第4章 嵌入式操作系统v2.ppt

嵌入式系统原理与设计第四章嵌入式操作系统 本章提要 1 2 3 操作系统的基本概念 C OS 操作系统 CLinux操作系统 4 WinCE操作系统 4 3 CLinux Micro Controller Linux 字面上的理解就是 针对微控制领域而设计的Linux系统 Linux最开始只运行在x86系统上 后逐步支持其他微处理器 在Linux2 0发布后 有人开始对Linux源码进行修改 使得它能在没有内存管理单元 MemoryManagementUnit 简称MMU 的微控制器上运行 修改后的内核代码就是 CLinux 时至今日 CLinux已得到广泛的认可和完善 它包含2 0 2 4和2 6的Linux内核 并且集成了很多有用的应用程序和库 这些相关的软件极大地方便了嵌入式开发者的工作 因此 目前在嵌入式Linux领域中 已经产生了明显的选择 如果微控制器具有MMU 就选择Linux 否则 选择 CLinux 4 3 1 CLinux简介 4 3 2Linux内核 Linux内核采用的是单一内核结构 这种内核结构的重要特征是模块化 Linux对模块给予了强有力的支持 在各个模块之间规定了良好的界面 并且可以动态地装入和卸载内核中的部分代码 Linux的内核为非抢占式的 它不能通过改变优先权来影响当前的执行流程 因此 可以对Linux某些重要的数据结构进行修改而不加任何保护措施 Linux内核功能 1 用软件接口抽象不同的硬件资源 以简化操作 屏蔽低层硬件的不同接口 即资源抽象 2 将抽象出来的各种资源分配给各个进程并负责取回这些系统资源 即资源分配 3 根据不同的资源类型使用不同的机制保证资源被进程所独占 即资源共享 4 3 2Linux内核 Linux内核包含进程调度 内存管理 文件系统 进程间通信 网络及资源管理6部分 图4 11Linux内核体系结构 4 3 2Linux内核 进程调度 控制CPU资源的分配 Linux内核采用基于优先级的抢占式多任务调度方式 内存管理 Linux的内存管理系统用于管理内存资源 它实现了进程之间的内存保护 内存共享及内存管理功能 可分为硬件相关部分和硬件无关部分 文件系统 Linux的文件系统结构和UNIX的类似 该系统具有虚拟文件系统 VFS 接口 所有真正的文件系统都挂接在虚拟文件系统下 通过虚拟文件系统接口切换 虚拟文件系统 VFS 逻辑文件系统 设备管理部分 Linux的文件系统 4 3 2Linux内核 4 进程间通信 IPC 主要的进程间通信方式有管道 Pipe 文件锁 SystemVIPC 信号 Signal 及共享内存等 因为Linux支持网络 所以还可以使用网络接口进行进程间通信 5 网络 Linux是在互联网环境下产生的操作系统 所以它具有对网络的良好支持 Linux内核支持多种网络协议 如IP IPv6 IFX Appletalk及蓝牙 Bluetooth 等 支持路由 防火墙过滤等网络设备功能 并提供标准的BSDSocket编程接口 6 资源管理 Linux中除了CPU和内存 其他资源都是用驱动程序的形式加以管理的 因此 其内核源代码的绝大部分是各种驱动程序 并且随着系统支持的硬件的增加 代码增加量最大的也是驱动程序 4 3 4 CLinux的内核结构 图4 12 CLinux的内核体系结构 4 3 3 CLinux内核与传统Linux的比较 4 3 5 CLinux在ARM上的移植 图4 13 CLinux发行版本目录结构 CLinux内核的移植可以分为板级移植和片级移植两种 CLinux发行版本目录结构如图4 13 4 3 5 CLinux在ARM上的移植 图4 14 CLinux内核的目录结构 CLinux内核目录结构如图4 14 4 3 5 CLinux在ARM上的移植 1 内核移植的主要任务 1 配置内核 CLinux常用的配置选项包括系统及其存储器配置 网络支持 USB支持 显示器支持以及触摸屏支持等 2 编译内核 主要包括使用MakeDep建立依赖关系 使用Make编译内核 使用MakezImage编译压缩核心 zImage 编译生成地 CLinux映像文件通常保存在 images目录下 3 下载 运行 调试内核 可通过调试器下载内核并运行 也可通过BootLoader将内核烧到Flash中 然后运行 Clinux 4 3 5 CLinux在ARM上的移植 2 CLinux调试在 Clinux开发中 由于有些嵌入式系统可能没有标准键盘和显示器支持 因此通常通过串行口将显示信息发送到主机 由主机端超级终端工具接收 以完成显示功能 在超级终端中也可输入数据 然后由 CLinux接收 以完成标准键盘功能 在调试过程中 也可以通过串行口将调试信息打印到超级终端 这是调试 CLinux的最有效和最简单的方法 4 3 5 CLinux在ARM上的移植 3 CLinux内核移植主要过程 1 内核配置 内核配置包括板级包配置 根据所选用的ARMCPU 例如S3C44B0X 分别配置其板级包 例如S3C44B0X MBA44 2 体系结构相关代码修改 应根据板级包的配置 修改相应的体系结构相关代码 包括压缩核心启动代码 内核启动代码及板级相关代码 3 连接脚本 CLinux的核心连接脚本是位于linux 2 4 x arch armnommu下的vmlinux lds文件 压缩核心连接脚本位于linux 2 4 x arch armnommu boot compressed下的linux lds文件 4 中断处理 在嵌入式系统中 CLinux内核一般在SDRAM中运行 因此在BootLoader中必须将中断向量表正确导入到该处地址 4 3 5 CLinux在ARM上的移植 5 加载文件系统 目前所有的 CLinux内核 2 4和2 5 都支持Romfs文件系统 但是在一些Linux发布中可能没有将其编译进来 6 编写驱动程序 CLinux的驱动程序目录为linux 2 4 x drivers 包括网卡驱动程序 LCD驱动程序和触摸屏驱动程序等 7 编译 CLinux文件系统 包括配置文件系统 编译文件系统源代码 生成 CLinux文件系统 生成Romfs文件系统映像及编译Romfs文件系统映像到内核中或者写到固定位置并由内核从该位置加载 4 4WinCE WindowsEmbedded是微软嵌入式技术和产品的总称 它是微软专门为嵌入式智能设备开发的窗口操作系统 目前微软的WindowsEmbedded家族主要包括两个产品 WindowsCE和WindowsEmbedded7 MicrosoftWindowsCE是一个开放的 可裁剪的 32位的实时嵌入式窗口操作系统 和其他桌面版窗口操作系统 Windows98 2000 XP等 相比 它具有可靠性好 实时性高 内核体积小的特点 所以被广泛用于各种嵌入式智能设备的开发 涉及工业控制 信息家电 移动通信 汽车电子 个人电子消费品等各个领域 是当今应用最多 增长最快的嵌入式操作系统 4 4 1WinCE简介 WindowsCE的设计目标 1 模块化和小内存占用 2 多种无线与有线连接支持 3 强大的实时性能力 4 丰富的多媒体和多语言支持 5 强大的开发工具支持2 WindowsCE的特征 1 可移植性 2 实时性 3 模块化 4 安全服务 5 多媒体性能 6 网络和通信性能 7 存储性能 8 本地化支持 9 GWES 10 开发环境全面 4 4 2WinCE内核结构 图4 15WindowsCE的架构 WindowsCE的内核结构是一种分层式结构 从底层向上分别为硬件层 OEM层 操作系统层和应用层 4 4 2WinCE内核结构 硬件层是指由CPU 存储器 I O端口 扩展板卡等组成的嵌入式硬件系统 是WindowsCE操作系统必不可少的载体 OEM层是嵌入式硬件与WindowsCE操作系统的接合层 OEM层主要由下列模块组成 1 OAL OEMAdaptationLayer OEM适配层 2 启动加载程序 BootLoader 3 配置文件 4 驱动程序 4 4 2WinCE内核结构 操作系统层是WindowsCE操作系统的核心层 它既要为下层OEM层提供接口和服务 也要为上层的应用程序提供服务与应用程序编程接口 操作系统层主要由下列模块构成 1 核心 2 CoreDLL 3 对象存储模块 4 多媒体技术模块 5 图形窗口和事件系统模块 6 设备管理器模块 7 通信服务与网络模块 8 应用和服务开发模块 4 4 2WinCE内核结构 应用层主要包括以下模块 1 WindowsCE应用程序 主要包括ActiveSync CAB安装 卸载应用程序 文件查看器Inbox 游戏 WordPad WindowsMessenger等应用程序以及RDP支持 声音重定向 文件存储重定向 打印机重定向 串并口重定向 智能卡重定向等应用程序 2 Internet客户服务 提供了对浏览器应用程序 定制浏览器技术及脚本语言解析引擎的支持 3 用户接口 构成了用户与基于WindowsCE的设备和应用程序的交互方式 它由鼠标接口 网络用户接口 软输入板 语音输入与识别 触摸屏等应用程序组成 4 客户应用程序 是用户为特定需要编写的特定功能的WindowsCE应用程序 4 4 3WinCE的开发与应用 由于WindowsCE自身良好的特点和开发工具环境的配套化 使用简单化 使得WindowsCE开发与应用相对比较容易 其一般流程如下 1 对操作系统进行裁剪和配置 更改相应的配置文件 除内核外都是可选的 2 OAL层 OEMAdaptationLayer 开发 3 编译生成操作系统的镜像文件 4 下载并调试 4 4 3WinCE的开发与应用 OAL的开发主要分以下三个步骤 1 内核初始化 1 配置Config bib文件 WindowsCE内核通过Config bib了解硬件的配置情况 包括Flash RAM ROM的物理地址空间和大小等配置 因此 需要在该文件中根据所设计的硬件平台进行正确的配置 2 Startup代码 即最原始的初始化代码 主要完成初始化CPU 设置寄存器 初始化存储系统等 使之达到正确工作的状态 进而启动内核调用系统初始化函数KernelStart或KernelInitialize来完成后续的初始化和操作系统的启动 4 4 3Win