（计算机软件与理论专业论文）minigui在嵌入式操作系统tkernel上的分析与移植.pdf

摘要 随着嵌入式系统的快速发展，在一些信息家电中，例如p d a 、机顶盒、d v d v c d 播放机等，图形用户界面( g u i ) 越来越受到人们的重视。 m i n i g u i ( m i n ig r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) 最初是一个自由软件项目，其目标是为 基于l i n u x 的实时嵌入式系统提供一个轻量级的图形用户界面支持系统，可以运行 在任何一种具有线程支持的p o s i x 兼容系统上。t r o n ( t h er e a l - t i m eo p e r a t i n g s y s t e mn u c l e u s ) 是日本开发的拥有自主知识产权的操作系统标准，以其为基础的 t - k e r n e l 是当前比较流行的，源码开放的嵌入式操作系统。m i n i g u i 和t - k e r n e l 的 结合，构成了具有优秀图形界面和实时响应功能的嵌入式软件开发平台。 本文首先通过对嵌入式系统基本原理和构成，特别是t - k e r n e l 操作系统理论的 学习和研究，了解t - k e r n e l 操作系统的原理机制，然后分析m i n i g u i 的体系结构， 对m i m g u i 的源代码进行深入的研究和理解，其中重点对比分析了任务和线程的实 现方法和调度规则以及t - k e r n e l 对p o s i x 标准接口的支持。通过对线程及线程库 实现机制的研究，并结合m i n i g u i ( m i n ig r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) 在嵌入式操作系统 t - k e r n e l 上的移植，引入了任务( t a s k ) 与线程( t h r e a d ) 一一映射模式，提出了移 植方案。在此基础上，整理归类与移植相关的程序代码，搭建c o d e w a r r i o rf o r a r m 集成开发环境，进行移植源代码编写和编译等工作，最终实现了满足实时应 用的基于t - k e r n e l 的p o s i x 线程库，完成了m i n i g u i 在t - k e r n e l 上移植，并通过 编写和执行测试程序，验证了该线程库能够满足嵌入式实时系统的要求。 关键词：t - k e r n e l ；嵌入式操作系统；p o s i x 线程库：m i n i g u l a b s t r a c t w i t ht h eq u i c kd e v e l o p i n go fe m b e d e dr t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) ，t h e g u ii sg e t t i n gm o r ea t t e n t i o ni nt h ea r e ao fi n f o r m a t i o na p p l i a n c e ，s u c ha sp d a ，s t b ， d v d v c d ，e c t m i n i g u ii saf r e es o f t - w a r ep r o j e c t t h ea i mo ft h ep r o j e c ti st os u p p l yal i g h tg u i s u p p o r ts y s t e m ，w h i c h c a np r a c t i c a l l yr u no na n yp o s i xc o m p a t i b l es y s t e m t h e t - k e r n e li sav e r yp o p u l a ra n do p e ns o u r c ee m b e d d e do s ，b a s eo nt r o n ( t h e r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mn u c l e u s ) ，t h ej a p a n e s ee o ss t a n d a r d 1 1 1 ec o m b i n a t i o no f t h e s et w os y s t e m ，c o m p o s i n gag o o dg r a p h i c a li n t e r f a c ea n dr e a l t i m er e s p o n s ef u n c t i o n o fe m b e d d e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m t i l i sp a p e rf i r s tt h r o u g hs t u d y i n ga n dr e s e a c h i n gt h et h e o r yo ft - k e r n e lo p e r a t i n g s y s t e mt ou n d e r s t a n di t sp r i n c i p l em e c h a n i s m ，a n dt h e na n a l i z et h ea r c h i t e c t u r eo f m i n i g u it oc o m p r e h e n dt h es o u r c ec o d ei n - d e p t ha n da n a l y s i sc o m p a r a t i v e l yt h e i m p l e m e n t a t i o no ft a s ka n dt h r e a da n dt h e i rs c h e d u l i n gr u l e s ，e s p e c i a l l yi nt h es u p p o r tt o p o s i x ( p o r t a b l eo p e r a t i n gs y s t e mi n t e r f a c e ) o nt - k e r n e l c o m b i n i n gw i t ht h e m i g r a t i o no fm i n i g u io nt - k e r n e la n da n a l y z i n gt h et h r e a d sl i b r a r yt h o r o u g h l y , w e i n t r o d u c eo n e - - t o - o n em o d e lo nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt a s ka n dt h r e a da n dp r o p o s e t r a n s p l a n tp r o g r a m m e i nt h ee n d ，w er e a l i z et h er e a lt i m ep o s i xt h r e a dl i b r a r ya n d c o m p l e t et h et r a n s p l a n to fm i n i g u io nt - k e r n e l ，t e s ta n dv e r i f yt h es a t i s f a c t i o nt ot h e r e q u i r e m e n to fe m b e d d e da n dr e a lt i m es y s t e mb yc o m p i l i n ga n dr u n n i n gt h et e s t p r o g r a m k e y w o r d s ：t - k e r n e l ；e m b e d e dr t o s ；p o s i xt h r e a dl i b r a r y ；m i n i g u l 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名： 讽阀j 日期：2 0 0 8 年5 月1 2 日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密 ( 请在以上方框内打“4 ) 论文作者签 导师签名： 名：砷、 荔符 ( 本声明的版权归青岛大学所有， 日期：2 0 0 8 年5 月1 2 日 日期：j 口啄年r 月lv 日 未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用 6 l 第一章引言 1 1 研究背景及意义 第一章引言 嵌入式系统是指为控制信息家电、手持设备和无线设备等机器组装起来的微型 计算机系统。常见的嵌入式操作系统有：r t l i n u x 、w i n c e 、p a l m o s 、u c o s i i 、 v x w o r k s 、t - k e r n e l 等。 由于硬件条件的限制，一些信息家电( 如p d a 、机顶盒、d v d v c d 播放机等) 所提供的用户界面都非常简单，很少有漂亮的图形用户界面。随着嵌入式系统的发 展，许多嵌入式g u i ( g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ) 应运而生，例如：m i n i g u i 、o p e n g u l 、 q t e m b e d d e d 等。嵌入式实时操作系统结合轻量级的g u i ，界面美观，极大方便了 用户使用，并且满足了嵌入式系统对实时性、可靠性和占用资源少的要求。 t - k e r n e l 是由t r o n ( t h er e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mn u c l e u s ) 发展而来，t r o n 是日本东京大学坂村健博士于1 9 8 4 年提出的嵌入式操作系统规范，目的是想构筑 一种理想的计算机结构，实现新的计算体系即“普遍存在的计算环境”( u b i q u i t o u s c o m p u t i n g a r c h i t e c t u r e ) 。t 引擎( t - e n g i n e ) 是由标准化硬件结构与标准开源实时 操作系统核心t - k e r n e l 组成的嵌入式系统的开放式标准开发平台【l 】，它通过标准扩 展( s t a n d a r de x t e n s i o n ) 中间件，已经实现了比较完整的g u l 支持，但费用较高，因 此迫切需要实现t - k e r n e l 对开源g u i 的支持。 目前，源码开放的轻量级的g u i 大多是基于l i n u x 操作系统的，向支持p o s i x 线程标准接口的嵌入式操作系统移植比较简单，只需调整一下配置即可。而向t r o n 标准的嵌入式操作系统移植，由于接口不兼容，实现起来相对较难。 为了解决上述问题，本文结合完成m i n i g u i 在t r o n 标准嵌入式操作系统 t - k e r n e l 上的移植，对照任务和线程，提出采用一一映射模式实现基于t - k e r n e l 的 p o s i x 线程库，并给出了线程库的模块结构和实现方法。 1 1 1 嵌入式g u i 图形用户界面( g u i ) 是用图形的方式，借助菜单、按钮等标准界面元素和鼠 标操作，帮助用户方便地向计算机系统发出指令，启动操作，并将系统运行的结果 同样以图形方式显示给用户。图形用户界面画面生动、操作简单，省去了字符界面 用户必须记忆各种命令的麻烦，深受广大用户喜爱和欢迎，已经成为目前几乎所有 应用软件的既成标准口刳。它具有以下特点： 1 、增强了软件系统的数据输入能力： 青岛大学硕士学位论文 2 、对输入输出对象的表示，从按名或按序号指定，扩展为用符号表示； 3 、图形方式下的输入和输出密切相关； 4 、具有数据驱动能力； 5 、具有潜在并行性； 6 、用户界面的复杂度和灵活性可以大大增强。 近来的市场需求显示，越来越多的嵌入式系统，包括p d a 、机项盒、d v d v c d 播放机、w a p 手机等系统均要求提供全功能的w e b 浏览器，这包括h t m l4 0 的 支持，j a v a s c r i p t 的支持甚至包括j a v a 虚拟机的支持，而这一切均要求有一个高性 能、高可靠的g u i 的支持1 7 j 。 另外一个迫切需要轻量级g u i 的系统是工业实时控制系统，这些系统一般建立 在标准p c 平台上，硬件条件相对嵌入式系统要好，但对实时性的要求非常高，并 且比起嵌入式系统来说，对g u i 的要求也更耐8 】；这些系统一般不希望建立在庞大 累赘的，非常消耗系统资源的操作系统和g u i 之上，比如w i n d o w s 或x w i n d o w ； 这些系统大部分建立在d o s 等系统上，并且采用比较简单的手法实现g u i ，但是 在出现l i n u x 系统之后尤其在r t - l i n u x 系统出现之后，开始采用r t - l i n u x 作为操 作系统，但g u i 仍然是一个问题，x w i n d o w 太过庞大和臃肿，因此，这些系统对 轻型g u i 的需求更加突出【2 训。 嵌入式系统往往是一种订制设备，它对g u i 的需求也各不相同，有的系统只 要求一些图形功能，而有些系统要求完备的g u l 支持，因此，g u i 也必须是可订制 的【9 】。综上所述，嵌入式系统对g u i 的基本要求应包括轻型、占用资源少、高性能、 高可靠性以及可配置【2 】。在软件工作者的努力下，一批l i n u x 的g u i 系统便应运而 生，主要包括：紧缩的x w i n d o w 、m i n i g u i 、m i c r o w i n d o w s 、o p e n g u l 、q t e m b e d d e d ，生出 守o 1 1 2 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 g s y s t e m ) 是一种用途广泛的系统软 件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域。e o s 负责嵌入系统的全部软、硬 件资源的分配、调度工作，控制协调并发活动；它必须体现其所在系统的特征，能 够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。目前，己推出一些应用比较成功的 e o s 产品系列。随着h ：l t e r n e t 技术的发展、信息家电的普及应用及e o s 的微型化 和专业化，e o s 开始从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。嵌入式操作系 统在系统实时高效性、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【3 】。e o s 是相对于一般操作系统而言的，它除具备了一般操作系 统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等外【3 1 1 ，还有以下 2 第一章引言 特点： 1 。可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。 2 强实时性。e o s 实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。 3 统一的接口。提供各种设备驱动接口。 4 操作方便、简单、提供友好的图形g u i ，图形界面，追求易学易用。 5 提供强大的网络功能，支持t c p i p 协议及其它协议，提供统一的m a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 访问层接口，为各种移动计算设备预留接口。 6 强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预，这 就要负责系统管理的e o s 具有较强的稳定性。嵌入式操作系统的用户接口一般 不提供操作命令，它通过系统调用命令向用户程序提供服务。 7 固化代码。在嵌入式系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系统 计算机的r o m 中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因此，嵌入式操作 系统的文件管理功能应该( 做到) 容易拆卸。 8 更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。 常见的嵌入式系统有：l i n u x 、u c l i n u x 、w i n c e 、p a l m o s 、s y m b i a n 、e c o s 、 u c o s i i 、v x w o r k s 、p s o s 、n u c l e u s 、t h r e a d x 、t - k e r n e l 等。 1 2m i n i g u i 北京飞漫软件技术有限公司开发的m i n i g u i ( h t t p ：w w w m i n i g u i c o r n ) ，是面 向实时嵌入式系统的轻量级图形用户界面支持系统。 m i n i g u i 定义为“针对嵌入式设备的、跨操作系统的图形界面支持系统 ，属 于一种“嵌入式图形中间件”软件产品1 。目前，m i l l i g u i 已得到了国内最大的民 营通信设备制造商、中国最大的电视机生产商、t d s c d m a 终端方案供应商和全 球最大的处理器生产厂商的认可及使用，而在诸如工业仪表、医疗仪器、军工等行 业，更有众多行业领先厂商选择m i n i g u i 开发他们的嵌入式产品。与此同时， m i n i g u i 也得到了海外嵌入式设备开发商的认可，并远销到韩国、日本、台湾、马 来西亚、北美、欧洲等地区。2 0 0 5 年8 月，韩国k s p 公司成为飞漫软件全线产品 的第一个海外代理。m i n i g u i 业已成为嵌入式图形中间件领域的工业事实标准。 飞漫软件除了遵循g p l ( g e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) 汹1 条款发布m i n i g u i 的某 些版本( m i n i g u i v l 3 3 以及m i n i g u i s t r v l 6 2 ) 之外，还为商业用户提供m i n i g u i 增值版产品以及其他关键应用软件产品。 1 、m “g u i 的起源和发展 m i n i g u i 的开发起始于1 9 9 8 年底，到现在已历经八年的时间。最初，m i n i g u i 3 青岛大学硕士学位论文 仅仅为了能够在l i n u x 上显示中文而开发，但目前，m i n i g u i 已发展为一个跨操作 系统的嵌入式图形支持系统。从诞生开始，m i n i g u i 就不断得到实际项目和产品的 应用，同时新的项目也提出了更多技术需求，于是m i i l i g u i 就一步步发展成为跨操 作系统的嵌入式图形中间件产品。 1 9 9 8 年1 2 月，飞漫软件创始人魏永明开始开发m i n i g u i 并在一个数控系统中 得到应用。2 0 0 0 年3 月，联想h a p p y l i n u x1 0 发行版采用m i n i g u i 开发其安装程 序。这时，m i n i g u i 已形成了一个较为完整的嵌入式图形用户界面支持系统。2 0 0 0 年4 月到2 0 0 2 年9 月，m i n i g u i 作为中国为数不多的几个自由软件项目之一，继 续以自由软件的形式进行开发和维护。 2 0 0 2 年9 月，m i n i g u i 的主要开发者成立了北京飞漫软件技术有限公司，尝试 自由软件的商业化运作模式，并于2 0 0 3 年5 月发布了m i n i g u i1 2 6 版本；于2 0 0 3 年9 月发布了m i n i g u i1 3 0 版本。 2 0 0 3 年1 0 月，m i n i g u i 完成了到u c l i n u x 和e c o s 操作系统的移植。至此， m i n i g u i 成为一个跨平台的嵌入式图形用户界面支持系统。 目前，m i n i g u i 已发展到2 0 3 1 6 9 版本3 ，支持l i n u x u c l i n u x ，v x w o r k s ，e c o s ， u c o s i i ，p s o s ，t h r e a d x ，n u c l e u s ，o s e 等操作系统，也可以在w i n 3 2 平台上运行。 飞漫软件基于自由软件的商业化模式也获得了初步的成功。 从最初的数控系统到目前流行的智能手持终端设备，m i n i g u i 已经应用于许多 产品领域。m i n i g u i 最主要的应用领域大致可分为三类： ( 1 ) 中高端手机、w i f i 手机、p d a 类产品。图1 1 为采用e c o s 操作系统，基于m i n i g u i 开发的高端智能手机的应用程序面。 匿玎辅# v o 蚶l ：b a 麓鬈 2 0 0 孓1 2 3 01 1 0 0 驻i h e | o 2 0 0 3 1 2 2 917 ：3 0t 气 b i n h d # l vp ar 2 0 0 3 1 2 。2 91 6 ：0 7 既 n e wr a i1 w o ys t a t i o n 一“ 图1 1m i n i g u i 开发的高端智能手机的应用程序界面习 ( 2 ) 数字媒体及机项盒类产品。图1 2 是基于m i n i g u i 开发的机顶盒浏览器产品以 及由飞漫软件开发的法律政务查询终端产品。 4 第一章引言 一 14 2 m ” 一 。m t日 熬；熬零冀曩曩烹皇黪黑翼烹u 器 曩曩_ 囊孽要 豫毒：鬣? ：鬈嚣嚣j 嚣嚣。，一j * ：。黧： 一蛾躺，麓挚囔谶 警：= 乏。，。黑? ：。，黛自自躲“自埘* t ，锋竹 一4 簟哺* ，q 日a 帮2 。篓戮攀翟：戮。鬻：= ：“o ：，：2 ：等黔l 缨嘲 图1 2 基于m i n i g u i 开发的机顶盒浏览器产品以及法律政务查询终端产品【5 】 ( 3 ) 工业仪表及控制系统。图1 3 是基于l i n u x 和m i n i g u i 操作系统开发的数控系 统、工业仪表及医疗仪器的界面。 图1 3 基于l i n u x 和m i n i g u l 操作系统开发的的界面【5 】 2 、m i n i g u i 的系统优势 将现代窗口和图形技术引入嵌入式设备的m i n i g u i ，是一个非常适合于实时嵌 入式设备的高效、可靠、可定制、小巧灵活的图形用户界面支持系统，其主要优点 是：支持多种嵌入式操作系统，具备优秀的可移植性；可伸缩的系统架构，易于扩 展；功能丰富，可灵活剪裁；小体积高性能间的最佳平衡；广泛的应用领域等。 ( 1 ) 可伸缩性强 m i n i g u i 丰富的功能和可配置特性，使得它既可运行于c p u 主频只有6 0 m h z 的低端产品中，亦可运行于高端嵌入式设备中，并使用m i n i g u i 的高级控件风格及 皮肤界面等技术，创建华丽的用户界面。 m i n i g u l 的跨操作系统特性，使得m i n i g u l 可运行在最简单的嵌入式操作系统 之上，如u c o s i i ，也可以运行在具有现代操作系统特性的嵌入式操作系统之上， 如l i n u x ，而且m i n i g u i 为嵌入式l i n u x 系统提供了完整的多窗口图形环境。 这些特性，使得m i n i g u l 具有非常强的可伸缩性。可伸缩性是m i n i g u i 从设 计之初就考虑且不断完善而来的。这个特性使得m i n i g u i 可应用于简单的行业终 端，也可应用于复杂的消费类电子产品。 ( 2 ) 轻型、占用资源少 m i n i g u l 是一个定位于轻量级的嵌入式图形库，对系统资源的需求完全考虑到 了嵌入式设备的硬件情况，如m i n i g u i 库所占的空间最小可以裁剪到5 0 0 k 左右， 5 青岛大学硕士学位论文 对目前的嵌入式设备来说，满足这一条件是绰绰有余的。 此外，测试结果表明，m i n i g u i 能够在c p u 主频为3 0m h z ，仅有4 mr a m 的 系统上正常运行( 使用u c l i n u x 操作系统) ，这是其他针对嵌入式产品的图形系统所 无法达到的。 ( 3 ) 高性能、高可靠性 m i n i g u i 良好的体系结构及优化的图形接口，可确保最快的图形绘制速度。在 设计之初，充分考虑到了实时嵌入式系统的特点，针对多窗口环境下的图形绘制开 展了大量的研究及开发，优化了m i n i g u i 的图形绘制性能及资源占用。m i n i g u i 在大量实际系统中的应用，尤其在工业控制系统的应用，证明m i n i g u i 具有非常好 的性能。 ( 4 ) 可配置性 为满足嵌入式系统各种各样的需求，必须要求g u i 系统是可配置的。与l i n u x 内核类似，m i n i g u i 也实现了大量的编译配置选项，通过这些选项可指定m i n i g u i 库中包括哪些功能或不包括哪些功能。大体说来，我们可以在如下儿个方面对 m i m g u i 进行定制配置： 指定m i n i g u i 要运行的操作系统。 指定生成基于线程的m i n i g u i p h r e a d s 运行模式还是基于进程的m i n i g u i p r o c e s s e s 运行模式，或者只是最简单的m i n i g u i s t a n d a l o n e 运行模式。 指定需要支持的g a l 引擎和队l 引擎，以及引擎相关选项。 指定需要支持的字体类型。 指定需要支持的字符集。 指定需要支持的图像文件格式。 指定需要支持的控件类。 指定控件的整体风格，是经典( c l a s s i c ) 风格、平面( f l a t ) 风格还是时尚 ( f a s h i o n ) ) r i i , 格。 这些配置选项大大增强了m i n i g u i 的灵活性，对用户来讲，可针对具体的应用 需求量体裁衣，开发最适合产品需求的应用软件。 ( 5 ) 功能支持： 1 1 窗1 3 系统 在m i n i g u i 中窗口组织为层次体系结构的形式。根窗1 3 作为所有窗1 3 的祖先， 除了根窗口以外的所有窗口都有父窗口，每一个窗口都可能有子窗口、兄弟窗口、 祖先窗口和子孙窗口等。在同一级的窗口可以重叠，但是某个时刻只能有一个窗口 输出到重叠区域1 。m i n i g u i 中有三种窗口类型：主窗口、对话框和控件窗口( 子 窗口) 。主窗口通常包括一些子窗口，这些子窗口通常是控件窗口，也可以是自定 6 第一章引言 义窗口类。应用程序还会创建其它类型的窗口，例如对话框和消息框。对话框本质 上就是主窗口，应用程序一般通过对话框提示用户进行输入操作。 2 1 字体及国际化 m i n i g u i 提供了对点阵字体及矢量字体的支持，到目前为止，m i n i g u i 已经实 现了对r b f 和v b f 字体( 这是m i n i g u i 定义的两种点阵字体格式) ，以及t r u e t y p e 和a d o b et y p e l 等字体的支持。同时m i n i g u i 还提供了对q p f ( q tp r e r e n d e r e d f o n t s ) 字体的支持。m i n i g u i 还可以对点阵字体进行自动放大处理，并可针对电视 等特殊显示设备实现防锯齿功能。 3 ) 输入设备的支持 m i n i g u l 支持各种通用的鼠标设备，对触摸屏的支持也非常出色，并针对触摸 屏的校正为用户提供了校正接口。 4 ) 输入法 输入法是m i n i g u i 为支持中文、韩文、日文等多字节字符集而引入的机制，和 w i n d o w s 系统下的输入法类似，输入法通常以顶层窗口的形式出现，并截获系统中 的按键信息，经过适当的处理，将翻译之后的字符发送到当前活动窗口。m i n i g u i 提供了多种输入法的支持，其中包括内码、全拼、智能拼音、五笔及自然码等输入 法。 1 3 论文研究内容与组织结构 本文的前期研究工作有：分析单片机教学实验板，了解嵌入式实时系统的原理 和实现；阅读m i n i g u i 和t - k e r n e l 资料和源代码，了解嵌入式操作系统和嵌入式图 形用户界面的特点，并分别深入分析了有代表性的嵌入式操作系统t - k e r n e l 和嵌入 式图形用户界面m i n i g u i 。在前期研究工作的基础上，通过对线程及线程库实现机 制的研究，提出了任务( t a s k ) 与线程( t h r e a d ) 一一映射模式，为实现m i n i g u i 在t - k e r n e l 上的移植，给出了输入抽象层、图形抽象层、硬件驱动和在嵌入式操作 系统t - k e r n e l 上实现p o s i x 线程库的移植方案；在此基础上，整理归类与移植相 关的程序代码，搭建c o d e w a r r i o rf o ra r m 集成开发环境，进行移植源代码 编写和编译等工作，实现了针对m i n i g u i 嵌入式图形用户界面的移植，并完成了移 植代码烧写和加载工作；最终实现了满足实时应用的基于t - k e r n e l 的p o s i x 线程 库，完成了m i n i g u i 在t - k e r n e l 上移植，并通过编写和执行测试程序，验证了该线 程库能够满足嵌入式实时系统的要求。 本文的组织结构如下： 第一章引言：介绍嵌入式系统及嵌入式图形用户界面，以及m i n i g u i 的起源与 7 青岛大学硕士学位论文 发展和它的技术优势一多线程。 第二章，概述了t r o n 技术和t - e n g i n e 的软件构成； 对t - k e r n e l 任务状态和 调度规则进行了分析；论述了通讯机制及其所使用的同步模型；最后介绍了内存管 理、数据类型及相关名词。 第三章m i n i g u i 的移植分析：分析了m i n i g u i 的体系结构，包括分层设计、 多线程、运行模式以及通讯机制中的消息传递和微客户微服务器结构；讨论移植相 关性、技术支持并提出了移植方案。 第四章线程库及其实现：介绍了多线程的并发性、调度规则和同步机制以及 线程的三种实现机制；分析了多线程模型，提出采用一一映射模式实现基于t - k e r n e l 的p o s i x 线程库：给出了线程库的实现算法。 第五章移植系统性能测试：介绍了调试环境；根据移植系统的具体应用编写了 测试程序；按照测试流程执行测试程序、并给出相应的测试结果演示。 最后是总结与展望：对论文工作进行总结分析，并提出下一步的发展。 8 第二章嵌入式操作系统t - k e r n e l 第二章嵌入式操作系统t k e r n e l t r o n 是日本开发的拥有自主知识产权的操作系统。开发之初就设想除用于计 算机外，还将它用于机械控制与通信控制设备上。最近的t r o n 已开始广泛应用到 手机、网络家电等领域。尽管在日本的电脑市场上，其他国家开发的o s 占了很大 份额，但说起以小型设备为主的市场，却有不少在使用日本自主开发的 o h t r o n ”。随着“泛在( u b i q u i t o u s ) ”社会( 作者译为：可随时随地处理信息 的社会) 【2 5 j 的到来，t r o n 越来越受到人们的关注。 t r o n 于1 9 8 4 年由东京大学教授坂村健倡导，t r o n 协会( 总部：东京) 目 前正在着手制订包括c p u ( 中央处理器) 与运行环境在内的标准。t r o n 使用开放 标准，谁都可以自由开发这种o s 的嵌入软硬件。而且，它主要用作设备上的“预嵌 入o s ”。此外，它还有在特定时间内完成指定目标处理的“实时处理o s ”功能，具 有w i n d o w s 没有的快速处理的优点。这样，它可用于汽车引擎控制等。 由于拥有这些优点，t r o n 被越来越多的公司采用。去年6 月，n e c 、日立等 2 2 家著名电子产品制造商联合宣布将基于t r o n 来开发网络家电设备的软硬件。 从配备的设备上数量来看，t r o n 比w i n d o w s 还要普及得广。n t rd o c o m o 的许 多手机机型都采用了t r o n 。丰田汽车也在其“p r a d o ”与“皇冠”等车型上使用t r o n 来控制引擎运行。当n e c 、日立等公司积极推进t r o n 使其成为网络家电的o s 标 准的同时，索尼与松下电器产业却于去年1 2 月宣布，将基于免费0 s - 一l i n u x 来 联合开发a v 音响设备的o s 。尽管w i n d o w s 席卷了电脑市场，但在网络家电领域， 围绕o s 主导权的争夺今后将会更加激烈。 t r o n 系列目前包括面向嵌入式系统的i t r o n 、面向j a v a 实现的j t r o n 、用 于较大型系统如p c 和p d a 的b t r o n 和针对通信系统的c t r o n 。 i t r o n 已成为日本电子产业现行的基础架构。在带有微处理器的嵌入式系统 中，6 0 以上采用了t r o n 操作系统。其他的系统要么不带有操作系统，要么使用 专有操作系统，而后者通常也是在i t r o n 的基础上发展而来。因此目前在日本， 嵌入式系统中大约有8 0 的操作系统都使用了i t r o n 。 2 1 t - k e r n e l 和t - e n g i n e t - e n g i n e 是指开发嵌入式设备的软件和硬件所需的标准开发平台。预先将硬件、 操作系统、基本中间件和开发环境等规范加以标准化，并在此基础上提高运行的软 件，特别是中间件和设备驱动程序的互换性、移植性和复用性，提高嵌入式设备及 9 青岛入学硕十学位论文 其控制的开发效率，缩短开发时间，降低开发成本，这就是t - e n g i n e 工程的目标。 t - e n g i n e 工程除了利用“t - k e r n e l ”的名称将相当于过去i t r o n 功能的标准实 时o s 的规范加以标准化外，同时也将开发评价嵌入式设备原型的硬件规范( 有标 准t - e n g i n e 插件板和i _ t t - e n g i n e 插件板两种) 、相当于微机b i o s 的t - m o n i t o r 规范、 文件系统等基本中问件的规格和开发环境接口的规格( 源代码的描述形式、目标格 式、全局函数名称和变量名称的命名法等) 进行了标准化1 3 0 。 另外，t - e n g i n e 的硬件可作为最终产品的开发评价插件板和原型使用，但一般 t - e n g i n e 的硬件不是直接作为最终产品使用的。基于t - e n g i n e 的最终产品一般用来 重新制作硬件。这时，拆掉不需要的设备，多数是改变为更小的电路插件板，或作 为面向一般消费者的商品而装在小体积的外壳中。把这样基于t - e n g i n e 的应用产品 称为“t - e n g i n e 设备 。当然t - e n g i n e 设备并不受t - e n g i n e 工程所规定的标准规格 所约束。在t - e n g i n e 设备中，硬件的规格是可选的，有时对t - k e m e l 或中间件也可 以去掉不需要的功能或进行调整与定制。 2 1 1 t - e n g i n e 的软件构成 t - e n g i n e 的软件构成是以t - k e r n e l 为核心的层次结构，如图2 1 所示。 下面对各层逐一加以说明： 1 t m o n i t o r 图2 1t - e n g i n e 的软件构成 1 0 第二章嵌入式操作系统t - k e r n e l t m o n i t o r 的主要功能是提供硬件初始化及系统启动、异常、中断处理和基本 调试功能，是作为启动实时o s 核心及支援调试的软件。 t e n g i n e 接通电源( 系统复位) 时，首先启动t m o n i t o r 。t m o n i t o r 对必要的 硬件进行初始化后，启动t k e r n e l 。 2 t k e r n e l t k e r n e l 是在标准t e n g i n e 、一一e n g i n e 上运行的标准实时操作系统核心软件。 其优点是：第一，对外部要求的高速应答即实时性能；第二，可以通过动态资源管理 功能及统一源码原则等，实现在t k e r n e l 上构筑的中间件及应用软件的高度兼容 性。 3 t k e r n e l 的各种扩展 为了提供更广泛功能的o s 的扩展部分，分为“自身扩展部分 n a t i v ee x t e n s i o n 与“移植扩展部分”p o r t e de x t e n s i o n 两种。自身扩展部分包括有t k e r n e l t e ( t i n y e x t e n s i o n ) 、t k e m e l s e ( s t a n d a r de x t e n s i o n ) 和t - k e r n e l e e ( e n t e r p r i s ee x t e n s i o n ) 三种。移植扩展部分是将已有的中间件及k e r n e l 移植到t k e r n e l 上的部分。现在 已经开发出或者正在开发的有以下一些系统：w i n d o w sc e n e 聊k e r n e l 、 t - w i r e l e s s 、t - j a v a 、t - l i n u x 、t i n t e g r a t o r 等。 4 标准设备驱动 用来兼容每个t - e n g i n e 机器的软件。在t - e n g i n e 上搭载的标准的驱动程序， 规定了标准的a p i 规范。另外，为了便于开发新设备以及专用设备的驱动软件，还 将公开设备驱动的参考代码。 5 中间件 中间件是指在t k e r n e l 上运行的各种中间件，包括各种网络用的协议堆栈、文 件系统、日语处理、假名汉字变换、e t r o n 相关的安全软件、g u i 、声音处理、j a v a 等。为了保证中间件的兼容性，这些可以组合的中间件信息根据t f o r m a t 在 t e n g i n e 计划的数据库中集中管理，并根据t l i c e n s t 的规定，利用t d i s t 体系广泛 传播配发。 6 开发环境 在t - e n g i n e 基础结构规范中，不对开发环境进行标准化。但为了确保软件的兼 容性，有必要规定源代码及二进制代码的标准规范形式。因此，关于源代码及对象 代码的形式，规定以g c c 中的内容为准。 2 1 2t - k e r n e l 的特性 t - k e r n e l 是t r o n 的最新版本，具备增强的网络功能。t - k e r n e l 与i t r o n 的 基本架构完全相同，但通过升级增强了处理器对网络环境的处理。最终，所有的嵌 青岛大学硕十学位论文 入式微处理器都会具备网络接入功能。例如，电视机的遥控器可以利用装备了t r o n 操作系统的微控制器连接到网络，这样就能够控制其他设备的操作，例如像控制电 视机开关那样控制电灯或空调的开关。 在将设备联接至网络的过程中，安全问题至关重要。如果安全无法得到足够保 障，那么系统就无法投入实际使用。因此，我们必须建立一个具有最高安全等级的 全新平台，而这是传统嵌入式操作系统所不具备的。 t - k e r n e l 泛指t - k e r n e l 操作系统( t - k e m e i o s ) 、t - k e r n e l 系统管理( t - k e r n e l s m ) 和t - k e r n e l 调试支持( t k e n l e l d s ) 。有时只把t - k e r n e l 操作系统称为t - k e r n e l 【3 8 】 o 1 主要功能： t - k e r n e l 操作系统( t - k e m e i o s ) 提供了下列功能： ( 1 ) 任务控制功能 ( 2 ) 任务间同步通信功能 ( 3 ) 内存管理功能 ( 4 ) 异常中断控制功能 ( 5 ) 时间管理功能 ( 6 ) 子系统管理功能 t - k e r n e l 系统管理( t - k e r n e l s m ) 提供了下列功能： ( 1 ) 系统内存管理功能 ( 2 ) 地址空间管理功能 ( 3 ) 设备管理功能 ( 4 ) 中断管理功能 ( 5 ) i o 端口访问支持功能 ( 6 ) 电源管理函数功能 ( 7 ) 系统配置信息管理功能 t - k e r n e l 调试支持( t - k e n l e l d s ) 提供了下列功能： ( 1 ) 内核内部状态查询 ( 2 ) 执行跟踪 2 基本术语 ( 1 ) 任务t a s k 和调用任务i n v o k i n g t a s k 并行程序执行的基本逻辑单元称为“任务”。一个任务的程序是顺序执行的； 而不同任务的程序却是并行执行的。此处的并行是通过内核控制任务间的时间共享 来实现的。 1 2 第二章嵌入式操作系统t - k e r