最新嵌入式Linux系统设计与开发PPT课件.ppt

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1、嵌入式嵌入式LinuxLinux系统设计与开系统设计与开发发主要内容嵌入式系统与嵌入式Linux嵌入式Linux开发平台嵌入式系统软件的特征u软件要求固化存储；u软件代码高质量和高可靠性；u系统软件（OS）很多情况情况下要求具有实时处理能力；u多任务实时操作系统是工业标准化的必然要求。嵌入式系统开发需要的开发工具和环境 一般是基于通用计算机的软硬件设备、各种逻辑分析仪和混合信号示波器等。嵌入式系统软件需要（EOS）开发平台 嵌入式系统中，应用软件可以没有操作系统而直接在芯片上运行。但是，目前嵌入式应用已不仅仅局限于原来仅面对系统级的需求，还需要面对用户级的应用，尤其是消费电子产品的需求。传统的

2、使用循环控制的嵌入式系统无法将系统软件和和应用软件分开处理，每次开发都要重新定制系统软件和应用软件，代价大，成本高，已不能满足需求。为了合理调度多任务，充分利用系统资源系统函数及专家函数接口，减少开发代价，必须选用短小精悍、易定制、易移植的嵌入式操作系统开发平台，从而保证系统执行的实时性和可靠性，并大大减少开发时间。1.2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统大多工作在实时性要求很高的环境中，这样的操作系统称为实时多任务操作系统（RTOS）。实时多任务操作系统（RTOS）定义：一个能够在指定或者确定的时间内，完成系统功能和对外部或内部、同步或异步事件作出响应的系统。硬件(hardware)硬件抽象层

3、(Hardware Abstraction Layer)I/O管理，文件系统，驱动程序 驱 动 程 序 编 程 接 口 RTOS核心系统API内存管理模块网络模块图形驱动函数库 RTOS体系结构图常用RTOS简介u VRTX（Microtec Research）世界上第一个商业嵌入式实时内核，市场占有率前五名。uTornadoVxworks(Wind River Systems，inc.)美国市场占有率第一名，火星探测器采用该操作系统。u QNX(QNX Software Systems LTD)x86上最好的嵌入式实时操作系统，同时支持PowerPC，ARM，MIPS等处理器芯片。uLynx

4、OS(Lynx Real-Time systems)老牌嵌入式实时操作系统,市场占有率前十名。u WinCE(Microsoft INC.)微软出品，嵌入但不够实时，属于软实时系统。upSOSytem(Integrated Systems INC.)老资格的实时操作系统，中国市场占有率第一名。u 嵌入式LINUX（完全免费的操作系统）既有软实时系统又有硬实时系统。1.3 嵌入式Linux操作系统Linux操作系统 正式的Linux 1.0于1994年3月诞生于芬兰赫尔辛基大学的天才大学生Linus手中。现在，Linux已成为当前最流行的免费操作系统。只要遵守GPL（GNU通用公共许可证），任何

5、人都可以自由使用Linux的源程序。Linux操作系统的特征u符合国际通用标准；u强大的兼容性；u先进的网络特征；u拥有真正的多用户、多任务能力；u具有动态连接能力；u系统性能十分稳定；u可移植性强，非常灵活。Linux操作系统的发展情况及前景 Linux操作系统发展至今,已经成为具有全部UNIX特性的POSIX兼容的操作系统，能够与各种传统的商业操作系统分庭抗礼。据1999年IOS统计，Linux占有全球Web服务器总数的28，名列第一。据2000年IDC统计，Linux在服务器操作系统市场中占25。1.3.1嵌入式Linux系统简介嵌入式Linux系统的特点u开放源码，丰富的软件资源；u功

6、能强大的内核，性能高效、稳定、多任务；u支持多种体系结构；u完善的网络通讯、图形和文件管理机制；u支持大量的周边硬件设备，驱动丰富；u大小功能都可定制，可裁剪的内核不过500k。常见嵌入式Linux操作系统u RTLinux 美国新墨西哥理工学院开发的嵌入式硬实时操作系统。它将标准Linux核心作为其实时内核的一个进程同实时进程一起调度，从而在改动最小的情况校充分利用了Linux下现有的资源。u ucLinux ucLinux是针对微控制领域而设计的Linux系统，其最大特征就是没有MMU（内存管理单元模块）。ucLinux包含Linux常用的API和小于512k的内核及相关的工具，900k左

7、右。u Embedix 嵌入式Linux行业主要厂商Lineo推出，最小需要8M内存，3M ROM或者FLASH，提供了超过25种的Linux系统服务，是一种较完整的嵌入式Linux解决方案。uXLinux 美国网虎公司推出，主要开发者陈盈豪，核心仅143k，而且还在不断减小中，号称世界上最小的嵌入式Linux系统。其核心采用了“超字元集”的专利技术，与标准字符集兼容的同时还覆盖了12个国家和地区的字符集，在国际化方面具有得天独厚的优势。uKURTLinux 该OS是为多媒体应用和ATM网络应用设计的“严格”的实时系统。Why嵌入式Linux 2000年9月份的调查如下图所示。截至2001年7

8、月，已经使用或将要使用嵌入式Linux的用户已达88.6%。未来24个月嵌入式嵌入式操作系统应用的调查（2000.9）1.3.2 ucLinux简介ucLinx的优势 ucLinux是Linux2.0的一个分支，其最大特征就是没有MMU（内存管理单元模块）。全球每年生产的CPU的数量在二十亿颗左右，超过80%应用于专用性很强的各类嵌入式系统。其中又有相当一部分面向低端市场。为降低硬件成本及运行功耗，有一类CPU在设计中取消了内存管理单元（Memory Management Unit，简称MMU）功能模块。如Motorola公司的M6K系列，龙珠系列，冷火系列，ARM7TDMI系列等等。等等。u

9、cLinux的特点u如前所述，ucLinux的最大特征就是没有MMU。l 标准Linux使用虚拟存储系统，这种技术用于提供比实际的物理内存大得多的内存空间，使得使用者在编写程序程序时可以完全不考虑内存空间的大小问题，从而带来了极大的方便。与此同时，内存管理活动也占用了宝贵的CPU时间（比较忙的系统中大约10左右）。l ucLinux取消了MMU，直接存取内存，虽然增大了进程管理的难度，对程序员提出了更高的要求，但同时也极大地增加了开发者的权利。毕竟，节省硬件的成本才是最重要的。再者，对于低端产品来讲，只要实现特定的功能，内存管理要求完全可由开发人员考虑。lucLinux的进程管理 fork()

10、，vfork()，exec()，exit()，copy-on-writeu ucLinux继承了标准Linux的特性，提供了对网络的强大支持，具有完整的TCP/IP协议栈，并对外其他一些协议提供支持，是一个相当优秀的嵌入式网络操作系统。u ucLinux支持多种文件系统，包括最常用的NFS（网络文件系统），ext2（第二文件扩展系统，Linux的一种标准文件系统），romfs文件系统，MS-DOS，FAT1632等。嵌入式Linux开发平台硬将平台的组成u 嵌入式处理器，分为嵌入式微控制器（MCU），嵌入式微处理器（MPU），嵌入式DSP和SoC（System on Chip）；u 存储设备，

11、分为ROM和RAM两类；u 外围设备，包括网络设备，输入设备和显示设备。2.1 硬件平台2.1.1 S3C4510B芯片简介 S3C4510B是三星公司出品的一块用在基于以太网系统的高性价、比高性能的7TDMI构架的16/32位RISC微控制器。S3C4510B框图S3C4510B的特性如下：u体系结构l用于嵌入式以太网应用的集成系统；l全1632位RISC结构；l支持小端大端模式；lARM7TDMI内核；l高性价比且基于JTAG的调试解决方案；l边界扫描。u系统管理l81632位外部总线支持各种存储芯片和外部I/O；l带总线请求应打引脚的外部总线主控制器；l可编程访问周期（07个等待周期）；

12、l4字深的写缓冲；l存储器到外围的DMA接口。u一体的指令数据Cachel2路相联一体；l支持LRU（近期最少使用）替换算法；l可配置。uI2C串行口l仅主控模式工作。uEthernet控制器l突发模式的DMA引擎；l10010Mgongzuosulv;lDMA发送接收缓冲区（256256K）；lMAC发送接收FIFO缓冲区（8010字节）；l完全兼容IEEE802.3;l带PAUSE的全双工模式；l长短包模式；l端变换。uHDLCl10M工作速率；lModem接口；l每个HDLC有2通道DMA缓冲描述符用于发送接收。uDMA控制器l4种数据突发方式；uUARTl基于DMA或者中断工作的2个U

13、ART模块；l支持5，6，7或者8位的串行数据接收发送；l可编程波特率；l支持红外发送接收。u定时器l2个可编程32位定时器；l间隔触发模式工作。u可编程I/O口l18个；l输入输出专用信号模式；u中断控制器l21个中断源（4个外部）；l正常快中断模式(IRQ/FIQ)；l基于优先级。uPLLl外部时钟可由片内PLL加倍以提供高频系统时钟；l1040MHz；l输出频率位5倍输入时钟。三星NETStart！开发套件简介 该开发套件是三星公司为嵌入式网络应用量身订做的一块评估板，使用三星公司出品的网络控制芯片S3C4510B。2.1.2 NET-Start！评估板评估板布局评估板框图硬件平台连接图

14、2.2 软件系统嵌入式系统的软件组成u Bootloader，分为主机端和目标端两个部分，主要作用包括：l初始化处理器；l初始化必备的设备；l下载系统映象；l初始化操作系统系统并准备执行。u 嵌入式系统内核，必需部件包括进程管理，进程间通信，内存管理部分。u 根文件系统，有ramdisk和NFS两种实现方式，而文件系统的类型则可分为：l普通文件系统，包括只读文件系统romfs，压缩式文件系统cramfs等；l日志文件系统（先写日志后写数据），例如日志式FLASH文件系统JFFS和JFFS2，ext3文件系统等等。ucLinux宿主机软件环境的建立u 安装cygwin或Linux，推荐安装Lin

15、ux操作系统，推荐Red Hat Linux；u 下载一个未编译的Linux内核和一个ucLinux补丁（www.uclinux.org）及三个最新的文件（fs/binflat.c，include/linux/flat.h，lib/intflate2.c），将内核解压后打上补丁再编译即可。u 使用GCC工具创建交叉编译工具，建立工具链（toolchain）。工具链分为两种：生成位置位置无关代码的和生成用户程序的。详情可参看嵌入式Linux设计与应用。u 创建coff2flt和elf2flt，flat binary文件格式。u 创建C函数库。u 编译genromfs程序，用以创建romfs文件系

16、统镜像和用户程序。u 宿主机软件环境的建立完成。ucLinux目标板软件环境的建立u 将引导代码bootloader烧入FLASH,该代码相当于BIOS，或者Linux的引导程序GRUB，用于初始化硬件环境，在找到操作系统后将控制权转出。这段代码可以在网上下载得到，我们只需稍作修改即可。u 重新编译BusyBox和GUI（MiniGUI或者Microwindows）已移植到ucLinux中。u 配置IP地址并对ineted和通过ineted启动的telnetd和httpd进行编译连接和配置。u 将镜像文件image.bin（实际上是内核文件linux.bin和文件系统romdisk.bin的合

17、并）通过minicom配合bootloader下载到FLASH中。u 配置gdb和stun并重新编译uc-libc。u 安装NFS网络文件系统。u 目标机软件环境建立完毕。建立开发环境所需的几种开发调试工具uminicom minicom是一个友好易用的串口通信程序，用来监视控制串行口的信息。串口的各种参数都可以自由配置。它具有以下特性：l自动重拨号的拨号目录；l对串行设备UUCP格式的lock文件的支持；l独立的脚本；l语言解释器；l文件捕获；l多用户单独配置。uGCC编译器和GDB调试工具l GCC编译器是一种非常强大的支持多达11种操作系统平台的的C/C+、Object C编译器，集预处

18、理、编译、翻译和 连接四个过程于一身，可辨识的文件类型包括.c、.C、.cc、.cxx、.m、.i、.ii、.s、.S、.h等等，其最大的特点就是执行效率非常高，与一般的编译器相比要高出2030，卓越的性能连一些商业软件都望尘莫及。与此同时，GCC还是一个强大的交叉编译器，支持C/C+和汇编语言的联编，配合上相应的汇编器as和连接器ld，可以在宿主机上开发目标机上可运行的二进制文件。此外，GCC生成的目标代码极其精炼，优化选项多等数十项，这是其他编译器所无法期望其颈背的。最后，编译原理也是其一大特色。GCC先将高级语言转化为内部语言RTL，再优化并生成执行代码。l GDB是一个可以调试C/C+

19、、JAVA、PASICAL等的多功能GNU调试程序，可以使用多种交叉调试模式。在嵌入式系统的开发过程中，通过目标机上的一小段代码stub（stub是嵌入式系统中的一小段代码，通过GDB协议充当宿主机和目标之间的媒介），GDB可以实现对目标机上程序的远程调试功能，允许设计人员一步步的调试代码，设置断点，检验内存，同目标程序交换信息。GDB的交叉调试能力胜过大多数的商业调试内核，实际上，其功能相当于一些低端仿真器。嵌入式系统软件开发过程u开发，即代码编写；u编译和链接；u重定位和下载；u调试。代码编程交叉编译交叉链接调试交叉函数库C汇编源程序obj文件系统映象文件目标板重定位和下载总结 研究嵌入式Linux系统应该从研究Linux内核和学习Linux编程开始，逐步深入。嵌入式Linux系统的应用范围已渗透到电子产品的各个角落，中国在这方面还处于起步阶段，希望将大家加入到嵌入式Linux设计和应用的行列。