（计算机应用技术专业论文）基于pc104平台嵌入式linux研制.pdf

中文摘要 本课题通过对l i n 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管理信息网络系统数据采集 终端嵌入式l i n u x 操作系统，该系统可以作为海洋调查与监测、 海洋管理等系统应用软件的运行平台，具有实用，先进、高效、 稳定、可靠的特点。 本文从l i n u x 基本结构研究出发，结合系统研制过程，论述 了面向海洋管理系统数据采集终端的嵌入式l i n u x 研究与定制。 通过对l 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 i n t l x 操作系统内核的基本结构和原理。在此基础上，本文论述 了如何对l i n u x 内核及系统环境进行完全定制，从理论与实践结 合的角度讨论基于p c 1 0 4 平台嵌入式l i n u x 操作系统的实现方 法。该系统提供网络和串口通信支持，使其具备对海洋要素各种 传感器进行控制的能力。通过项目研制，对系统的分析、研究， 以及对功能模块的增加、删除，为海洋自动观测系统提供了一个 嵌入式l i n u x 操作系统平台。 该项课题以国家海洋局青年海洋科学基金项目为基础，在我 国海洋管理领域，开展嵌入式操作系统平台研究工作，研制过程 得到了国家海洋局电子政务项目的支持，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对增强我国海 洋管理信息网络系统数据采集终端的性能、稳定性、安全性产生 重要的作用，并将提高海洋管理系统应用软件的开发效率。 关键词：p c 1 0 4 ；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 no 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 xo p e r a t i n gs y s t e mf o ro c e a nm a n a g e m e n t n e t w o r ks y s t e mt h a ti ss u i t a b l ef o rc h i n a sc o n d i t i o n sa n dp o s s e s s i n d e p e n d e n tp r o p e r t yr i g h th a sb e e nc o m p l e t e d b a s e do np c 1 0 4 t e c h n o l o g y ，i t sp 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 i a b l 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 st 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 y s t e m o nt h eb a s i so ft h e s e ，i ta l s od i s c u s s e s h o wt of 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 se n v i r o n m e n t a c c o r d i n gt ot h ec o m b i n a t i o no ft h et h e o r yw i t ht h ep 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 c ec o m m u n i c a t i o n m a k e si 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 ft 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 nm a n a g e m e n tn e t w o r ks y s t e m i na d d i t i o n ，b y t h ea n a l y z ea n dr e s e a r c ho ft h es y s t e ma 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 lm 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 t h i s s 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 nas i m u l a t i n ge n v i r o n m e n t t h i ss 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 os t 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 ds e c u r i t yo f c h i n a ao c e a nm a n a g e m e n tn e t w o r ks 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 t u r e o b s e r v a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：p c 1 0 4 e m b e d d e d 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 究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：二乏键 签字日期：瓣矿月孑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学 位论文的规定。特授权天津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，并采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签聋：墨使 签字日期：2 踟舌年矿月留日 山 导师签名：7 l 丕尾 签字日期：撕，年8 月2 南 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及提出背景 海洋工作是关系到国家领土权益、经济发展、资源开发、环 境保护、海洋调查与防灾等任务的重要行政工作。二十一世纪是 海洋世纪，我国是海洋大国，海洋事业的发展对我国影响深远。 为加强海洋管理工作，我国已经和正在建设多个海洋管理、 科研、服务网络系统，从基层的海洋工作现场到国家行政管理的 最高决策层建立将要建立一个覆盖国家、省、市、县的数据采集、 信息传递、资源检索快速传输网络。 海洋管理工作需要大量的第一现场资料，从而保证各项工作 的高效率、准确性、实时性。因此，各项管理工作的现场工作人 员需要进行基础数据的快速采集，或者执法过程中对对现场数据 进行核查；海洋观测与监测、海洋管理、科学研究等领域，需要 实现数据采集、多媒体、网络等技术的高度集成。完成快速的数 据采集与数据核查，需要终端设备通过网络访问基础信息数据 库，由于海洋领域的特点，现场覆盖范围广、人员移动性大、地 理位置多样，终端必须具备移动性、便携性、低能耗和方便使用 的特点。因此，需要一套具备自主产权、安全可靠的嵌入式系统， 适合海洋管理移动数据处理、海洋调查数据采集、具备多种数据 通信方式。在国家海洋局电子政务、海洋青年科学基金等多方面 的支持下，设立了国家海洋局信息网络数据采集终端系统的研究 项目，本课题是项目中的一个子项。 本课题的目的是为海洋管理信息网络的数据采集终端研制 一套具备自主产权的嵌入式操作系统，从而为应用软件系统提供 个安全、可靠、高效的运行平台。为实现这一目标，我们选择 l i n u x 作为嵌入式操作系统平台，为最终研制自主产权的海洋管 理移动平台奠定基础。 本课题得到了国家海洋局青年科学基金资助项目的支持，本 文作者是该基金项目的主要参加人员。 第一章绪论 1 2 课题主要研究内容 国家海洋局信息网络数据采集终端研究项目划分为三个子 课题： 课题一，研制基于p c 1 0 4 平台的嵌入式l i n u x 操作系统，开 发网络、串口通信功能； 课题二，研制基于p c 1 0 4 平台嵌入式l i n u x 系统设备驱动程 序，包括小键盘、l c d 、u s b 。 课题三，开发目标系统的g s m g p r s 网络通信功能。 本人负责课题一的工作，本论文仅论述课题的研究内容。 该项课题拟通过对l i n u x 操作系统内核的研究与定制，研制 一套适合我国海洋管理信息网络系统数据采集终端需要的嵌入 式l i n u x 操作系统，建立适合我国国情的、具备自主产权的海洋 管理信息网络系统数据采集终端应用软件支撵平台。该系统具有 实用、先进、高效、安全、稳定、可靠的特点，利用该系统可以 作为海域使用管理网络系统数据采集终端应用程序的运行平台、 适用于海洋调查或监测系统的数据采集平台，实现程序的可移植 性、兼容性，可维护性、硬件无关性，为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，提供高性能、多进程、多任务 管理功能，提供多端口的网络和串口通信功能。 研究与定制工作主要内容包括： a l i n u x 系统内核研究与分析； b 基于d o c 与c f c 的l i n u x 内核定制； c 基于p c 1 0 4 的l i n u x 操作系统定制； d 基于目标系统网络通信功能开发； e 基于目标系统串口通信功能开发。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 1 3 1 1 海洋领域 目前国外的嵌入式系统研制与应用工作发展很快，嵌入式系 统被广泛地应用于海洋管理与科研工作中，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。 第一章绪论 由美国海军研究生院( n p s ) 和芒特雷湾水科学研究所( m b a r i ) 承担的“实时环境信息网络分析系统”( r e i n a s ) ，目的是设计、 发展和实验一种用于环境数据采集、管理和可视化的业务化原 形，把通过先进仪器所获得的观测数据实时应用到海洋环境研究 及相应的环境数据库中，在该项目中从数据采集、数据处理到数 据传输的过程中均采用了大量的嵌入式技术，并在r e i n a s p c 单 板机中实现了嵌入式网络连接特性。 美国m b a r i 研究所利用深海机器人( r o vt i b u r o n ) 进行海洋 观测研究，在r o v 系统中采用了嵌入式系统v x w o r k sr t o s 作为 管理软件运行平台负责仪器运行中的全部工作，包括机器人的动 作指令、数据采集与记录、数据的传输等，利用嵌入式的i 0 控 制器与网络技术进行对仪器的控制，取得了巨大的成功。 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 ，采用l i f l u x 技术与运行环境，负责卫星数据、图象产品 的的分析与处理应用，并被用于m o o i s 海洋信息产品处理。 加拿大、日本、英国、法国、芬兰等国家也在海洋仪器嵌入 式系统研究方面取得了很大进展。嵌入式系统在海洋观测领域的 研究与应用是需求的结果，而嵌入式技术的发展也极大地促进海 洋科研工作的进步。 1 3 1 2 主要版本 r t - l in u x r t l i l 3 u x 是嵌入式硬实时操作系统，由美国新墨西哥理工学 院开发，是基于标准l i n u x 的嵌入式操作系统，已成功应用于数 据采集、仪器测控、图像处理等广泛领域。 由于为实现实时特性重写l i n u x 的内核工作量很大，并且很 难保证兼容性，因此r t l i n ( i x 的开发者单独开发了一个精巧的 实时内核，并把标准l i f l u x 作为该实时内核的一个进程执行调度， 实时进程也由该实时内核进行调度，这样对l i n u x 内核的改动非 常小，并且充分利用了l i nl 1 x 下现有的丰富的软件资源。这样底 层硬件发出的中断请求，由r t l i n l l x 的核接受，然后由核根据 需要向l i b u x 的进程或r t - l i n u x 的进程提交，而l i n u x 的进程 和r t l i n u x 的进程之问，是由实时f i f 0 来通信的。 u c i in u x 第一章绪论 u c l i f l u x 由a r c t u r u s 组织开发，是开放源码的嵌入式l i n u x 的典范之作。它并不是为了l i n h 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 i n u x 操作系统。 u c l i n u x 是专为无存储器管理单元( m m u ，m e m o r ym a n a g e m e n t u n i t ) 的c p u 打造的嵌入式l i n u x 操作系统。由于u c l i f l u x 主要 针对无m m u 微处理器开发，因此，在u c l i n u x 上实现多任务功能 是一个比较困难的问题。因此也就限定了u c l i f l u x 上运行的用户 应用程序不能要求多任务功能。另外。由于大多数内核的二进制 代码和源代码都被重写，这进一步缩减了u c l i f l u x 内核的代码。 u c l i n u x 的内核要比原l i n u x2 0 内核小的多，但保留了l i f l u x 操作系统的主要优点：稳定性，优异的网络能力以及优秀的文件 系统支持。由于u c l i f l u x 是基于l i n u x 内核开发的，所以它是在 g n u 公共许可证( g p l ) 下发布的自由软件。 u c l i n u x 已经被成功地移植到了很多平台上。它秉承了标准 l i n u x 的优良特性，保留了l i f l u x 的大多数的优点：稳定、良好 的移植性、优秀的网络功能、对各种文件系统完备的支持和标准 丰富的a p i 。 e m b e d i x e m b e d i x 是一种嵌入式l i f l u x 软件解决方案，由l i n e o 研制， 提供了超过2 5 种的l i n t l x 系统服务，是根据嵌入式应用系统特 点重新设计的l i f l u x 发行版本。e m b e d i x 被设置了唯一的速率、 内存和嵌入式设备的存储需求，系统需要最小8 m b 内存，3 m br o m 或快速闪存e m b e d i x 基于l i n u x2 2 内核，目前可在m o t o r 0 1 a p o w e r p c 、x 8 6 、m i p s 和s u p e r h 上使用。 m o n t a v i s t al i n l i x m o n t a v i s t al i n u x 是m o n t a v is t a 软件公司最新的下一代嵌 入式l i l l i i x 操作平台，广泛地支持各类嵌入式应用，为通信基础 设旋、网络、消费电子、仪表以及工控设备提供标准的嵌入式 l if l u x 平台。m o n t a v is t al i f l u x 基l i f l 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 体系结构的实时抢占式内核。 m e n t a v is t al i f l u x2 1 来自纯l i i l u x 源代码。 b l u e c 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 内核，支持多种处理器，包括i n t e lx s c a le 、1 1 3 t e li x p l2 0 0 网 第一章绪论 络处理器、嵌入式i n t e la r c h i t e c t u r e 等。 x l i n u l 美国网虎公司推出，内核只有1 4 3 k b ，而且还在不断减小 x l i n u x 核心采用了“超字元集”专利技术，让l i f l u x 核心不仅可 能与标准字符集相容，还含盖了1 2 个国家和地区的字符集。因 此，x l i n u x 在推广l if l u x 的国际应用方面有独特的优势。 p o k e t l i f l u x 由a g e n d a 公司的嵌入式l i n u x 操作系统。它可以提供跨操 作系统构造统一的、标准化的和开放的信息通信基础结构，在此 结构上实现端到端方案的完整平台。p o k e t l i n u x 资源框架开放， 使普通的软件结构可以为所有用户提供一致的服务。 m i d o r i l i f l u x 由t r a n s m e t a 公司推出的m i d o r i l i f l u x 操作系统代码开放， 在g u n 普通公共许可( g p l ) 下发布。 1 3 2 国内研究现状 目前，我国非常重视l i f l u x 系统的应用研究，但此前在海洋 领域还没有进行与此相关的研究，目前正初步开展相关应用研究 工作，本项目为首次开展海洋科研与管理信息网络数据采集终端 领域的相关研究工作。 国内开展的一些基于l i n l l x 的嵌入式系统应用工作主要集中 在家电、信息化设备、军事与安全领域，大多采用现有国外成熟 的技术。也有一些公司，根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 f l u x 系统研制，或者直接购买、代理国外的嵌 入式l i f l u x 产品技术。 由北京中科院红旗软件公司推出的嵌入式l i n u x 是国内做得 较好的一款嵌入式操作系统。系统日标一方面是小型化，另一方 面能重用l i f l u x 的驱动和其它模块。有望发展成为功能完善、稳 定、可靠的国产嵌入式操作系统平台。 第二章研制方法与技术路线 第二章研制方法与技术路线 2 1 目标系统定义 嵌入式l i n u x 系统研制的关键技术主要有：操作系统技术、 实时l i n u x 操作系统体系结构技术、硬件抽象层支持技术、系统 可剪裁可配置技术、驱动程序支持技术、高效的实时调度算法、 高速中断处理、高速i 0 吞吐率。 嵌入式系统的特点是面向特定应用，就是说嵌入式系统必须 和具体应用有机地结合在一起，因此必须针对我国海洋管理领域 的现状以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。 最小的嵌入式l ir l h x 系统仅需如下基本组成部分： a 引导工具； b 具备存储管理、进程管理的l i n u x 内核： c 初始化进程。 为让上面的最小嵌入式系统变得有一定实用性，尚需加上一 些内容： d 硬件驱动程序； e 一个或几个应用进程以提供必要的应用功能。 如果进行数据采集和处理，还要用到以下组件： f 文件系统： g 串口、t c p i p 网络协议栈。 课题设计目标系统具备以下基本功能： a 支持x 8 6 体系结构； b 与标准l in i x 系统兼容； c 支持多任务、多进程； d 支持d o c 、c f c 电子盘； e 支持网络通信； f 支持串口通信。 目标系统包括嵌入式l i n h x 操作系统、p c 1 0 4 单片机、扩展 网络接口卡、i o 及相关外围设备组成。l i n u x 内核采用2 2 2 0 版本，p c 1 0 4 采用3 8 6 级c p u 。 第二章研制方法与技术路线 海洋管理移动终端设备主要用于数据采集和检索处理，没有 高实时特性的要求，因此在面向海洋管理系统的嵌入式l i n u x 中 不要求具备实时特性。 2 2 嵌入式l if l u x 系统 所谓嵌入式系统，就是以应用为中心、以计算机技术为基础、 软硬件可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求， 将硬件和软件进行有机结合，并以硬件的形态表现的系统。嵌入 式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及 应用软件系统等组成，可独立工作，嵌入式系统是一个软硬件结 合的整体，并专门为某种应用定制，结合具体应用开发。 分析其特征，嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用 的。嵌入式系统的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、 电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，是针对具体应用的专 用系统。与通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都必须高 效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样功耗的平台上实 现更高的性能。 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软 件，是嵌入式系统的核心，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、 系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器 等。嵌入式操作系统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量，提高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 统的一些基本功能，但也必须以应用为中心，最大限度地适应应 用系统的需要。 嵌入式系统中是否需要嵌入式操作系统应根据具体目标系 统的应用需求来决定。许多嵌入式系统根本就没有操作系统，只 不过有一个控制环而已。对很简单的嵌入式系统来说，这可能已 经足够，但是，随着嵌入式系统越来越复杂，操作系统的利用就 显得非常重要，因为否则的话，将使( 控制) 软件复杂度变得极不 合理。然而，现实中确实有一些复杂的另人生畏的嵌入式系统， 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 操作系统。 l i n u x 足一个和u n i x 相似、以核心为基础的、完全记忆体保 第二章研制方法与技术路线 护、多任务、多进程的通用操作系统，支持广泛的计算机硬件， 内核源码全部公开，可以在g n u 通用公共许可证( g e n e r a lp u b l i c l i t e n s e ) 下对其修改并免费使用。这样，可以实现对操作系统底 层的完全定制，实现自主化，从根本上保证了系统的安全。l i n l l x 带有u n i x 用户熟悉的完善的开发工具，几乎所有的u n i x 系统的 应用软件都已移植到了l ir lr t l x 上，为软件开发提供了强大的支持。 嵌入式l i n u x 就是经过小型化裁减与定制，根据目标系统的 要求而设计，由一个体积很小的内核和可裁减系统模块、系统软 件组成，占用几k 到几兆内存，无须复杂外围设备支持运行，应 用于各种特定嵌入式环境的操作系统。 与其它嵌入式操作系统相比，l i n u x 的特点在于完全开放源 代码、完全免费、应用广泛、具备遍布全球的技术支持，这对降 低系统成本、实现软件产权自主化和增强系统安全性起到重要作 用，同时也决定了可以根据应用需求的不同定制不同的l i n u x 作 为嵌入式系统。 2 3l in u x 系统精简 由于l if l u x 具备了用以执行嵌入功能的基本内核以及各种用 户界面元素，所以l i n u x 能处理嵌入性任务和有关用户界面两方 面的作业。可以把l i n u x 看作一个从一个只有内存管理、任务调 度和定时器服务的缩简的内核到可以支持各种文件系统和多种 网络服务的系统。 嵌入式l i n u x 设计的主要困难就是根据内存与处理器速度等 方面的限制，减少系统所需的资源，做到系统的精简。一个小型 的嵌入式l i n u x 系统只需要三个基本元素：引导工具、l i n u x 内 核、初始化进程，还可以根据应用系统的需要添加相应的硬件驱 动程序、文件系统、网络堆栈、应用程序等。 总之，一个好的嵌入式l in u x 系统设计应该具备以下条件： f 1 占用资源少； b 有较好的性价比； c 与硬件平台有良好的协作； d 系统开销少。 因此，在建立嵌入式l i n u x 的过程中，可以从标准的发行版 入手，裁减不必要的模块，也可以从内核开始自己搭建一个全新 第二章研制方法与技术路线 的l i n u x 操作系统。 本研究工作采用从内核开始完全自己搭建全新l i n u x 操作系 统的方式，系统精简工作把构成嵌入式l i n u x 系统的各要素作为 入手点。对系统做最小化处理。 标准l i n u x 具有虚拟内存的功能，这种特性使得应用程序可 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 不需要这种功能，因为海洋自动观测系统中数据采集与处理部分 的软件对系统资源要求不高，而且虚拟内存会给系统带来无法控 制的时间因素，从而降低系统的响应速度、降低系统性能。但是， 清除l i f l u x 内核虚拟内存管理的代码非常复杂，而且通过虚拟内 存支持的文本共享功能可以增强应用软件的功能。因此，如何做 到既精简内核又保证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 i r h x 精简的基本步骤如下： a ，重新编译l i n t l x 内核，去掉不需要的模块； b 制作嵌入式l i n u x 文件系统； c 制作系统启动引导程序； d 编写系统初始化脚本； e 添加必要的应用程序。 2 4p o 1 0 4 及存储介质 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 年来在国际上广泛流行，被i e e e 协会定义为i e e e - p 9 9 6 1 。 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 1 就可以看出，p c 1 0 4 实质上是一种紧凑型，小型化 的i e e e p 9 9 6 。其型号定义和p c a t 基本一致，但电气和机械规范 却完全不同，是一种优化的，小型堆栈式结构的嵌入式控制系统。 p c 1 0 4 是一个国际标准，凡是p c 1 0 4 产品，都必须符合规 范，其大小、高度、固定方式都有严格的规定：尺寸：9 0 x9 6 m 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；层叠栈接方式：体积小、可靠性高、安装灵活：集成度高， 一般c p u 在板，内存在板，并已经带有c r t l c d ，l d e 等外围接 口；与普通p c 完全兼容；具有p c 1 0 4 或p c 1 0 4 + 扩展总线；低 功耗等。 第二章研制方法与技术路线 p c 1 0 4 总线产品软件上与p c x t 和p c a t 完全兼容，在硬件 上与p c a t 主要存在着以下几方面的不同： a 小尺寸结构，标准模块的机械尺寸为：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 总线模块之间 总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬和相连，有极好的 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 1 0 4 有两个版本，8 位、1 6 位分别与p c x t 和p c a t 相对 应。p c 1 0 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( 单列双排插针和插孔) ，1 6 位为 ( 6 4 + 4 0 = ) 1 0 4 个总线管脚( 双列双排插针和插孔) ，其有效信号线 和控制线完全与“p c x t ”和“p c a t ”兼容。p c 1 0 4 + 为单列三 排1 2 0 个总线管脚，有效信号线和控制线和p c i 总线完全兼容。 与我们的计算机一样，一个计算机主板可以同时拥有p c a t 和 p c i 总线，一个p c 1 0 4c p u 模块则可以同时拥有p c 1 0 4 和 p c 1 0 4 + 总线。 p c 1 0 4 技术具备如下特点： a 将“嵌入式”的概念引入总线； b 连接形式更加可靠、灵活； c 模板工作温度范围宽； d 应用a l 卜i n o n e 技术提高其可靠性和性能； e 电源要求简单； f 支持d is k o n c h i p 、c f c 等电子盘： g 网络支持； h 与p c 兼容。 根据当前存储技术的发展，增强系统的可选择性，满足降低 成本与功耗等多方面的要求，在本项目的嵌入式l i n h x 系统研制 过程中，同时选用了基于d o c 与c f c ( f f 卡，c o m p a c t f l a s h ) 电 子盘，并开展系统研制工作。 d o c 是由以色列m s y s t e m s 公司专有t r u e f f s 技术生产的 3 2 管脚芯片级f l a s h 固态电子盘，运用8 k 窗口映象f 1 a s h 文件 系统，使其f la s h 阵列容量不断扩张，其- 4 0 c - + 8 5 c 宽温产品已 第二章研制方法与技术路线 成为嵌入式和工业控制领域的主流产品，d o c 电子盘需要专用的 驱动程序支持才能作为数据存储器使用。 c f c 是一种采用f l a s h r a m 芯片为基本存储单元的新型电子 盘模块，它采用双排高密5 0 p i n 即c o m p a c t f l 8 s h 接口，这种接 口是a t a 兼容的，针脚电气数据定义和i d e 接口一样，只是将电 源脚也加进去，且排列更紧密，体积更小，接口传输速度1 6 m 秒、内部传输速度1 4 m 秒。 电子盘是以半导体芯片来存贮数据的，而硬盘以磁头、盘片 等机械式驱动装置来记录数据。随着技术的进步，硬盘作为一种 机械式的记录装置，它本身的抗震、抗冲击的能力、体积、功耗 等性能没有很大提高；电子盘作为一种固态存储设备，它采用的 是半导体芯片来保存数据，而不是象硬盘那样依靠磁头来读取高 速旋转碟片的数据。虽然固态电子盘容量比普通硬盘较为小，但 由于固态电子盘体积很小、功耗也非常低、有极强的抗震性能， 因此在一些对电源功耗要求苛刻、空间狭小的嵌入式场合，固态 电子盘有它很独到的优势，加之目前自动化、智能设备终端等领 域的技术日趋成熟，嵌入式操作系统的广泛使用，使得固态电子 盘得到广泛的应用。 第三章l i n u x 内核分析 第三章l i n u x 内核分析 根据课题目标及技术路线，本章重点论述了l i n u x 内核组成、 系统引导与初始化过程。限于论文篇幅，本章简要论述了l i n u x 内存管理机制、进程管理、文件系统、设备管理。 3 1 概述 3 1 1 内核组成 内核是操作系统的内部核心程序，它向外部提供对计算机设 备的核心管理调用。l i n u x 内核的主要功能是资源抽象、资源分 配、资源共享。 l i n u x 内核主要由五个子系统组成： a 进程调度( s c h e d ) ：控制进程对c p u 的访问。 b 内存管理( m m ) ：允许多个进程安全的共享主内存区域。 c 虚拟文件系统( v i r t u a lf i les y s t e m ，v f s ) ：隐藏各 种硬件的具体细节，为所有的设备提供了统一的接口。 d 网络接口( n e t ) ：提供了对各种网络标准的存取和各种 网络硬件的支持。 e 进程间通讯( i p c ) ：支持进程间各种通信机制。 有的划分方式中还将系统引导与初始化、设备管理、模块管 理、中断管理等作为l in u x 内核的相对独立组成部分。 l i n u x 内核的各个组成部分可以相互独立分析，但其中的关 系又是非常密切的，内核的各部分之间以进程管理为核心，内存 管理、进程间通信、虚拟文件系统和网络接口之问通过进程调用 互相通信。图3 - 1 所示为l i n u x 内核各部分之间关系。 进程调度处于中心位置，所有其它的子系统都依赖它，因为 每个子系统都需要挂起或恢复进程。一般情况下，当一个进程等 待硬件操作完成时，它被挂起；当操作真正完成时，进程被恢复 执行。 除了这些依赖关系外，内核中的所有子系统还要依赖于一些 共同的资源。这些资源包括所有子系统都用到的过程。例如：分 配和释放内存空间的过程，打印警告或错误信息的过程，还有系 统的调试例程等等。 第三章l i n u x 内核分析 图3 - 1l i n u x 内核各部分之间关系 根据研制工作需要和操作系统理论的基本原理，本章按照以 下的划分方式对l i n l l x 内核进行了分析。 a 系统引导与初始化 b 内存管理 c 进程管理 d 文件系统管理 e 设备管理 f 内核模块 l i f l u x 的内核体系采用的是单内核体系结构( m o n 0 1 i t h ic ) ， 在这种体系结构中，内核的所有部分都集中在一起，而且所有的 部件在一起编译连接。这样虽然能使系统的各部分直接沟通，有 效地缩短任务之间的切换时间，提高了系统的响应速度，实时性 好并提高了c p u 的利用率，但在系统比较大的时候体积也比较大， 与嵌入式系统容量小、资源有限的特点不符合。 另一种内核体系结构一微内核体系结构( m ic r o k e r n e l ) ，在 内核中只包括了一些基本的内核功能如创建和删除任务、任务调 度、内存管理和中断处理等部分，文件系统、网络协议栈等部分 第三章l i n u x 内核分析 都是在用户内存空间运行，这种结构由于在各层之间调用会有一 定的消耗使执行效率不如单内核体系结构。 微内核体系结构大大减小了内核的体积，同时也极大地方便 了整个系统的升级、维护和移植，而单内核体系结构没有这方面 的优点，因此l i n u x 采用模块的概念有效地弥补了单一内核体系 结构的在这方面的不足，同时避免了引入微内核体系结构带来的 性能损失。 3 1 2 内核文件结构 1 i n t l x 的内核文件有多种格式，老式的z i m a g e 和新型的 b z i m a g e 。它们之间最大的差别是对于内核体积大小的限制。由 于z i m a g e 内核需要放在实模式1 m b 的内存之内，所以其体积受 到了限制。目前采用的内核格式大多为b z i m a g e ，这种格式没有 1 m b 内存限制。 b z i m a g e 内核从前向后分为3 个部分，前5 1 2 字节被称为 b o o t s e c t ，这就是软盘引导1 i n u x 时用到的b o o t l o a d e r ，如果不 从软盘引导，这部分就没有用，其中存储了一些编译时生成的内 核启动选项的默认值。从5 1 2 个字节开始的5 1 2 * n 个字节称为 s e t u p 部分，这是l i n u x 内核的实模式部分，这部分在实模式下 运行，主要功能是为保护模式的l i n u x 内核启动准备环境。这个 部分最后会切换进入保护模式，跳转到保护模式的内核执行。最 后的部分就是保护模式的内核，也就是真正意义上的1 i n u x 内核。 其中n 的大小可以从b o o t s e c t 后半部得到。 in i t r d 是“i n i t i a lr a m d is k ”的简写。i n i t r d 一般被用来 临时的引导硬件到实际内核v m l i l t l z 能够接管并继续引导的状 态。比如，使用的是s c s i 硬盘，而内核v m l i n u z 中并没有这个 s c s i 硬件的驱动，那么在装入s c s i 模块之前，内核不能加载根 文件系统，但s c s i 模块存储在根文件系统的1 ib m o d u le s 下。 为了解决这个问题，可以引导一个能够读实际内核的i n i t r d 内 核并用i n j t r d 修正s c s i 引导问题。 s y s t e m m a p 是个特定内核的内核符号表。l i n u x 内核是一 个很复杂的代码块，有许许多多的全局符号。l i n u x 内核不使用 符号名，而是通过变量或函数的地址来识别变量或函数名。 第三章l i n u x 内核分析 3 2 l in u x 引导与初始化 3 2 1 概述 在机器启动之前，操作系统驻留在存储器，需要系统引导与 初始化程序将操作系统内核读入内存，从而启动系统。系统启动 的过程实际上是计算机将操作系统读入内存，并由操作系统接管 机器的控制权，完成操作系统初始化运行的过程。 当系统启动时，嵌入式系统c p u 启动一个位于闪存r o m 中的 已知地址处的程序。第一阶段的引导加载程序被装入r a m 并执行， 这个引导加载程序的作用是加载第二阶段的引导程序。第二阶段 的引导加载程序将l i n u x 和一个可选的初始r a m 临时根文件系 统加载到内存中，在加载映像时，第二阶段的引导加载程序就会 将控制权交给内核映像，然后内核就可以进行解压和初始化了。 第二阶段的引导加载程序检测系统硬件、枚举系统链接的硬件设 备、挂载根设备，然后加载必要的内核模块。完成这些操作之后 启动第一个用户空间程序i n i t ，并执行高级系统初始化工作。这 就是l i l 2 u x 引导的整个过程。 系统启动阶段依赖于引导l i l l u x 系统上的硬件，在嵌入式平 台中，当系统加电或重置时，将l i n u x 内核映像下载到闪存并 继续执行。除了可以存储并引导l j n u x 映像之外，这些引导监 视器还执行一定级别的系统测试和硬件初始化过程。 如果以系统控制权为标准划分，启动过程可以分为三部分： b i o s 控制阶段、引导程序控制阶段、内核控制阶段，之后系统开 始初始化，并运行用户进程。 图3 - 2 描述了l ir l l l x 系统启动过程。 第三章l i n u x 内核分析 p c 1 0 4 机加电，c p u 自检与初始化 竺 b i o s 中的程序运行，并检测机器 暑 主 上 l b i o s 将磁盘引导扇区读入内存 | i 引导程序开始运行 ；上 专l 引导程序将操作系统内核读入内存 内核开始运行，并初始化系统 ! 上 内核开始运行用户进程 图3 - 2l i n u x 系统启动过程 3 2 2b l0 s 控制阶段 系统启动的最终目的是将l i n u x 内核装入内存，并将计算机 的控制权交给内核。 从对单片机加电开始，p c 1 0 4 单片机的c p u 启动并完成自检 后，c p u 处于实地址模式，执行的第一条指令地址是o x f f f f o h 。 b i o s 开始加电自检( p o s t ) 然后进行本地设备的枚举和初始化。 b i o s 由两部分组成：p o s t 代码和运行时服务。当p o s t 完成之 后，b i o s 运行时服务依然保留在内存中，目标操作系统可以使 用这些服务。b i o s 按照c m o s 的设置定义的顺序搜索处于活动状 态并且可以引导的设备，其中主引导记录( m b r ) 中包含主引导 加载程序。m b r 是一个5 12 字节大小的扇区，位于磁盘上的第 一个扇区中( 0 道0 柱面1 扇区) 。当m b r 被加载到r a m 中 之后，b 1 0 s 就会将控制权交给m b r 。 使用命令：# d di f = d e v h d ao f = m b r b i nb s = 5 12c o h n t ：l # o d x am b r 可以查看m b r 的内容。 引导程序在内存中的初始地址为o x 7 c o o h ，完成将引导程序 读入内存的工作后，c p u 指令地址被跳转到o x 7 c o o h 处开始执行 该引导程序。 第三章l i n u x 内核分析 以上是b i o s 控制阶段所完成的主要工作。图3 - 3 描述了该 阶段系统m b r 在引导盘上的组织情况。 图3 - 3 引导盘组织情况 3 2 。3 引导程序控制阶段 引导程序是在创建