2022年《嵌入式Linux系统开发标准教程》嵌入式系统概述 .pdf

《2022年《嵌入式Linux系统开发标准教程》嵌入式系统概述 .pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年《嵌入式Linux系统开发标准教程》嵌入式系统概述 .pdf（10页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、嵌入式学院华清远见旗下品牌：www.embedu.org嵌入式 Linux 系统开发标准教程名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 10 页 -嵌入式 Linux 系统开发标准教程第1 章、嵌入式系统概述嵌入式学院华清远见旗下品牌：www.embedu.org第 1 章嵌入式系统概述本章目标本章主要介绍嵌入式系统和嵌入式操作系统的概况，讲述嵌入式 Linux 的发展历史和开发环境，概括说明嵌入式Linux系统开发的特点。读完本章内容，读者可以对嵌入式Linux 系统有整体的认识，了解嵌入式Linux 开发的要点。嵌入式系统定义嵌入式 Linux 操作系统嵌入式 Linux

2、 系统开发要点名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 10 页 -嵌入式 Linux 系统开发标准教程第 1 章、嵌入式系统概述嵌入式学院华清远见旗下品牌：www.embedu.org1.1 嵌入式系统的定义与特点1嵌入式系统的定义嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于对功能、可靠性、成本、体 积、功 耗等方面 有特 殊要求的专用计算机系统。嵌入式系统与通用计算机系统的本质区别在 于系统应用 不同，嵌入式系统是 将一个计算机系统嵌入到对象系统中。这个 对象可能是 庞大 的机 器，也可能是 小巧 的手持设备，用 户并不关 心这个 计算机系统的 存

3、在。嵌入式系统 一般包含 嵌入式 微处理器、外围 硬件 设备、嵌入式操作系统和应用程序 4 个部分。嵌入式 领域已经 有丰富 的软硬件 资源 可以 选择，涵盖 了通信、网络、工业控制、消费电子、汽车电子等各种行业。2嵌入式系统的特点嵌入式计算机系统与通用计算机系统 相比具 有以下特点。（1）嵌入式系统是面向 特定系统应用的。嵌入式处理器大多数 是专门为特定应用设 计的，具有低功 耗、体 积小、集成度高等 特点，一般 是包含各种外围设备接口的片上 系统。（2）嵌入式系统 涉及 计算机技术、微电子 技术、电子 技术、通信 和软件 等各行各业。它是一个 技术 密集、资金密集、高度分 散、不断创新 的

4、知识集成 系统。（3）嵌入式系统的硬件和软件都必须 具备高度 可定 制性。只有这样才能适应嵌入式系统应用的需要，在产品价格 性能 等方面具备 竞争力。（4）嵌入式系统的 生命周期 相 当长。当嵌入式系统应用 到产品以 后，还可以 进行软件 升级，它的生命周期 与产品的 生命周期几乎 一样长。（5）嵌入式系统 不具备 本地系统开发能 力，通 常需 要有 一套专门 的开发 工具 和环境。在计算机 后 PC 技术 时代，嵌入式系统 将拥有 最大的市场。计算机和 网络已经 全面 渗透 到日常生活 的每一个 角落。各种各 样的新型 嵌入式系统 设备在 应用数量上已经远远 超过 通用计算机，任何 一个 普

5、 通人可能 拥有从 大到小 的各种 使用嵌入式技术的电子 产品，小到 MP3、PDA 等微 型 数字化产 品，大到网络 家电、智能家电、车载电子设备。而在工业 和服务 领域 中，使用嵌入式技术的数字 机床、智能工具、工业 机器人、服务 机器人也将 逐渐改变传 统的 工业 和服务 方式。美国著名 的未来 学家尼葛洛 庞帝在 1999 年访 华时曾预言，45 年后嵌入式系统将是继 PC 和 Internet 之后最伟 大的发明。这个 预言 已经成 为现实，现在的嵌入式系统正处于高速发展 阶段。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 10 页 -嵌入式 Linux 系统开发标准

6、教程第1 章、嵌入式系统概述嵌入式学院华清远见旗下品牌：www.embedu.org1.2 常见的嵌入式操作系统嵌入式操作系统的一个 重要特性是 实时 性。所谓 实时 性，就是在确定的时间范 围内响应某个事件的特性。操作系统的 实时 性在某些 领域 是至关重要的，比如工业控制、航空航天 等领域。想像飞 机正在空 中飞行，如果 嵌入式系统 不能及时响应飞行员的控制指令，那么极 有可能 导致空难事故。有 些嵌入式系统应用并不 需要绝对的实时 性，比如 PDA 播放音乐，个别 音频 数 据丢失 并不 影响效果。这可以 使用软 实时的概 念来衡量。据调查，目前全世界 的嵌入式操作系统已经 有两百 多种

7、。从 20 世纪 80 年代 开始，出 现了一些商 用嵌入式操作系统，它们大部分 都是为 专有系统 而开发的。随着 嵌入式领域 的发展，各种各 样嵌入式操作系统相继问世。有 许多商业的嵌入式操作系统，也有 大量开放源码的嵌入式操作系统。其中著名 的嵌入式操作系统有：C/OS、VxWorks、Neculeus、Linux 和 Windows CE 等。下 面介绍 一些主流的嵌入式操作系统。（1）Linux。在所有的操作系统中，Linux 是一个 发展 最快、应用 最为广泛的操作系统。Linux本身的种种 特性 使 其成为嵌入式开发中的首选。在进入市场 的头两年中，嵌入式 Linux设计通过广泛

8、应用 获得 了巨大的 成功。随着 嵌入式 Linux 的成熟，其提供更 小的尺寸和 更多类型的处理器 支持，并从早 期的试用阶段迈 进到嵌入式的主 流，它抓住 了电子消费 类设备 的开发者 们的想像 力。图 1.1 所示 是业 内人士对国内 Linux 软件市场 的预测。根据 IDC 的报告，Linux 已经成 为全球第二大操作系统。预计在服务 器市场上，Linux 在 未来几年 内将 以每年 25%的 速度增长，中 国的 Linux 市场 更是保持 40%左右的 增长速 度。而在 Linux 操作系统 方面，IDC 对中 国在 20012006 年的市场预 测发现，其市场 占有率 从 200

9、1 年的 4.47%平稳 地 上升到 2006 年的 26.77%。嵌入式Linux版 本还 有多种 变体。例如：RTLinux通过改 造内 核实现 了实时 的Linux；RTAI、Kurt 和 Linux/RK也提供 了实时 能力；还有 CLinux 去掉 了 Linux的MMU（内 存管理单元），能 够支 持没有 MMU 的 处理器等。5 4 3 2 1 0 60%50%40%30%20%10%0%销售额（亿元）增长率（%）2004 2005 2006 2007 2008 0.99 47.3%1.48 49.4%2.11 42.6%2.93 38.5%3.96 35.1%图 1.1 200

10、42008 年国 内 Linux 软件 市场 总量预 测（2）C/OS。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 10 页 -嵌入式 Linux 系统开发标准教程第 1 章、嵌入式系统概述嵌入式学院华清远见旗下品牌：www.embedu.org C/OS 是一个 典型的实时 操作系统。该系统 从 1992 年开始发展，目 前流 行的是第 2 个版本，即 C/OS。它 的特点是：公开源代码，代码结构 清晰，注释详尽，组织有条理，可 移植 性好；可裁剪，可 固化；抢占 式内 核，最多可以 管理 60 个任务。自从清华 大学邵贝贝 教授将 Jean J.Labrosse的 C/O

11、S-：the Real Time Kernel 翻译后，在国内掀起 C/OS 的 热潮，特别是在教育研究 领域。该 系统短小精悍，是研究和学 习实时 操作系统的 首选。（3）Windows CE。Windows CE 是微软 公司 的产品，它是 从整体 上为有 限 资源 的平台 设计的 多线程、完整 优先权、多任务 的操作系统。Windows CE 采用 模块 化设计，并允许它对于 从掌上电 脑到专 用的 工控电子设备进行定制。操作系统的基本内核需要至少 200KB的ROM。从 SEGA 的 DreamCast 游戏 机 到现在大部分 的 高价掌上电 脑都采用了 Windows CE。（4）V

12、xWorks。VxWorks 是 WindRiver 公司 专门 为实时 嵌入式系统 设计开发的操作系统软件，为程序员提供 了高效 的实时任务 调 度、中断管理，实时 的系统 资源 以及实时的任务 间通信。应用程 序员可以 将尽可能 多的 精力放在应用程 序本身，而不必再去 关心系统 资源的管理。该系统主要应用 在单板 机、数据网络（以太网交换 机、路由 器）和通信方面等多方面。其核心功能主要有以下几个。n微内核 wind。n任务 间通信 机制。n网络 支持。n文件系统和I/O 管理。nPOSIX 标准 实时 扩展。nC+以及其 他标准 支持。这些核心功能可以与WindRiver 系统的 其他

13、附 件和 Tornado 合作伙伴 的产品结合在一 起使用。谁都不能否认这是一个 非常优秀 的实时 系统，但其昂贵 的价格使 不少厂商 望而却步。（5）QNX。这也 是一款实时 操作系统，由加拿 大 QNX 软件系统有 限公司 开发。广泛 应用于自动化、控制、机 器人科学、电信、数据通信、航空航天、计算机 网络 系统、医疗仪器设备、交通运输、安全防卫 系统、POS 机、零售机等 任务 关键型应用 领域。20 世纪90 年代后期，QNX 系统 在高 速增 长的因特网终端 设备、信息家电及 掌上电脑等领域也 得到了广泛 应用。QNX的体系 结构 决定了 它具 有非常好 的伸缩 性，用 户可以 把应

14、用程 序代码和QNX内核直接编译在一 起，使之 为 简单的嵌入式应用 生成一个 单一的多线程映像。它也 是世界 上第一个 遵循 POSIX1003.1 标准 从 零设计的 微内核，因此 具有非常好的可移植 性。嵌入式操作系统的选择 是前 期设计过程的 一 项重要工作，这将 影响 到工程后期 的发布以及软件的 维护。不管选用 什么样的系统，都应该考虑 操作系统对硬件的支持，名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 10 页 -嵌入式 Linux 系统开发标准教程第1 章、嵌入式系统概述嵌入式学院华清远见旗下品牌：www.embedu.org如果 选择 的系统 不 支持将 来要

15、使 用的硬件 平台，那 这个 系统是 不合适的；其次要考虑的是开发 调试 用的 工具，特别是对于开 销敏感 和技术 水平不强的企业来说，开发 工具往往 在开发 过程中 起决定性作用；第三要考虑 的问 题是该系统能 否满足 应用需求。如果 一个 操作系统 提供出 来的 API 很少，那么 无论 这个 系统有 多么 稳定，应用 层很难进行二次开发，这显然 也不 是开发 人 员希望看 到的。由此可见，选择一 款既能满足 应用需求，性 价比又可 达到最佳的实时 操作系统，对开发工作的 顺利 开展 意义非常重大。1.3 嵌入式 Linux 的发展历史所谓 嵌入式 Linux 是指 Linux 在 嵌入式

16、系统中的应用，而不是什么嵌入式功能。实 际上，嵌入式Linux 和 Linux 是同一 件事。我们了解 一下 Linux 的发展历史。Linux 起源于 1991 年，由 芬兰 的 Linus Torvalds 开发，随后按照 GPL 原则 发布。Linux 1.0 正 式发 行于 1994 年 3月，仅支持 386 的单处理器 系统。Linux 1.2 发 行于 1995 年 3 月，它是第 一个包含多 平台（Alpha、Sparc、Mips 等）支持的官方版本。Linux 2.0 发行于 1996 年 6 月，包含 很多新的 平台 支持。最重要的是，它是第 一个支持 SMP（对称多处理器）

17、体系的内 核版 本。Linux 2.2 于 1999 年 1 月发布，它带 来了 SMP 系统 上性能的 极大提升，同时支持更多的硬件。Linux 2.4 于 2001 年 1 月发布，它进 一步提升了 SMP 系统的 扩展性，同时它也集成了很多用于 支持 桌面系统的特性：USB、PC 卡（PCMCIA）的支持，内置的即插即用 等。Linux 2.6 于 2003 年 12 月 发布，它的多种 内核机制都有了 重 大改进，无论 对大系统 还是小系统（PDA 等）的支 持都有很大提 高。最新 的 Linux 内核版 本可以 从 官方站点获取。http:/www.kernel.orgLinux 是

18、一种 类 UNIX 操作系统。从绝对意义上讲，Linux 是 Linus Torvalds 维护的内 核。现在的 Linux 操作系统 已经包 括内 核和大 量应用程 序，这些软件大部分 来源于 GNU 软件 工程。因此，Linux 又叫 作 GNU/Linux。目前 Linux 操作系统的发 行版 已经 有很多，例如：Redhat Linux、Suse Linux、Turbo Linux 等台式机 或者服务 器版本，还有 各种 嵌入式Linux 版本。不同 的 Linux 版本之间 总会有些差异。鉴于 UNIX 技术历史的教 训，LSB（Linux Standard Base）为 Linux

19、系统 制定了 规范。LSB 规范定义了 几种模块，并且 为应用程 序定义系统 接口和基本 配置，为 大量的应用程 序提供 了统 一的行业 标准。从以下 站点可以 获取 LSB 的文档。http:/www.linuxbase.orgELC（Embedded Linux Consortium，嵌入式Linux 联盟）是一个 非营利性、中 立名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 10 页 -嵌入式 Linux 系统开发标准教程第 1 章、嵌入式系统概述嵌入式学院华清远见旗下品牌：www.embedu.org的 行业 协会，它的目标是 在嵌入式应用和 设备 计算 市场 做 Li

20、nux 的改进、推广和标准化 工作。联盟 成员 贡献 会费并 且参 与管理、推广、实现 和平台 规范工作组的维护，谋求不 断增长的市场 机遇。ELC 成员 为了 API 的互 用性 积极推广一 套平台标准，消除分割并且发布更加具 有竞争力 的商 业方 案。http:/www.embedded-linux.orgOSDL（Open Source Development Labs）支持围 绕 Linux 开发和 指导的各种 活动。它为 OSDL 协会 免费提供 硬件 资源。OSDL 发起 了电信 Linux（Carrier Grade Linux）和数据中心 Linux（Data Center L

21、inux）工作组。这些工 作组包含 OSDL 成员和有 兴趣的个人，他们致 力于创建特点 列表 和规范，并且参 与开 源工 程为 电信 和数据中心 进一步开发Linux。OSDL还积极参 与内 核测试，提供 了开 放的测试 环境（Scalable Test Platform），并且贡献给 开发 状态 的内 核测试。http:/www.osdl.orgCELF（Consumer Electronics Linux Forum，消费电子Linux 论坛）是加州的一个非 盈利性公司，它 致力于把 Linux 改进 成消费电子设备的开 放平台。http:/www.celinuxforum.org越来越

22、多的个 人、社团 和公司 已经 和正在参 与 Linux 社区 的工作，他们为 Linux系统开发、测试 以 及应用 做了大 量贡献。这使得 嵌入式 Linux 系统 成为标准 化的操作系统，功能 日趋完 善，应用 更加 广泛。1.4 初步认识嵌入式Linux 开发环境通用计算机可以直接安装发 行版的 Linux 操作系统，使用编辑器、编译器等工具为本机开发软件，甚至可以完 成 整个 Linux 系统的 升级。嵌入式系统的硬件一般 有很 大的局限性，或者 处理器 频率很低，或者存储空间 很小，或者没有键盘、鼠 标设备。这样的硬件 平台 无法胜 任（或者不便于）庞大 的 Linux系统开发 任务

23、。因此，开发者 提出 了交叉开发环境 模型。交叉开发环境是 由开发主机和目标板两套计算机系统 构成的。目标 板 Linux 软件是在开发主机 上编 辑、编译，然后 加载到目标 板 上运行的。为了 方便 Linux 内核和应用程 序软件的开发，还要借助 各种 连接手 段。第 4 章将详细介绍 如何建立交叉开发环境。第 5 章将详细 介绍 交叉编译 工具 链的建立。Linux 是开 放源码 的软件 工程，它的大量应用程 序也 来源于 GNU 软件工程。因此，完全可以 自己动手制 作一套完整的嵌入式Linux 系统和开发 工具。但是，庞大 的系统软件开发和 测试 将 花费大 量人 工 时，无法预料的

24、 BUG 可能 严重阻滞 项目进度。大量的开 源软件和 商业的 Linux 软件 共同出现 在 Linux 操作系统 上，半导体公司、Linux 操作系统 公司、第 三方软件 公司 等已经 形成庞大 的 Linux 生态系统。任何一家公司 都不可能对 Linux 系统 做全面 的维护 和技术 支 持。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 10 页 -嵌入式 Linux 系统开发标准教程第1 章、嵌入式系统概述嵌入式学院华清远见旗下品牌：www.embedu.org嵌入式 Linux 系统的开发 工具 绝大多数 是命令 行方 式的，这使得学习 Linux 开发比 Wind

25、ows 开发 难度更大。商业公司 在嵌入式 Linux 产品开发的 时候，希望 有更方便、更快 捷的开发 工具 可以 使用。因此，嵌入式Linux 集成 开发环境 具有市场需 求。Eclipse 是开 放、跨平台、高度 可配置的集成 开发环境，它已经 被众 多嵌入式操作系统 厂商定制成 自 己的集成 开发环境。例如：MontaVista 公司 的 DevRocket、TimeSys公司 的 TimeStorm、Wind River 公司 的 Workbench。MontaVista DevRocket 集成 开发环境 如图 1.2 所示。图 1.2 MontaVista DevRocket 集

26、成 开发环境这 些 集成 开发环境不 但 能 够 支 持 应用程 序 开发和 调试，而且专门 提供 了内核、文件系统的工程。另 外可以 集成各种 测试 工具 和版 本 控制等 功能，大大方 便了嵌入式Linux 开发。1.5 嵌入式 Linux 系统开发要点嵌入式 Linux 开发 就是构建 一个 Linux 系统，这需要熟悉 Linux 系统 组成部分，熟悉 Linux 开发 工具，还要熟悉 Linux 编程。嵌入式 Linux 系统 包含 Bootloader（引导程序）、内核和文件系统 3 部分。对于嵌入式 Linux 系统 来说，这 3 个部分 是必不可少的。本 书将详细分析这 3 个

27、部分 的相关软件开发。总之，在启动 一个 嵌入式 Linux 项目之前，必须 仔细 考虑 下面要点。（1）选择 嵌入式 Linux 发行版。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 10 页 -嵌入式 Linux 系统开发标准教程第 1 章、嵌入式系统概述嵌入式学院华清远见旗下品牌：www.embedu.org商业的 Linux 发行版是作为 产 品开发 维护 的，经过严格的测试 验证，并且可以 得到厂家的技术 支持。它为开发者 提供 了可靠的软件和完整的开发工具包。（2）熟悉开发环境和 工具。交叉开发环境是嵌入式Linux 开发的基本 模型。Linux 环境 配置、GNU

28、 工具 链、测试 工具 甚至集成 开发环境 都是开发嵌入式Linux 开发的 利器。（3）熟悉 Linux 内核。因为嵌入式Linux 开发 一般 需 要重新定制 Linux 内核，所以熟悉内核配置、编译和移植 也很重要。（4）熟悉目标 板引导方式。开发 板的 Bootloader 负责 硬件 平台 的最基本的 初始化，并且 具备 引导 Linux 内核启动的功能。由于硬件 平台 是专门 定制的，一般 需要修改编译 Bootloader。（5）熟悉 Linux 根文件系统。Linux离不开文 件系统，程 序 和文件都存放在 文件系统中。系统启动必需 的程 序和文件都必须 放在 根文件系统中。L

29、inux 内核命令行 参数可以 指定要 挂接的根文件系统。（6）理 解 Linux 内存模型。Linux是保护模 式的操作系统。内核和应用程 序分别 运行在 完全分离的虚拟 地址空间，物理地址必须 映射到虚拟 地址才能访问。只有理解 Linux 内存模型，才能最大程 度地优化系统性能。（7）理 解 Linux 调度机制和进 程线程编程。Linux 调度机制影响 到任务 的实时 性，理解调度机制可以 更好地运用任务 优先级。进程和 线程编程则 是应用程 序开发 所必需 的。推荐课程：嵌入式学院-嵌入式 Linux 长期就业班招生简章：http:/www.embedu.org/courses/in

30、dex.htm课程内容：http:/www.embedu.org/courses/course1.htm项目实战：http:/www.embedu.org/courses/project.htm出版教材：http:/www.embedu.org/courses/course3.htm实验设备：http:/www.embedu.org/courses/course5.htm 推荐课程：华清远见-嵌入式 Linux 短期高端培训班名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 10 页 -嵌入式 Linux 系统开发标准教程第1 章、嵌入式系统概述嵌入式学院华清远见旗下品牌：www.embedu.org嵌入式Linux 应用开发班：http:/ 系统开发班：http:/ 驱动开发班：http:/ 10 页，共 10 页 -