（精密仪器及机械专业论文）嵌入式Linux家庭网关系统研究与实现(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 摘 要 数字家庭网络是集计算机、 通信、 消费技术于一体的3 c 系统， 它实现了家 庭中各种可能的设备之间的信息交换和远程监控。以对家庭网关的研究作为突 破口，将有可能在以后的竞争中占 据制高点， 取得良 好的经济和社会效益。 本文主要围绕着如何实现基于嵌入式 l i n u 、的家庭网关系统的一些关键问 题展开讨论和研究。首先介绍了常用的嵌入式操作系统，在综合比较现有的各 种嵌入式操作系统的基础上，分析了使用 l i n u x 构造家庭网关操作系统的优缺 点，并针对l i n u x的实时性提出了改进方法，同时介绍了l i n u x 裁减过程;介 绍了嵌入式l i n u x 下常见的文件系统，详细分析了j f f s 2 文件系统并提出了改 进方案: 接着介绍了u s b 协议以 及u s b 设备的具体实现; 介绍了嵌入式l i n u x 下 网关设备的实现及其驱动的编写， 并给出 基于u s b 的网关设备驱动编写的实例: 分析了智能家庭网关模型， 提出一种家庭网关的实现方案，包括硬件和软件实 现两部分，并介绍了网关安全性问题以及在l in u x 下的解决方法。 关键词:家庭网关， 嵌入式系统， l i n u x ， 实时性， u s b 西北工业大学硕士学位论文 ab s t rnc t a b s t r a c t d i g i t a l h o m e n e t w o r k i s c a l l e d 3 c s y s t e m , w h i c h i n c l u d e s c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n a n d c o n s u m e r t e c h n o l o g y . i t c o n n e c t s a l l k i n d s o f p o s s i b l e e q u i p m e n t s t o r e a l i z e i n f o r m a t i o n s w i t c h i n g a n d r e m o t e s u r v e y a n d c o n t r o l . i f w e t a k e t h e r e s e a r c h o f h o m e n e t w o r k g a t e w a y a s a b r e a k t h r o u g h , i t i s p o s s i b l y t h a t w e c a n w i n a g r e a t a d v a n t a g e o v e r o t h e r o p p o n e n t s i n t h e f u t u r e c o m p e t i t i o n a n d g a i n g r e a t s o c i a l a n d e c o n o m i c b e n e f i t . i n t h i s t h e m e s o m e v i t a l p r o b l e m s o f h o w t o r e a l i z e h o m e g a t e w a y b a s e d o n e m b e d d e d l i n u x i s p u t f o r w a r d a n d r e s e a r c h e d . f i r s t o f a l l s o m e c o m m o n - u s e d e m b e d d e d s y s t e m s i s i n t r o d u c e d . w e c o m p a r e t h e s e s y s t e m s a n d a n a l y z e t h e a d v a n t a g e a n d d i s a d v a n t a g e o f t h e h o m e g a t e w a y c o n s t r u c t e d b y l i n u x , a n d g i v e t h e m e t h o d t o i m p r o v e t h e r e a l t i m e a b i l i t y a t t h e s e e m t i m e t h e w a y o f r e d u c i n g t h e e m b e d d e d l i n u x i s i n t r o d u c e d . t h e n c o m m o n u s e d f i l e s y s t e m s u n d e r e m b e d d e d l i n u x a r e i n t r o d u c e d . j f f s 2 f i l e s y s t e m i s a n a l y z e d i n d e t a i l , a n d a f t e r t h a t i m p r o v e d m e t h o d i s p u t f o r w a r d . u s b p r o t o c o l i s i n t r o d u c e d , a n d u s b d e v i c e i s b u i l t w i t h s o f t w a r e a n d h a r d w a r e . t h e n e x a m p l e o f u s b d r i v e r o f g a t e w a y d e v i c e i s g i v e n . a f t e r t h a t w e a n a l y z e t h e m o d e l o f i n t e l l i g e n t h o m e g a t e w a y , a n d p u t f o r w a r d t h e m e t h o d o f r e a l i z e t h e h o m e g a t e w a y , w h i c h i n c l u d e s s o f t w a r e a n d h a r d w a r e . t h e n i n t r o d u c e t h e s e c u r i t y p r o b l e m i n t h e h o m e g a t e w a y a n d t h e s o l u t i o n u n d e r l i n u x s y s t e m k e y w o r d s : h o m e g a t e w a y , e m b e d d e d s y s t e m , l i n u x , r e a l 一 t i m e , u s b 1 1 西北工 业大学硕士学位论文 绪论 第一章 绪论 1 . 1家庭网络概述 人类社会已 经迈入了二十一世纪， 科学技术正以前所未有的速度向 前发展， 并 越来越深刻的影响着社会生活的各个层面。 移动通信、 计算机和 i n t e r n e t 等 昔日仅用于少数专业领域的高深技术如今正日益广泛的服务于社会生产和大众 生活的方方面面。经过近2 0 年的发展，互联网已经成为一个连接世界上不同国 家和地区的巨大的通信系统， 并成为社会结构的基本组成成份， 家庭中的通信方 式也随之发生着巨大的变化，目 前在全世界范围内己经拥有数十亿互联网用户。 所有这些发展与变化都使得人们对在家庭中 共享 i n t e r n e t 访问、 p c 、电 话线、 外设和其他信息产生了强烈需求。 正是这种需求， 极大地促进了家庭网络产品市 场的迅猛发展。同时随着数字化产业的蓬勃发展，手机、笔记本电脑、p d a 、数 字家用设备以及其它的设备在生活中得到了 越来越广泛的 应用， 数字网 络正逐步 进入中国居民的家庭中， 出现了网络冰箱、 互动电视、 网络微波炉等一系列数字 信息家电。 数字家庭通常又称为家庭网 络 ( h o m e n e 七 ) 、电 子家庭 ( e l e c t r o n i c h o m e ) 、网络家居 ( n e t w o r k h o m e )或者是家庭自 动化 ( h o m e a u t o m a t i o n ) ，他 们都表达了同样的一个意思: 一个家居中的各种电子设备都由一个家庭网络来监 测 和 控 制 。 数 字 家 庭 网 络 是 集 计 算 机、 通 信 和 消 费 技 术 于 一 体 的3 c 系 统 d l ， 是 后p c 时代i t 业的又一大热点， 它实现了将家庭中的各种可能的设备 ( 电 视、 数 码相机、 冰箱和照明 灯等) 进行互连， 以 及设备之间的 信息交换和对设备的 远程 监控。 一个完善的家庭网络包括高速数据通信， 高速的音频/ 视频 ( a / v ) 信号传输 和低速控制三部分，各部分通过一个类似网关的平台，对外与互联网、有线/ 无 线通信线路相连， 对内将各部分的设备连接起来， 实现各设备之间相互通信， 数 据交换、 存储和控制。 据业内人士预测， 互联网应用的进一步发展趋势将是网络 化与智能化产品的结合， 即与互联网相连的各种智能设备之间可以相互交流与双 向 控制，并实现远程监控与监测。 二些竺竺丝兰巡些匕一一一一_绪 论 1 . 2嵌入式系统和嵌入式应用 嵌入式系统是以应用为中心， 以计算机技术为基础， 并且软硬件可裁减， 适 用 于 应 用 系 统 对 功 能 、 可 靠 性 等 有 严 格 要 求 的 专 用 计 算 机 系 统 z 1 ， 实 时 性 是 嵌 入 式系统的基本要求。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、 半导体技术、电子技术 和各行业的具体应用相结合的产物，嵌入式系统和具体的应用是结合在一起的。 在嵌入式系统中， 操作系统和应用软件集成于计算机硬件系统之中， 与专用硬件 一体化。 嵌入式系统最早出现在2 0 世纪6 0 年代后期， 先是在通信领域， 七十年代后 扩展至工业领域， 此时大部分的嵌入式系统并不采用操作系统， 它们只是为了实 现某个控制功能， 使用一个简单的循环控制对外界的控制请求进行处理。 随着嵌 入式硬件工艺和技术的进步， 嵌入式软件也在不断的发展， 软件语言逐渐的从汇 编到p l / m , c 甚至c +, j a v a 等高级语言， 在操作系统的结构上也从单一的控 制流程，逐渐引入了专用嵌入式操作系统技术。 今天由嵌入式应用带来的工业产值己超过1 万亿美元， 正在成为信息技术产 业争夺的重点之一。据统计，每年只有 1 0 %-2 0 %的计算机芯片是用于台式机 或笔记本，这就意味着每年有1 0 - 2 0 亿块c p u 是为嵌入式系统设计和制造的。 每年有超过1 万个新的嵌入式系统计划产生， 应用范围涉及到社会生活的方方面 面。目 前嵌入式技术在信息家电、移动通信、仿真系统、医疗仪器、手持设备、 a u t o p c ,智能电 话、机顶盒 ( s t b )以 及工业控制领域中得到了 广泛应用。 嵌入 式系统的应用前景非常广泛， 人们将会无时无处不接触到嵌入式产品， 从家里的 洗衣机、电 冰箱， 到作为交通工具的自 行车、 小汽车， 到办公室里的远程会议系 统等等。 针对如此巨 大的市场和如此广阔的 应用前景， 围绕嵌入式系统展开 研究和开 发也就成了计算机软硬件技术发展最活跃的方向之一。 嵌入式系统的研发和生产 也给我国信息产业实现跨越式发展提供了良好的机遇。 西 北工业大学硕士学位论文绪论 1 . 3家庭网关的提出 在传统家庭网络中很多设备所采用的主处理器不过是一些8 位或1 6 位的 微 控制器，具有的净空根本不能满足t c p / i p 协议栈的要求。这时候如果需要实现 和网络的连接， 有几种方案可以选择: 可以另外增加一个微处理器， 这样需要增 加成本; 或者改变原来的8 位或1 6 位处理器的设计， 这样不但需要增加成本， 还需要耗费一定的时间:另外， 还可以 利用一个代理协议， 间接实现向t c p / i p 的过渡。 举例来说， 如果想通过互联网来远程控制家庭中的照明灯， 或控制温度自 动 启动装置 ( 如自动火警警报系统) ，为照明灯或温度启动装置分别都安装t c p / i p 协议栈， 所增加的成本费用是难以接受的。 此外， 一个照明灯所需要接收的信息 不过是开、闭或减弱等少数几条简单的信息，单独通过一个t c p / i p 协议栈直接 和互联网连接也太不值得了， 家用设备的制造厂商从成本方面考虑， 是不会随便 提高c p u 的档次来实现上网功能的， 因为上网的功能对于某些家用设备( 如冰箱、 洗盘机等) 来说， 最多也不过是增加了一些微不足道的特性而已。 折中的方案是 通过在家电设备和网关之间建立一个协议代理 ( p r o x y p r o t o c o l) ，让网关将 信息经过翻译再送交 t c p / i p ，使照明灯和互联网之间实现 “ 桥接” 。 而这些厂 商是乐意在其产品中设置花费不多的代理协议的。 试举一个简单的例子， 一个通过互联网控制的仪表， 它和控制它的 服务器之 间只需要交换很少量的几个字节的数据， 根本不需要功能完整的t c p / i p 协议去 管理只有几字节的数据。 网关完全可以担当得了翻译转换的业务， 将代理协议提 供的数据转换成t c p / i p 需要的数据， 或将t c p / i p 发送的数据转换后提供给代理 协议。 在有些应用产品中虽然对t c p / i p 协议具有完整的支持功能.网关仍然具有 一定的存在价值， 因为在一些家庭的网络应用中， 可能有好几个协议同时被使用， 例如， 家 庭的网络节点可能 采用的是t c p / i p 协议;电力线则可能采用x -1 0 协 议:电 话线则可能采用的是 h o m e p n a协议;无线电方面则可能采用 8 0 2 . 1 1 , h o m e r f , 蓝 牙 、 或 蜂 窝 电 话 协 议 (6 网 关 则 可 以 作 为 所 有 这 些 协 议 之 间 通 信 的 桥 西北工 业大学79 1 十学位论文绪论 梁。 最后值得一提的是，即使对于采用了完整的嵌入式t c p / i p 协议栈的场合， 仍然可以利用网关进行系统管理。 安全保卫的功能也最好留给网关来完成比 较适 宜， 网关对若干个节点只需安装一个防火墙， 而不需要对每一个节点安装一个防 火墙。 网关还可以 将一部分设备的功能从联网的负载中抽出来， 例如采用代理协 议的方式，或者安装一个经过精简的t c p / i p 协议栈，就可以降低每一个设备节 点对处理器所需性能的要求。 1 . 4研究现状 目 前数字家庭网络在欧美等发达国 家发展很快， 需求量也很大， 智能数字家 庭网络已 进入实用阶段。 国际上一些著名的大公司纷纷加入到这个市场， 他们不 仅研制和开发数字家庭网络平台和相关的标准，还推出了一系列的家庭网络接 口，如接口 卡、家庭网关和小型服务器等。 与此同时数字家庭网络在我国也有了一定的发展， 但是目 前我国小区和家居 的智能化水平刚起步， 多为专用智能化产品: 如单独的防盗报警系统、 孤立的门 禁系统、 独立的紧急呼救系统、自 成系统的灯光控制系统、 远程抄表系统和机顶 盒等。这些系统一般都有独立的c p u 控制，多为8 位或 1 6 位的单片机，除了控 制作用外， 一般情况下它们都有一定的通信功能， 这就为构建分布式家庭控制系 统提供了前提。 分 布 式 控 制 是 智 能 化 数 字 家 庭 网 络 发 展 的 必 然 趋 势 4 7 。 在 分 布 式 控 制 网 络 中， 各个设备本身都应具有独立工作的能力和一定的通信功能。 通常这些设备是 由8 位或1 6 位的单片机来直接控制， 和网关打交道的就是这些单片机系统。 这 些控制器在网络中的地位是平等的， 它们用于控制某个或某些设备， 完成的功能 也相对比较简单，某一个设备发生损坏对网络的其他设备没有太大的影响。 由于各种单片机的通信协议并不尽相同， 而且设备通信协议还有不断增加的 趋势。 如何实现在不同的协议设备之间交互是实现家庭网络化的一个难点， 同时 家庭设备上网也是今后发展的一个趋势，但是要在8 位或1 6 位m c u 上实现完整 的i n t e r n e t 通信协议是比较困难的，如果将现有的嵌入式系统中的m c u 都换成 3 2 位 或6 4 位 的 高 性 能 处 理 器 ， 从 经 济 和 现 实 性 上 来 说 都 不 太 可 能 , 7 西北工 业大学79 1 十学位论文绪论 梁。 最后值得一提的是，即使对于采用了完整的嵌入式t c p / i p 协议栈的场合， 仍然可以利用网关进行系统管理。 安全保卫的功能也最好留给网关来完成比 较适 宜， 网关对若干个节点只需安装一个防火墙， 而不需要对每一个节点安装一个防 火墙。 网关还可以 将一部分设备的功能从联网的负载中抽出来， 例如采用代理协 议的方式，或者安装一个经过精简的t c p / i p 协议栈，就可以降低每一个设备节 点对处理器所需性能的要求。 1 . 4研究现状 目 前数字家庭网络在欧美等发达国 家发展很快， 需求量也很大， 智能数字家 庭网络已 进入实用阶段。 国际上一些著名的大公司纷纷加入到这个市场， 他们不 仅研制和开发数字家庭网络平台和相关的标准，还推出了一系列的家庭网络接 口，如接口 卡、家庭网关和小型服务器等。 与此同时数字家庭网络在我国也有了一定的发展， 但是目 前我国小区和家居 的智能化水平刚起步， 多为专用智能化产品: 如单独的防盗报警系统、 孤立的门 禁系统、 独立的紧急呼救系统、自 成系统的灯光控制系统、 远程抄表系统和机顶 盒等。这些系统一般都有独立的c p u 控制，多为8 位或 1 6 位的单片机，除了控 制作用外， 一般情况下它们都有一定的通信功能， 这就为构建分布式家庭控制系 统提供了前提。 分 布 式 控 制 是 智 能 化 数 字 家 庭 网 络 发 展 的 必 然 趋 势 4 7 。 在 分 布 式 控 制 网 络 中， 各个设备本身都应具有独立工作的能力和一定的通信功能。 通常这些设备是 由8 位或1 6 位的单片机来直接控制， 和网关打交道的就是这些单片机系统。 这 些控制器在网络中的地位是平等的， 它们用于控制某个或某些设备， 完成的功能 也相对比较简单，某一个设备发生损坏对网络的其他设备没有太大的影响。 由于各种单片机的通信协议并不尽相同， 而且设备通信协议还有不断增加的 趋势。 如何实现在不同的协议设备之间交互是实现家庭网络化的一个难点， 同时 家庭设备上网也是今后发展的一个趋势，但是要在8 位或1 6 位m c u 上实现完整 的i n t e r n e t 通信协议是比较困难的，如果将现有的嵌入式系统中的m c u 都换成 3 2 位 或6 4 位 的 高 性 能 处 理 器 ， 从 经 济 和 现 实 性 上 来 说 都 不 太 可 能 , 7 西北工业大学硕上学位论文绪论 由于家庭网络设备这些自 身条件的限制， 要实现设备的智能化和网络化功能 的核心就是有一个性价比优越且能适合实时应用的高性能微处理器或微控制器 以及相对完善成熟的嵌入式操作系统构成的家庭网关。 目 前我国对智能数字家庭网络的研究才刚刚起步，需要研究解决的问题很 多， 包括硬件设备和相应的软件产品， 其中网关和用户接口技术是研究的重要课 题之一。 嵌入式家庭网关的研究中涉及到许多关键技术， 如现场总线的研究、 嵌入式 网关协议、 实时多任务操作系统和( r t o s ) 嵌入式系统的实现等。 要实现嵌入式轻 型网关首先要确立 i n t e r n e t 总体网络结构，确立总体网络结构很重要的一点是 要确立嵌入式网络的连接方式。目前有如下两种解决方案: 方案一 把标准网络技术 ( t c p / i p )一直扩展到嵌入式设备，由 嵌入式系统 自 身实现w e b 服务器功能。 这个方案方便可靠， 但迄今为止， 没有一个公司推出 独立的、完整的服务器。主要的困难在于m c u w e b 上面的各种通信协议对于计算 机存储器、运算速度等要求比 较高，目 前在大量工业 i n t e r n e t 领域中采用的通 信协议大都是基于8 位或1 6 位单片机的， 如果将现有嵌入式系统中的m c u 都更 换成3 2 位的高性能处理器，从经济性和现实性上来说都不太可能。 方案二w e b c h i p技术， 就是将嵌入式系统使用轻网络通信技术( 如c a n , r s - 4 8 5 等) 与专用嵌入式网关连接， 嵌入式网关运行t c p / i p 协议，并提供t c p / i p 到用户的轻型网络 ( r s 4 8 5 , c a n 等)的 连接和路由 功能。嵌入式网关有灵活 的位置， 也可以专用化， 并且能够预防病毒攻击; 还可以同时管理多个嵌入式设 备， 从而提高嵌入式网络的结构化、 智能化、 浏览信息资源的归一化， 并具有较 高的性能价格比优势。 目前， 基于l i n u x 的嵌入式系统在控制、 信息家电和p d a 等领域有越来越多 的应用，可以 将l i n u x 很方便的移植到家庭网关中，这是目 前研究的一个方向。 同时在国内智能家庭网络开发应用方面， 企业各自 为政， 导致产品的接口 协议各 不相同， 缺乏统一的行业标准， 无形中增加了家庭设备之间通信的难度， 如何能 协调不同设备之间的通信，也是目前比较关注的问题。 西 北工业大学 硕士 学位论文绪 论 1 . 5研究意义 据估计仅数字家庭网络产品本身就有数千亿的市场容量， 而由数字家庭网络 所带动的家电 行业、 远程医疗设备等所牵动的市场也不容小窥， 同时将带动相关 的 服 务 性 行 业 的 人 才 市 场 及 相 关 产 业 (6 ) 7 1 。 如 果 能 抓 住 机 遇 ， 以 对 家 庭 网 关 的 研 究作为突破口， 将有可能在以后的竞争中占 据制高点， 取得良 好的经济和社会效 益。研究基于嵌入式l i n u x家庭网关控制系统有如下的意义: 1 .充分利用l i n u x 作为免费开源操作系统的诸多优点，节约软件投入，缩短开 发周期; 2 .利用l i n u x 卓越的网络功能，实现对家庭设备的防火墙的功能以及其它相关 的信息安全需求，不需要占用大量的i p 地址; 3 . 硬件上可采用s o c 技术，降低硬件成本， 减小网关的体积、 系统噪声， 提高 产品的竞争力; 4 .可以进一步促进智能数字家庭网络的应用。 通过家庭网关实现家庭设备上网并进行远程操作， 其意义不仅在于这种网络 效应对应的经济价值， 还在于把家庭设备从过去那种封闭式的存在方式中 “ 解放” 出来， 进入一种开放的、 无限互连的“ 社会化” 的存在方式， 这势必对家庭生活 方式产生极大的影响， 加速家庭甚至整个社会的的信息化程度。 家庭的数字化、 智能化、 网路化和信息化一方面为社会信息化解决了 最基本 的单元， 另一方面也为信息技术的发展提供了一个新型的方法和领域， 同时也促 进了 家电 设备数字化、 传感器多样化以及网 络互连技术的发展。 同时作为社会的 基本组成单元， 家庭的信息化无疑是整个社会信息化的最重要标志， 对社会和谐 发展、 科技进步和经济繁荣都有着极为重要的意义， 因此本课题还具有深远的社 会效益。 西北工业大学硕士学位论文绪 论 1 . 6主要工作与章节安排 本论文对基于嵌入式l i n u x 的嵌入式家庭网关系统的实现进行了论述， 讨论 了 其中一些关键的技术，并提出了具体的 解决方案。 论文分为六章，内容如下: 第一章: 概述部分， 引入了 家庭网关和嵌入式系统概念， 并论述了国内外相 关技术及其发展状况: 第二章: 介绍了常见的商业嵌入式操作系统， 分析了 将l i n u x 作为嵌入式家 庭网关操作系统的优势和存在的不足， 并介绍了 对嵌入式l i n u x 的实时性改进以 及裁减: 第三章:研究了在嵌入式l i n u x 下文件存储系统的实现; 第四章: 介绍了嵌入式l i n u x 下网关设备的实现及其驱动的编写， 并给出基 于u s b 的网关设备驱动编写的实例; 第五章: 分析了 智能家庭网关模型， 提出 一种家庭网关的实现方案， 包括硬 件和软件实现两部分。并介绍了网关安全性问 题以 及在l i n u x 下实现的方法; 第六章:给出了总结和展望。 西北t 业大学硕上学位论文 嵌入式l i n u x 概述 第二章 嵌入式l i n u x 概述 2 . 1常用的嵌入式操作系统 所谓嵌入式系统是指把计算机技术作为应用系统的重要组成部分， 并嵌入到 应用系统中去。 在基于单片机等简单的 应用中 可以使用一个前后台 模式实现对系 统 资 源 的 调 度 8 1 9 1, 。 但 是 随 着 技 术 的 发 展 ， 系 统 的 复 杂 度 越 来 越 高 ， 传 统 的 应 用 己 无 法 满 足 应 用 的 需 求 () ， 需 要 有 个 专 用 的 系 统 来 按 时 完 成 系 统 资 源 的 调 配 任 务。 嵌入式操作系统的出现， 在应用软件和硬件之间搭起了一个桥梁. 同时可以 更加合理的调度系统资 源， 完成诸如任务调度、 文件系统和内 存管理等更加强大 的功能。 嵌入式操作系统作为嵌入式系统的核心， 其应用越来越广泛， 在手持设备和 信息家电 领域的应用更加突出。 嵌入式系统通常包括系统内 核、 硬件相关的底层 驱动程序、设备驱动接口、通信协议、图形界面和标准化浏览器等。从2 0 世纪 八十年代开始， 国外就开始了 商用嵌入式操作系统和专用操作系统的开发， 目 前 t 匕 较成熟的 商用嵌入 式操作系统主 要有v x w o r k s , p s o s , w i n d o w s c e , e c o s , p a l m o s , r t l i n u x 和q n x 等 。 下 面 介 绍 一 下 这 些 典 型 的 嵌 入 式 系 统 n ) v x w o r k s :这是由w i n d r i v e r 开发的 专门面向 嵌入式应用的实时多任务 操作 系 统， 它采用微内 核的结构， 具有支持处理器多、 网络协议丰富、 兼容性和可裁 减性好的特点，同时具有程序动态链接和下载的功能。它支持多种处理器，如 x 8 6 , s u n s p a r e , m o t o r o l a m c 6 8 系列、m i p s 系列和p o w e r p c 等，但是v x w o r k s 的大部分a p 工 函数是专用的，入门比较困难。 w i n d o w s c e : 这是微软公司为嵌入式应用定制的一款操作系统， 它是一个简 洁高效率的多平台 操作系统， 它从整体上为 有限资源的平台设计多线程和完整的 优先级， 是多任务的操作系统。 模块化的裁减设计允许它对从掌上电脑到专用工 业 控制器的用户电子设备进行定制， 操作系统的 基本内 核至少需要2 0 0 k 的存储 单元。目 前大部分的高价位的掌上电脑都采用了 w i n d o w s c e ， 但是整套操作系 统价格太高，使得整个产品的成本急剧上升， 许多中小企业望而却步。 p a l m o s : 3 c o m 公司的p a l m o s 在p d a 市场上占有很大的份额， 利用它开发 西北t 业大学硕上学位论文 嵌入式l i n u x 概述 第二章 嵌入式l i n u x 概述 2 . 1常用的嵌入式操作系统 所谓嵌入式系统是指把计算机技术作为应用系统的重要组成部分， 并嵌入到 应用系统中去。 在基于单片机等简单的 应用中 可以使用一个前后台 模式实现对系 统 资 源 的 调 度 8 1 9 1, 。 但 是 随 着 技 术 的 发 展 ， 系 统 的 复 杂 度 越 来 越 高 ， 传 统 的 应 用 己 无 法 满 足 应 用 的 需 求 () ， 需 要 有 个 专 用 的 系 统 来 按 时 完 成 系 统 资 源 的 调 配 任 务。 嵌入式操作系统的出现， 在应用软件和硬件之间搭起了一个桥梁. 同时可以 更加合理的调度系统资 源， 完成诸如任务调度、 文件系统和内 存管理等更加强大 的功能。 嵌入式操作系统作为嵌入式系统的核心， 其应用越来越广泛， 在手持设备和 信息家电 领域的应用更加突出。 嵌入式系统通常包括系统内 核、 硬件相关的底层 驱动程序、设备驱动接口、通信协议、图形界面和标准化浏览器等。从2 0 世纪 八十年代开始， 国外就开始了 商用嵌入式操作系统和专用操作系统的开发， 目 前 t 匕 较成熟的 商用嵌入 式操作系统主 要有v x w o r k s , p s o s , w i n d o w s c e , e c o s , p a l m o s , r t l i n u x 和q n x 等 。 下 面 介 绍 一 下 这 些 典 型 的 嵌 入 式 系 统 n ) v x w o r k s :这是由w i n d r i v e r 开发的 专门面向 嵌入式应用的实时多任务 操作 系 统， 它采用微内 核的结构， 具有支持处理器多、 网络协议丰富、 兼容性和可裁 减性好的特点，同时具有程序动态链接和下载的功能。它支持多种处理器，如 x 8 6 , s u n s p a r e , m o t o r o l a m c 6 8 系列、m i p s 系列和p o w e r p c 等，但是v x w o r k s 的大部分a p 工 函数是专用的，入门比较困难。 w i n d o w s c e : 这是微软公司为嵌入式应用定制的一款操作系统， 它是一个简 洁高效率的多平台 操作系统， 它从整体上为 有限资源的平台设计多线程和完整的 优先级， 是多任务的操作系统。 模块化的裁减设计允许它对从掌上电脑到专用工 业 控制器的用户电子设备进行定制， 操作系统的 基本内 核至少需要2 0 0 k 的存储 单元。目 前大部分的高价位的掌上电脑都采用了 w i n d o w s c e ， 但是整套操作系 统价格太高，使得整个产品的成本急剧上升， 许多中小企业望而却步。 p a l m o s : 3 c o m 公司的p a l m o s 在p d a 市场上占有很大的份额， 利用它开发 西北工业大学硕 上 学位论文嵌入式 l i n u x 概述 的操作系统应用程序接口( a p i ) ， 开发商可以根据需要自 行开发所需的应用程序， 目 前己经有成千上万个应用程序运行在p a l m p i l o t 上， 其中大部分都是厂商和个 人所开发， 开放的接口使得p a l m p i l o t 的功能得以不断的增多， 这些软件包括计 算器、 各类游戏、 电子宠物和地理信息等， 还可以与p c 机平台上的办公软件w o r d , e x c e l 等进行数据交换。 p s o s : p s o s y s t e m 是w i n d r i v e r 公司又一 款专门 针对嵌入式微处 理器设计 和 开发的模块化、 高效率、 高可靠性的实时多任务操作系统， 两者作为工业标准的 实时操作系统， 在嵌入式领域中处于领先水平， 该操作系统提供了强大的图形化 集成开发环境和图形化实时优化工具，旨 在实现高效、 高可靠性、 易于使用的嵌 入式实时多任务软件，以 支持用户自 己设 计的或商品化的硬件系统。p s o s y s t e m 具有高度灵活的可裁减性， 开发者可根据每个应用的特定需要对操作系统的功能 和所需内存进行裁减和配置， 使其适合从简单的独立设备到复杂的可容错多处理 机系统的广泛应用。 q n x : q n x 是一个实时的可扩充的操作系统， 它遵循p o s i x . 1 ( 操作系统应用 程序接口) 、p o s i x . 2 ( s h e l l 和工具)和部分遵循 p o s i x . l b( 实时扩展) 。它提 供了一个很小的微内核和一些可选的配合进程， 其内核仅提供4 种服务: 进程调 度、 进程间通信、 底层网络通信和中断处理， 进程在独立的地址空间运行。 其它 所有o s 服务，都为实现协作的用户进程，因此q n x 的内核非常的小巧，而且运 行速度很快。 这个灵活的结构可以使用户根据实际的需求将系统配置成微小的嵌 入式操作系统或是包括几百个处理器的超级虚拟机操作系统。 2 . 2家庭网关操作系统的选择 上面简述了比较常见的几个商用嵌入式操作系统， 这些操作系统一般都经过 严格的测试， 对系统的安全性、 稳定性能提供可靠的保证， 在对可靠性要求非常 严格的 场所， 具有独特的优势。 另外它们大大部分采用了 模块化设计， 内 核十分 ， 可以 针对不同的应用添加不同的模块， 构成合适的系统内核， 可裁减性很 同时厂家会有专人负责系统的更新和升级， 使用者更多的只需在应用级上编 简 精强程 但是作为商用的操作系统， 价格一般都非常昂贵， 动辄数十万美元， 将大大 增加开发成本， 对于中小企业来说这将是一笔不小的费用。 同时在家庭网关的 应 西北工业大学硕 上 学位论文嵌入式 l i n u x 概述 的操作系统应用程序接口( a p i ) ， 开发商可以根据需要自 行开发所需的应用程序， 目 前己经有成千上万个应用程序运行在p a l m p i l o t 上， 其中大部分都是厂商和个 人所开发， 开放的接口使得p a l m p i l o t 的功能得以不断的增多， 这些软件包括计 算器、 各类游戏、 电子宠物和地理信息等， 还可以与p c 机平台上的办公软件w o r d , e x c e l 等进行数据交换。 p s o s : p s o s y s t e m 是w i n d r i v e r 公司又一 款专门 针对嵌入式微处 理器设计 和 开发的模块化、 高效率、 高可靠性的实时多任务操作系统， 两者作为工业标准的 实时操作系统， 在嵌入式领域中处于领先水平， 该操作系统提供了强大的图形化 集成开发环境和图形化实时优化工具，旨 在实现高效、 高可靠性、 易于使用的嵌 入式实时多任务软件，以 支持用户自 己设 计的或商品化的硬件系统。p s o s y s t e m 具有高度灵活的可裁减性， 开发者可根据每个应用的特定需要对操作系统的功能 和所需内存进行裁减和配置， 使其适合从简单的独立设备到复杂的可容错多处理 机系统的广泛应用。 q n x : q n x 是一个实时的可扩充的操作系统， 它遵循p o s i x . 1 ( 操作系统应用 程序接口) 、p o s i x . 2 ( s h e l l 和工具)和部分遵循 p o s i x . l b( 实时扩展) 。它提 供了一个很小的微内核和一些可选的配合进程， 其内核仅提供4 种服务: 进程调 度、 进程间通信、 底层网络通信和中断处理， 进程在独立的地址空间运行。 其它 所有o s 服务，都为实现协作的用户进程，因此q n x 的内核非常的小巧，而且运 行速度很快。 这个灵活的结构可以使用户根据实际的需求将系统配置成微小的嵌 入式操作系统或是包括几百个处理器的超级虚拟机操作系统。 2 . 2家庭网关操作系统的选择 上面简述了比较常见的几个商用嵌入式操作系统， 这些操作系统一般都经过 严格的测试， 对系统的安全性、 稳定性能提供可靠的保证， 在对可靠性要求非常 严格的 场所， 具有独特的优势。 另外它们大大部分采用了 模块化设计， 内 核十分 ， 可以 针对不同的应用添加不同的模块， 构成合适的系统内核， 可裁减性很 同时厂家会有专人负责系统的更新和升级， 使用者更多的只需在应用级上编 简 精强程 但是作为商用的操作系统， 价格一般都非常昂贵， 动辄数十万美元， 将大大 增加开发成本， 对于中小企业来说这将是一笔不小的费用。 同时在家庭网关的 应 西北工业大学硕士学位论文嵌入式l i n u x 概述 用中这些操作系统的优势并不明显， 因为一般设备的实时性要求并不太高， 而衡 量商用操作系统很大的一个标准就是它的实时性能。 目前很多商用操作系统不开 放源代码， 这样使用者就很难深入到内核级对系统编程， 开发过程中将会受到诸 多限制。 l i n u x 的出现为嵌入式操作系统提供了一个极有吸引力的选择， 它是一个和 u n i x相似、基于宏内核的、多用户多任务操作系统，基于模块化的可裁减性使 得用户可以根据应用需要量身定做合适的内核，l i n u x 对网络有非常好的支持， 这一点对于实现家庭网关非常重要， 至于实时性较差、 无法深内嵌等一些缺点都 可以 通过局部的改造来满足家庭网关系统的需要。 2 . 2 . 1嵌入式l i n u x 的优点 嵌入式系统 ( e m b e d e d s y s t e m ) 应用是如此之广: 移动电话、 手机、电 子游 戏机、p d a 、电视、冰箱等家用电器、 通信产品、电动机车、电动自 行车乃至电 车等电动交通工具的核心， 无不与嵌入式系统息息相关。 而在后p c 时代， 家电、 玩具、 汽车、 数码相机、 先进的医疗仪器乃至即将到来的智能型房屋办公室以及 其 他 跟 电 相 关 的 器 材 设 备 更 是 缺 少 不 了 嵌 入 式 系 统 这 个 核 心 技 术 12 。 将l i n u x 作为嵌入式家庭网关操作系统有以下的优点: 1 ) 使用成本低: l i n u x 是免费软件， 无需许可证费用。 只要遵守g p l ( g n u g e n e r a l p u b l i c l i c e n s e ) 的规定，就可以免费获得拷贝。l i n u x 下有同样遵循 g p l规定 的c , c + + , j a v a 等一系列的软件工具开发包， 从功能上看并不亚于商用开发包， 这将为我们节省大量的开发费用。 2 ) 源代码开放: l i n u x是源代码开放操作系统，不存在黑箱技术。遍布全球的 众多l i n u x爱好者又能给予 l i n u x开发者强大的技术支持。因此 l i n u x是所有 p c操作系统中最可靠且稳定的一种， 其内 核也是如此。在源代码开放的前提下 不同 领域不同层次的用户可以 根据自 己 的应用需要很容易的 对内 核进行改造， 设 计和开发出 真正满足自己需要的嵌入式系统， 摒弃了很多商业实时操作系统对用 户不透明形同黑匣子的弊端。 3 )稳定性高:l i n u x 在p c 硬件上运行时是非常可靠和稳定的， 特别是和现在流 行的一些操作系统相比。 它可以比较容易的移植到一个或多个特定的主板上， 并 西北工业大学硕士学位论文嵌入式l i n u x 概述 用中这些操作系统的优势并不明显， 因为一般设备的实时性要求并不太高， 而衡 量商用操作系统很大的一个标准就是它的实时性能。 目前很多商用操作系统不开 放源代码， 这样使用者就很难深入到内核级对系统编程， 开发过程中将会受到诸 多限制。 l i n u x 的出现为嵌入式操作系统提供了一个极有吸引力的选择， 它是一个和 u n i x相似、基于宏内核的、多用户多任务操作系统，基于模块化的可裁减性使 得用户可以根据应用需要量身定做合适的内核，l i n u x 对网络有非常好的支持， 这一点对于实现家庭网关非常重要， 至于实时性较差、 无法深内嵌等一些缺点都 可以 通过局部的改造来满足家庭网关系统的需要。 2 . 2 . 1嵌入式l i n u x 的优点 嵌入式系统 ( e m b e d e d s y s t e m ) 应用是如此之广: 移动电话、 手机、电 子游 戏机、p d a 、电视、冰箱等家用电器、 通信产品、电动机车、电动自 行车乃至电 车等电动交通工具的核心， 无不与嵌入式系统息息相关。 而在后p c 时代， 家电、 玩具、 汽车、 数码相机、 先进的医疗仪器乃至即将到来的智能型房屋办公室以及 其 他 跟 电 相 关 的 器 材 设 备 更 是 缺 少 不 了 嵌 入 式 系 统 这 个 核 心 技 术 12 。 将l i n u x 作为嵌入式家庭网关操作系统有以下的优点: 1 ) 使用成本低: l i n u x 是免费软件， 无需许可证费用。 只要遵守g p l ( g n u g e n e r a l p u b l i c l i c e n s e ) 的规定，就可以免费获得拷贝。l i n u x 下有同样遵循 g p l规定 的c , c + + , j a v a 等一系列的软件工具开发包， 从功能上看并不亚于商用开发包， 这将为我们节省大量的开发费用。 2 ) 源代码开放: l i n u x是源代码开放操作系统，不存在黑箱技术。遍布全球的 众多l i n u x爱好者又能给予 l i n u x开发者强大的技术支持。因此 l i n u x是所有 p c操作系统中最可靠且稳定的一种， 其内 核也是如此。在源代码开放的前提下 不同 领域不同层次的用户可以 根据自 己 的应用需要很容易的 对内 核进行改造， 设 计和开发出 真正满足自己需要的嵌入式系统， 摒弃了很多商业实时操作系统对用 户不透明形同黑匣子的弊端。 3 )稳定性高:l i n u x 在p c 硬件上运行时是非常可靠和稳定的， 特别是和现在流 行的一些操作系统相比。 它可以比较容易的移植到一个或多个特定的主板上， 并 西北工业大学硕士 学位论文嵌入式l i n u x 概述 实现外设的各种功能。 高可靠性是嵌入式l i n u x 领先其它嵌入式系统最明显的地 方。 采用普通操作系统的程控交换机的可靠性指标一般为9 9 . 9 8 %，而运行嵌入 式l i n u x 的交换设备能够提高一个数量级。根据国内外使用者的经验，l i n u x 能 够和许多商业著名操作系统一样的稳定。 4 )功能强大