（通信与信息系统专业论文）基于pxa255无线传感器网络中心站的研究.pdf

abs t rac t ab s t r a c t wi r e l e s s s e n s o r n e t w o r k ( ws n ) i s t h e n e w g e n e r a t i o n o f s e n s o r n e t w o r k , a n d i t i l l u s t r a t e s a g o o d p r o s p e c t o f a p p l i c a t i o n a n d e x t e n s i o n . i t s d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n p r o d u c e d f a r - r e a c h i n g e ff e c t s i n h u m a n p r o d u c t i o n a n d l i v i n g . f o r a ws n , t h e c o n c o u r s e n o d e p l a y s a n i m p o r t a n t r o l e i n a ws n , i t c o n t r o l s t h e fl o w a n d t h e p r o c e s s i o n o f d a t a i n t h e n e t w o r k . t h e d e v e l o p m e n t o f t h e c o n c o u r s e n o d e i s v e ry i m p o r t a n t f o r d e v e l o p i n g e ff e c t i v e w s n b a s e d o n t h e x s b a s e 2 5 5 e mb e d d e d s y s t e m , t h i s p a p e r d e v e l o p s t h e c o n c o u r s e n o d e ( c a l l e d c e n t r a l s t a t i o n i n t h i s p a p e r ) f o r t h e m u t i - d i m e n s i o n , m u t i - p a r a m e t e r o p t i c a l f i b e r w i r l e s s s e n s o r n e t w o r k , s t u d i e s a n d r e a l i z e s t h e m a i n f u n c t i o n s o f t h e c e n t r a l s t a t i o n . d i r e c t l y a t t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e w s n , t h i s p a p e r p u t s f o r w a r d t h e d e s i g n o f t h e c e n t r a l s t a t i o n f u n c t i o n s ; b a s e d o n t h e x s b a s e 2 5 5 e m b e d e d s y s t e m , t h i s p a p e r p o rt s t h e l i n u x s y s t e m a s t o t h e f u n c t i o n s o f c e n t r a l s t a t i o n ; s t u d y i n g t h e o p e r a t i o n o f s e r i a l p o r t u n d e r l i n u x , t h i s p a p e r r e a l i z e s t h e c e n t r a l s t a t i o n c o n t r o l f u n c t i o n o f n o d e s i n t h e n e t w o r k b y d e v e l o p i n g t h e c o m mu n i c a t i o n b e t w e e n t h e e m b e d e d s y s t e m a n d t h e w i t l e s s m o d u l e ; s t u d y i n g t h e p r i n c i p l e s o f t h e s o c k e t , t h i s p a p e r r e a l i z e s t h e u p l o a d f u n c t i o n o f t h e c e n t r al s t a t i o n 勿i n t e rn e t ; m e a n w h i l e , b a s e d o n t h e i d e i n t e r f a c e o n t h e xs b a s e 2 5 5 b o a r d , t h i s p a p e r r e a l i z e s t h e n o d e d a t a b a c k u p f u n c t i o n o f t h e c e n t r al s t a t i o n . o n t h e b as i s o f t h e a b o v e a p p l i c a t i o n s , t h i s p a p e r a l s o d e v e l o p e s t h e p r o c e s s f u n c t i o n o f t h e n o d e d a t a , s o t h e c e n t r al s t a t i o n i s a b l e t o al a r m t h e s u p e r i o r s t a t i o n w h e n t h e n e t w o r k i s i n a b n o r m al c o n d i t i o n . k e y w o r d s : e m b e d e d l i n u x x s b a s e 2 5 5 s e r i al p o r t s o c k e t i d e 1 1 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收 集、 保存、 使用学位论文的规定， 同意如下各项内 容:按照学校要求提交学位论文的印 刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、 扫描、 数字化 或其它手段保存论文; 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满足对象要求的最小软、 硬件配置 等。与 “ 计算机系统” 的相关特点: 嵌入 式系统必须是能满足对象系 统控制要 求的计算机系统。 与上两个特点相呼 应， 这样的计算机必须配置 有与对象系统 相适应的接口电 路川 : ( 1 ) 嵌入式系统是一 个技术密集、资 金密集、高 度分散、 不断 创新的 知识 集成系 统。它集成了先进的计算机技术、半导体技术、电 子技术以 及各个行业 的具体应用。 ( 2 ) 嵌入式系统通常是面向 特定 应用的。 嵌入式c p u大多都工作 在为 特定 用户设计的系统中， 它通常具有功耗低、体积小、 集成 度高 等特点， 许多 通用 c p u系 统中由 板卡完成的任务 集成在芯片内部，这使得嵌入 式系 统在设计趋于 小 型化的同时， 移动能力 大大增强， 跟网 络的结合也越来越紧密。 ( 3 ) 嵌入式系统的 硬件配置是根 据系统的性能指标选择的， 其软硬件的结 合 十分紧密。由于其应用 领域的 特殊要 求， 嵌入式系统软硬件体系结 构的内 部， 各层次、 模块的 藕合度比 通用 计算机 要强; 相比之下， 通用计算机出于可扩展 等 要求更强调系统的层次 化、 模块化和 标准化。 ( 4 )由 于资源有限，嵌 入式系统的 硬件和软件都必 须高效的设计。 无论 是 相对简单的单片机系统， 还是具有操作系统的复杂系统， 都必须量体裁衣、 去 除冗余， 力争在同样的 硅片面 积上实现更高的 性能。 ( 5 ) 嵌入式系 统一般都 具有较高的实时 性要 求。为了 提高执行速 度和系 统 的 可靠性，嵌入式系统中的 软件一般都固 化在处理器或 存储器芯片中，而不是 存储于磁 盘等载体中。 2 . 2嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系 统的核心，是 控制、辅助系统运行的硬件单元， 目 前全世界嵌入式处理器的品 种总量己 经超过 1 0 0 0多 种. 流行体系结构包括 m c u , m p u 等3 0 几 个系列， 速度越来越快， 性能越来越强， 价格也越来越低。 根 第一章 引 言 据 其 现 状 ， 嵌 入 式 处 理 器 可 分 成 下 面 几 类 s ( 1 ) 嵌 入式 微 处 理 器 ( e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o r u n it, 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， 但在工作温度、 抗电 磁干扰、可靠性等方面 一 般都做了各种增强。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， 但是在电 路板 上必须包括r o m, r a m、 总 线 接口、 各种外设等器件，从而降 低了系统的可 靠性， 技术保密性也较差。目 前 嵌 入式微处理器主要有a m l 8 6 / 8 8 , 3 8 6 e x , s c - 4 0 0 , p o w e r p c , 6 8 0 0 0 , m i p s , a r m 系列等。 ( 2 ) 嵌入式微 控制器( m i c r o c o n t r o l l e r u n i t , m c u ) : 嵌入式微控制器一般以 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 计数器、 w a t c h d o g , 1 / 0 、串 行口 、 脉 宽调制输出、 a / d , d / a , f l a s h , r 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，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微 控制器的片上外设资源一般比 较丰富， 适合于控制。微控制 器是目 前嵌入式系 统工业的主流， 其品 种和数量 最多，比 较有代表 性的 通用系列有 8 0 5 1 , p 5 1 x a , m c s - 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 等。目 前m c u 占嵌 入 式系统约 7 0 % 的市场份额。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处 理器 ( e m b e d d e d d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ) : d s p 处理 器 对系统结构和指令 进行了 特殊设 计， 使其适合于 执行d s p 算法， 编译效率 较高， 指令执行速度也较高. 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 的 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。 ( 4 ) 嵌入式片 上系统 ( s y s t e m o n c h i p ) : 随着e d a的 推广、 v l s i 设计的 普 及化 及半导体工艺的迅速发 展， 在一个硅片上实 现一个更为复杂的 系统的时 代已来 临这就是s y s t e m o n c h i p ( s o c ) 。各种 通用处理 器内 核将作为s o c 设计 公司的标准库， 和许多其它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，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别 第一章 引 言 无法集成的 器件以 外，整 个嵌入 式系统大 部分 均可集成到一块或几块芯片中去， 应用系统电路 板将变得很简洁，对于减小 体积和 功耗、 提高 可靠性非常有利。 本系统采用嵌入式微处理器作为核心 c p u ，并且考虑到系统低功耗，对网 络要求较高的 特点， 采用i n t e l 公司 推出 的p x a 2 5 5 微处理器。 1 . 2 . 3 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的 基础和开发平台， 用户的其它应用程 序都建 立在操作系统之上。 但嵌入式操作系 统并不是简单嵌入的操作系统， 它 与 通常意 义的 操作系统有所区别。嵌入式 操作系统负责嵌入式系统的全部软、 硬件资源的分 配和调度工作。 它必须体现 所在系 统的特征，能够通过装卸某些 模 块来 达 到 系 统 所 要 的 功 能 61 。 主 要 分 为 以 下 几 种: ( i ) 传 统 实 时 嵌 入 式 操 作 系 统。 主 要 包 括 : v x w o r k s , p s o s , n u c le u s , w in c e 等 。 这 几 个r t o s 都 已 经 拥 有大 量 的 用 户 群; v x w o r k s 和p s o s 的 用 户 主 要 集 中 在军工、 工业控制及电 信领域， n u c l e u s 和w i n c e 在消费 类产品中应 用较为 广泛。 其 中 ， v x w o rk s 是目 前 嵌 入 式 系 统 领 域中 使 用 最 广 泛 ， 市 场 占 有 率 最 高 的 系 统 。 它支持多 种处理器， 如x 8 6 , i 9 6 0 , s u n s p a r e , m o t o r o l a m c 6 8 x x x , m i p s , p o we r p c等。 使用的是 和u n i x不兼容的环境， 大多 数的v x w o r k s a p i 是专有的， 采 用g n u的 编译和调 试器。 应该说v x w o r k s 是 业界提供的最好的嵌入式 系统开 发 环境， 对于要求强实时的嵌入式系统是最好的 选择。 但是它的价格昂 贵， 而且 不同 的产品 和c p u类型都要收费 。 ( 2 ) 新 型 实 时 嵌 入 式 操 作 系 统。 主 要 包 括u c /o s - i ll , t h r e a d x 等 操 作 系 统。 u c / o s - i i 和 t h r e a d x操作 系统是 近几 年出 现的 实时嵌入式操作系统。 它们的出 现， 填补了r t o s 操作系 统市场的中、 低端 市场， 给广大嵌入式产品开 发者提 供 了 性价比 较高的 选择。 u c / o s - i i 可以 支持1 6 位 和3 2 位c p u ， 它最大的特点 是 内 核非常小。虽然它的任务管理和调度部分比 较简单， 但仍然在工业 控制等 领 域中 得到了 一些应用。另外，因为 其代码 简单易懂，因此也非 常适合嵌入式 操 作系统的教学。 t h r e a d x操作系统类似传统的r t o s ， 适合在需 要实时 处理的 嵌 入式产品中 使用。另外， t h r e a d x上还有面向v x w o r k s 和p s o s 的兼容软 件包， 从 而 可以 方 便 地 移 植v x w o r k s 和p s o s 应 用 软 件 。 ( 3 )开放源码的嵌入式操作系统。典型代表有 l i n u x / u c l i n u x . e c o s 。因为 第一章 引 言 传统实时 嵌入 式操作系统价格比 较昂贵，因 此， 许多用户开始使 用免费授权的 l i n u x l u c l i n u x 等操作系统开发自 己的 嵌入式 产品。 其中 最为突出的 代表是l in u x 操作系统。 但是，因为 l i n u x 操作系统从本质上属于通用操作系统， 缺少强实时 支持，因此， 嵌入式 l i n u x在某些不需要强实时性的嵌入式产品中更加适用， 典 型的产品有智能手机 ( 这类产品中的实时性主要通过专用硬件芯片保证) 、查询 终端等。这类产品的功能比较丰富，采用具有通用操作系统特征的操作系统能 简化软 件开发过程。u c l i n u x 是l i n u x 的 一个变种，主要运行在没 有内 存管理单 元 ( m m u ) 的c p u架构上。因为 没有内 存 管理单元， u c l i n u x无 法实 现现代操作 系统能够提供的进程地址空间保护等高级特性，但它最大程度地保留了 l i n u x 的系 统调用功能，而且资源消耗 低， 因 此在一些中、低端的3 2 位嵌入式产品 中 得到了应用，本文选用了开发源代码的l i n u x 操作系统，进行系统的软件设计. 第三节 本文研究工作与章节安排 3 . 1中心站系统功能设计 本文 基于x s b a s e 2 5 5 嵌入 式硬件 平台 ( c p u采用p x a 2 5 5 处理 器) ， 提出 多维多参量光纤光栅无线传感器网络中汇聚节点 ( 在本文中统称中心站)的 软 件解决方 案。 主要研究 基于 该平台l i n u x 操作系统的 构建， 以及中 心站无线收发 模块， i d e 接口 模块 和以太网 接口 模 块的 驱动和应 用程序设 计， 为 无线传感网 络 提供有效、 可靠的数据通信和备 份功能。中 心站整体结构功能 框图如图1 . 2 0 无线收发模块 c5 1 rf - 3 0 0 0 中心站 xs bas e2 5 5 工作 站数 据库 s q l s e r v e r i d e硬盘 本地存储 图 1 2 中心站整体结构功能框图 在本系统中，利用 x s b a s e 2 5 5硬件平台提供的串口和无线收发模块 第一章 引 言 c 5 1 r f - 3 0 0 0 相连， 对各个 传感器节点进行控制 和数据通信; 利用平台 的i d e 接 口 连接i d e 硬盘， 以 便进行 大量数据的本地保 存备份; 利用网 络接口 通过i n t e rn e t 进行数据到工作站数据库的上传。 3 . 2本文章节安排 第一章，详细叙述课题的 提出的背景，意义和本文 研究内容， 并简单 介绍 嵌入式系统特点以及嵌入式系统处理器和操作系统的选择。 第二章， 详细描述了所使用的处理器和硬件平台， 以及嵌入式 l i n u x的体系 结构 和一 般开 发流程，为后 面具体的系统研发 提供理论基础。 第三章，叙述基于 x s b a s e 2 5 5硬件平台，针对中心站系统的嵌入式 l i n u x 构建， 包括 b o o t l o a d e r 下 载，内 核定制和根文件系 统制作， 并 介绍中心站应用 程 序流程。 第四章， 基于嵌入式l i n u x 下串口的 操作， 介绍了x s b a s e 2 5 5 硬件平台 和 无线收发 模块之间的串口 应 用程序设计。 第五章， 介 绍了x s b a s e 2 5 5 平台 提供的网 络接口 和l i n u x 网络套接字的编 程，并 对中心 站的 数据上传 功能给出 相应代码分析。 第六章， 详细讨论了 在l i n u x 下对i d e硬盘的操 作， 基于x s b a s e 2 5 5 平 台提供的i d e 接口 ， 介绍中心站的 数据备 份功能的实 现。 第七章， 对己 经完成的工 作做出 总结， 并且对系 统今后的改 进提出方向。 第二章 系统硬件平台及l i n u x 集成开发环境 工 具 链 、 相 关的 函 数 库 和 文 件 系 统 (16 。 商 业l in u x公 司 提 供各 种 成 熟 的 嵌 入 式 l i n u x 发行版。 一个发行版通常包括: 用于嵌入式l i n u x 系 统开 发的 开发工具集 和 各种适用该嵌入式系统的 应用程序。 与一般实时 嵌入式 操作系 统的运行模式 不同， 嵌入式l i n u x 中的 用户应用程序是 作为 独立于内 核的单独 进程 来运行的。 因 此， 从 应用开发的角度来看， 嵌入式l i n u x 开发的方式更接近普 通的 桌面应用 开发， 而不 是典型的嵌入式系统 应用开 发。 开发者可以 在桌面l i n u x 操作系 统上 开发、编 译和运行我们的应用程序，在基本 确保正确无误之后就可以 交叉编译 后下载到 设备上的嵌入式l i n u x 系统中 运行。 所以，整 个开发 流程非常方便。 基于 传统r t o s 的嵌入式 系统一般由 操作系统内 核、 中间 件模块和 应用软 件 等部分构 成， 这些程序都是结合在一 起作为一个单一的系统映 像 ( i m a g e ) 烧写 到系 统的 存储介 质如f l a s h 之上的; 某些嵌 入式 系统 还包括了 文件系统 支持， 这 时系统 所使用的图片 和数 据等资 源文 件一般存放在文件 系统中。 这种 基于传 统 r t o s 的嵌 入式系统内 核与应用 之间关 系非常紧密， 整个系统的 更新和升级非常 困难， 通常需 要更换整个系 统。 相比 之 下， 基于嵌入式l i n u x 的系 统在系统构成 上与传 统 r t o s 有较大的 差别，嵌入式l i n u x 和桌面 l i n u x系统 类似， 嵌入式 l i n u x 系 统通常由 内核、 函 数库、工具 程序和应用程序组成， 而函数库、 工具程 序、配置 文件和应用 程序等通常存放在根 文件系统之中. 下面具体介绍一下嵌 入 式l i n u x 体系结构的 各个部分 t l i l a l . ( 1 )内核 需要 注意的是， 并没有官方( 由。k e rn e l . o r g 发布) 的 所谓“ 嵌入式l i n u x 内核” 。一 般情况下可以 使用官方发布的 某个主流内核版本为 基础来构建自己 的 嵌入式 l i n u x系统。 有些情况下开发 者可能需 要使用某 个由 第三方修改和发布的内核，这种内 核通常是 针对某款硬件平台 而定制， 或者 是为了 支持某 种特殊的 应用类型。不 同 的嵌入式发 行版所提供的内核通常提供了主流内核中所没有的优化和针对内 核调试 工具的补丁。 总的 来说， 嵌入式l i n u x 系统中 所使用的内核和 桌面及服务 器系统中 所使用的内 核的主 要区别 在于它的 配置 选项。 作为一 个操作系 统内 核而言， l in u x 并不 是一个可抢占 式的内核， 它基于 优 先 级和时间片 轮转的 调度方法; 也就是说， 普 通的l i n u x 内 核并不是一个实时操 作系 统。 l i n u x 内 核由 几个重要的部分 组成: 进程管理、 内存 管理、 硬件设备驱 动程 序、 文件系 统驱 动程序、 网络管理以 及各种其它部分 ( 如图2 . 3 ) 0 第二章 系统硬件平台及 l i n u x集成开发环境 内核中最重要的部分是内存管理以及进程管理。进程管理用于创建进程， 以及实现任务切换和多任务管理的功能。内存管理用来给进程分配内存区域以 及高速缓冲分配和管理。 在最底层，内 核包含各 种硬件的设备驱动程序， 而硬 件设备驱 动程序的 数量是庞大的。 内 核采用虚 拟文件系统 ( v f s ) 层将 其文 件系 统操作从其实现中抽象出来，每一种文件系统类型提供了各 自 文件系统操作的 实现。 系 统 调 用 文件系统网络协议其他模块 内存管理进程管理驱动程序 硬件控制 图2 . 3 l i n u x内核结构 和传统r t o s 类 似， l i n u x 内 核提供了 操作系统的 各种系统功能服务， 称为 系统调用。用户可以 通过系统调用在 自己的应用程序中调用系统提供的功能。 从应用程序的角度来看， 系统调用和 普通的函数 调用非常相 似。区 别仅仅在于， 系统调用由 操作系统核心提 供， 运行于核心态; 而普通的函数调 用由 应用函 数 库或应用程序提供， 运 行于 用户态。 随l i n u x 核心还 提供了 一些c语言函数库， 这些库对系统 调用进行了 一些 包装和 扩展，因为这些库函数与系 统调用的关系非常紧密，所以习惯上把这些 函数 也称为系统调用。实际上， 很多我们习以为常 的 c语言标 准函 数在 l i n u x 平台上的实现都是靠系统调用完成的。 在l i n u x 中， 进 程是不能直接 访问内 核的。 它不 能访问内核的内 存地址 空间 ， 也不能调用内 核函数。系统调用是这些规则的 一个例外。所有进程同 内核打交 道的根本方式是系统调用。 当一个进程需要内 核提供某项服务时 ( 像打开一个 文件， 生成一个新进程，或要 求更多的内 存) ， 就会 发生系统调用。 我们可以 看 到， 和传统r t o s 的应用 程序直接调用内核服务， 运行在内 核空间 不同， l i n u x 中应用程序是运行在用户空间的一个独立进程中 的。 这是应用模式上的最大 区 别。 ( 2 ) 根文件系统 第二章 系统硬件平台及 l i n u x 集成开发环境 内 核启动 之后的 运行需要根文件系统( r o o t f i l e s y s t e m) 的支持. 文 件以 及文 件系统的概念是 u n i x 类操作系统的核心概念之一，内核的许多服务和设施都 是以文件接口的方式来提供，例如对设备的访问就是通过操作设备文件的方式 来进行的。 此外，内 核需要 从文件系统装载和运 行内 核模块以及应用程序，而 运行每一个进程时，内核需要赋予其一个当前工作 目 录的属性。内核启动之后 的首要工作之一就是从根文件系统中装载和运行 i n i t 程序， 该程序是第一个运行 的应用 程序。 “ 内 核十 库+ 应用 程序” 是 l i n u x系统运 作的基本方式，这个方式严重 依赖 于文件系统， 库和应 用程序 都需要存放在一个文 件系统当中，核心的系统 库和 系统程序一般 存放在根文件系统当中。 根文件系 统可以 存放在一个真实的 硬件 存储设 备上， 也可以 存放在r a m里面 进行操 作， 甚至可以通过网络文件系 统来 访问。 ( 3 ) 库和应用程序 除了内 核之外， 构成嵌入式 l i n u x系 统的 主要组成部分就是库和应用 程序 了。同基于传统 r t o s 的应用开发和运行模式不同，l i n u x 操作系统提供的内核 服务 通常是不 能由 应用程序 直接访问的。 应用 程序依赖于库来提供系统调用a p i 和应用a p i . l i n u x 系统的核心库是g n u c库 g l i b c ， 该库封装了l i n u x内 核 的 系统调用，应用程序通过该库提供的 接口 来访问内 核提供的功能和服务。在 嵌入式l i n u x 特别是u c l i n u x 系统中也可以 选择 使用 g l i b c 的 替代品， 如u c l i b c 等， 可以 提高效 率和减小库和程序的体积。 除了c 库之外， l i n u x 系 统中 通常还 包括其它的应用级函数库，这可以根据应用需求来选择。 嵌入式l i n u x 运行系统中提供的库均为 动态库， 应用程序在运行时 与其所使 用的 库动态链接， 动态库由内核 装载和运 行。 也就是说， 这些库并不是应用程 序二 进制代码的 一部分， 而是在应用程序启 动时由内 核装载到应用程序的 地址 空间的。 动态装载 机制使 得使用某个库的多 个应用程序可以同时使用该库的同 一个 代码实例， 从 而节省了 运行时r a m空间 和代码文 件的 存储空间， 而且 便于 系统的 升级。 动态装载是l i n u x 优于传统r t o s 的 地方， 一般的r t o s 都不 提供 动态装载的功能。 2 . 2 . 2 嵌入式系统软件的开发流程 第二章 系统硬件平台及l i n u x 集成开发环境 基于嵌入式 l i n u x的嵌入式产品的开发流程和传统嵌入式系统的开发流程 是 类似的， 概念上有许多 共同之处。 不过由于l i n u x 内 核与 传统r t o s 的差别， 以 及l i n u x 作为开 源软件的 特点， 基于嵌入式l i n u x 的 开发在开发工 具及开 发环 境的搭建、资源的获取和运行调试方面都有自己独特的地方。 嵌 入 式l in u x 开 发 一 般 包 括 如 下 的 步 骤 1191 . ( 1 ) 安装和设置开 发工具，建 立交叉编译 环境 建 立开发 环境， 操作系 统一般 使用r e d h a t l inu x ， 版本7 到9 都可以， 选择定制安装或全部安装;安装 交叉编译工具链， 交叉编译指运行在某台 功能 足够强大的宿主机 ( h o s t )上，可用来编译某个源程序，然后生成针对特定目标 平台 ( t a r g e t )的 代码。以 常用的a r m 的开发 工具 链为例，交叉编 译器及 二进 制工具会被安装到/ u s r / l o c a l / a r m - l i n u x / b i n 目录下，头文件会被安装到 / u s r / i o c a u a r m - l i n u x / a r m - l i n u x / in c l u d e /目录 下 ， 而 函 数 库 会 被 安 装 到 / u s r / l o c a l / a r m - l i n u x / a r m - l i n u x / l i b / 目 录 下。 建立宿主机 和目 标板的连接， 基于串口 和网 络连接的 方式是 最常 用的 方式， 宿主系统通常 通过串口 线连 接到目 标系 统， 宿主机上 运行 终端模 拟程序m i n i c o m ( l i n u x ) ， 作为目 标机的 控制台 ( c o n s o l e ) , 因为以太网连接的传输速度远比串行连接快。一般把以太网连接用于下载内核 和根文件系统。 ( 2 )在目 标 机上建立引导 装载程 序b o o t l o a d e r b o o t l o a d e r 是在处 理器启 动或复 位后， 操作系统内 核运行之前 运行的一 段 程序. 它的 主要工 作是初始化硬 件设 备并建立内 存空间映射，从而将系统的 软 硬件环境带到一个合适的 状态，为 最终调用操作系统内 核准备好正确的环境。 x s b a s e 2 5 5 开发平台 用j t a g线 把板子的2 0 - p i n 的 接口 和主 机的 并口 连接， 利 用 j f l a s h - x s b a s e程序将 b o o t l o a d e r ( x - b o o t 2 5 5 )烧写进 f l a s h. ( 3 )配置，编译下载内核并针对硬件进行驱动开发 下载别人己 经移植好的 l i n u x操作系统， 如 u c l i n u x , a r m - l i n u x , p p c - l i n u x等，如果有专门针对开发所使用的c p u移植好的l i n u x操作系统 那是 再好不过，下 载后再添加自 己的 特定硬件的 驱动程序， 进行调试修改， 对 于 带m m u的c p u可以 使用模块方 式调试驱动。 ( 4 )建立根文件系统，从w w w . b u s y b o x . n e t 下 载使用b u s y b o x软件进行 功能 裁减， 产生一 个最基本的根文件系 统， 再根据自 己的 应用需要添加其他的 程序。默认的启动脚本一般都不会符合应用的需要，所以就要修改根文件系统 第二章 系统硬件平台及 l in u x集成开发环境 中 的 启 动 脚 本 ， 它的 存 放 位 置 位 于 /e tc 目 录 下 ， 包 括 : /e tc /in i t.d /r c .s , / e tc / p ro f ile , / e tc / .p r o fi le 等 ，自 动 挂 装 文 件 系 统 的 配置 文 件 /e t c /f s ta b ， 具 体 情 况 会随 系 统 不同 而 不同 。 根 文 件 系 统 在 嵌 入 式 系 统 中 一 般 设 为 只 读， 需 要 使 用m k c ra m f s , g e n r o m f s 等工具产生烧写映象 文件。 ( 5 ) 建立应用程序的f l a s h磁盘分区，一般使用 j f f s 2 或 y a f f s文件系 统， 这需要在内 核中 提供这些文件系统的驱动， 有的系统 使用一个线性f l a s h ( n o r型 ) 5 1 2 k - 3 2 m， 有的系统 使用非线性f l a s h ( n a n d型) 8 - 5 1 2 m， 有的 两个同时使用，需要根据应用规划f l a s h的分区方案。开发应用程序，可以放 入根文 件系统中， 也可以 放入、 a f f s , j f f s 2 文件系统中。 在本章中， 介绍了 开发板所提供的硬件资 源， 并且对嵌入式l i n u x 的结 构和 具体开发流程进行了详细研究， 主要为了中 心站整体软件的介绍做好了理论知 识铺垫。 对于l i n u x 系 统的 整体结构的讨论， 更清晰的 将软件系统的 构建分 为嵌 入式 l i n u x的移 植和应用程序的编写两部分工 作， 将在以 下的章节分 别详细介 绍 。 第三章 x s b a s e 2 5 5 平台嵌入式 l in u x的构建 第三章 x s b a s e 2 5 5 平台嵌入式l i n u x 的构建 第一节 嵌入式 l i n u x 的移植 3 . 1 . 1 x s b a s e 2 5 5 平台发布的软件资源 对于x s b a s e 2 5 5 系统板的开 发， 深圳亿 道公司在其发布的c d 中 提供了用 于移植的 源代码和可执行文件，以 及开发工具链， 上述的可执行 镜像文件可以 直接下 载到x s b a s e 2 5 5 平台， 但是 如果希望定 制引导程序， l i n u x 内 核和文件 系统， 那么就必须重新编译相应的文件源代码， 所以在发布的c d中还包含了引 导程序， l i n u x内核和文件系统的 源代码、 补丁以 及必需的开 发工具链，表3 . 1 列出了x s b a s e 2 5 5 l i n u x的工具链和源代码: 表3 . 1 x s b a s e 2 5 5 平台 提供的 软件资源 目录名文件名注释 t o o l c h a i n h y b u s - a r m - l i n u x - r l . i .t a ra r m l i n u x交叉编译_ l 具链 j fl a s h - x s ba s e 2 5 5 b j fl a s h - x s b a s e 2 5 5 b及源代码下载引导器工具 i m a g e r o o t f s .i m g x - b o o t 2 5 5 z l m a g e 文件系统镜像 b o o t l o a d e r 镜像文件 内核镜像 b o o t l o a d e rx - b o o t .t a rb o o t l o a d e r 源代码 f i l e s y s t e m m k f s .j ff s 2 r o o t xs b a s e 2 5 5 b.t a r c s h 制 作j ff s 2 文件系统工具 根文件系统源代码 生成文件系统脚本文件 ke me l 2 .4 . 1 8 - r mk 7 - p x a l - xs b a s e 2 5 5 b .t a r x s b a s e l i n u x内核源代码 r p m b o o t p - 2 . 4 .3 - 7 . i3 8 6 .r p m b o o t p t a b , t ft p t ft p - s e r v e r - 0 . 1 7 - 9 . i 3 8 6 . r p m b o o t p 安装包 配置文件 t ft p 服务器安装包 第三 章 x s b a s e 2 5 5 平台嵌 入式l i n u x 的 构建 使用 h y b u s - a r m - l i n u x - r i . l t a r 编译 x - b o o t . t a r 解压缩后的 源代码可以 得到 x - b o o t 2 5 5 引导程序， 利用j fl a s h - x s b a s e 2 5 5 b工具可以 将生成的 镜像文件烧写 进 入f l a s h . x s b a s e l i n u x 内 核是由w w w . k e rn e l . o r g 发布的l i n u x 2 . 4 . 1 8 版本的 内 核打入补丁包形成， 其中添 加了 对p x a 2 5 5 的支持， 也添加了对x s b a s e 2 5 5 开发板的支持， 包括板级资 源、 初始化、 驱动程序等。利用交叉编译工具可以 生 成 内 核 镜 像， 通 过 在 宿 主 机 上