开源的 m o n q u e r o r 浏览器；基于嵌入式l i n u x 的v i e w m l 浏览器；科银京成的 d e l l a b r o w s e r 浏览器；基于g t k 图形系统的d i l l o 溯笕器；国内家公司 的m b r o w s e r s 浏览器；日本a c c e s s 公司的n e t f r o n t 浏览器和开源的z e n 浏览器。在对比分析上述浏览器的基础上，提出了w a p e r 的体系结构和设计需求， 阐述了w a p e r 的功能和组成部分，并对w a p e r 的各组成部分的设计进行了描述。 重点分析了w a p e r 实现过程中最关键的两大设计技术解析树设计和显示控 制设计。并给出了关键数据结构和操作流程。 w a p e r 的基于) 叫ld o m 解析树的显示体系，不仅兼容于现有w a p l ，x 的 格式标准，还适用于w a p 2 0 的规范要求，使得w a p e r 具有较大的兼容性。同时， x m l 规范兼容于h t m l 语言，使w a p e r 在保持主体结构不变的前提下，能很快 的转为h t m l 的浏览器，具有很强的扩展性。 w a p e r 的核心模块可移植性好。整个浏览器由c 语言编写，程序具有较好的 内聚性。已成功的移植到基于a r m 9 的平台上。其解析树的生成模块具有较高的 可靠性和容错能力。设计中采用了最优节点的匹配算法，可以保证解析过程的连 续性和错误处理能力，能够把节点以最佳的形式添加到解析树中。 另外，论文阐述了w a p e r 的硬件实现及测试过程和测试方法。面向p d a 手 机的嵌入式软件开发平台项目的顺利完成，充分证明了w a p e r 设计合理，性能 稳定，移植性强，具有较大的推广价值。 最后，对嵌入式浏览器w a p e r 的进一步发展做了合理的展望。 关键词：x m l ，w b x m l ，无线应用协议，嵌入式浏览器，l i n u x i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t i lt h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sn e t w o r k ，m o b i l et e r m i n a t e sh a v em a d eg r e a t p r o g r e s s e m b e d d e db r o w s e rt a k e si m p o r t a n ts i t u a t i o na sac a r r i e ro fe x c h a n g i n g i n f o r m a t i o n ，f o rs a t i s f y i n gd o m e s t i cr e q u i r e m e n t s ，t h ee m b e d d e ds t a f fr o o mo fu e s t c b r i n g sf o r w a r d sw a p e ra c c o r d i n gt o8 6 3f u n dp r o j e c tw h i c hb a s e so ne 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 f i r s t l y , t h et h e s i sa n a l y z e st h eo p e r a t i n gs y s t e m - - - e m b e d d e dl i n u xo sw h i c h w a p e r d e p e n d so na n dt h ed e s i g n i n gp o i n t s t h e n ，i ts e t sf o r t ht h ek e yt e c h n o l o g i e s , i n c l u d i n gw a p , w b x m l 。g u i ，d o me t c h o wt oc o n s i d e rt h er e a l i z a t i o no fa b o v e t e c h n o l o g i e si st h ed e s i g n i n ge m p h a s i so f w a p e r i tc a r ls u p p l ym a i n l yd e s i g n i n gt a c t i cf o rw a p e rw h i l er e f e r r i n gt od e t a i l e d m e t h o d so fe x i s t i n gb r o w s e r s v i e w m lf o rl i n u x , m o n q u e r o ro fm i n j g u l d e l t a b r o w s e rf o rc o r e t e c hc o m p a n y , d i l l oo fg t k n e t f r o n tf o r a c c e s sc o m p a n ya n dz e n ，w h i c hb e l o n gt oc l a s s i ce m b e d d e db r o w s e r s ，a r e t h o r o u g h l ya n a l y z e da n dad e t a i l e d ，c l e a ri m a g ec a l la l s ob eo b t a i n e d o nt h eb a s i so f f o r m e ra n a l y s i s s t r u c t u r e sa n dr e q u i r e m e n t so f 7 a p e ra r ei n t r o d u c e da n dt h et h e s i s l a y se y e so nt h ep a r s i n gt r e et e c h n o l o g ya n dv i s i o nc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y f u r t h e rm o r e ， t h i sp a p e rf o c u s e so ni t si m p o r t a n tc o m p o n e n t s d e s i g na n di m p l e m e n tm e t h o d s 。 n l es t r u c t u r eo fd o m p a r s i n gt r e ei sc o m p a t i b l ew i t hb o t hs p e c i f i c a t i o no f w a p l xa n dw a p 2 0 ，i nt h em e a n t i m e ，a sh t m li ss u b s e to fx m l ，w a p e rc a r l e x p l o r ew e b c o n t e n t st h r o u g hl i m i t e dm o d i f i c a t i o n ，t h ew h o l eb r o w s e ri sf i n i s h e db y c l a n g u a g ea n di st r a n s p l a n t a b l ew h i c hi sa l r e a d yt r a n s p l a n t e dt ot h es y s t e mo fa r m 9 t h em o d u l eo fp a r s i n gt r e ei sc r e d i b l e t h ea l g o r i t h mo fo p t i m i z i n gn o d ee n s u r e st h e c o n t i n u i t yo fp a r s i n gp r o c e s sa n dc a na d dt h en o d ei n t ot h em o s ta p p r o p r i a t ep o s i t i o ni n t h ep a r s i n g 订弓e ， a f t e rm a n yt e s ta n da p p l i c a t i o n s ，t h ei m p l e m e n t a t i o nh a sb e e np o t t e di nf a c t a p p l i c a t i o n s w a p e rc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so ft y p i c a la p p l i c a t i o n si ne m b e d d e d a p p l i c a t i o n s ，t h ed e s i g n b a s e do nl i n u xo p e r a t i n g s y s t e mi se x t e n d a b l ea n d t r a n s p l a n t a b l e i i i a b s t r a c t a tl a s t ，t h en e x tg e n e r a t i o no f w a p e ri si n t r o d u c e d k e yw o r d s ：x m l ；w b x m l ；w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c o l ；e m b e d d e db r o w s e ； l i n u x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谓十的地 方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：缒垒 日期：蒯年，月乡日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：璐 导师签名： 。皇竺丝 日期：力口年月，日 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 本课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 课题面向p d a 手 机的嵌入式软件开发平台中的一个子课题。随着3 g 通信时代的到来和手机硬件 配置的提高( 大屏幕彩色显示、高数据处理能力、大容量存储等) ，手机将逐渐从 单纯的话音通信工具发展成为支持移动电子商务、娱乐等以数据为中心的移动个 人信息处理器，即手机开始向p d a 方向扩展，我们称之为p d a 手机。手机功能 和p d a 基本功能融合的思想更好的适应了移动通信的发展，其中对无线网络浏览 功能和流媒体播放功能的支持更是适应了未来通信的基础多媒体通信的需 要。 嵌入式浏览器需要嵌入式操作系统和硬件设备协同实现具体的功能。而目前 嵌入式浏览器主要由嵌入式软件提供商提供，种类比较少且功能单一。尽管嵌入 式浏览器有着美好的前景和难得的机遇，但国内厂商总的来说不够踊跃，这其中 一方面有技术上的难点；还有如何保护知识产权的问题，也就是现在投入巨大， 将来没有足够的回报；更重要的是市场还未启动。 但随着机顶盒的推广，比如t c l 的h i d 、厦华的网络电视等产品的出现，已 经充分说明嵌入式浏览器市场的启动已是近在眼前的事。为了适应发展民族产业 和满足国内广大用户的需求，电子科技大学嵌入式教研室根据8 6 3 基金项目，提 出了基于嵌入式l i n u x 操作平台的无线网络浏览器w 心e r 的课题。 1 2 嵌入式浏览器概述 随着多媒体技术、通讯技术相结合的信息时代的快速发展和互联网的广泛应 用，3 c ，计算机、通信、消费电子一体化趋势日益明显，我们也从p c 时代过渡到 了后p c 时代。嵌入式设备与i n t e r n e t 的结合代表着嵌入式技术的未来，嵌入 式技术越来越和人们的生活紧密结合。嵌入式系统可存在于生活的各方面，从家 里的电视机、洗衣机等家电，到汽车等交通工具，到办公室里的远程会议系统等 等，都属于可以使用嵌入式技术开发和改造的产品。无线网络的发展，特别是带 电子科技大学硕士学位论文 宽问题不再成为无线网络发展的瓶颈，促进了手持设备，例如p d a 及其它一些移 动终端的应用。而嵌入式浏览器作为与用户信息交互的主要载体，在手持设各中 具有举足轻重的地位，正是关键技术之一。当前围绕嵌入式浏览器，主要发展了 g u i 技术，数据传输技术，编解码技术等。 在后p c 时代，网络速度和嵌入式c p u 处理速度的提高，必然让信息电器成 为网络时代的主要访问设备。而嵌入式浏览器也将成为未来嵌入式设备的核心平 台。它不但能够访问网络资源，还能向应用程序提供a p i ，开发基于浏览器的应用。 x m l 的使用，让网络设备之间的通信也有了统一的标准。样的数据发送到不同 的设备，可以根据硬件的不同而采用不同的显示方式。而且根据x m l 开发出来的 各种应用也会让网络更加丰富多彩，那时各专用浏览器也将大行其道。所以嵌入 式浏览器必将成为未来嵌入式软件的核心。 嵌入式浏览器现在还没有一个准确、严格的定义，但从其完成的功能来看， 可以从两个方面进行描述。第一，它必须是一个网络信息浏览器，必须支持h t r p 或者w a p 等其它传输协议，可以完成网页的浏览功能；第二，这个浏览器必须适 合在嵌入式设备中运行并完整实现通讯传输协议和标记语言所规定的功能，并满 足信息设备使用者对获取文字、图像、声音、视频等信息的需求口】。 1 3 国内外研究动态 1 3 1 嵌入式l i n u x 的发展 近年来，随着计算技术、通信技术的飞速发展，特别是互联网的迅速普及和 3 c 合一的加速，微型化和专业化成为发展的新趋势，嵌入式产品成为信息产业的 主流。l i n u x 从1 9 9 1 年问世到现在，短短的十几年时间已经发展成为功能强大、 设计完善的操作系统之一；可运行在x 8 6 、a l p h a 、s p a r c 、m i p s 、p p c 、m o t o r o l a 、 n e c 、a r m 等多种硬件平台，而且开放源代码，可以定制；可与各种传统的商业 操作系统分庭抗争。越来越多的企业和研发机构都转向嵌入式l i n u x 的开发和研 究上，在新兴的嵌入式操作系统领域内也获得了飞速发展。 l 1 n u x 作为嵌入式操作系统是完全可行的。因为l i n u x 提供了完成嵌入功 能的基本内核和所需要的所有用户界面，能处理嵌入式任务和用户界面。将l i n u x 看作是连续的统一体，从一个具有内存管理、任务切换和时间服务及其它分拆的 微内核到完整的服务器，支持所有的文件系统和网络服务【2 】。l i n u x 作为嵌入式 2 电子科技大学硕士学位论文 宽问题不再成为无线网络发展的瓶颈，促进了手持设备，例如p d a 及其它一些移 动终端的应用。而嵌入式浏览器作为与用户信息交互的主要载体，在手持设各中 具有举足轻重的地位，正是关键技术之一。当前围绕嵌入式浏览器，主要发展了 g u i 技术，数据传输技术，编解码技术等。 在后p c 时代，网络速度和嵌入式c p u 处理速度的提高，必然让信息电器成 为网络时代的主要访问设备。而嵌入式浏览器也将成为未来嵌入式设各的核心平 台。它不但能够访问网络资源，还能向应用程序提供a p i ，开发基于浏览器的应用。 x m l 的使用，让网络设备之间的通信也有了统一的标准。一样的数据发送到不同 的设备，可以根据硬件的不同而采用不同的显示方式。而且根据x m l 开发出来的 各种应用也会让网络更加丰富多彩，那时各专用浏览器也将大行其道。所以嵌入 式浏览器必将成为未来嵌入式软件的核心。 嵌入式浏览器现在还没有一个准确、严格的定义，但从其完成的功能来看， 可以从两个方面进行描述。第一，它必须是一个网络信息浏览器，必须支持h t t p 或者w a p 等其它传输协议，可以完成网页的浏览功能；第二，这个浏览器必须适 合在嵌入式设各中运行并完整实现通讯传输协议和标记语言所规定的功能，并满 足信息设备使用者对获取文字、图像、声音、视频等信息的需求f l 】。 1 3 国内外研究动态 1 3 。1 嵌入式l 矾i 的发展 近年来，随着训算技术、通信技术的飞速发展，特别是互联网的迅速普及和 3 c 台一的加速，微型化和专业化成为发展的新趋势，嵌入式产品成为信息产业的 主流。l i n u x 从1 9 9 1 年问世到现在，短短的十几年时间已经发展成为功能强大、 设计完善的操作系统之一；可运行在x 8 6 、a l p h a 、s p a r e 、m i p s 、p p c 、m o t o r o l a 、 n e c 、a r m 等多种硬件平台，而且开放源代码，可以定制：可与各种传统的商业 操作系统分庭抗争。越来越多的企业和研发机构都转向嵌入式l i n u x 的开发和研 究上，在新兴的嵌入式操作系统领域内也获得了飞速发展。 l i n u x 作为嵌入式操作系统是完全可行的。因为l 1 n i y x 提供了完成嵌入功 能的基本内核和所需要的所有用户界面，能处理嵌入式任务和用户界面；将l i n l r x 看作是连续的统一体，从一个具有内存管理、任务切换和时间服务及其它分拆的 微内核到完整的服务器，支持所有的文件系统和网络服务p j 。l i n u x 作为嵌入式 微内核到完整的服务器，支持所有的文件系统和网络服务口j 。l i n u x 作为嵌入式 第一章绪论 系统，是一个带有很多优势的新成员。它对许多c p u 和硬件平台都是易移植、稳 定、功能强大、易于开发的。 1 3 2 嵌入式浏览器的发展及现状 目前，以计算机和软件为核心的数字化技术取得了迅猛发展，多媒体技术与 i n t e r n e t 的应用迅速普及，消费电子、计算机、通信一体化趋势日趋明显，嵌 入式技术成为研究热点，机顶盒、信息家电等新产品的出现让人们开始关注嵌入 式系统，嵌入式浏览器也随之浮出海面。 纵观嵌入式系统的发展，大致经历了3 个阶段。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、指示设备相配合的功能。这种系 统大部分应用于工业控制系统中，一般没有操作系统的支持。第二阶段以嵌入式 实时操作系统为标志。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，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 ) ，嵌入式应用软件丰富，但与 互联网无关。第三阶段是以基于i n t e r n e r 为标志的嵌入式系统。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，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，而嵌入式浏览器正是其中必不可少的一环。 嵌入式浏览器可以广泛应用于i n t e r n e t - t v 、i d v d 、w e b 终端、数字电视 机顶盒、掌上电脑等各种信息电器和便携式网络终端中。据专家预测，未来五年 嵌入式浏览器将有一个庞大的市场，许多厂商看到嵌入式浏览器广阔的应用和市 场前景，纷纷投身其技术开发。到目前，已有一些市场化的产品出现。其中较著 名的有近10 家，美国e i s 的t h r i v e i p a n e l 、e n r e c h e b r o w s e r 、微软在w i n d o w s c e 中内嵌的简化版的i e ，日本a c c e s s 的n e t f r o n t ，印度的p l a l l e t w e b 等，其中 a c c e s s 市场化程度较高，占日本国内市场份额6 0 以上。 嵌入式系统由于具有分散性、多样性等特点，设备生产厂商在芯片选择、系 统功能定义、显示设备特性、耗电限制方面会有许多不同的要求，没有一种嵌入 式浏览器可以满足所有嵌入式系统的要求，因此嵌入式浏览器市场，不会出现象 微软的1 e 在p c 市场上的垄断局面，给了厂商很大的发展空间，也给了国内业界 个良机。由于嵌入式浏览器市场刚刚萌芽，竞争格局尚未形成，国内厂商此时 电子科技大学硕士学位论文 切入，会有一番作为【3 】。而且，嵌入式浏览器软件要想在国内真正能实用化，关键 还要支持中文显示，现在市场上除m 、凯思和t h r i v e i p a n e l 夕卜，大都不支持汉字显 示，这在国内业界有着天然的优势。 国内厂商已有涉及者，像中科院的凯思、红旗l i n u x 等都开发出基于自己嵌 入式操作系统的浏览器。一些厂商也针对特定设备，如掌上电脑、机顶盒等进行 设计开发，但没有市场化的产品出现。嵌入式浏览器软件的市场化，就是指对硬 件及操作系统依赖较少，适应多种平台。 深圳的一些厂商在这个领域的国内竞争中走在前列，茁壮网络、亿赛科技都 有拥有自主知识产权的市场化产品出现。茁壮网络的i p a n e l 在市场上已有一些应 用实例，比如前一阵t c l 推出的家庭信息显示器h i d ( h o m e i n f o r m a t i o n d i s p l a y ) ， 就是在高清晰数字电视( h d t v ) 的基础上采用凯思的“女娲h o p e n ”嵌入式操作系 统，加上i p a n e l 浏览器而实现功能的；还有北京裕兴电脑、厦华电子等公司也在 其网络d v d 、网络电视产品中采用i p a n e l 嵌入式浏览器，茁壮与东芝等国内外芯 片厂商合作的产品也即将推向市场。 1 4 攻读学位期问完成的主要工作 本论文来源于国家高技术研究发展计划面向p d a 手机的嵌入式软件开 发平台中的一个子课题，同时以电子科技大学嵌入式实时教研室所提出的组件 模型为背景，研究及开发p d a 终端上的嵌入式w a p 浏览器。我在项目中担任主 研人员。 目前嵌入式浏览器主要由嵌入式软件提供商提供，种类比较少且功能单一， 国内基本上没有成型的嵌入式w a p 浏览器的产品。因此，深入研究嵌入式浏览器 的设计技术并实现具体产品具有较大的研究及市场价值。 首先对基于可配置的嵌入式l i n u x 组件模型进行结构设计，确定了整个系统 的调度原则。分析了嵌入式浏览器的各种关键技术，并对比分析了当前所流行的 各种嵌入式浏览器，结合嵌入式l i n u x 操作系统的特点，提出了w a p e r 的设计 需求及原则。并在理论上总结了嵌入式w a p 浏览器的的体系结构、x m ld o m 的 解析树模型、独立的解析显示体系等关键技术。同时，把理论的研究成果应用于 实际的软件开发项目中。完成了如下工程项目： 参与嵌入式l i n u x 的组件调度模型设计。 负责设计嵌入式w a p 浏览器，并成功的应用于盛博公司模型机。 4 第一章绪论 参与流媒体播放器设计，主要负责音频部分的编解码，以及音频与视频部 分的集成工作，也成功的应用于盛博公司的模型机。 完成了整个浏览器的测试工作。 1 5 论文的主要创新点 基于d o m 解析树的显示体系，不仅兼容于现有w a p l x 的标准格式，还适用 于w a p 2 0 的规范，使得w a p e r 具有较大的兼容性。同时，由于x m l 规范 还兼容于现有的有线网络浏览器的标准语言h t m l ，使w a p e r 可以在保 持主体结构不变的前提下，能够很快的转为能测览h t m l 的普通浏览器，具 有较大的扩展性。 组件架构的浏览器体系结构，能够以统一的格式融入嵌入式软件开发平台之 中，具有较大的灵活性。 测览器的核心模块可移植性好。整个浏览器由c 语言编写，程序具有较好的内 聚性。本浏览器己成功的移植到基于a r m 平台m i c r o w i n d o w 的g u i 上。 解析树的生成模块具有较高的可靠性和容错能力。设计中采用了最优节点的匹 配算法，可以保证当出现不合语法规则的标签时，解析过程能够顺利进行，而 且能够把节点以最佳匹配的形式添加到解析树中。 提供了浏览器的配置接口，可以对所支持的浏览对象、所请求的协议栈、 c o o k i e 、事件的处理模式进行配置。 1 6 论文章节安排 第一章对本课题研究的背景和意义、嵌入式w a p 浏览器的发展、现状及当前 w a p 浏览器所面临的主要问题进行了阐述，为后续内容做好铺垫。 第二章介绍了嵌入式l i n u x 操作系统的一些基本概念。然后讨论了l i n u x 在嵌入式系统中的发展及其程序开发的特点。 第三章描述的w a p e r 所涉及到的一些关键技术。并对现有的一些嵌入式浏览 器进行了对比分析，为w a p e r 的设计做好了准备。 第四章描述了w a p e r 的需求设计。主要论述了设计目标、功能需求、操作模 式和接口需求。 电子科技大学硕士学位论文 第五章首先给出了w a p e r 的体系结构，并围绕体系结构进行了一定的扩展。 然后描述了其功能和组成部分及一些具体的组件设计。 第六章阐述了w a p e r 具体实现技术之一的解析树技术，并给出了具体的实现 细节和数据结构。 第七章阐述了w a p e r 具体实现技术之一的显示控制技术。首先描述了 m i n i g u i 的消息实现过程，着重介绍了显示模块的数据结构及具体的排版布局算 法。 第八章阐述了w a p e r 的测试条件及测试技术，以及一些具体的测试实现过 程。 第九章总结了全文的工作，并指出今后对浏览器的扩展重点及扩展方向。 6 第二章嵌入式l i n u x 开发平台 第二章嵌入式l 1 n u x 开发平台 2 1 嵌入式l i n i j x 概述 计算机最大的市场是嵌入式设备。基本上，含有计算机但是外表并不象计算 机的一切设备都可算嵌入式，包括网络设备( 如路由器) ，工控设备( 如数控机床) ， 汽车，信息家电，移动计算设备等各种设备。 嵌入式领域与p c 领域有很大的不同，嵌入式系统都是针对具体应用的专用系 统，其软硬件需要面向应用来设计，并且由于嵌入市系统领域极其广泛，不同领 域所采用的技术各不相同，所以长期以来，嵌入式领域一直没有形成p c 和s e r v e r 领域的标准化和垄断性，i n t e l 、m i c r o s o f t 都不是霸主，仅常用的c p u 就有 数十种之多，常见的有a n n 、m i p s 、p o w e r p c 等系列芯片，嵌入式操作系统也有 数十种，v x w o r k s 、q n x 、s y m b i a n 、p s o s 、l i n u x 、w i n c e 等等。归结起来， 嵌入式设各有如下特点： 成本敏感，资源有限多数嵌入式系统具有成本敏感性，它的硬件和软件都必须 高效率地设计，量体裁衣、去除冗余。好的嵌入式系统是完成目标功能的最小 系统，这样的产品才更具有竞争力。所以，多数嵌入式系统中的硬件资源是很 有限的，如处理器速度较低，存储器空间较少等。这些都对嵌入式软件系统 提出了更高的要求。 多种硬件平台嵌入式处理器众多，常用的也有数十种，各自具有一定的优缺点 和适用范围。这要求嵌入式操作系统支持多种的处理器。 低功耗，对于使用电池的移动计算设备来说，需要具备低功耗的特点。 安全性和可靠性高。很多嵌入式应用，如工业控制，航天和网络设备都要求具 有高安全性和高可靠性。有的要求在恶劣环境中，系统仍然能够正常工作。 部分要求实时。许多嵌入式应用要求具有实时处理能力。如航天，工控等。多 数嵌入式设备软件固化存储在r o m 或f l a s h 中，较少使用磁盘。以提高其可靠 性并减小体积。 以上都对嵌入式o s 提出了独特的要求，与众多的嵌入式操作系统相比， l i n u x 具有独特的优点，在嵌入式领域已占据重要的地位。它的优势主要表现在： 电子科技大学硕士学位论文 由于嵌入式设备硬件平台的多样性，c p u 芯片的快速更新，嵌入式操作系统 要求支持常用的嵌入式c p u ，如x 8 6 ，a r m ，m i p s ，p o w e r p c 等，并具有良 好的可移植性。另外还需要支持种类繁多的外部设备。l i n u x 支持以上几乎所 有的主流芯片，并且还在不断的被移植到新的芯片上。 由于多数嵌入式系统具有成本敏感性，处理器速度较低，存储器空间较少， 这要求嵌入式0 s 体积小，速度快。l i n u x 体系结构比较灵活，易于裁减，可 以小到2 mf l a s h 、4 mr a m 。 由于不同的嵌入式应用对系统要求各不相同，这要求嵌入式o s 具备高可定制 性，能够根据需要方便的增加和减少各项功能模块。这一点对于嵌入式领域至 关重要，而l i n u x 由于图形系统不在内核中，且支持模块机制，内核可根据需 要加入或去掉功能。其外围工具拥有众多选择，更由于可以自由修改源代码， 具有极强的可定制性。 具有实时处理能力实时应用分为硬实时和软实时两大类，嵌入式o s 需要明确 是否支持实时和支持哪一类实时应用，需要提供最坏情况响应时间为多长。 l i n u x 虽然最初设计时都没有考虑实时应用，但众多的实时l i n u x 项目已使 l i n u x 具备了硬实时和软实时处理能力，硬实对有r t - l i n u x 和r t a i ，而2 6 中加入了可抢占核心，使得l i n u x 具备了软实时处理能力，此外还有t i m s y s 和m o n t a v i s t a 等实时l i n u x 实现。l i n u x 自由开发模式的优点得到了充分的 体现。r t - l i n u x 已经在美国航天部门，印度军方等得到了广泛应用。还有 m o n t a v i s t a , t i m s y s 的实时l i n u x 都有很多成功案例。 越来越多的嵌入式设备需要具备网络功能。这要求嵌入式o s 支持常用的网络 协议和可靠的网络功能【4 1 。l i n u x 的网络功能经过几次改进，其效率，功能都很 突出。且具有众多的网络工具，支持几乎所有常见的网络协议。这些使得l i n u x 在网络设备中倍受青睐，很多防火墙，低端路由器等中使用的都是l i n u x 。 嵌入式设备往往对安全性和可靠性要求很高，这要求作为基础软件的嵌入式 o s 具有高安全性和高可靠性。如骨干网的路由器，交换机等。l i n u x 的可靠性是 经过实践检验的，并进一步向高端发展，冲击v x w o r k s ，u n i x 的市场。安全性方 面l i n u x 病毒极少，并拥有众多安全增强版本，有的安全增强l i n u x 达到了b 1 级别( 红旗r f s o s 通过了国家g b l 7 8 5 9 第三级，等同于t c s e cb 1 级) 。 面向用户的嵌入式终端设备如p d a 等，都要求嵌入式o s 具有功能完善，控 件丰富的嵌入式g u i ，并支持功能强大的嵌入式浏览器。 实现嵌入式日志文件系统，具备断电保护能力。 第二章嵌入式l i n u x 开发平台 能够快速启动，而且由于l i n u x 有源代码，在硬件固定的情况下可以加速启 动。 通过以上分析，可以很清楚地看到，在嵌入式领域l i n u x 必将成为一朵奇葩， 将会得到大量的应用。嵌入式给了l i n u x 一个自由广阔的天地，充分体现出了 o p e ns o u r c e 的巨大优势，我们有理由相信：未来是o p e n 的世界1 2 2 系统软件平台 嵌入式系统是以应用为中一0 ，以计算机为基础，软硬件可裁剪，适用于系统 对功能、可靠性、成本、功耗严格要求的专用计算机系统。实时性是嵌入式系统 的基本要求，其次，还要求代码小，速度快，可靠性高。嵌入式l i n u x 是指对 l i n u x 经过裁剪小型化后，可固化在存储器或单片机中，应用于特定嵌入式场合 的专用l i n u x 操作系统。嵌入式l 1 n u x 的开发和研究已经成为目前操作系统领 域的一个热点。l i n u x 的特点如下： 第一，l i n u x 系统是层次结构且内核完全开放。l i n u x 是由很多体积小且性 能高的微内核系统组成。在内核代码完全开放的前提下，不同领域和不同层次的 用户可以根据自己的应用需要方便地对内核进行改造，低成本地设计和开发出满 足自己需要的嵌入式系统。 第二，强大的网络支持功能。l i n u x 诞生于因特网时代并具有u n i x 的特性， 保证了它支持所有标准因特网协议，并且可以利用l i n u x 的网络协议栈将其开发 成为嵌入式的t c p i p 网络协议栈。此外，l i n u x 还支持e x t 2 、f a t l 6 、f a t 3 2 、r o m f s 等文件系统，为开发嵌入式系统应用打下了很好的基础。 第三，l i n u x 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。l i n u x 也符合i e e e p o s i x 1 标准，使应用程序具有较好的可移植性。传统的嵌入式开发的程序调试和 调试工具是用在线仿真器( i c e ) 实现的。它通过取代目标板的微处理器，给目标 程序提供一个完整的仿真环境，完成监视和调试程序；但一般价格比较昂贵，只 适合做非常底层的调试。使用嵌入式l i n u x ，一旦软硬件能够支持正常的串口功 能，即使不用仿真器，也可以很好地进行开发和调试工作，从而节省一笔不小的 开发费用。嵌入式l i n u x 为开发者提供了一套完整的工具链( t o o lc h a i n ) 。它利用 g n u 的g c c 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。 9 电子科技大学硕士学位论文 第四，l i n u x 具有广泛的硬件支持特性。无论是k i s c 还是c i s c 、3 2 位还是 6 4 位等各种处理器，l i n u x 都能运行。l i n u x 通常使用的微处理器是i n t e lx 8 6 芯片家族，但它同样能运行于m o t o r o l a 公司的6 8 k 系列c p u 和i b m 、a p p l e 、 m o t o r o l a 公司的p o w e r p cc p u 以及i n t e l 公司的s t r o n g a r mc p u 等处理器。l i n u x 支持各种主流硬件设备和最新硬件技术，甚至可以在没有存储管理单元( m m u ) 的处理器上运行。这意味着嵌入式l i n u x 将具有更广泛的应用前景。 操作系统是一种在计算机上运行的软件。它的主要任务是管理计算机上的系 统资源，为用户提供使用计算机及其外部设备的接口p j 。它存在的目的是为了管理 所有硬件资源，并且提供应用软件一个合适的操作环境。嵌入式系统由于硬件的 限制，通常只具有极稀少的硬件资源，如主频较低的c p u 、较小的内存、小容量 的固态电子盘芯片d o c ( d i s ko nc h i p ) 或d o m ( d i s ko nm o d u l e ) 替代磁盘等。 在使用电池的系统中，它还要实现低功耗，延长电池使用时间的功能。 2 3 系统硬件平台 在选择硬件时，硬件开发成本常是我们很关心的。当考虑硬件成本时，须要 考虑产品的整个成本而不仅是c p u 的成本。因为合适的c p u ，一旦加上总线逻辑 和延时电路使之与外设一起工作，硬件系统就可能变得非常昂贵。 要寻找嵌入式软件系统，那么，应首先确定硬件平台，即确定微处理器c p u 的型号。现在比较流行的硬件平台有i n t c l 公司的s t r o n g a r m 系列，m o t o r o l a 公 司的d r a g o n b a l l 系列，n e c 公司的v r 系列，h i t a c h i 公司的s h 3 、s h 4 系列等等。 选定硬件平台前，首先要确定系统的应用功能和所需要的速度，并制定好外接设 备和接口标准。这样才能准确地定位所需要的硬件方案，得到性价比最高的系统。 在本论文所述的面向p d a 手机的嵌入式软件开发平台项目中，其硬件平 台的建立，为了方便嵌入式l i n u x 的裁减，选择了x 8 6 的系统。其硬件选型如下： 硬件平台是基于x 8 6 的系统构架。主机板采用盛博的p e l 0 4 ，c p u 为c y m 的 6 x 8 6 芯片。v g a 控制器为i n t e lc t 6 9 0 0 0 ，显示器采用s h a r p 的l c d 模块。 2 4 嵌入式l i n i j x 开发模式 嵌入式系统通常为一个资源受限的系统。通常，直接在嵌入式系统的硬件平 台上编写软件比较困难，一般采用的办法是，先在通用计算机上编写程序，然后 j 0 第二章嵌入式l i n u x 开发平台 通过交叉编译，生成目标平台上可运行的二进制代码格式，最后下载到目标平台 上的特定位置上运行同，具体步骤如下： 第一步，建立嵌入式l i n u x 交叉开发环境。目前，常用的交叉开发环境主要 有开放和商业两种类型。开放的交叉开发环境的典型代表是g n u 工具链，目前已 经能够支持x 8 6 、a r m 、m 口s 、p o w e r p c 等多种处理器。商业的交叉开发环境主 要有m e t r o w e r k sc o d e w a r r i o r 、a r ms o f t w a r ed e v e l o p m e n tt o o l k i t 、s d sc r o s s c o m p i l e r 、w i n d r i v e rt o r n a d o 、m i c r o s o f te m b e d d e dv i s u a lc + + 等。交叉开发环境是 指编译、链接和调试嵌入式应用软件的环境。它与运行嵌入式应用软件的环境有 所不同，通常采用宿主机目标机模式。w a p e r 的交叉开发环境为g n u 工具链。 第二步，交叉编译和链接。在完成嵌入式软件的编码之后，就是进行编译和 链接，以生成可执行代码。由于开发过程大多是在i n t e l 公司x 8 6 系列c p u 的通 用计算机上进行的，而目标环境的处理器芯片却大多为a r m 、m p s 、p o w e r p c 、 d r a g o n b a l l 等系列的微处理器，这就要求在建立好的交叉开发环境中进行交叉编译 和链接。例如，在基于a r m 体系结构的g c c 交叉开发环境中，a r n l 1 i n u x g c e 是交 叉编译器，a r l r l 1 i n u x l d 是交叉链接器。通常情况下，并不是每一种体系结构的嵌 入式微处理器都只对应于一种交叉编译器和交叉链接器。如对于m 6 8 k 体系结构 的g c c 交叉开发环境而言，就对应于多种不同的编译器和链接器。如果使用的是 c o f f 格式的可执行文件，那么在编译l i n u x 内核时，需要使用m 6 8 k c o f f - g c c 和m 6 8 k c o f f - l d ，而在编译应用程序时则需要使用m 6 8 k c o f f - p i c g c c 和 m 6 8 k - c o f f - p i c 1 d 。编写好的嵌入式软件经过交叉编译和交叉链接后，通常会生成两 种类型的可执行文件：用于调试的可执行文件和用于固化的可执行文件。由于 w a p e r 开发的目标板为x 8 6 的架构，所以可直接编译生成可执行代码。 第三步，交叉调试。 硬件调试。如果不采用在线仿真器，可以让c p u 直接在其内部实现调试 功能，并通过在开发板上引出的调试端口，发送调试命令和接收调试信息，完成 调试过程。目前，m o t o r o l a 公司提供的开发板上使用的是d b m 调试端口，而a r m 公司提供的开发板上使用的则是j t a g 调试