（计算机应用技术专业论文）嵌入式linux应用支撑技术.pdf

西北工业大学硕士论文 摘要 摘要 在嵌入式应用的领域里， 从因特网设备到专用的控制系统， l i n u x操作系统 的前景都很光明。由 于 l in u x功能强大、可靠、 灵活而且具有伸缩性，再加上 它支持大量的微处理器体系结构、 硬件设备、图形支持和通信协议， 这些都使得 它作为许多方案和产品的软件平台 越来越流行。因 此，利用 l i n u x作为 底层操 作系统 ， 在其上进行实 时化改 造， 建立一 个能 够满足具体 应用需求的 操作 系统是 现在日 益流行的嵌入式操作系统的解决方案。 本文结合国家总装备部“ 十五”预研课题“ 嵌入式实时 l in u x应用技术研 究” ， 研究了嵌入式l i n u x 应用于具体应用领域需要解决的关键问 题， 如内 核实 时化 可定制能力等。 在此基础上设计实现了 具有微秒级定时粒度的可定制嵌 入式实时l i n u x原型系统，同时对嵌入式 l i n u x内核配置工具进行了相关方面 的研究。 本文首先介绍了嵌入式系统的概念、体系结构和应用特点，对嵌入式计算 系统的关键技术进行了分析， 并对嵌入式实时操作系统和嵌入式l i n u x做了 简 单的介绍。分析了l i n u x 应用于嵌入式实时系统的 优势、不足以及构建嵌入式 l i n u x 的方法。 在此基础上， 提出了基于l i n u x 构建一个通用的、 可定制的面向 应用的嵌入式实时操作系统的方案。使用本系统，用户可以根据具体的应用需 求来定制操作系统，以节省系统资源，并且具有广泛的适用性。 其次，针对 l i n u x的实时能力有限，系统固有时钟粒度过于粗糙的缺点， 本文在讨论比较了 两种时钟粒度细化方案的基础上，结合国内外相关领域的研 究 方案， 设计实 现具有微 秒级定时 粒度的高 精度定 时 49( h r t ) ， 进一步提高了 系 统的实时性。 最后，对提高嵌入式l i n u x定制能力进行了 研究。在分析了普通l i u n x的 配置工具的基础上对其进行扩展，设计实现了细粒度内核配置工具;此外，还 分析了目 标配置工具t c t ， 针对t c t 存在的不足提出了 优化方案， 并将优化过 的t c t集成到嵌入式实时l i n u x 原型系统中去。 关键字:嵌入式实时l i n u x ， 时钟中断， 高精度定时器，定制 目 标配置工具t c t 西北工业人学硕上论文 摘要 abs tract i n e m b e d d e d s y s t e m a p p l i c a t i o n fi e l d , l i n u x h a s a b r i g h t f u t u r e f r o m t h e w i r e l e s s d e v i c e s t o t h e s p e c i a l c o n t r o l s y s t e m . l i n u x h a s s t r o n g f u n c t i o n , r e l i a b i l i t y , a g i l i t y a n d a g i l i t y . i n a d d it i o n , l i n u x s u p p o r t s a l a r g e n u m b e r o f m i c r o p r o c e s s o r a r c h i t e c t u r e , h a r d w a r e a n d a l s o s o m e c o m m u n i c a t e p r o t o c o l s . a l l t h e s e a d v a n t a g e s m a k e l i n u x m o r e a n d m o r e p o p u l a r i n e m b e d d e d fi e l d . s o u s e l i n u x a s t h e b o t t o m s y s t e m a n d r e b u i l d i t t o b e a r e a l - t i m e k e rn e l i s n e c e s s a r i l y . i n o r d e r t o m a k e e m b e d d e d l i n u x w i d e l y u s e d i n e m b e d d e d s y s t e m a p p l i c a t i o n f ie l d , t h e r e a r e s o m e k e y t e c h n o l o g i e s n e e d t o b e s e t t l e d d o w n . s u c h a s k e r n e l r e a l - t i m i n g , c o n fi g u r a b l e a b i l i t y a n d s o o n . t h e s e a r e s t u d i e d i n t h i s t h e s i s w h i c h a r e p a r t s t h e d e f e n c e p r e - r e s e a r c h p r o j e c t o f t h e t e n t h f i v e - y e a r - p l a n o f c h i n a p r o j e c t : e m b e d d e d r e a l - t i m e a p p l i c a t i o n t e c h n o l o g y . i n b as e o f t h e r e s e a r c h , d e s i g n a n d r e a l i z e a c o n f i g u r a b l e e m b e d d e d r e a l - t i m e l i n u x p r o - t y p e s y s t e m w i t h a m i c r o - s e c o n d t i m i n g s c h e m e . e x c e p t f o r t h i s , e m b e d d e d l i n u x k e rn e l c o n f i g u r e t o o l i s a l s o s t u d i e d . i n t h i s t h e s i s , fi r s t l y i n t r o d u c e d t h e c o n c e p t i o n o f e m b e d d e d s y s t e m , e m b e d d e d r e a l - t i m e o p e r a t i o n s y s t e m b r i e fl y . a n a l y z e d t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s a b o u t a p p l y t o e m b e d d e d s y s t e ml i n u x; b u i l d a o n t h i s c o n d it i o n b r i n g f o r w a r d a p l a n o f h o w t o c o n fi g u r a b l e e m b e d d e d r e a l - t i m e l i n u x f a c e t o a p p l ic a t i o n . s e c o n d l y , a i m i n g a t t h e l i m i t a t i o n o f l in u x k e rn e l i n r e a l - t i m e a n d c o a r s e t i m i n g g r a n u l a r i t y , d i s c u s s e d i t s t i m i n g s c h e m e a n d i n t e r r u p t s c h e m e , t h e n r e a l i z e d a h i g h - r e s o l u t i o n - t i m e r ( h r t ) w h i c h h a s m i c r o s e c o n d t i m in g g r a n u l a r i t y . wi t h h r t , g r e a t l y e n h a n c e d t h e r e a l - t i m e a b il i t y o f l i n u x k e rn e l . a t l a s t , s t u d i e d n o r m a l l i n u x k e rn e l c o n f i g u r e t o o l a n d t a r g e t c o n f i g u r e t o o l ( t c t ) . b as e d o n t h i s , p r e s e n t e d a n o p t i m i z e b l u e p o i n t f o r t c t a n d i n t e g r a t e t h e o p t i m iz e d t c t t o t h e e m b e d d e d r e a l - t i m e l i n u x k e y w o r d s : r t o s , e m b e d d e d l i n u x , t i m e r i n t e r r u p t , h ig h - r e s o l u t i o n - t im e r ( h r t ) t a r g e t c o n fi g u r e t o o l ( t c t ) 西北工业大学硕士论文 第-帝 绪沦 第一章绪论 1 . 1课题研究的背景与意义 在 i t业，如果要问当今最热门的话题是什么，从事硬件开发的人会毫不犹 豫地回答:信息家电; 从事软件开发的人同 样也会毫不犹像地回答: l i n u x 。 信 息化技术的发展和数字化产品的普及， 使得以 计算机技术、 芯片技术和软件技术 为核心的嵌入式系统再度成为当 前研究和应用的热点。 通信、 计算机、 消费电 子 技术 ( 3 c 合一的趋势正在逐步形成，无所不在的网络和无所不在的计算 ( e v e r y th in g c o n n e c t in g , e v e ry w h e r e c o m p u t i n g ) 正 在 将 人类带 入 一个 崭 新 后p c 时 代 8 0 8 6 3 智能 计 算机首 席专 家 高 文 教 授说: 所谓 后p c 时 代， 是 英 文p e r v a s i v e c o m p u t in g 的中 文 意 译。 p e r v as iv e 的 原 意是 普 遍的、 蔓 延的 、 渗 透的， 所以p e r v a s i v e c o m p u t i n g 这个词组直 接的 翻译 应该 是渗透到各个 方面的计 算。因 而我们可以 认 为， 所谓后p c时代是指: 计算机无所不在， 它渗透到我们工作和生活的方方面 面。 嵌入式系统是以应用为中心， 以计算机技术为基础， 并且软硬件是可裁剪的， 适用于对功能、 可靠性、成本、体积、 功耗等有严格要求的专用计算机系统。 它 广泛地渗透到科学研究、 工程设计、 军事技术、 各类产业和商业文化艺术、 娱乐 业以及人们的日 常生活等方方面面。 由 于各种智能信息产品的出现， 嵌入式系统己 经不能简单地用控制程序来完 成任务， 而是需要用操作系统来支撑。 嵌入式操作系统是内 装于专用系统或设备 中， 具有通用操作系统的基本功能， 执行计算和数据处理功能的操作系统。 嵌入 式系统由于硬件的先天限制， 再加上嵌入式应用的多样化需求， 要求嵌入式系统 具有合理的体系结构和良 好的可用性、可伸缩性、易于移植和可定制性等特点。 与通用操作系统相比， 嵌入式操作系统具有配置专一、 结构紧凑、 坚固可靠等特 点。 在 嵌入 式 操 作 系 统领 域中， 传统的 主 流嵌 入 式 操作系 统 如i n t e g r a te d s y s t e m s 公司的p s q s . a l a m e d a 公司 的v x w o r k s , q s s l 公司 的q n x等， 都是当 今优秀 的主流嵌入式实时操作系统. 它们共同的特点是体积小、 具有微内 核、 符合p q s i x 实时扩展标准、 支持网络环境、 有较好的开发调试环境。 但这些操作系统存在着 一些共同的问题， 它们价格昂贵， 带来应用上的巨 大屏障; 系统内 核不公开， 一 切开发要依赖于操作系 统提供商提供的支持， 用户无法根据自己的需求方便地进 行开发，这些问题导致它们难以适应现代普及性应用的需求。l i n u x从 1 9 9 1 年 西北工业大学硕士论文 第-帝 绪沦 第一章绪论 1 . 1课题研究的背景与意义 在 i t业，如果要问当今最热门的话题是什么，从事硬件开发的人会毫不犹 豫地回答:信息家电; 从事软件开发的人同 样也会毫不犹像地回答: l i n u x 。 信 息化技术的发展和数字化产品的普及， 使得以 计算机技术、 芯片技术和软件技术 为核心的嵌入式系统再度成为当 前研究和应用的热点。 通信、 计算机、 消费电 子 技术 ( 3 c 合一的趋势正在逐步形成，无所不在的网络和无所不在的计算 ( e v e r y th in g c o n n e c t in g , e v e ry w h e r e c o m p u t i n g ) 正 在 将 人类带 入 一个 崭 新 后p c 时 代 8 0 8 6 3 智能 计 算机首 席专 家 高 文 教 授说: 所谓 后p c 时 代， 是 英 文p e r v a s i v e c o m p u t in g 的中 文 意 译。 p e r v as iv e 的 原 意是 普 遍的、 蔓 延的 、 渗 透的， 所以p e r v a s i v e c o m p u t i n g 这个词组直 接的 翻译 应该 是渗透到各个 方面的计 算。因 而我们可以 认 为， 所谓后p c时代是指: 计算机无所不在， 它渗透到我们工作和生活的方方面 面。 嵌入式系统是以应用为中心， 以计算机技术为基础， 并且软硬件是可裁剪的， 适用于对功能、 可靠性、成本、体积、 功耗等有严格要求的专用计算机系统。 它 广泛地渗透到科学研究、 工程设计、 军事技术、 各类产业和商业文化艺术、 娱乐 业以及人们的日 常生活等方方面面。 由 于各种智能信息产品的出现， 嵌入式系统己 经不能简单地用控制程序来完 成任务， 而是需要用操作系统来支撑。 嵌入式操作系统是内 装于专用系统或设备 中， 具有通用操作系统的基本功能， 执行计算和数据处理功能的操作系统。 嵌入 式系统由于硬件的先天限制， 再加上嵌入式应用的多样化需求， 要求嵌入式系统 具有合理的体系结构和良 好的可用性、可伸缩性、易于移植和可定制性等特点。 与通用操作系统相比， 嵌入式操作系统具有配置专一、 结构紧凑、 坚固可靠等特 点。 在 嵌入 式 操 作 系 统领 域中， 传统的 主 流嵌 入 式 操作系 统 如i n t e g r a te d s y s t e m s 公司的p s q s . a l a m e d a 公司 的v x w o r k s , q s s l 公司 的q n x等， 都是当 今优秀 的主流嵌入式实时操作系统. 它们共同的特点是体积小、 具有微内 核、 符合p q s i x 实时扩展标准、 支持网络环境、 有较好的开发调试环境。 但这些操作系统存在着 一些共同的问题， 它们价格昂贵， 带来应用上的巨 大屏障; 系统内 核不公开， 一 切开发要依赖于操作系 统提供商提供的支持， 用户无法根据自己的需求方便地进 行开发，这些问题导致它们难以适应现代普及性应用的需求。l i n u x从 1 9 9 1 年 西北t . 业大学硕士论文 第一章 绪论 问世到现在， 以其源代码公开、 优良 的内 核高效性和健壮性、 有效的网络通信支 持能力、 便于实施安全策略、 丰富的开放应用软件等优势， 短短的 卜 几年时间己 经发展成为功能强大、 设计完善的操作系统之一， 不仅可以与各种传统的商业操 作系统分庭抗争，在新兴的嵌入式操作系统领域内也获得了飞速发展。嵌入式 l i n u x应用的前景越来越被人们看好， 在国外，i b m, s g i , mo t o r o l a , i n t e l 以 及l i n e o , t i m e s y s , r e d h a t 等公司都在大力研发嵌入式l i n u x ， 而我国在相关方 面的研究才刚刚起步。因此， 研究如何将l in u x 改造为嵌入式实时操作系统， 使 得嵌入式l i n u x 适用于各个领域的应用具有重要的意义。 1 . 2 课题研究内容 本课题来源于国防“ 十五” 预研课题“ 嵌入式实时 l i n u x及其应用技术” ( 课 题代号 4 1 3 1 5 0 4 0 1 ) 。本专题将以高新武器装备嵌入计算平台为应用背景，以 新 一代卫星测控站和军用移动通信终端为典型应用对象， 研究嵌入l i n u x 应用支撑 技术，主要研究内容有: ( 1 )嵌入式l i n u x 实时化技术 通用的l i n u x 并不支持嵌入式应用， 而商用的嵌入式l i n u x 又不能满足军事 嵌入实时应用之需求，必须研究同时具有嵌入和实时 特性的l i n u x ，即嵌入式实 时l i n u x 。 本课题将遵循p o s i x实时扩展标准， 采用基于内 核的 应用扩展结构， 实现嵌入式实时l i n u x内核，具体内容包括: 嵌入l i n u x内核实时优化技术 可支持实时事件的优先级驱动能力和高精确度定时器、 提供多种可定制、 可 动态加载的模块化实时任务调度策略， 分别支持硬实时、 强实时、 软实时功能的 嵌入实时内核，以满足不同类型的嵌入计算应用之需求。 嵌入实时l i n u x 定制技术 嵌入计算硬件平台的资源限制性、 嵌入应用功能的多样性， 使得依据具体应 用需求个性化定制嵌入式实时操作系统显得更为重要。 将通用的构件技术引入嵌 入计算领域， 将嵌入实时操作系统和应用软件实行构件化， 根据不同应用的功能 与性能需求，对系统进行相应定制。 ( 2 )嵌入式实时网络支持及其中间件技术 l i n u x 系统中具有完备的网络协议栈，但是由于它主要是面向普通应用，没 有考虑到嵌入实时系统对于网络支持的特殊要求， 因此并不能直接应用在嵌入式 系统中， 必须充分结合嵌入实时系统特点加以改造扩展， 使之适合嵌入实时应用 系统需要。 本课题将研究 嵌入实时网 络支持 及中 间 件技术 1 0 ， 具 体内 容 包括: 西北t . 业大学硕士论文 第一章 绪论 问世到现在， 以其源代码公开、 优良 的内 核高效性和健壮性、 有效的网络通信支 持能力、 便于实施安全策略、 丰富的开放应用软件等优势， 短短的 卜 几年时间己 经发展成为功能强大、 设计完善的操作系统之一， 不仅可以与各种传统的商业操 作系统分庭抗争，在新兴的嵌入式操作系统领域内也获得了飞速发展。嵌入式 l i n u x应用的前景越来越被人们看好， 在国外，i b m, s g i , mo t o r o l a , i n t e l 以 及l i n e o , t i m e s y s , r e d h a t 等公司都在大力研发嵌入式l i n u x ， 而我国在相关方 面的研究才刚刚起步。因此， 研究如何将l in u x 改造为嵌入式实时操作系统， 使 得嵌入式l i n u x 适用于各个领域的应用具有重要的意义。 1 . 2 课题研究内容 本课题来源于国防“ 十五” 预研课题“ 嵌入式实时 l i n u x及其应用技术” ( 课 题代号 4 1 3 1 5 0 4 0 1 ) 。本专题将以高新武器装备嵌入计算平台为应用背景，以 新 一代卫星测控站和军用移动通信终端为典型应用对象， 研究嵌入l i n u x 应用支撑 技术，主要研究内容有: ( 1 )嵌入式l i n u x 实时化技术 通用的l i n u x 并不支持嵌入式应用， 而商用的嵌入式l i n u x 又不能满足军事 嵌入实时应用之需求，必须研究同时具有嵌入和实时 特性的l i n u x ，即嵌入式实 时l i n u x 。 本课题将遵循p o s i x实时扩展标准， 采用基于内 核的 应用扩展结构， 实现嵌入式实时l i n u x内核，具体内容包括: 嵌入l i n u x内核实时优化技术 可支持实时事件的优先级驱动能力和高精确度定时器、 提供多种可定制、 可 动态加载的模块化实时任务调度策略， 分别支持硬实时、 强实时、 软实时功能的 嵌入实时内核，以满足不同类型的嵌入计算应用之需求。 嵌入实时l i n u x 定制技术 嵌入计算硬件平台的资源限制性、 嵌入应用功能的多样性， 使得依据具体应 用需求个性化定制嵌入式实时操作系统显得更为重要。 将通用的构件技术引入嵌 入计算领域， 将嵌入实时操作系统和应用软件实行构件化， 根据不同应用的功能 与性能需求，对系统进行相应定制。 ( 2 )嵌入式实时网络支持及其中间件技术 l i n u x 系统中具有完备的网络协议栈，但是由于它主要是面向普通应用，没 有考虑到嵌入实时系统对于网络支持的特殊要求， 因此并不能直接应用在嵌入式 系统中， 必须充分结合嵌入实时系统特点加以改造扩展， 使之适合嵌入实时应用 系统需要。 本课题将研究 嵌入实时网 络支持 及中 间 件技术 1 0 ， 具 体内 容 包括: 西北工业大学硕士论文 第一章 w论 嵌入 实时 网 络支 持 设 计与 构 造 由于嵌入式网络不仅联接嵌入式设备， 而且还是嵌入式系统与其他通用系统 间的桥梁， 因此嵌入实时网络支持必须具有标准兼容性: 由于嵌入式系统的多 样 性， 因此嵌入式网络支持必须具有很好的可移植性。 本课题将充分考虑以上对嵌 入式网络支持的要求， 构造嵌入式实时网络支持机制， 并提供简洁的嵌入式实时 网络 a p i . 基于w e b 的 嵌 入式 信息 浏 览与 服 务技 术 w e b 技术引 入嵌入计算应用 1 2 ， 则构成了嵌入式w e b s e r v e r .嵌入w e b s e r v e r 应能针对设备的状态和参数变化， 动态生成we b 页， 这就要研究在限定的 资源条件下动态数据汇集、动态服务主页生成技术等。随着嵌入硬件快速更新， 嵌入式we b 服务器的易集成性至关重要，本专题将研究嵌入w e b 服务与嵌入设 备集成技术。 ( 3 )系统集成与应用技术 嵌入式系统的应用相关性很强，嵌入式系统软件只有与特定应用结合才能 最终实现其价值。 经过对上述两个方面的研究， 还需研究这些研究成果与具体应 用的 集成技术。 首先， 要在嵌入实时l i n u x 和实时网 络通信的 核心技术研究基础 上， 集成开放源码和自主开发的软件， 并开发相应的定制工具，形成自主的嵌入 式实时l i n u x ，作为军用嵌入服务器和嵌入设备的系统软件平台。再则，研究面 向典型军事应用的网络化嵌入式系统软、 硬件的体系结构、 功能划分、 嵌入式设 备之间的通信模式等系统集成技术，开发必要的集成支持工具。 1 . 3 作者所作的工作 作者所做的工作主要是对嵌入式l i n u x 进行实时化改造， 设计实现了可定制 的微秒级定时器， 极大的提高了系统的实时性能。 此外， 进一步完善了集成开发 平台，更加适用于应用领域的需求。具体工作包括: . 对l i n u x 2 .4 . 1 7 版本的内核源码进行深入分析，尤其是l i n u x 内 核的定 时器中断部分的实现。 . 研究各种基于实时l i n u x 时钟粒度细化的实现方案，进一步形成了自主 设计方案。实现了具有微秒级以上定时粒度的可定制高精度定时器 ( h i g h - r e s o l u t i o n - t i m e r , h r t ) . . 研究嵌入式l in u x 的内核定制技术，并对目 标配置工具t c t进行优化， 集成到嵌入式实时l i n u x 开发平台中去。 西北工业大学硕士论文 第一章 w论 嵌入 实时 网 络支 持 设 计与 构 造 由于嵌入式网络不仅联接嵌入式设备， 而且还是嵌入式系统与其他通用系统 间的桥梁， 因此嵌入实时网络支持必须具有标准兼容性: 由于嵌入式系统的多 样 性， 因此嵌入式网络支持必须具有很好的可移植性。 本课题将充分考虑以上对嵌 入式网络支持的要求， 构造嵌入式实时网络支持机制， 并提供简洁的嵌入式实时 网络 a p i . 基于w e b 的 嵌 入式 信息 浏 览与 服 务技 术 w e b 技术引 入嵌入计算应用 1 2 ， 则构成了嵌入式w e b s e r v e r .嵌入w e b s e r v e r 应能针对设备的状态和参数变化， 动态生成we b 页， 这就要研究在限定的 资源条件下动态数据汇集、动态服务主页生成技术等。随着嵌入硬件快速更新， 嵌入式we b 服务器的易集成性至关重要，本专题将研究嵌入w e b 服务与嵌入设 备集成技术。 ( 3 )系统集成与应用技术 嵌入式系统的应用相关性很强，嵌入式系统软件只有与特定应用结合才能 最终实现其价值。 经过对上述两个方面的研究， 还需研究这些研究成果与具体应 用的 集成技术。 首先， 要在嵌入实时l i n u x 和实时网 络通信的 核心技术研究基础 上， 集成开放源码和自主开发的软件， 并开发相应的定制工具，形成自主的嵌入 式实时l i n u x ，作为军用嵌入服务器和嵌入设备的系统软件平台。再则，研究面 向典型军事应用的网络化嵌入式系统软、 硬件的体系结构、 功能划分、 嵌入式设 备之间的通信模式等系统集成技术，开发必要的集成支持工具。 1 . 3 作者所作的工作 作者所做的工作主要是对嵌入式l i n u x 进行实时化改造， 设计实现了可定制 的微秒级定时器， 极大的提高了系统的实时性能。 此外， 进一步完善了集成开发 平台，更加适用于应用领域的需求。具体工作包括: . 对l i n u x 2 .4 . 1 7 版本的内核源码进行深入分析，尤其是l i n u x 内 核的定 时器中断部分的实现。 . 研究各种基于实时l i n u x 时钟粒度细化的实现方案，进一步形成了自主 设计方案。实现了具有微秒级以上定时粒度的可定制高精度定时器 ( h i g h - r e s o l u t i o n - t i m e r , h r t ) . . 研究嵌入式l in u x 的内核定制技术，并对目 标配置工具t c t进行优化， 集成到嵌入式实时l i n u x 开发平台中去。 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 1 . 4 论文章节安排 以 上述研究及实践为基础，作者撰写了本文。论文的各章节的安排如下: 第一章 绪论 对课题的研究背景和研究内容作简要介绍。 第二章 嵌入式系统和嵌入式操作系统 介绍了嵌入式系统的概念、 体系结构和应用特点， 对嵌入式计算系统的关 键 技术进行了分析，并对嵌入式实时操作系统和嵌入式l i n u x 做了简单的介绍。 第三章 基于l in u x 构建嵌入式实时操作系统 介绍了嵌入式实时操作系统的组成， 分析了基于l i n u x 构建嵌入式实时操作 系统的 优势和局限 性， 并提出了 用l i n u x 构建嵌入式实时操作系统的具体方法。 第四章 嵌入式l i n u x 时钟粒度细化 分析了l i n u x 中的时间 机制和中断机制， 借鉴k u r t l i n u x 的u t i m e 实现 机制，在内核中设计实现了具有细粒度定时能力的高精度定时器 h r t ， 增强了 嵌入式l i n u x 的实时能力。 第五章 嵌入式l i n u x内 核配置工具的扩展与优化 从嵌入式l i n u x 应用的实际情况出发， 讨论了如何利用l i n u x内 核配置工具 进一步提高嵌入式l i n u x 的定制能力。 分析了普通l i n u x 的配置工具，对其进行 细粒度的扩展， 实现了一个具有细粒度定制能力的配置工具: 另外， 对目 标配置 工具t c t提出了优化方案。 第六章结束语 对整个课题中作者参与的工作做了简要的总结， 对今后的工作方向提出展 望。 西北 _ 业大学硕士论文第二章 嵌入式系统和嵌入式操作系统 第二章嵌入式系统和嵌入式操作系统 2 . 1嵌入式系统简介 嵌入式系统是以应用为中心， 以计算机技术为基础， 并且 软硬件可裁剪， 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 1 6 。 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， 即系统的应用软件与系 统的专用硬件一体化。 嵌入式系统具有软件代码少、 高度自 动化、 响应速度快等 特点， 它一般应用于要求实时性和多任务处理的系统中。 例如， 单片机就是一种 最常见的嵌入式系统。 嵌入式系统最典型的特点是与人们的日 常生活紧密相关， 任何一个普通人都可能拥有各类形形色色运用了嵌入式技术的电子产品，小到 mp 3 , p d a等微型数字化设备， 大到信息家电、智能电器、车载 g i s ，各种新 型嵌入式设备在数量上已 经远远超过了 通用计算机. 2 . 1 . 1嵌入式系统的发展过程 虽然嵌入式系统是近几年才开始真正风靡起来的， 但事实上嵌入式这个概念 却很早就己经存在了，从上个世纪7 0 年代单片机的出现到今天各种嵌入式微处 理器、微控制器的广泛应用，嵌入式系统少说也有了 近 3 0 年的历史。 纵观嵌入 式系 统的 发 展历 程， 大 致经 历了 以 下四 个 阶 段 2 7 : t z )无操作系统阶段 嵌入式系统最初的应用是基于单片机的， 大多以 可编程控制器的形式出 现， 具有监测、 伺服、 设备指示等功能， 通常应用于各类工业控制和飞机、 导弹等武 器装备中，一般没有操作系统的支持，只能通过汇编语言对系统进行直接控制， 运行结束后再清除内 存。 这些装置虽然己经初步具备了嵌入式的应用特点， 但仅 仅只是使用8 位的 c p u芯片来执行一些单线程的程序， 因此严格地说还谈不上 “ 系统” 的概念。 这一阶段嵌入式系统的主要特点是: 系统结 构和功能相对单一， 处理效率较 低， 存储容量较小， 几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、 价格低 廉， 因而曾经在工业控制领域中得到了非常广泛的应用， 但却无法满足现今对执 行效率、存储容量都有较高要求的 信息家电 等场合的需要。 西北 _ 业大学硕士论文第二章 嵌入式系统和嵌入式操作系统 第二章嵌入式系统和嵌入式操作系统 2 . 1嵌入式系统简介 嵌入式系统是以应用为中心， 以计算机技术为基础， 并且 软硬件可裁剪， 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 1 6 。 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， 即系统的应用软件与系 统的专用硬件一体化。 嵌入式系统具有软件代码少、 高度自 动化、 响应速度快等 特点， 它一般应用于要求实时性和多任务处理的系统中。 例如， 单片机就是一种 最常见的嵌入式系统。 嵌入式系统最典型的特点是与人们的日 常生活紧密相关， 任何一个普通人都可能拥有各类形形色色运用了嵌入式技术的电子产品，小到 mp 3 , p d a等微型数字化设备， 大到信息家电、智能电器、车载 g i s ，各种新 型嵌入式设备在数量上已 经远远超过了 通用计算机. 2 . 1 . 1嵌入式系统的发展过程 虽然嵌入式系统是近几年才开始真正风靡起来的， 但事实上嵌入式这个概念 却很早就己经存在了，从上个世纪7 0 年代单片机的出现到今天各种嵌入式微处 理器、微控制器的广泛应用，嵌入式系统少说也有了 近 3 0 年的历史。 纵观嵌入 式系 统的 发 展历 程， 大 致经 历了 以 下四 个 阶 段 2 7 : t z )无操作系统阶段 嵌入式系统最初的应用是基于单片机的， 大多以 可编程控制器的形式出 现， 具有监测、 伺服、 设备指示等功能， 通常应用于各类工业控制和飞机、 导弹等武 器装备中，一般没有操作系统的支持，只能通过汇编语言对系统进行直接控制， 运行结束后再清除内 存。 这些装置虽然己经初步具备了嵌入式的应用特点， 但仅 仅只是使用8 位的 c p u芯片来执行一些单线程的程序， 因此严格地说还谈不上 “ 系统” 的概念。 这一阶段嵌入式系统的主要特点是: 系统结 构和功能相对单一， 处理效率较 低， 存储容量较小， 几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、 价格低 廉， 因而曾经在工业控制领域中得到了非常广泛的应用， 但却无法满足现今对执 行效率、存储容量都有较高要求的 信息家电 等场合的需要。 西北工业大学硕士论文 第-幸 嵌入式系统和嵌入式操作系统 ( 2 )简单操作系统阶段 2 0 世纪8 0 年代，随着微电子工艺水平的提高，i c制造商开始把嵌入式应 用中所需要的微处理器、 i / o接口、串行接口以及 r a m. r o m 等部件统统集 成到一片 v l s i中，制造出面向i / o设计的微控制器，并一举成为嵌入式系统 领域中异军突起的新秀。 与此同时， 嵌入式系统的 程序员也开始基于一些简单的 “ 操作系统” 开发嵌入式应用软件，大大缩短了开发周期， 提高了开发效率。 这一阶段嵌入式系统的主要特点是:出现了 大量高可靠、低功耗的嵌入式 c p u( 如 p o w e r p c等) ， 各种简单的嵌入式操作系统开始出 现并得到迅速发展。 此时的嵌入式操作系统虽然还比较简单， 但己经初步具有了一定的兼容性和扩展 性，内核精巧且效率高，主要用来控制系统负载以 及监控应用程序的运行。 ( 3 )实时操作系统阶段 2 0 世纪9 0 年代， 在分布控制、 柔性制造、 数字化通信和信息家电 等巨大需 求的牵引下， 嵌入式系统进一步飞 速发展， 而面向实时信号处理算法的 d s p产 品 则向 着高速度、 高精度、 低功耗的方向 发展。 随 着硬件实时性要求的提高， 嵌 入式系统的软件规模也不断 扩大， 逐渐形成了 实时多 任务操作系统 ( r t o s )， 并开始成为嵌入式系统的主流。 这一阶段嵌入式系统的主要特点是: 操作系统的实时性得到了很大改善， 已 经能够运行在各种不同类型的微处理器上， 具有高度的模块化和扩展性。 此时的 嵌入式操作系统己经具备了文件和目 录管理、 设备管理、 多任务、 网络、图形用 户界面 ( g u i )等功能，并提供了大量的应用程序接口 ( a p i )，从而使得应用 软件的开发变得更加简单。 2 . 1. 2嵌入式系统体系结构 根据国际电气和电子工程师协会 ( i e e e )的定义， 嵌入式系统是“ 控制、监 视 或 者 辅 助 设 备、 机 器 和 车 间 运 行 的 装 置 ” ( d e v ic e s u s e d t o c o n t r o l , m o n it o r , o r a s s is t t h e o p e r a t io n o f e q u ip m e n t , m a c h in e r y o r p l a n t s ) 。 一 般 而言， 整 个嵌 入 式系 统的 体系结构可以 分成四 个部分 1 6 : 嵌入 式处理 器、 嵌入 式外围 设备、 嵌入式 操作系统和嵌入式应用软件，如图1 所示。 酶蔻工链大学硕士潦文 第二錾嵌入式系统和歉八式操推系统 ( 2 ) 简单操作系统阶段 2 0 世纪8 0 年代，随着微电子工艺水平的提高，i c 制造商开始把嵌入式应 用中所需要的微处理器、i o 接口、串行接 ：l 以及r a m 、r o m 等部件统统集 成到片v l s i 中，制造出西向i ( 9 设计的徽控涮器，并一举成为激尺式系统 领域中雾攀突起熬瓣秀。与戴爨酵，嵌入式系统的程廖员也开叁肇于些麓单熬 “操作系统”开发嵌入式应用软件，大大缩短了开发周期，提高了开发效率。 邀一除段谥入式系绕豹主要特点是：出现了大量离可靠、低功耗豹嵌入式 c p u ( 如p o w e r p c 等) ，各矛申简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅遮发展。 此时的嵌入式操作系统最然遥比较简单，但融经初步具有了一定的兼容性和扩展 性，内核精巧旺效率高，主娶用来控制系统负载黻及虢控应用稔痔韵运行。 ( 3 ) 实时操作系统阶段 2 e 嫠纪9 0 年代，京分毒控割、柔馊利造、数字纯逸接秘绩息家电等逡大嚣 求黝枣号i 下，漱入式系统进一步飞速发展，箍蟊肉实时信号处理算法的d s p 产 品则向着高速度、商精度、低功耗的方向发展。随着硬件实时性要求的提高，嵌 入式系统的软件规模也不断扩大，逐渐形成了实时多任务搡作系统( 解o s ) ， 并开始成为嵌入式系统戆主流。 这一一阶段嵌入式系统的主要特点燕：操作系统的实时髓得到了穰大改善，毫 经能够运行在各释不两类鍪瀚檄憝理器上，其毒凑发韵模块纯秘扩黢接。欺噩重熬 嵌入式掇 乍系统已经具餐了文 牛积羁蒙管理、设备管理、多任务、网络、图形用 户界面( g u i ) 等功能，并提供了大量的应用程序接1 5 1 ( a p i ) ，从而使樽应用 软件的开发变得更加简单。 2 1 。2 嵌入式系统体系结构 根据国际电气和电子工程师协会( 1 e e e ) 的定义，嵌入式系统是“控制、监 视或者辅助设备、机器和车闻运行的装置”( d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r ，o r a s s i s tt h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。一般瑟畜，熬个嵌入式系 统躲体系结构可以分成四个部分 1 6 1 ：嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式 操作系统和嵌入式应用软件，如图1 所示。 6 蹦北= _ f = 业大学碳士论文 赫= 章嵌入式系统刖嵌入式操作萦缆 图2 1 嵌入式系统的组成 ( 1 ) 嵌入式处理器 嵌入式系统的核心最备种类型的嵌入式处理器，嵌入式处理器与通用处理器 最大的不同点在于，嵌入忒c p u 大多工作在为特定用户群所专门设计的系统 中，它将逶瘸c p u 孛谗多瘗羧专完戏豹任务集藏鬟葱片痰嫠，飘褥骞秘亏二焱入 式系统在设计时趋于小型化，同时还舆有很高的效率和可靠性。 嵌入式处理器的体琢结构经历了从c i s c ( 复杂指令集) 至r i s c ( 精简指 令集) 窝c o m p a c t r i s c 熬转交，霞数瓤交4 经、s 使、1 6 位、3 2 位逐步发鼹 到6 4 位。鼹前常用的嵌入式处理器可分为低端的嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 、中高端的嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r op r o c e s s o r u n i t ，e m p u ) 、用于计算枧通信领域的嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i 迸t a l s i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 籀高度集藏豹嵌入式冀上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。 目前几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，并且越来越多的公司开始 拥有自主的处理器设计部门，据不完全统计，全世界嵌入式处理器已经超过1 0 0 0 多耱，流露懿体系绥秘鸯3 0 多令系列，冀孛v aa r m 、p o w e r p c 、m c6 8 0 0 0 、 m i p s 等使用得最为广溅。 ( 2 ) 嵌入式i o 设备 在嵌入系统硬件系统中，除了中心控制部件( m c u 、d s p 、e m p u 、s o c ) 以外，用于宪成存储、通信、调试、爨示等辅助功能的其他部件，事实上都弼“以 舞露嵌入式终露设备。瓣裁鬻耀豹嵌入式外盈设器按堙戆可以分为存褚设备、邋 信设备和甄示设备三类。 存储设备主要用于错类数据的存储，常用的裔静态易失型存储器( r a m 、 s r a m ) 、动态存麓器( d 黻殛) 秘饕荔失型存聩器( r o m 、e p r o m 、e e p r o m 、 西北王业大学磺士论文 第二章嵌入式系统和撒入式操作系统 f l a s h ) 三秘，葵中f l a s h 凭整装霹擦写次数多、存镰邃疫抉、存德容螫太、 价格便宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。 西藉存在静绝大多数通信设备酃可戮壹续在嵌入式系统中应蠲，包捂 r s - 2 3 2 接口( 串行通信接口) 、s p i ( 串行外围设备接口) 、i r d a ( 红外线接口) 、 1 2 c ( 囊场憨线) 、u s b ( 懑露串舒葸线接翻) 、e 斑e r n e t ( 戳太阚接日) 等。由 于嵌入式应用场合的特殊性，通常使用的是阴极射线管( c r t ) 、液晶显