（计算机应用技术专业论文）海洋自动观测系统嵌入式linux研制.pdf

独创性声明 本人声鹗所呈交戆攀位论文蹩本人在导颤指导下遂嚣豹研 究工 乍葶霾敬褥熬磷究戏鬃，豫了文中特辫黯珏标注酾致谢之楚 羚，论文中不毽食葜馋灭已经发表线攒鹭过豹研究袋暴，也不包 含为获得叁鲞盘鐾戴其他教育机构的学位或证书而使糟过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已谯论文 中作了嘲确的说弱并表承了谢意。 学位论文作者签名： 澄宇f = _ | 期：年罔目 学位论文版权使用授权书 本学蕴论文 誊誊完全了簿 叁鎏泰望誊关镶辫、搜蠲学 霞谂文浆藏定。将攒校叁洼盘鲎可戬络擎位论文瀚全都或蘩 分内容瓣入有关数据麾进行检索，并采用影印、缩印戚扫描等复 制手段保存、汇编以供磷阅和借阅。同意学校向国家镩关酃门或 极秘遴交论文载复印馋蕊磁盘。 ( 僳蘩秘掌蕊论文在瓣密墓遥爝本授裁滋鹱) 学位论文作者签名露炳签名： 签字鞫鬻：年 楚瑟 熬字瓣麓：每援 霞 中文摘要 本课题通过对l if l u x 操作系统的研究与定制，最终研制出适 合我国国情的、具备自主产权的海洋自动观测系统嵌入式l i n u x 操 乍系统，该系统作为海洋自动观测系统应用软件的运行平台， 其有实糟、先进、离效、稳定、可靠的特点。 本文从l i n u x 熬本结构研究出发，结合系统研制过程，论述 了面向海洋螽动蕊测系统的嵌入式l in u x 研究与定铡。透过对 【。i n u x 内核组成及其源代码进行分析与研究，本文探讨了l in u x 搡俸系统态禳的基本结拣帮簇理。在诧萋襁上，本文论述了鞠俺 对l i n ux 内核及系统环境进行完全定制，从理论与实践结合的角 菠讨论基于p c 1 0 4 平台嵌入式l if l u x 撩偿系绞的实现方法。该 系统提供网络和串口通信支持，使其具锯对海洋要素各种传感器 ：i 茳行羧潮兹鬣力。逶过矮瑟瑟毒l ，黠系统兹分椽、臻究，数及对 功能模块的增加、删除，为海洋自动观测系统搬供了一个嵌入式 l i l l i 1 x 操睾系绞乎套。 该项课飓为国窳海洋局青年海洋科学基金项目，程我国海洋 爨动残测领域，是蓠次开疑粒嵌入式操作系统平台磺褒工馋，系 统已投入模拟环境的试运行阶段。该系统在海洋自动观测领域的 应用将怼增强我国海洋叁动鼹测系统的性能、稳定性、安全性产 生重要的作用，并将提高该领域观测系统应用软件的开发效率。 关键词：海洋自动观测系统：嵌入式；l i n u x a b s t r a c t b yt h ed e v e l o p m e n ta n dc u s t o m i z a t i o n0 fl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ， t h ee m b e d d e dl i n u x o p e r a t i n gs y s t e m f o ra u t o m a t e do c e a n o b s e r v a t i o n s y s t e m t h a ti ss u i t a b l e f o rc h i n a sc o n d i t i o n sa n d p o s s e s si n d e p e n d e n tp r o p e r t yr i g h t h a sb e e nc o m p l e t e d + b a s e do n p c 10 4 t e c h n o l o g y ，t h es y s t e m i sa n o p e r a t i n gp l a t f o r mf o r a p p l i c a t i o np r o g r a m o fo c e a no b s e r v a t i o n s y s t e m 。 i t s c h a r a c f e r i s t i c sa r ep r a c t i c a l ，a d v a n c e d ，h i g he f f e c t i v e ，s t a b l ea n d r e l l a b i e 。 t h ep a p e ra n a l y s e sa n ds t u d i e st h el i n u xk e r n e ls t r u c t u r e ，s o u r c e c o d e ，a n di n v e s t i g a t e s t h ee s s e n t i a lf r a m e w o r ka n dp r i n c i p l eo f l i n u xo p e r a t i n gs ys t e m 。o nt h eb a s i so ft h e s e ，i ta t s od i s c u s s e s h o wt o f u l l yc u s t o m i z el i n u xk e r n e la n ds y s t e m s e n v i r o n m e n t 。 a c c o r d i n g t ot h ec o m b i n a t i o no ft h e t h e o r y w i t ht h e p r a c t i c e ， a u t h o rd e m o n s t r a t e st h er e a l i z a t i o no fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m b a s e do np c 10 4p l a t f o r m 。t h es y s t e mp r o v i d e st h es u p p o r tf o r n e t w o r ka n ds e r i a li n t e r f a e ec o m m u n i c a t i o n m a k esi th a v et h e a b i l i t yt oc o n t r o lv a r i o u so c e a ns e n s o r s 。b yt h ed e v e l o p m e n to f t h i s p r o j e c t ，t h ee m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mp l a t f o r mi sp r o v i d e d f o ra u t o m a t e do c e a no b s e r v a t i o n s y s t e m + i na d d i t i o n ，b y t h e a n a l y z ea n dr e s e a r c h o ft h e s y s t e m a sw e l la st h ea d d i t i o na n d d e l e t i o no ff u n c t i o n a l m o d u l e ，t h ee x p a n s i b i l i t yf o rp l a t f o r mi s a s s u r e d t h ep r o j e c ti st h ey o u t ho c e a ns c i e n c ef u n dp r o g r a mo fs t a t e o c e a n i ca d m i n i s t r a t i o n + i nt h ef i e t do ft h ea u t o m a t e do c a n o b s e r v a t i o ni nc h i n a i ti st h ef i r s tr e s e a r c he f f o r t0 nt h ee m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e mp l a t f o r m t h i ss y s t e m h a sb e e n p u t i n t o p r e o p e r a t i n gp h a s ei n as i m u l a t i n ge n v i r o n m e n t t h is s y s t e mw i l l m a k eg r e a tc o n t r i b u t i o nt 0s r e n g t h e n i n gt h ep e r f o r m a n c e 。s t a b i l i t y a n d s e c u r i t yo fc h i n a sa u t o m a t e do c e a no b s e r v a t i o ns y s t e m ，a n d e n h a n c ed e v e l o p m e n te f f i c i e n c yo fa p p l i c a t i o ns o f t w a r ef o rf u l u r e o b s e r v a t i o ns y s t e m 。 k e y w o r d s ：a u t o m a t e do c e a no b s e r v a t i o n s y s t e m e m b e d d e d l n u x 第一章绪论 第一章绪论 t 1 问黻的来源及提出背景 二1 整纪楚海洋藏缝，凌溪海洋固嚣赣终三西菇平方公 攀，是海洋丈蘑，嚣此海洋攀监麴发展对我营影穗深遗。 海洋观测与海洋监测工作是海洋军臻以及国家实现海洋环 缓保护、海洋管理、海洋资源开发、海洋调奎与转灾笛任势麴重 要基础工作。海洋观测与艇铡工 窜是否能够满是未来豳家海洋事 鼗菱曩鹳黉要，摄大程葭童二敲决予羹强韵纯、餐髭纯麓藏鹩舞嵩 与应用。经过多年的她务建设，我围的海洋观测由单台仪器设备、 单要素溅测发展成多耍豢姻自动戏测系撼，自动化程瘦有了缀丈 糖高，微电子技术、计算机技术的广泛应用，俄海洋观测工作取 得了较大邀瀑，形残了海岸基平台基囊旗双测系统产晶。 嚣游，我鬻在海滨鼹涎惹绞中主要袋趱嵌入式戆p c l e 终 秀数据聚熊控涮系统，藕中数据采集、鲣璎骏 串系统遮暂平蠹是 d o s 系统。基予d o s 浆统避行比较复杂功能的开发会遄到阑难， 不利于燎统中设备的使嗣与功能发挥。黼国外在海洋观测与监 覆、海洋管理、科学研究等领域中，已实激了数据采集、多媒体、 辫终等鼓拳熬离凄鬃戏。鹦势， 螽予观溺系统豁中心蘩铡单元等 关键熬斡塞莺辨避霹，飘诧也蒇狭定了只能在葵提供瓣专掰开发 平台上谶行软件开发，这样的结果是造成了系统间兼密性麓、效 率低、w 开发瘸潮长、无法实现移穰等不翻避素，更重袋静怒没有 翻内自主产权的软件支撑系统，这对我阉海洋囱动观测系统的自 主权与安全鳇逶或了严嚣浆藏骆，莞葵在涉发攀事等鬟要颞爨建 浚工馋孝，这令霹纛萎为突出。 随骜毽嚣信息技术戆发震，我酱海洋黼滚与釜溅工 乍仅俊停 掰在目前的自动化、智能化的程度上是避迓不够的，信息网络技 零已经隽实壤丈巍疆绩纛熬凄凄繁藏与多芝攀箍供了“藤逮公路”， 我国的海洋事业信息他建设势在必行，瞧强裁貔国的海洋蕊测系 统还琴其螯誊接瓣终控铡魏能力，鼹粟箍躜凌畜篷开笈平蠹实褒 返一露橡难度很大。 第一帮绪论 因此建立套艇备自主产权的嵌入式操作系统平台作为海 洋鸯动蹲测系统较 牛运牙支撑环壤，受藏曩软 牛系统提貘一个安 全、可靠、高效的运行平台，具商十分爨要的意义。为实现这一 馥蠡，我翻逸撵l i n u x 搀为嵌入式凑 睾系统平食，研制一囊嚣翔 海洋融动观测系统的嵌入式操作系统，为最终建立自主产权的海 洋垂动化观测系统软件开发平台冀定基础。 该项工作获得了“雷寐海洋箭青年海洋科学基金”的燮励。 ( 国家部级蕈i 学基鑫。项熙编号：2 0 0 14 0 3 ) 1 2 碳目研究目的和内鉴 谚颂工作拟通过对l i n u x 操作系统内核的研究与定制，建立 套逡舍我闺海洋爨动褒溅系统簿要豹嵌天式l i n u x 搡谗系统， 研制谶合我阁国情的、具备自主产权的海洋自动观测系统嵌入式 旋瘸软俘平台。该系统兵骞实臻、先述、毫毂、安全、稳定、可 靠的特点，利用该激统可以作为海洋观测系统应用程序的运行平 台，寰骥程窿辩可移整蓬、募容犍、可维护霞、硬释无关性，老 软件开发者提供符合p o s i x 国际标准的软件编程接口，摁供高 蠖囊、多进程、多任务管理功蘸，提供多壤目翡窝终帮事弱逶傣 功能。 磷宽与霓裁工捧主要痰寥包疆： a l i n u x 系统内核研究与分析； b 。l i n u x 系统瑰核定熟i o 研制基于p c i l 0 4 的嵌入式l i n u x 系统； d 基于d o c 与c f c 存键套骥戆l i n u x 定利。 1 ，3 嵌入式系统的特点 所谓嵌入式系缒，裁楚以应用为中心、以计算机技术为鏊拙、 软硬彳串可裁骜，对功熊、可靠茬、成本、体积、功耗奢严格瑟隶， 将硬件和软4 牛进行寓机结合，并以硬件的形态表现的系统。 分撰英姆征，嵌久式系统是蕊惫霜户、露海产品、蟊勰应餍 的。嵌入式系统的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、 篷磁兼容程簿方蟊均受到瘦薅要求懿裁缝。与遴爱诗算枫不褥， 第一嚣绪论 嵌入式系统的硬件和软件都必须商效率地设计，量体裁衣、去除 冗余，力争在竭樽功惩兹平台上实现更鸯的性能。 嵌入式系统中的软件，一般都固化在存贮器中，而不是以磁 盘为载体，可以随意更换，所以嵌入式系统豹应用软传生命也和 嵌入式产品一样长。 嵌入式系统是针对具体应用的专用系统。个嵌入式系统应 馥是一个软硬件结合的整体，并专门为巢种应用定制，必须结合 具体应朋开发。 嵌入式搽作系统是嵌入式系统的禳心，它的出现大大提高了 嵌入式系统的开发效率，极大地减少了开发工作的总蹩，提蒿了 嵌入式应用软件的可移植性。为满足嵌入式系统的需要，嵌入式 操作系统必须包括操作系统的一然基本功能，但也必须以应用为 中心，最太隈度造逶应应溺系统鹣需要。 嵌入式系统中熄否需要嵌入式操作系统应根据嶷体目标系 统戆应鬻需求来凌宠。诲多嵌入式系统穰本就没有操作系统，只 不过有个控制环而已，对很简单的嵌入式系统来说，这可能已 经是够，但是，涟着嵌入式系统越来蘧复杂，搽俸系统筑剥锺裁 显得非常重要，因为否则的话，将使( 控制) 软件复杂腹变得极不 舍理。然囊，骥实审磷实畜一些笺杂熬雯久生捷靛嵌入式系统， 而且它们之所以变得复杂就因为设计者认为它们的系统不需要 攘 乍系统。器羲在嵌入式系统应麓串己缀被广泛应鼹热操馋蓉统 有：w in c e 、p a l m o s 、v x w o r k 、p s o s 、ne c u le u s 等。 1 4l if l u x 与嵌入式l i f l u x 简介 l i n u x 楚一个和u r l ix 相似、以核心为基础的、完全记忆体傈 护、多任务、多进稷的通用操作系统，支持广泛的计算机磺 孛， 包括n l te 】( x 8 6 兼容) 、a lp h a 、s p a r c 、m i p s 、p p c 、a r m 、n e c 、 m o t o r 0 1 a 等现有的大部分芯片，内核源码全部公开，可以在g n u 通用公共许可证( o e n e r a ip u b l i cl ic e n s e ) 下对其修敬并免赞使 用。这样，可以实现对操作系统底层的完全定制，实现自主化， 从根本上傈诞了系统的安全。l in u x 帝膏u n ix 用户熟悉的完善的 开发工具，几乎所有的u n ix 系统的应用软件都已移植到了l in u x 上，为较谗开发提鼷了强大髂支持。 第一章绪论 嵌入式l i n u x 就是经过小型化裁减与定制，占用几k 到几兆 内存，无绥复杂羚爨设备支持运行，痘矮子各转特定焱入式环境 的操作系统。嵌入式l in u x 是根据目标系统的鼹求而设计，由一 个体积很小的魂核翻可裁减系统模块、系统软 牛组或。 与其它嵌入式搡作系统相比，l in ux 的特点在于兜全开放源 代码、完全免费、应用广泛、具备遍布全球的技术支持，l in u x 是开放源码的软件，在g n u 的g p l 。下源代码可以随意拷贝、散发 茅使用，这对降低系统成本、实现软件产权自主化和增强系统安 垒性起渤重要作用，同时也决定了可以校据应用需求的不同定制 不同的l in u x 作为嵌入式系统。由于l i l 3 u x 是一个操作系统软件， 并且可以支持大量的硬件平台，圜此可阻根据戍甭系统现有碛件 情况，对l ir i l l x 进行定制以适合嵌入式系统的需要。 嵌入式静l i n u x 实际上是一个操作系统平台，基予这个平台 实现的嵌入式系统可以满足开发人员的研发需要并运行特定的 应角系统。 作为嵌入式操作系统，l in ux 的技术优势有： 8 。l i r t u x 楚开放滚码的较 孛，l i f l u x 盘髂敬小量经戆离豹内 棱和模块组成。在内核代码完全开放的前提下，不同领域和不同 接次静麓户霹以稷掇叁己懿应爱簿萎缀窬荔趣对内棱进行改造， 在低成本的前提下，设计和开发出真正满足自己需要的嵌入式系 绫，开放源羁绦 睾系统耱比经努交荤巾厂裔提供魏操 擘系统都有 优势，当然也就更能适应业界可能发生的各种变化。用户和硬件 厂囊无矮交纳舨投费爰，霹且楚掰户获终了攫大翡蠡凌度。 b l in u x 具有丰富的应用程序接口，提供多种开发工具， l in u x 懿备一整套工具链，容易囊露建立嵌入式系统戆开发环境 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。一般开发激入式操 乍系绞教程痔调试帮躁黥罄是经蠲佬粪器 来实现的，而使用l in t l x 系统做原型的时候，可以绕过这个障碍， 囊接使用内核调试器来墩操搀系绞的蠹梭调试。 c l i f l u x 系统悬层次结构且l i l l u x 的内核鼹可配篷的，具备 各种性能的升级能力，裁剪牲很好，离魔模块纯，具肖优秀的可 扩展性。现在谢大量的工具、设备和应用软件可供人们定制l i h u x 系统的功能。l if ! u x 的内核是极具弹性的，开发人员可以使用内 核配置工具狠方便地增加或删去菜些功畿和服务，如硬件驱动程 第一章绪诒 序、文件系统和网络支持等。这种可配鬣的特性也可以作为个 独立赘模块编译妥两羧孛，运行鼗雩蠹核西蕊载这些穰块，蒙喾忽 略它们。 d 。l in u x 具备强大豹弱终支撼功能。l i # u x 诞生予毽特潮著 具有t i n ix 的特性，这就保证了它支持所裔标凇因特嗣协议，莠 虽可以餐鼹l i 洳x 敬黼终稔汲棱旃其瑟茇畿为强天式濑t c p i p 网络协议栈。l ir u x 的t c p i p 堆栈经受住了长期周密的安全性窜 瓷并针对逡 亍速度馓了优化。l i n u x 拥谢强向各种网络功能茅通 信涤议豹赣勘程序、应蔫工其、骞户凌强躐努器蘩敦 誓。 e l i n u x 疑有广泛的硬件支持特性，可以移植到多个有不葡 结构的c p u 和硬件平台上。电予采用了可移植的u n i x 标准成用 程序接圈，所以l i n u x 不仅能与各嵇处骥器( x 8 6 、6 8 k 、p o w e r p c 、 a r m 等 实蠛添代番瀑瓣兼容，毽憨帮甏畜可移穰u n i x 潦捧系统 兼容。无论愚r i s c 还是c i s c 、3 2 位还是6 4 饶等各种处理器， l i n u x 都熊运行。l in u x 最遭鬻傻蠲兹徽魑遴嚣是in t e lx 8 6 芯 片家族，瞧它嗣撵懿逡 亍予錾o t o r o l a 公蜀鹊6 8 k 系列c p u 瑟i b m 、 a p p l e 、m o t 0 1 0 l 矗公蔼靛p o w e r p cc p u 戳及i n t e l 公蔼鹩s t t o n g a r mc p u 簿处理器系统，遂意味蕾嵌入式l i n u x 将具露更广泛的 应嗣裁爨。麓饕l in u x 麴淀行，妖磬西笈巍鞫疆箨厂戆帮开始在 鞭产鑫中辩豢上莲秘l i n “x 环笺斡驱动程露，翔露f la s h 内存和 无线弼缌黪支精等。 第一章国内外研究现状 第二章国内外研究现状 2 1 圈外研究现状 2 1 1 海洋领域 目前国外的嵌入式系统研制与应用工作发震很快，嵌入式系 统被广泛地皮用于海洋观测与科研工作中，已经改变了以前许多 嵌入式系统根本没有操作系统，只有循环控制的状况。 由美国海军研究生院( n p s ) 和芒特鬣湾水科学研究所( m b a r i ) 承担的“实辩环境依息网络分轿系统”( r e i n a s ) ，西豁是设计、 发展和实验种用于环境数据采集、管理和司视化的业务化原 形，怒透过先进仪器所获褥的蕊测数据实时应稍翔海洋环境磷究 及相应的环境数据库中，在该项圈中从数据采集、数据处理到数 箨传输的过弦中均采餍了大量的嵌入式技术，并在r e i n a s p c 荤 板机中实现了嵌入式网络连接特性。 美嚣m b a r i 疆究掰髭蠲深海鞔器久( r o vt i b u r o n ) 送行海洋 观测研究，猩r o v 繇统中采用了嵌入式系统v x w o r k sr t o s 作为 警瑾软件运行孚台受责仪嚣运，厅中戆全部工俸，包括祝器入耱动 作指令、数据采集与记录、数据的传输簿利用嵌入式的i 0 控 铡器与嬲终投寒送行对纹器鹣接枣，取缮7 基大戆戒功。 美国n a s a g s f c 下属的s e a w i f s 项目中的数据分析系统 s e a d a s ，采嗣l if l u x 技零与运 亍环境，受责里攫数据、爱象产品 的的分析与处理应用，并被用于m o d i s 海洋信息产品处理。 疆若l i f l u x 系绕豹塞现与应_ | l ，一避知名熬亵晶化嵌入式系 统开始逐步转向l in u x 内核的开发。例如：美国l yr t u x w o r ks 公 司豹l y n x o s 产品是老牌嵌入实时操作系统，被广泛应用予数据 通信、宇航技术、豳防应用、信患技术、工业控制、仪器榆测和 科学应瑁，一些高端海洋仪器设餐中使髑静数字处理系统暴鼹了 l y n x o s 作为操作系统内核，目前该公司采用嵌入式l i f l u x 技术开 发了b 1 u e c a tl i n u x 系统 乍为今鹾嵌入式系统昀发展方向。 加拿大、日本、英国、法国、芬兰簿国家也在海洋仪器嵌入 式系统研究方西取得了很大进展。嵌入式系统在海洋观测领域的 研究与应用怒需求的结果，而嵌入式技术的发展也极大地促进海 第二章国内外研究现状 洋科研工作的进步。 2 。 2 主要产品 国外很多的大学、研究机构、 嵌入式l ir i l l x 的研究与开发工侔 产品有如下几个： 2 。 2 。 r t lin u x 公司撼至个人爱好糟都加入了 其中比较著名髂嵌入式l i f l u x r t l i l 3 ux 是嵌入式硬实时操作系统，由美嗣新墨殖哥理工学 院歼袋，是蘩于标准l i n ux 的嵌入式操作系统，己成功应嗣于数 据采集、仪器测控、图像处理等，“泛领域。 由于为实黼实时特性羹写l i f l u x 的内核工作量很犬，并且很 难保证兼容性，因此r t l in u x 冉勺开发糟单独开发了一个精巧的 实露两核，并缱标准l in u x 作为该实时离核的个述稳挟行调度， 实时迸程也由该实时内核谶行调臆。这样底层硬件发出的中断请 求，赉r t l i n u x 的孩接受，然磊| 圭| 棱壤据翥豢囱l in n x 懿进程 或r t - l i f l u x 的进程提交，而l in u x 的进程和r t - l in u x 的进程之 淘，怒由实辩f i f 0 来逶镰靛。 2 1 2 2u c lin u x t l c l ir l u xe l la r c tu r u s 缀织开发，它并不是为了l in u x 的实时 性而提出的，因此可以看作是一个软实时的嵌入式l in u x 操作系 统。 u c l if l u x 是专为无存储器管理单元( m m u ) 的c p u 打造的嵌入 式l in # x 搡佟系统。交于u c li f l u x 主要针对无赫醚u 徽簸毽器秃：发， 因此，在u c li n u x 上实现多任务功能是一个比较困难的问题。因 此也藏限定了u c l i l l u x 上运行豹麓户应蠲程穿不能要求多任务功 能。另外，由于大多数内核的二迸制代码和源代码都被重写，这 进一步壤鬣了“e l in u x 凑棱魏代码。# e l i i q u x 豹凌棱要篦覆 l i n i l x2 0 内核小的多，但保留了l i n u x 操作系统的主要优点： 稳定缓，爨舅豹网络糍力以及优秀翁文髂系绞支持。赉于u c l i f i u x 是基于l in u x 内核开发的，所以它是在g n u 公共许可证( g p l ) 下发蠢豹塞囊软 争。 现在已经成功使用u c l i l 3 u x 的案例包括；基于c 0 1d f ire 的 e i s c o2 5 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 路鼗| 器：基于a r m t t d m i 粒是p l i 0 公司豹 第二章国内外研究现状 v0 ic e o v e r i p 电话；a x i s 公司的a x is 2 0 0 1 网络数码相机：a d o m o 公司的枧损盒以及番摹申开发扳：囊动控铡与数据采集等领域。 2 1 2 3e m b e di x e m b e d ix 建一耱嵌入式l in u x 较 串矮决方寨，由l i n e 0 礤期， 是根据嵌入式应用系统特点重新设计的l i n u x 发行版本。 e m b e d i x 被设置了磴豹速率、内存霸焱入式设善熬存糖鬟求， 是基于流行的桌面l in u x ，目前可在m 0 t0 r o l ap o w e r p c 、x 8 6 、 疆ip s 弱s u p e r h 上馒用。 2 1 2 4m 0 n t a v is t al in u x m o n t a v is t al ib u x 是m o n t a v i s t a 软 孛公司最瑟貔下一我嵌 入式l if l u x 操作平台，广泛地支持各类嵌入式应用，为通信基础 设施、翊终、溃费魄子、仪表以及工控设善撬供蠢准豹嵌入式 l in u x 平台。m o n t a v is t al in u x 撼l in u x2 4 稳定内核，提供支 持x 8 6 、m i p s 、s h 以及p o w e r p c 体系缀掏豹实时捡占式内棱。 m 0 t i t a v is t al in u x2 1 来自纯h i n u x 源代码。 2 + 1 2 。58 lu e o a t b l u e c a tl i f l u x 是l y n u x w o r k s 公司的产品，使用l i f l u x2 4 凌菝，支持多耱楚褒器，鬯摇i n t e lx s c a le 、 n t e li x p l 2 0 0 鼹 络处理器、嵌入式in t e la r ch i t e c t t i t e 等。 2 。 。2 6 其它 值得重视的是除了这必专业嵌入式l i n u x 系统开发商，还有 缓多餮努匏磷究誊旯稳秘个人稷蘩互 睾嚣篓邃行了太麓魏嵌入式 l i i u x 的开发，并广泛应用于自动控制、数据采集、信息家电、 娱乐设憋等镁域。 2 。2 潮内磺突臻状 晷麓，我霆菲常重视l i n u x 系绞豹应期磅究，国裘计委、辩 技部在发布的“当前国家优先发展的高技术产业化覆点领域指 菊”中明确列入了“基于l i i l i x 的操作平台及其集残废霸环境豹 软件”及“嵌入式操作系统软件及其相关产品”研究方向，但此 嚣在海洋领域还没有进行与此相关豹研究，本项目为酋次开展海 第二章国内外研究现状 洋自动观测领域的相关研究工作。 基藏我晷海洋台站叁动观测系绞中大部分镁蠲韵p c 1 0 4 系 统，部分采用d o s 作为系统软件运行平台，一部分观测仪器中根 本不具餐软4 牛运孑亍的操作系绞，袋用循环控制结构，必须壹接翻 汇编语言进行软件开发。随着需求的增加及技术的提高，观测系 统集成的要素越来越多，d o s 系统所提供的功能己经无法满足工 作需求，这无疑会影响我闺海洋环境监测系统的发展。虽然我国 在海洋8 6 3 计划支撼下，在传感器技术利数据采集技术上有了新 游突破，僵在其有自主产权的搡作系统软件开缎研究上却进震不 大。由于在8 63 计划制定时还没有一个蒙l in u x 系统这样适合我 卺海洋自动蕊瓣领域应用的揉作系统，遗成此磺技术在我国海洋 领域长期空臼，这已成为我国自动观测技术方晡急需解决的主要 淹题之。 国内开展的一些基于i 。j f l u x 的嵌入式系统研究工作主要集中 在家亳、穰患纯设备、军攀与安全领域，遣寄些公嗣，校据项 目工作需要开展了数据采集与自动控制的嵌入式l i n u x 系统研 臻l ，或者壹接麓买、代理鬻终兹嵌久式b i n u x 产晶按寒。 近几年国内出现了多个嵌入式操作系统，类是自主版权的 绦l 乍系统，另一类楚基于l i l u x 愆揉佟系统。 自主版权的操作系统方面，国内有”女娲h o p e n ”操作系统、 爨夏2 0 0 0 操俘系绞粒d e l t a o s 掇终系统等。 ”女娲h o p e l 3 ”是凯思集团推出的产品，目前已进入产业化阶 段，”女娲h o p e n ”爨翦已能支持黪有主滚粒嵌入式芯冀，戮愚与 联想、r c l 、m o t o r o l a 、w i n b o n d 、上海瞰尔等国内外知名厂商合 作开发逛了多糖产熬：联想”天班8 1 0 ”、天玑e 卡通、”天现9 ll ”、 t c l 集闰家庭信息显示器l id 、天亿股票机顶龠、v o d 视频点播机 顶盒等。 桑夏2 0 0 0 操作系统怒深圳聚夏公司推出的产品，是一个面 舄嵌入式应用的实时操作系统，舆备文 牛系统嬲嵌入式数摆痒引 擎，提供了蒸本的图形用户接口，支持屡次化、模块化的软件模 型，可运行在”龙珠”等三张系列的e p u 上，支持包括t c p i p 协 议在内的网络通讯协议。 d e l t a o s 是北京科银豪成公司开发的嵌入式实时操作系统， 它主要包括：内核d e l t a c o r e 、嵌入式t c p t pd e l t a n e t 、畿入 第二二章国内外研究现状 式文件系统d e l t a f i l e 以及嵌入式图形接口d e l t a g u i 。d e lt a o $ 支持a r m 7 、s t r 0 1 3 9 a r m 、p p c s x x 、p p c 4x x 、x 8 6 、m i p s 等多耱嵌 入式微处理器，可应用于消费电子产品、通信产品、工业控制及 零用电子产晶中。 近年来，嵌入式l in u x 进展较快，圜此国内以l in u x 为基础 的嵌入式操作系统比较活跋，其中中软l i n u x 、红旗l in u x 、东 方l i 叭j x 是业界的代表。 中敬总公司以数控平台为背景，推出了中软l in u x 3 。0 。中软 嵌入式l in u x 是实时系统，这套鏊于l i l l l i x 的嵌入式系统不仅满 足了数控机床妁需求，同时可以应用于蕻它工业控制领域。 红旗l i n u x 把工控和信息家电作为主要的发展领域。红旗 l in u x 为用户提供了w i n d o w s 风格的控件集、阕形中文环境和嵌 入式数据库静开发工其。中科红旗公司歼发出了针剐工控领域酶 嵌入式l i n u x 系统。 东方l i f l u x 是瓿愚集溺攉密的产品。鬣恙通过与中芯徽合作， 已经推出了网络计算机( n c ) 。采用东方l i f l u x 的n c 系列产品除 其有传统终端煞功蘸之舞，还具有本圭| 羹诗算麓力，瑟户可以遴过 n c 使用安装在服务器上的应用程序，并可以便用多种本地软件。 该产品工落方式基予集中与舞：藏潮络鼹务豹运算模式，兼容多释 网络协议标准，用户可以在任意地点通过网络连接设备，实时访 溜服务器褒懿应臻攒序。浚产晶可应焉予致鸯、重虢、教毒、亵 业、金融等领域。 2 3 需要禳决的关键问题 通过对我国的嵌入式l i n u x 研究工作现状分析，可以看出， 在此之兹还没有开鼹针对海洋宣动鼹测镢域鲍磺究工接，瑟嵌入 式系统的特点是面向特定应用，就是说涨入式系统必须和具体应 用窍枧地结食在一熬，因此必须针对我圈海洋强动观溅领域的现 状阻及今后发展的需要量体裁衣地开展嵌入式系统的研制工作。 嵌入式l i i l l _ i x 系统研制的关键技术主要有：操作系统技术、 实时l in u x 绦作系统体系结构技术、硬件抽象层支持技术、系统 可剪裁可配爨技术、驱动程序支持技术、高效的实时调度算法、 高速中断处瑗、高遮i 0 喾吐率。 第二章国内外研究现状 海洋自动观测系统设备主要用于数据观测数据的采集和处 理，没有毫实时特，矬的要求，因此在委两海洋自动观测系统的嵌 入式l i n ux 中不要求具备实时特性。 在蕊向海洋自动观测系统的嵌入式l i f l u x 研割过耀中需疆甥 决的关键技术问题主要有： 系统优化以提高系统性能； 系统精简以降低系统功耗： 硬件设备驱动； 系统兼容往； 系统安全性； 系统研制工俸也针对以上莓轹展开。 第三章系统研制技术路线 3 1 圜标系统 第纛章系统研制技术路线 3 1 1 目标系统定义 目标系统由嵌入式l 。in u x 操作系缆( 2 2 2 0 版本内桉) 、 p c 1 0 4 单片机、海洋要素测量传感器组成。其中p c 1 0 4 采用3 8 6 缀c p u ，现有的自动观测平台通过串口对海洋要素各种传感蟹进 行采集。所以，本系统的应用特点要求提供以下基本功能： a 。串日遴信支特； b p c 10 4 ( x 8 6 ) 体系结构支持； 为适应海洋自动观测系统的需要，僚证系统静先避性，增加 以下特性： c 瓣络邋信支持； d 多任务、多进程支持； e 与稼避l i l 1 l j x 系统兼容； f 支持d o c 、c f c 电子盘； 本文孛对l if l u x 瓣蘩聿嚣与定翱磺究均基于2 2 。2 0 舨本内核。 由于l in u x 具备了用以执行嵌入功能的基本内核以及各种想 溪豹楚户雾甏，元素，耩以l l f l u x 膏缀强瓣逯弱瞧特点。它熊受奎理 嵌入性任务和有关用户界瑚两方面的作业。可以把l in u x 看作一 个鼓一个只煮肉存蟹理、任务调壤秘定时器骚务豹缨筵熬内缓裂 可以支持各种文件系统和多种网络服务的完熬服务器，因此对 l i n u x 豹定铡封造是完全可行鲍。 最小的嵌入式系统仅需如下蕊本组成部分： a ，引导王其； b 具备存储管理、进程管理的l ir i l l x 内核； c 。钥始化进程。 为让上面的最小嵌入式系统变得有定实用性，尚需加上一 些内容： d 硬件设备驱动程序； e 。一个或几个应用进穗以提供必要的应用功能。 如泶进行数据采集和处理，还要用到以下缀件： 塑三塑墨簦盟型堇娄堕堑 一 p c l g 4 掖术在海洋自动观测系统中应用多年，跌早期海洋台 站观测系统到现在的全海域海洋立体观测系统中始终发挥照要 作焉。 p c 1 0 4 是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，近 年来在螯际主广泛流行，寝i e e e 协会定义戈i e e e p 9 9 6 。l 。 i e e e p 9 9 6 是p c 和p c a t 工业总线规范，而从p c 1 0 4 被定义为 i e e e p 9 9 6 ，j 靛可以看出，p c q 4 实囊上是一耱紧凑鍪，小型 皂 的ie e e p 9 96 。其型号定义棚p c a t 基本一致，但电气和机械规范 粒完全不蘑，楚一零孛貔纯麴，小型难棱式结构靛嵌入式控截系统。 p c 1 0 4 鼹个阂际标准，凡是p c 10 4 产品，都必须符合规 范，其大枣、蹇凄、疆定方式都煮严辏熟焱定：尺寸：9 0x9 6 a m ； 插针式总线扩展方式；总线信号与i s a p c i 完全兼容：4 个固定 孔；屡叠找接方式；落积小、霹戆蛙麓、安装灵活；巢残度高， 般c p u 在板，内存在板，并已经带有c r t i 。c d ，i d e 等外围接 口；与普遂p c 完全蒺容：具有p c 1 0 4 或p c l0 4 + 扩攫总线：低 功耗等。 p c 1 0 4 憨线产黯软 牛上与p c x t 和p c a t 完全兼容，在硬件 上与p c a t 主要存穰着以下几方面的不同： a 小尺寸结构，标礁模块的机械尺寸为：3 ，6 x 3 ，8 英寸 ( 9 6 x 9 0 m m ) b 堆栈式，“针”“孔”总线连接，即p c 1 0 4 总线模块之问 总线的连接怒通过上层的针和下层的孔相互咬和相遗，有掇好的 抗震性 c 6 m a 总线驱动_ 可使模块正常工作，低功耗，减少元件数量 d ，自我堆栈式连接，无须母板 p c i 0 4 有两个版本，8 位、1 6 位分涮与p c x t 和p c a t 稆对 应。p c l0 4 + 则与p c i 总线相对应。在p c 1 0 4 总线的两个版本中， 8 位p c 1 0 4 共有6 4 个总线管脚( 单列被羁 插针和箍藐) ，1 6 位为 ( 6 4 + 4 0 = ) 10 4 个总线管脚( 双列双排插针和插孔) ，其有效信号线 稻茬裁线完全与“p c x t ”帮“p c a t ”兼容。p c l0 4 + 为擎歹i 三 棱汉 搔术麓城累 姗罱 第三章系统研制技术路线 排12 0 个总线管脚，有效信号线和控制线和p c i 总线宽全兼容。 与我们匏计冀机一槎，一个计算媳主扳可以同时摁有p c a t 和 p c i 总线，一个p c l0 4c p t f 模块则可以同时拥有p c 1 0 4 和 p e 1 0 4 + 总线。 在海洋自渤观测系统中之所以选择p c 10 4 作为遭行平台， 是因为p c 10 4 技术具备如下特点： a 将“嵌入式”的概念弓l 入总线； b 连接形式更加可靠、灵活； c 模板工作温鹰范围宽； d 。应用a 1 1 一i 旷o n e 投术提高其可靠性和性能； e 电源要求篱单： f 支持d is k o n c h ip 、c p c 等电子盘； g 弼络支持： h 与p c 兼容。 3 2 系统精简 嵌入式l in u x 设计的主要困难就是根据内存与处理器速度等 方覆懿疆裁，减少系统获嚣熬资溅，敲戮系统熬壤筏。一个小型 的嵌入式l ir i l l x 系统只需黉三个基本元豢：引导工具、l in u x 内 核、初始他避毽，还可以攫撼应蠲系统麴嚣要添翔稷波豹硬 孛驱 动程序、文件系统、网络堆栈、应用程序等。 总之，一个持的嵌入式l if i l i x 系统设计应该具备以下条件： a 占用资源少； b 有较好教性价比； c 与硬件平台肖良好的协作； d 系统开销少。 因此，在建立嵌入式l in u x 的过程中，可以从标准的发行版 入手，裁减不必要的摸块，也可以从内竣开始囊己搭建一个全新 的l i f l u x 操作系统。 本研究工作采用从内梭开始瓷垒自己搭建全新l i f l u x 操作系 统的方式，系统精简工作把构成嵌入式l i f l ux 系统的各要素作为 入手点，对系统做最小化处理。 标准l in u x 其商虚拟内存的功能，这稀特性使得应用稳序可 第三章系统研制技术路线 以在超出实际物理内存的地址范围内运行。然而在嵌入式系统中 不霞要这餮功袋，嚣为海洋塞动聪测系统中数据采集与处理部分 的软件对系统资源要求不商，而且虚拟内存会绘系统带来无法控 铡的时阉因素，扶霹降低系统躲晌应速度、降低系统性能。但是， 清除l i n u x 内核虚拟内存臀理的代码非常复杂，而且通过虚拟内 存支持的文本共享功能可以增强应用软 譬的功能。因此，如何做 到既精简内核又保诚系统的兼容性与高可用性是本系统研制过 程中需要解决的重要难题。 实现嵌入式l ir l u x 精简的基本步骤如下： a ，重新编译l i n u x 内核，去摊不需要的模块： b 制作嵌入式l jn u x 文件系统： c 制作系统启动引导程序； d 编写系统襁始纯脚本； e 添加必要的臌用程序。 3 3 系统。陛能与实时性 海洋自动观测系统的数据采集与处理对系统实时性没有必 须要求，僵系绫注裁瀚提麓跫 零重要鹣，霆魏奉顼鬟疆突互俸 只要求做到保证系统性能较高就可以了。 嵌入式系绞经豢被锘谈遗说徽实时系绞，毯是宅们中夔大多 数并不具备实时特性。实时性仅仅是相对的，实时严谨地定义应 为疆实隧：能在投簸豹时润( 毫移级) 内嫡应，著以墓秘确定匏 方式处理事件。现在，许多硬实时功能j 下逐渐集中在d s p 或a s i c 戆设计中，i 蠹过一些适当黝鲠 牛，如f i f o ，d m a 或其它专其硬 孛 来实现。 这些要求在实现过程中涉及到一些探讨，包括现场切换，中 断延迟，任务选优和调度。 现场切换曾一度成为操作系统爨始一个热点话题，不过，由 于大多数c p u 在这点上处理得比较令人满意而且c p u 速度现在已 经变彳辱足够的快，现场切换观已不再是主要关注点了。 实时的严格性要求通常应由一个中断例程或内梭中的现场 妪动函数来处理以确保行为的一教性。当中断发生后，处理该中 断所用的时问，郎中断延迟，在很大程度j 二，由中断优先级与其它 第三章系统研制技术路线 能临时屏蔽该中断的软件决定。 系统中的中断疲被裹效地设计和安排以确保满足时间上的 爱求，就像在典它o s 中那样，在x 8 6 处理器系列中，遂项工作可 以被l if l u x 很好地处理。以r t l i n u x