（计算机应用技术专业论文）microwindows在嵌入式系统中的应用.pdf

、 摘要 摘要 嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就是它必须能提供非常友好的 用户界面、图像界面和灵活的控制方式。这方面的要求使得嵌入式软件设计者要 在图形界面的设计上多下功夫，既要保证能提供彩色的图形、图像，同时还要考 虑到嵌入式系统资源的有限性。 m i c r o w i n d o w s 是一个成熟的嵌入式图形用户界面系统，其目的是把图形视窗 环境引入到基于l i n u x 的小型设备和平台上，提供与xw i n d o w 相似的功能。它采 用分层体系结构，可移植性好，适宜在多种平台上运行。支持多种图形文件和字 体。本文对m i c r 0 w i n d o w s 的源代码进行了深入分析，同时基于n a n o xa p i 实现 了一个游戏程序的应用。 v i e w m l 是基于m i c r o w i n d o w s 的嵌入式浏览器。它是第一个开放源代码的，专 门面对嵌入式l i n u x 系统的小型浏览器。文中分析了v i e w m l 的结构和应用原理， 对v i e w m l 进行了裁剪。裁减工作的重点是窗口界面系统，针对特定目标平台将不 需要的功能部件从系统中删除，以及使用体积更小的窗口部件集合来取代原有的 窗口部件集合，使得整个系统更为小巧紧凑。实现了一个更适用于嵌入式系统的 小型浏览器。 对e p 7 3 1 2 的l c d 及键盘的工作原理进行解析，并设计驱动程序完成硬件测试。 硬件环境准备好之后，在p c 上完成对a r m b o o t 、l i n u x 一2 4 1 3f o re p 7 3 1 2 的修 改、配置和编译，以及j f f s 2 根文件系统的建立和应用程序的挂载。最后将整个 嵌入式软件系统下载到目标平台的f l a s h 中，完成系统的移植。 关键词：m i c r o w i n d o w s嵌入式系统 a r ml i n u xv i e w m l 文件系统 i l l 江南大学硕士学位论文 e m b e d d e dd e v i c et ob ea b l et oi n t i m a t e l yc o n t a c tw i t ht h eu s e r ，t h em o s ti m p o r t a n t f a c t o ri si tm u s tb ea b l et op m v i d ev e r yf r i e n d i yu s e ri l l t e a c c ，g r a p h i c a li i l t e - a c e 柚d n e x i b i ec o n t m lm o d e t h o s er e q u e s t sn e e dt l l ee m b e d d e ds o f t w a r ed e s i g n e rt ob e n dh i s m i n dt o 舯p h i c a l i n t e r f a c ed e s i 印，n o to n l yp m v i d i n g l o r c df 印h ，a l s oc o n s i d e 丌i n g t h el i m i t a t i o no ft h ee m b e d d e ds y s t e mr e u r c e s 、 m i c r o w i n d o w si sam a t u r ce m b e d d e dg r a p h j c a lu s e ri n t e 渤c cs y s t e m ，a n di t sa i m i st op r o d u c eag r a p hw i n d o w se n v i m i i i i l e n tf o rs m a l ld e v i c e sa i l dp l a t f b 珊sm 加j i i g l i n u x ，p m v i d i n gt h e mw i t ht h es i m i l a rf i i n c t i o na sxw i n d o w n sa r c h i t e c t u r ea p p l i e sa l a y e r e dd e s i g nt h a ti ss u i t a b l et ob ep o n e dt om a n yk i n d s0 fp l a t f o m se a s i l y a n d m n n i n gw e l i ns u p p o n s v a r i o u si m a g e6 l e s 卸df o n t s t h ep a p e rc a 】时so nt h et h o m u 曲 a n a l y s i so ft h em i c r o w i n d o w ss o u r c ec o d e ，柚d 晡c n yd e s c f i b e si t sf 1 1 n d i o n s 壮d p r o g 硼m e das m a ug a m ep m c e d u r eb a s e do nn a n o xa p i v i e w m li sa ne m b e d d e db r o w s e r b a s e do nm i c r o w i n d o w s ni st i l ef i r s ts m a l l 、o p e n s o u r c e c o d eb m w s e r ，s p e c i a i l yf o re m b e d d e du n u xs y s t e m t 1 l ep a p e rb r i e f l ya n a l ) r z e s t h ev i e w m ls t n l c t u r ea n di t sa p p l i c a t i o np r i n c i p l e ，a n dt l l e n 托d u c e st h ev i c w m lni s f o c u s e do nr e d u c i n gt h eg u is y s t e m ，m a i n l yc u t t i n go u tf i l n c t i o n st h a ta r en o tu s e f i l l o ns p e c i f i cp l a t f o 珊f m mt h es y s t e m ，u s i n gas m a l l e rw j i l d o wt 0 0 ll ( i tt om a k et h e p l a c eo ft h eo r i 画n a ls e t t h el a s ts t e pi st oa i l a l y z et h ew o r l ( i n gm l e so fl c d 孤dt l l ek e y b o a r do fe p 7 3 1 2 ， a i l dd e s i g n ed r i v e r st 0t e s tt h eh a r d w a f e a f i e rt h eh 盯d w a r ee n v i m n m e mh 鹤b e e n p r e p a r e d ，r e a l i z e st h ec o n f i g u r a t i o na n dc o m p i l a t i o nf o ra r m b 0 0 t ，t h eu n u x 一2 4 1 3f o r e p 7 3 1 2 ，嬲w e ua st h ej f f s 2r o o tf j l i n gs y s t e me s t a b l i s h m e n t 柚d h a n gt h ea p p l i c a t i o n p r o c e d u r et o t h ef i l e s y s t e m f i n a l l yt h ee n t i r ee m b e d d e ds o f t w a r es y s t e mt ob e d o w n l o a d e dt ot h ef l a s ho nt h et a r g e tp l a t f o 珊，a n d6 n i s h e dt l l e p o n a t i o no ft h e s y s t e mc o m p l e t e ly k e ”r o r d s ：m i c m w i n d o w se m b e d d e ds y s t e ma r mi j n u xv i e w m lf i l e s y s t e m 独创性1 声明 y9 6 8 1 0 7 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 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文_ 电不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名： 丕丕葺日期：7 蒯年j 片冲日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相二致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 丛? 毕 第一章绪论 1 1 嵌入式系统概述 第一章绪论 随着以计算机和软件为核心的数字化技术的迅速发展，多媒体技术与互联网 i n t e r n c t 的应用迅速普及。计算机、通讯、消费电子一体化的趋势日趋明显。作为 新型智能3 c 合一的嵌入式系统与技术进入智能化、网络化的发展阶段。目前，嵌 入式系统在工业、农业、家庭等各个领域中的应用已越来越广。最为典型的应用 有机顶盒、数字应用、w e b t v 、a t m p o s 机，多媒体手机，袖珍电脑、车载导航器 ，航空电子等等。据统计，这些嵌入式设备在数量上己远远超过通用计算机，其 前景备受人们看好。 1 1 1 嵌入式系统的概念 嵌入式系统【l l 【2 l 【3 】的一般定义为：以应用为中心，以计算机为基础，软硬件可 裁减，从而能够适应实际应用中对功能、成本、体积、功耗等严格要求的专用计 算机即系统。“嵌入式”顾名思义，它是作为系统中的一个完整的部分存在的。嵌 入式系统具备下列特征： ( 1 ) 通常只执行单一的特定功能，因为它是面向特定应用的，这与一般桌上 型办公设备不同。 ( 2 ) 以微电脑与周边电路器件构成核心，软硬件一体化，集计算机技术， 微电子技术和行业技术为一体。 ： ( 3 ) 提供的功能及面对的应用和过程都是预知的、相对固定的。 ( 4 ) 严格的时序，可靠性和稳定性要求。 ( 5 ) 多样性，应用广泛，种类繁多。 ( 6 ) 全自动操作循环。 ( 7 ) 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， 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对 处理器的选择更具有竞争力。 ( 8 ) 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也 是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才 能进行开发。 嵌入式系统在应用中远远超过了各种通用计算机。一台通用计算机的外部设 备中就包含了五至十个嵌入式微处理器，键盘、显示器、调制解调器、网卡、声 卡、打印机、扫描仪、数码相机等都是由嵌入式处理器进行控制的。 江南大学硕士学位论文 1 1 2 嵌入式系统的发展阶段 嵌入式系统的发展历史几乎和计算机自身的历史一样长，发展过程大致分成 以下四个阶段： 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、 伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控 制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制， 运行结束后清除内存。主要特点是：系统结构和功能都相对单一，处理效率较低， 存储容量较小，几乎没有用户接口。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。其主 要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱：系统开销小，效率高：操作系统具有一定 的兼容性和扩展性：应用软件较专业，用户界面不够友好：系统主要用来控制系统 负载以及监控应用程序运行。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是：嵌入式操作 系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好：操作系统内核精小、效率高， 并且具有高度的模块化和扩展性：具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络 支持、图形窗口以及用户界面等功能：具有大量的应用程序接口( a p i ) ，开发应用 程序简单：嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以基于i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的 阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于工n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展以 及i n t e r n e t 技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与 i n t e r n e t 的结合是将来的发展方向。 随着微处理器技术和材料科学技术的迅猛发展，功能强大、价格低廉、结构 小巧的c p u 和外部设备提供了稳定可靠的硬件条件，限制嵌入式系统发展的瓶预将 突出表现在了软件方而。 1 3 嵌入式系统的组成 嵌入式系统的架构一般可分成四个部分：处理器、外围设备、操作系统与应用 软件。 1 、嵌入式处理器 嵌入式系统的核心部分是嵌入式处理器。嵌入式处理器与通用处理器不同， 它通常把通用计算机中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，使得嵌入式系统 设计趋于小型化，且具有高效率、高可靠性等特征。由于嵌入式微处理器的体系 结构、位数、寻址空间、处理速度、封装引脚等方面的不同，可把嵌入式处理器 分为四类：嵌入式微处理器、嵌入式微控制器；嵌入式d s p 处理器和嵌入式片上系 2 第一章绪论 统。 据不完全统计全世界嵌入式处理器已超过一千多种，流行体系有三十多个系 列。其中使用最为广泛的有a r m ，m i p s 、p o w e r p c 、m c 6 8 0 0 、a m l 8 6 8 8 、m t o r o l a 等。 2 、外围设备 外围设备是指在一个嵌入式系统中，除了嵌入式处理器之外用于完成存储、 通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可分为三大类： ( 1 ) 存储器：静态易失性存储器( r a m s r a m ) ，动态存储器( d r a m ) 和非易 失性存储器( f l a s h ) ( 2 ) 接口：并口、r s 一串口、i r d a 红外接口、s p i 串行外围设备接口、i2 c 总 线接口、u s b 通用串行总线接口、e t h e r n e t 网口等。 ( 3 ) 人机交互：显示屏、键盘和触摸屏等人机交互设备。 3 、嵌入式操作系统 早期的嵌入式系统很多都不用操作系统，他们只是为了实现某些特定功能， 使用简单的循环控制对外界的控制请求进行处理。随着嵌入式系统地应用领域日 益扩大，提供的功能越来越复杂，当初的控制程序被加入了许多功能，而实际上 这些功能大多可以由操作系统来提供，由此嵌入式操作系统因工程实践的需要而 诞生。 嵌入式操作系统引入到嵌入式系统中对嵌入式系统地开发产生了极大的推动 作用。在大型的嵌入式应用系统中，为了使嵌入式开发更加方便、快捷，需要具 备一种稳定、安全的模块集合用以管理存储器分配、中断处理，任务间通信和定 时器相应，以及提供多任务处理等，如没有嵌入式操作系统的参与，每一次进一 步的开发和功能的扩展都会带来巨大的劳动力的无谓消耗。 4 、应用软件 嵌入式系统在硬件选型和设计完成之后，根据硬件和应用的需求开始软件的 系统的功能和结构设计。应用软件是嵌入式系统针对特定的实际专业领域，基于 相应的嵌入式硬件平台，并能完成用户预期任务的计算机软件。用户的任务可能 有时间和精度的要求，故有些应用软件需要嵌入式操作系统的支持，但在简单的 应用场合下一般不需要专门操作系统。一般而言，嵌入式系统的软件可以采取两 种形式，一种是缺少操作系统的嵌入式控制系统软件，另一种是具备操作系统的 嵌入式软件。 应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式系统软件和应用软件的要 求也与通用计算机有所不同。嵌入式软件的特点有： ( 1 ) 软件要求固态化存储。：为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的 软件一般都固化在存储器中或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 3 江南大学硕士学位论文 ( 2 ) 软件代码要求短小精干，高质量，高可靠性。随着半导体技术的发展，处 理器的速度不断提高，存储器容量不断增加；但在大多数应用中，存储空间仍然 是宝贵的，为此要求高质量的程序编写和编译工具，以减少程序二进制代码的长 度，提高执行速度。 ( 3 ) 高实时性要求。在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统 筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键，只提高处理器速度无法高效 完成，况且处理器速度的提高有一个极限。这种任务的调度只能由优化编写的系 统软件来完成。 ( 4 ) 多任务实时操作系统将成为嵌入式应用软件的必须。随着嵌入式应用的普 及和深入，其接触到的实际应用环境越来越来复杂，嵌入式软件业越来越复杂。 支持多任务的实时操作系统成为嵌入式软件必须的系统软件。 1 1 4 嵌入式系统的发展趋势 众所周知，嵌入式系统属技术与知识密集型产业，其应用范围广泛、发展前 景广阔。近几年，嵌入式系统及产品日益丰富，结构日臻完善，市场呈现快速增 长趋势，尤其在电子、通信、交通、金融、网络、监控、自动化等领域应用广泛， 使得嵌入式系统及产品迅速渗透到社会各个层面。 在2 0 0 2 年至今，随着美国经济的复苏，积极促进嵌入式技术的发展，从而大 大推动了嵌入式系统、开发工具和硬件部分的销售。据估计，嵌入式硬件和软件 开发人员将从2 0 0 1 年的2 5 5 万增加到2 0 0 6 年的3 6 3 万，软件开发人数的增长预计 将大大超过硬件。其中，在中国大陆，通信系统设备占3 5 ，工业控制占1 0 5 ， 电脑电脑外围设备占1 0 1 在台湾地区，通信系统设备和i c 与半导体均以占 1 9 5 占首位，随后是电脑电脑外围占1 8 8 。在南韩，主要领域为：通信系统设 备占2 2 3 ，工业控制占1 7 5 ，电脚电脑外设占1 3 。 当前计算机系统的发展趋势是智能化，这也是作为他的分支之一的嵌入式系 统的技术发展走向必然方向。无所不在的“智能”具有十分诱人的发展前景，它 为未来消费类电子的繁荣勾勒出蓝图。未来的嵌入式设备能快速地处理通讯以及 人的听、讲、感觉等模拟信号，能够主动地适应用户的特殊需求并提供个性化的 服务等。要实现这些功能其技术发展上要求 l 、嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持。 嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软 硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。 2 ，配备标准的一种或多种网络通信接口。 网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的加大而日益提高，使 得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更加 4 第一章绪论 复杂。这就要求芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能。 3 、支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本。 精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。未来的嵌入式产品是软硬件 紧密结合的设备，为了降低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内核，只保留 和系统功能紧密相关的软硬件，利用最低的资源实现最适当的功能，这就要求设 计者选用最佳的编程模型，不断改进算法，优化编译器性能。 4 、提供精巧的多媒体人机界面。 嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用户 界面、图像界面和灵活的控制方式，使得人们感觉嵌入式设备就像是一个熟悉的 老朋友。这方面的要求使得嵌入式软件设计者要在图形界面、多媒体技术上多下 功夫。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像都会使 用户获得自由的感受。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行业的 具体应用结合于一体的产物，这就决定了它必然是一个技术密集，资金密集，高 度分散、不断创新的知识集成型系统。嵌入式系统的发展前景是整个行业发展的 结果。 、 1 2 嵌入式操作系统 从2 0 世纪8 0 年代起，国际上开始有一些i t 组织和公司开始进行商用嵌入式 操作系统和专用操作系统的研发，这其中涌现出一些著名盼嵌入式系统。经过多 年发展，目前世界上已经有一大批十分成熟的实时嵌入式操作系统。 1 2 1 常用嵌入式操作系统 实时嵌入式操作系统的种类繁多，一般可分为两种商用型和免费型。商 用型的实时操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价 格昂贵。免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，目前主要有l i n u x 和u c 0 s 。 l 、商用型实时嵌入式操作系统有： ( 1 ) v x w o r k s v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种实时嵌入 式操作系统( r t o s ) ，由于具有高性能的系统内核和友好的用户开发环境，在实时 嵌入式操作系统领域牢牢占据着一席之地。值得一提的是，美国j p l 实验室研制 的著名“索杰纳，火星车采用的就是v x w o r k s 操作系统。 v x w o r k s 的突出特点是：可靠性、实时性和可裁剪性。它是目前嵌入式系统领 5 江南大学硕士学位论文 域中使用最广泛、市场占有率最高的操作系统。它支持多种处理器，如x 8 6 、i 9 6 0 、 s u ns p a r c ，m o t o r o l am c 6 8 x x x 、m i p sr x 0 0 0 、p o w e rp c 等。大多数的v x w o r k sa p i 是专有的，采用g n u 的编译和调试器。、 ( 2 ) w i n d o w se m b e d d e d w i n d o w se m b e d d e d 产品家族主要用于建立支持具有丰富应用程序和服务的3 2 位嵌入式系统，从而针对广泛的用户需求提供灵活解决方案。此外，通过支持更 快的“产品上市速度”并降低开发成本，w i n d o w se m b e d d 产品家族还能保证开发 人员立于竞争前沿。目前w i n d o w se m b e d d e d 产品家族主要有以下三种产品： w i n d o w sc e3 o ，w i n d o w sn te m b e d d e d4 0 ，有s e r v e ra p p l i a n c ek i t 的w i n d o w s 2 0 0 0 。 ( 3 ) p s o s p s o s 原属i s i 公司的产品，鉴于i s i 已被w i n d r i v e r 公司兼并，p s o s 为属于 w i n d r i v e r 公司的产品。该系统是一个模块化、高性能的实时操作系统，专为嵌入 式微处：理器设计，提供一个完全的多任务环境，在定制的或是商业化的硬件上 具有高性能和高可靠性，可以让开发者根据操作系统的功能和内存需求定制每一 个应用所需的系统。开发者可队利用它来实现从简单的单个独立设备到复杂的、 网络化的多处理器系统。 ( 4 ) p a l m 0 s p a l m s 是著名的网络设备制造商3 c 0 m 旗下的p a l mc o m p u t i n g 掌上电脑公司的 产品，在p d a 市场上占有很大的市场份额。它具有开放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要的应用程序。从全球范围来看，由于 h a n d s p f i n g 公司和s 0 n y 公司也被授权使用p a l m 0 s 操作系统，致使p a l mo s 的市 场份额占到将近9 0 。p a l m0 s 的优势在于可以让用户灵活方便地定制 操作系统以适合自己的习惯，而且其市场运作经验丰富，资本雄厚，目前也正在 通过第三方软件商进行软件的中文化工作。 ( 5 ) 0 s 一9 m i c r o m w a v e 的o s 一9 是为微处理器的关键实时任务而设计的操作系统，广泛应 用于高科技产品中，包括消费电子产品、工业自动化、无线通信产品、医疗仪器、 数字电视，多媒体设备。它提供了很好的安全性和容错性。与其他的嵌入式系统 相比，它的灵活性和可升级性非常突出。 ( 6 ) l y n x 0 s l y n xr e a 卜t i m es y s t e m s 的l y n x o s 是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实 时操作系统，占遵循p o s i x 1 a 、p o s i x 1 b 和p o s i x 1 c 标准。l y n x 0 s 支持线程 概念，提供2 5 6 个全局用户线程优先级；提供一些传统的、非实时系统的服务特 征，包括基于调用需求的虚拟内存、一个基于m o t i f 的用户图形界面、与工业标 6 第一章绪论 准兼容的网络系统以及应用开发工具。 ( 7 ) q n x q n x 是加拿大q n x 公司的产品。q n x 是在直接在x 8 6 体系上开发出来的，发， 只是近年才在6 8 k 等c p u 上使用。q n x 是一个实时的、可扩充的操作系统，它部分 遵循p o s 相关标准，如p 0 s i x 1 b 实时扩展。它提供了一个很小的微内核以及一 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。其进程在独立的地址空间运行。所有其他o s 服务，都实现为协 作的用户进程，因此q n x 内核非常小巧( q n x 4 x 大约为1 2 k b ) ，而且运行速度极 快。 2 、免费型实时操作系统 ( 1 ) u c o s u c o s 是源码公开的实时嵌入式操作系统，后来推出的u c 0 s i i 是u c o s 的 升级版本。u c o s i i 是基于u c o s 的，u c o s i i 自1 9 9 2 年以来已经有很多 成功的商业应用。u c 0 s i i 与u c 0 s 的内核是一样的，只不过提供了更多的功 能。 u c 0 s i i 的主要特点有：公开源代码，可移植、性多任务、可确定性、任务 栈、系统服务、中断管理，稳定性与可靠性等。 但由于u c o s i i 仅是一个实时内核，这就意味着它不像其他实时操作系统 那样提供给用户的只是一些a p i 函数接口，有很多工作往往需要用户自己去完成。 把u c 0 s i i 移植到目标硬件平台上也只是系统设计工作的开始，后面还需要针 对实际的应用需求对u c o s i i 进行功能扩展，包括底层的硬件驱动、文件系统、 用户图形接口( g u i ) 等，从而建立一个实用的r t o s 。 ( 2 ) 嵌入式l i n u x l i n u x 是一个开放源源码操作系统，与商用嵌入式操作系统最大的不同是任何 人使用它都不需要付费。而且l i n u x 在性能上有很多的优势，它可以移植到多种 有不同结构的c p u 和硬件平台上，具良好的稳定性、各种性能的升级能力，而且 开发更容易。随着嵌入式系统逐步提高了对数字化、网络化和智能化追求，使得 原来在某些设备或领域中占主导地位的软件系统越来越难以为继，因为要满足以 上要求，整个系统必须是开放的、提供标准的a p i ，并且能够方便地与众多第三方 的软硬件合作。 1 2 2 嵌入式l i n u x 操作系统 l i n u x 是一个互联网络时代的产物，它是在互联网上产生、发展和壮大起来的。 l i n u x 是在9 0 年代初期，由自苗软件联盟发起编写的网络操作系统，它是一种类 似于u n i x 系统，以核心为基础、完全内存保护、多任务多进程的操作系统。可以 7 江南大学硕士学位论文 免费使用，遵循g p l 声明。可以自由修改和传播。它与w i n d o w s 等商业操作系统 不同，l i 叫x 完全是一个自由的操作系统。 随着微处理器的产生，价格低廉、结构小巧的c p u 和外设连接提供了稳定可 靠的硬件架构。限制嵌入式系统发展的瓶颈不可避免的表现在了软件方面。高端 的嵌入式系统要求许多高级的功能，如图形用户界面和网络的支持。虽然满足这 些要求的产品市场已然出现，但其价格非常昂贵，一般用户很难接受。像微软的 w i n d o w sc e 正式如此，而且还不具备大多数嵌入式系统要求的实时性，并难以移 植。 嵌入式l i n u x 由于代码开放性以及强大的网络功能，在中低端的嵌入式网络 设备的应用有很多优势。它甚至支持蓝牙技术。相对于w i n d o w sc e 、q n x 以及国 内的h o p e n 等嵌入式操作系统。嵌入式l i n u x 以期特有的开放性、与生俱来的网 络特性成为嵌入式操作系统的主流之一。l i 叫x 有着得天独厚的优势。 ， 完全开放源码的。不存在黑箱技术，遍布全球的众多l a n u x 爱好者又是l i n u x 开发的强大技术后盾； 内核小巧、功能强大、运行稳定、系统健壮、效率高； 开放源码，易于定制裁剪，在价格上极具竞争力； 支持数十种c p u 芯片； 有大量的且不断增加的开发工具，嵌入式系统的开发提供了良好的开发环 境： 沿用u n i x 的发展方式，遵循国际标准，、可以方便地获得众多第三方软硬件 厂商的支持： 内核的结构在网络方面是非常完整的，它提供了对十兆、百兆、千兆以太 网、无线网络、令牌网、光纤网、卫星等多种联网方式的全面支持。 此外，在图像处理、文件管理及多任务支持等诸多方面，l i n u x 的表现也都非 常出色，因此它不仅可以充当嵌入式系统的开发平台，其本身也是嵌入式系统应 用开发的好工具。 l i n u x 的嵌入式改造主要是围绕体积和实时性展开的，目前已经有许多公司在 进行这方面的工作。比较著名的嵌入式l i n u x 系统介绍如下： 1 、u c l i n u x u c l i n u x 是l i n e o 公司的产品，它是开放源代码的嵌入式l i n u x 的一个典范之 作。在u c l i n u x 这个英文单词中u 表示m i c r o ，小的意思，c 表示c o n t r 0 1 ，控制 的意思，所以u c l i n u x 就是m i c r o c o n t r o 卜l i n u x ，字面上的理解就是。针对微控 制领域而设计的l i n u x 系统”。当l i n u x 的版本还是2 0 的时候，u c l i n u x 就产生 了。到目前为止u c l i n u x 已经可以支持2 0 x 、2 4 x 和2 5 x 。其内核始终与主 流l i n u x 内核保持同步。 8 第一章绪论 u c l i n u x 的设计的目标平台是那些不具备内存管理单元的微处理器芯片。为了 满足嵌入式系统的需求，u c l i n u x 改写和裁减了大量的l i n u x 内核代码以缩小内核。 因此u c l i 舢x 的内核远小于标准的l i n u x 的内核，同时仍然保持了l i n u x 操作系 统几乎所有的优秀特性，包括稳定、强大的网络功能，出色的文件系统支持。 嵌入式u c l i n u x 操作系统主要有三个基本部分组成：引导程序、u c l i n u x 内核 ( 由内存管理、进程管理和中断处理等构成) 和文件系统。u c l i n u x 可以通过定制 使内核小型化，还可以加上g u i ( 图形用户界面) 和定制应用程序，并将其放在r o m 、 r a 】i 、f l a s h 或d i s ko nc h i p 中启动。由于嵌入式u c l i n u x 操作系统的内核定制高 度灵活性，开发者可以很容易地对其进行按需配置，来满足实际应用需要。又由 于u c l i n u x 是源代码公开，因此开发人员只有了解内核原理就可以自己开发部分 软件，例如增加各类驱动程序。 2 、r t l i n u x r t l i n u x 是利用l i n u x 进行实时系统开发比较早的尝试【矧，是最早的美国新 墨西哥理工学院的一个研究项目。目前从航空飞机的空间数据采集、科学仪器测 控到电影特技图像处理都有成功应用。 r t l i n u x 的原理采用双内核机构。通过将l i n u x 本身的任务以及内核作为一 个优先级最低的任务，而实时任务作为优先级最高的任务来实现的。即有实时任 务执行实时任务，否则才运行l i n u x 本身的任务。实时任务以l i n u x 的内核模块 形式出现，需要运行时将其内核模块插入内核中。实时任务和一般进程之间的通 信通过共享内存或f i f 0 通道来实现。 3 、k u r t l i n u x k u r l l i n u x 由美国k a n s a s 大学研制，它采用了另一种方式来获得实时性。研 发k u r t - l i n u x 的最初目的是满足实时网络多媒体处理方面的研究的需要。由于a t m 网络和多媒体处理既要求有很高的实时性，又要求全面的操作系统服务，故传统 的分时系统和专用实时系统都不能同时满足这两方面的需求。它是通过对l i n u x 核心进行改造来实现目的。 k u r t _ l i n u x 强化了l i n u x 的十种机制和调度机制。k u r t l i n u x 修改了l i n u x 的时钟管理模块，使时钟以“s 为单位在任何需要时产生中断。标准的l i n u x 时钟 间隔为l o m s 。同时k u r t _ l i n u x 增加了新的实时调度模块，这样k u r t - l i n u x 可以 同时调度实时任务和分时任务。 4 、a r ml i n u x a r ml i n u x 是一个将l i n u x 内核移植到各种基于a r m 处理器的目标系统的项目。 目前，a 雕l i n u x 支持包括a r m6 1 0 、a r m7 1 0 、a r m7 2 0 t c o r e s 、a r m9 2 0 tc o r e s 、 s t r o n g a 跚11 0 、s t r o n g a r ml l o o 、x s c a l e 等系列的a r m 处理器。这些处理器都 具有删u 单元，与之相对应的事n o 删的u c l i n u x ，主要是支持a 蹦7 t d m i 系列的 9 江南大学硕士学位论文 微处理器。在a r ml i n u x 的基础上，很多开发者将其移植到了自己的硬件平台上， 并提交相应的m a c h i n et y p e 严格的讲a r ml i n u x 并不是一种嵌入式l i n u x 操作系统的一个分支，它只是 配置了相应于各个a r m 外围设备的驱动，从而能够在从而能够在以a r m 为核心的 嵌入式系统中运行。 1 3 课题背景 1 3 1 课题的提出 在进入后p c 时代以后，嵌入式设备正以一种无法抑制的迅猛速度普及和发展 到日常生活及工作当中。鉴于以视窗为代表的桌面操作模式取得了巨大成功，国 内外许多开发者在嵌入式设计中的首选方案开始使用类似于桌面的操作系统。其 中较好的方案是使用l i n u x 。l i n u x 系统对用户同时提供图形和文本用户界面。文 本界面是s h e l l 接口，图形界面是xw i n d o w s 系统。xw i n d o w s 在运行时至少需要 8 她的内存空间，这对于原本就只有很小内存的的嵌入式设备来说x w i n d o w s 决不 是一个恰当的选择。由此而发展起来的m i c r o w i n d o w s 是专门设计用于在小型设备 上开发具有高品质图形功能的开放式源码桌面系统，作为xw i n d o w s 系统的替代 品，m i c r o w i n d o w s 可以使用更少的r a m 和文件存储空间( 1 0 0 k 一6 0 0 k ) ，m i c r o w i n d o w s 在运行的过程中仅需要5 0 2 5 0 k b 的内存空间，远小于xw i n d o w s 运行所需空间。 m i c r o w i n d o w s 的目的是把图形视窗环境引入到运行l i n u x 的小型设备和平台 上。提供与xw i n d o w 相似的功能。该体系结构允许设计者轻松加入各种显示设备、 鼠标、触摸屏和键盘等。m i c r o w i n d o w s 的可移植性非常好，基本上用c 语言实 现，只有某些关键代码使用了汇编以提高速度。m i c r o w i n d o w s 支持i n t e l1 6 位、 3 2 位c p u ，m i p sr 4 0 0 0 以及基于a r m 内核的处理器芯片。 m i c r o w i n d o w s 支持新的l i n u x 内核帧缓存结构，目前提供每像素1 、2 、4 、8 、 1 6 、2 4 和3 2 位的支持，另外还支持彩色显示和灰度显示，其中彩色显示包括真彩 色( 每像素1 5 、1 6 和3 2 位) 和调色板( 每像素l ，2 ，4 和8 位) 两种模式。在彩 色显示模式下，所有的颜色用r g b 格式给出，系统再将它转换成与之最相似的可 显示颜色，而在单色模式下中则是转换成不同的灰度级。m i c r o w i n d o w s 支持窗口 覆盖和子窗口概念、完全的窗口和客户区剪切、比例和固定字体，还提供了字体 和位图文件处理工具。系统使用了优化的绘制函数，这样当用户在移动窗口时可 以提供更好的响应。内存图形绘制和移动的实现使得屏幕画图显得很平滑，这点 特别在显示动画、多边形绘制、任意区域填充、剪切时非常有用。 m i c r o w i n d o w s 内部的可移植结构是基于一个相对简单的屏幕设备接口，因此 它除了完全支持l i n u x 外还可在许多不同的r t o s 和裸机上运行。这种特性的优点 1 0 第一章绪论 使得m i c r o w i n d o s 也可以不需要任何操作系统和图形系统支持便可直接在嵌入式 系统上运行。 1 3 2 国内外关于m j c r o 坩i n d o w s 的应用 m i c r o w i n d o w s 已经移植到一些掌上电脑。它的图形引擎被设计成能够运行在 任何支持r e a d p i x e l ，盯i t e p i x e l ， d r a 讪o r z l i n e 和d r a v e r t l i n e ，和 s e t p a l e t t e 的系统之上。在国外m i c r o w i n d o w s 已经较为普遍的应用于中高端移 动设备上，而在国内产业化并不多见。 由于m i c r 0 w i n d o w s 是完全免费的开放式源代码，与传统的xw i n c o w s 系统相 比为嵌入式设备提供了更多的解决方案。且能显示出更好的色彩和三维动画效果。 目前有许多对将l i n u x 定制于p d a ，掌上机或者可移动设备感兴趣的个人和软件公 司，从因特网上下载其源代码移植到l i n u x 上进行嵌入式图形应用程序开发和在 嵌入式系统开发领域中设计开发基于嵌入式l i n u x 的系统开发平台。如2 0 0 3 年5 月2 0 日华南理工大学承担的省重大科技专项中“嵌入式操作系统研究与开发”项 目，项目组研制的嵌入式操作系统g d i x 成功验收。该系统是以嵌入式l i n u x 为蓝 本，针对信息家电进行改造和移植；网络系统实现标准的t c p i p 协议簇，保证与 标准网络系统的互连、互通；图形系统采用m i c r o w i n d o w s 系统。g d i x 与国内外嵌 入式操作系统比较，图形子系统可移植性强，用户编程接口不仅支持x w i n d o w ， 而且支持w i n 3 2 。 互联网的迅速发展、信息的多元化以及人们对信息的随时随地的需求促使嵌 入式系统必然向网络化方向发展。基于嵌入式的t c p i p 协议解决了通讯的问题， 随着图形用户界面被引入到嵌入式领域，嵌入式浏览器也日益摆上了嵌入式开发 的议事日程。v i e w m l 应运而生，它是第一个转为嵌入式系统开发的、开放源代码 的嵌入式浏览器。是m i c r o w i n d o w s 在网络方面的应用。 1 3 3 课题主要内容 m c r o w i n d 0 w s 采用分层结构设计方法，在底层提供对屏幕，鼠标或触摸屏， 键盘的驱动，是程序能够访问实际的硬件和其他用户订制设备；中间层实现了一 个可以移植的图形引擎，这个图形引擎实现画线，填充，多边行，剪辑和多种颜 色模式；最上层实现了多种a p i 以适应不同的应用环境。每一层都可以根据不同 的应用需求修改代码或重新编码。下面是m i c r o w i n d o w s 的体系结构图： 江南大学硕士学位论文 n o x a p iw i n 3 2 ，w i n c eg d l 窗口管理 硬件抽象层 输入输出设备 图1 1m i c r o w i n d o w s 体系结构图 如图所示，其设备与平台相关层，设备与平台无关层设备与平台相关层和应 用层之间层次清晰，结构明显。因此无需改动其整体结构，