基于Linux的嵌入式操作系统的研究现状及发展展望.pdf

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1、基于L i n u x 的嵌入式操作系统的研究现状及发展展望首都师范大学中国科学院计算技术研究所计算机科学联合研究院(1O O 0 37)王成刘金刚摘要：分析了当今主流的嵌入式L i n u x 操作系统的特点，介绍了其研究现状，并展望了未来发展。关键词：嵌入式系统嵌入式操作系统L i n u x嵌入式系统是从2 0 世纪8 0 年代的8 位单片机发展起来的(一般把基于单片机的系统叫做传统的嵌人式系统)。8 位单片机只需要直接编写单一+的控制程序就能工作。它解决的问题相对单一，要求的运算量不大，运算速度不高。但是在9 0 年代后期，随着互联网时代的来临，人类进入了后P C 时代(8 0 年代初

2、出现P C 机时称为前P C 时代)，许多电子设备需要增加T C P 1 P 联网的功能和更加智能化、更高运行速度的要求：例如多媒体音频、视频图像数据的采集、传输和处理(如M P 3、M P E G 4 等)；图形界面和触摸屏技术；无线控制技术与相应的软件协议(如B L u E T O O T H、I R D A 等)。面对这些需求，一方面，8 位单片机“感觉到力不从心”；另一方面，嵌入式开发厂商也不愿意投人很多的时间击开发那些开发周期很长的产品。新一代的嵌入式系统便在这样的情况下诞生了(以下把新一代的嵌入式系统简称“嵌人式系统”)。嵌入式系统的定义有许多种其中一种最直接和通俗的定义就是：一种

3、专用的、控制特定设备的计算机系统。它的基本组成有三部分：嵌人式微处理器、嵌入式操作系统和在其上开发的应用程序，如图1所示。嵌人式微处理器是构成整个嵌人式系统的核心。它是嵌入式操作系统和开发应用程序的硬件平台。目前，嵌人式微处理器在市场上有很多，比较嵌人式系统田1 嵌入式系统的组成流行的有M o t o r o l a 的3 2 位嵌入式处理器系列：C o l df i r e 系列、D r a g o nb a l l 系列、P o w e r P C 系列，还有M I P s 系列、A R M系列、X 8 6 系列(I n t e l3 8 6 E X、A M D 4 x x)等。流行的嵌入

4、式操作系统有：P S O S、V X W O R K S、W I N C E、Q N X、L Y N X O S、P a l mO S、E m b e d d e dL i n u x(包括R T L i n u x、U C L i n u x 等)。1 嵌入式L i n u x 操作系统自从1 9 9 1 年l O 月5 日u n u x 问世到现在，仅仅1 24 年的时问，而它在全球计算机产业界的影响却超过了之前的任何一个操作系统。L i n u x 是一个成熟、稳定的网络操作系统，将它作为嵌入式操作系统具有很多显著的优点。首先，L i n u x 的核心源代码是免费的，任何人都可以从互联

5、网上得到。其次，L i n u x 的核心代码是开放的所有人都可以根据自己的意图修改和定制，开发适台自己的产品。第三L i n u x 核心代码可以裁减到1 3 0 多字节，这可以大大地降低开发产品的成本和适应嵌入式系统的发展趋势。第四，L i n u x 核心代码采用移植性比较好的C语言编写，所以它可以很容易地移植到很多微处理器上。目前流行的嵌入式L i n u x 操作系统有：c L i n u x、R T L i n u x、E M B E D、H a r dH a tL i n U X、M O N T A V I S T AL i n L I X、L Y N X O S、B l u e

6、C a tL i n u x、E T L i n u x、M i d o r i 等。下面对一些主流嵌人式L i n u x 操作系统各自的特点进行分析和介绍。1 1i x C-L i n u x屿一u n u x 是L I N E O 公司在L i n u x 2 0 的基础上裁减得到的。在I z C L i n u x 这个英文单词中，“表示M i c r o，小的意思，C 表示C o n t r o l，即控制，所以I x C L i n u x 就是M i S I X)一C o n t r o l 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”。

7、v,C L i n u x 内核要比原L i n u x20内核小得多，但保留了u n u x 操作系统的主要优点。(1)内存管理。这部分是斗c L i n u x 与传统L i n u x 的最大区别所在。标准L i n u x 是针对有M M U 的处理器设计的。在这种处理器上，虚拟地址被送到M M U，把虚拟地址映射为物理地址。对于I z C L i n u x 来说，其设计针对没有M M U 的处理器，即C L i n u x 不能使用处理器的虚拟内存管理技术。斗c L i n u x 仍然采用存储器的分页管理，系统在启动时把实际存储器进行分页，在加载应用程序时分页加载。所以实际上p,

8、C L i n u x 采用实存储器管理策略。(2)内核加载方式。斗c L i n u x 的内核有二种运行方式。F l a s h 运行方式：把内核的可执行映像文件烧到F l a s h上，系统启动时从F l a s h 的某个地址开始逐句执行。这种微型机一应用 2 0 0 a 年第5 期垂 万方数据禽麓螽奁赢龋畲一方法寓际上是很多嵌人式系统采用的方法。内核加载方式：把悫拔辩压壤文终存故在 8 m 上，蓉统寒砖瓣读取堪镝文件并在内存壁解压，然后开始执行。这种方式相对葳杂一些，但是运行速度更快。3)霹技纷交箨格式。西一L i n u x 系统使躅f l a t 执行文件格式，如袭l 所示。袁1

9、L i u u x 可执行史辞格式I C O F F一种通翔的对象文件格式E L F一种为L i n B X 系统所采用的通用文件格式，盘持动态涟接PE L F 格式商根太的文件头，f i a t 文件对文件头和一些段信息做r 蕊纯1 4)p C-L i n u x 的主要特色如袭2 所示。表21 t C L i n u x _ 蔓要特点I 支持尤量其他的网络协议n C L i n u xk e r n e l 5 3 0 K Bl 完整的T C P I P 协泌栈“一L i n u xk e m e l+l 具 9 0 0 K Bl 通用的H n u xA P l支持各种史傅箍统(断s、e

10、x t 2、R O M F S、姻、碱s _ D O S 鞋蕊F A T l 6 3 2)(5)应用程序库。“C L i n t L x 小型化的另一个做法是重号7 藏晏l 程垮痒=相聪手越寒越大量越求越垒鹄G H B C库，v t C L I B C 对L I B C 做r 精简。“c L i n u x 对用户毽序采用静态链接的形式这种做法尝使应用程序变大，但是基予没舂M M U 翡耩洼+其能这样授。禽时这静赣法瞧更接近予通常嵌 式系统的做法。(6)已经移植副斗c L i n u x 下的用户程序很多，谢婶 文律传辕协议)客户臻毪摩、f r e es w a n(1 P S E C(I n

11、 t e r n e t 安全协议)的L i n u x 实现)等。1 2E M B E D 嚣M B E x 是L I N E O 公司在2 0 0 0 年秘发布魏第一敝基于流行桌耐的L i n u x 操作系统。它是一种嵌入式L i n u x软件艇央方黎，增加了能量和L i n u x 的连通性来定制嵌A 戏设备。逮是一个专门用于祝顶盘、个凡数字渤理(P D A)和其他小型设备的L i n u x 系统。E M B E D I X 币需要硬盘，可以运行在使用P a w e r P C 芯片或英特尔兼客芯片酶终端设备上：L I N E O 将实时技术集成到E M B E D I xS D

12、K 中，姒此为嵌入武设备黪舞发老掇挟敷搏秘疆件实时娆力。E M B E D I XS D K 支持井包括M e t r o w e r k sC o d eW a r r i o r，是一种集成开发环境(I D E)。它将文本编辑器、项目管理器、搜索引擎、缩译器、连接器羊l】灏试嚣混食到一个集袁应用软 牛中，能够缩短产品开发周期，减少产品戏本。E M B E D I Xs D K 还支持W i n d o w s 下开发，具有对本地W i n d O W S 应用较毒事鞠工其懿宠垒访瓣艇力，势摄还绘拜发者撵袋寝掇开发环境(带有可视他的集成环境)。这对W i n d o w s 开发者米说是十分

13、便利的。l。3 聚蕈-L i B u xR T L i n u x 是世界上：最早出现的宴时嵌入式操作系微蠡之机与斑用)2 0 0 4 年第s 搬绕。R T L i n u x 并没有对L i n u x 内核做大的改动，两是利用“t l l l X 杰梭骥块撬剁+采攫捶人搂块翦方式，通是|=一个独立的内横来管理宴时任务。R T L i n u x 属于硬实时，将L i n u x 内梭设计为町被抢占的。其主要方法是实现一个实时内棱褒受责娃瑾疆舞溃怠，接管孛辩。实时轻务在该内核上赢接运行，而把L i n u x 内核本身作为优先级最低的I d l eT a s k 运行。该实时内核有自己的基于

14、优先级的调寝算法，L i n u x 癌棱斑对霹激被傀先级更高鹄实辩|任务捻占。实时任务与L i n u x 进程之间通过特定的通信机制(如F I F O)进行通信。遣行在L i n t L xl l 核之。b 的进程则可以完蔽一婆孳寰时功黥，粥霞2所示：R T L i n u x 从来不用等铸L i L q U X 释放资源，不要求壤辨的内存，也不要求和任何数据结构同步(在控制得很紧的情况下除外)。R T L i n u x 嚣随支持=个商监敝奉：开放版(G P L)和专业版(二进制形强2 变对内棱与L i n u x内核之间的芙系式发布)。专韭龌支持翦硬传侮系结构比开放舨更多。R T L

15、i n u x O p e n 3 1 是F S M 从B s 公矧推出的款硬宴时操作系统，其主要特点：(1)标准A P I；(2)优秀的实时性毖；3)遵罐G N U 拔瀑饯瓣；4)事赛瓣工具囊l 串包撬G D B 调试器、G N U 编译器等)；(5)可靠的实时编程模式(分离实时和非实时代码，操作系统和腹用软件中的关键实对组释涛给予绝对懿捷克投，拭秀#鞋避免嚣宴时缮仲影响鬟时组件的响应时间)。1 4M O 龟I 悄1 S 莲kL i n u xM O N T A V I S T AH n u x 是馥器领先鹩褒A 式L i n l l x 癣决方案供应商M O N T A v I s T A

16、 公司最新的嵌入式L i n u x 操作平台，该产品广泛地支持备类嵌入式应用，为谗信基础设施、秘绦、消费电子、往表烈盈王控设备提供标提静嵌人式L i n u x 平台。M O N T A V I S T AH n u x2 1 是开放瓣代码、免版税、1 0 0 来自缝L n u x 源代码。M O N T A V l S T AL i n u x2 1 专盗版广泛地支持各类嵌入式处理器，包括6 种业界领先的处理器：x 8 6 I A 一3 2、P o w e x P C、S t r o n gA R M、X S C A L E、A R M、M I P S。M O N T A V I S T

17、AL i 删x2 1 包括K D e v e l o pI D E、目标配置工具、库优化工具，并提供超过2 1 5 个应月：i 软件包。它的一个薰要的改进是踌平台并发，支持1 4 个主搬开发环境，包括R e dH a t、M a n d r a k e、S o l a r i s 以及V M W a r eo l lW i n d o w sN T 2 0 0 0 替。l，5B 1 eC a tL l n u xB l u eC a tL i n u x 是基于L i n u x 一2 4 内核改遣而来的。支持多种处理器，包括I n t e lX S C A L E、I n t e lI X

18、P l 2 0 0 阿络簸理嚣、鼗大式k t e lA r c h i t e c t u r e 等。拱“eC a t4。0 舨率霄很多的特性：一S 一 万方数据(1)为内核调试提供独特的G D B 扩展功能：(2)广受欢避懿开发垮境秘漂蹇戆餍户嚣嚣；(3)能够快速对内棱的功能、太小等进行配置；(4)可以为W i n d o w s 或者L i n U X 主机的开发提供B l u eC a tB s i eS u p p o n；(5)使用开放构架的电源管理和优化方案；(6)加载和使用已经经过测试的应用组件更加方便。B I 鞋eC a tR T 是基予P S M L 轰B S 的R T 一

19、娃n u x 技术歼发的产品，可以集成到B l u eC a tL i n u x 套件当中。把B l u eC a t“n u x 和B l u eC a tR T 结合起皋可以为用户提供一种涅台激嵌A 式系统翦解擞方案。嵌一般情揽下使用酱通的嵌入式L i n u x 内核；而在特定的情况下能用具有实时性能的走核。这样它就能够提供黼时潢足释放标准嵌人式和实时需求的嵌入式搽作系统解决方案。2 嵌入式L i n u x 操作羝统的发展展望以毽息家电先代表魏互联瞬时代嵌入斌产箍，甭经为嵌 式市场展现了美好前景，眭人了薪的生命，同时也对嵌入式操作系统技术提出新f 勺挑战。(1)嵌 式疲塌软锌驰开发霭

20、簧雯翻强尖秘开发王巽和操作系统的支持。随蔚I n t e r n a t 技术的成熟、带宽的提高，I n t e m e t 提供的信息内容日趋丰富，应用项目多种多样，像奄话手撬、擞波炉簿嵌 式电子设备瓣礁镌甭再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用需求，设计师们一方面采用更强大的嵌人式处理器(如3 2 位、6 4毽R I S C 芯冀藏信号赴壤器D S P)增强娃理勰力，溺辩还采用实时多任务编程技术和交叉开发技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计，保障软件质缴和缩短帮发璃羯。另外，嵌人式系统述应需要一套离囊葡练、覆鹫可靠、威用广泛、易开发、多任务并且价格低廉的操作系统。所以L i n u x

21、 作为一个完全免费秘开放的O S，在今后必然鼹开发嵌入式系统嚣选的操体系统。(2)网络成为必然趋辫。为适成嵌人式分布处理结构葶珏应用上网的瓣求，嵌入式系统嚣求配备一种或多砖标准的黼络通信接口(I E E E l 3 9 4、U S B、C A N、B l u et o o t h 等)和相应的网络协议簇(T C P I P、S N M P 等)支持。而L i n u x 与生犋寒懿优秀瞬络立绕，更为上瓣应尾静发曩镱平_ 一条宽广平坦的遵路。(3)实现小尺寸、微功耗和低成本。在一定程度上讲，嵌入戏产鑫瓣辙型亿、低磅耗程聪我车与舞的娃瑾嚣的性能鼹一对不可调和的矛盾。所以要达到微型化，就要求相虑地降

22、低处理器的性能；同时也就相成地提高r 对褒A 式较捧设计菝拳要践。对手攀统懿枣爱纯，L i n u x 可以说栈众多的嵌入式操作系统中魁最优秀的。L i F l U X 由于源代码是公开免费的，所以可以根据需要进行裁减、修改等，蔽磊实理系镜敬箨徽篷纯。(4)提供精巧的多媒体人机界面(H M l l。嵌入式设备一6 之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使瑙毒之赫赫袭巍力帮盎然懿人援交互赛磊。夫们与薅患终端的交强要求以G U l 屏幕为中心的多媒体界面i f。目前嵌人式L i n u x 的G U I 系统有M i c r oW i n d o w s、O p e nG U I、镰E m

23、 b e d d e d、M i n iG#|等。慧之，毙育一个诖客户菲霉满意的人机界面，也是今后嵌入式系统的发展方向。(5)嵌人式操作鬈统走向融合。现谯蕊对如此多的嵌A 式搡于#暴统，开发者有时惑整赘撮不方便。这麓霹势，如果在基于O S I 的操作系统上开发的应用程序，现在想谯0 S 2l 用，则必须进行移植才可使用。随着嵌A 式设备静不断发展，将来必将会赉现一个错支撑几擎所有瘟用程序的操作系统。成者说将来的嵌入式操作系统必将走向融合。丽惟一熊担当此任驰无疑是L i n u x。爨为它搓檄了一个诡任何入都能自发地为其发展找寻獭路的游戏规则。3 绪束港根据一家专门进行嵌入式L i n u x

24、系统信息发布的同站h t t p：w w w L i n u x d e v i c e s e o m 的调查，有5 2 的用户决定在毒采2 4 令是彝捷惩L i n u x 撵舞嵌天式系绕瓣j 发睬型，而只有2 1 的人奶然使用专有操作系统，1 9 的人仍然使膈W i n d o w s 系列操作系统做嵌入式系统开发。送充分说鞠了秘蔫L 注强开裳嵌入式系统静生命力。由子L i n u x 嵌入式系统的强大的生命力午【r 利用价值，越来越多的公硎和大学都不同程度地表现蝎对它的研究兴趣。所鞋旗子L i n u x 驰嵌A 式系统必将是未来巍 式领域的领导者。参考文献1 李善乎，羽文蜂，董涣茏L

25、 i n u x 与嵌 戏系统I#索：清华大学出版社，2 0 0 22 探矽工俸室嵌人式系统于 发圣经北寒：中国青霉出版社2 0 f f 23 邵贝贝译嵌入式实时操作茉梳u c o s l I(第2 版1 北京：北京航空航天大掌跬 版社，2 0 0 34 毛德操+稿希鞠L i n u x 内棱濂代码情景分析f 上下)抗娴二浙江大学出版社，2 0 0 1(收穗宣期：2 0 0 3 1 1 一l O、读者朋友：您好j在我搬的每期杂志孛嚣配鸯一张“潼誊信息砭馈卡”，希望您能满过此带向我编辑部提出您对本刊的意见和建议以便我们更好地了瓣读者辩求，提建囊刊履擞。精于多次帮圄“读者信息反馈卡”的热心读者，我

26、们将“赠阅期刊的形式予以奖励。衷心感谢怨对本刊蛊簟长期支持。擞型机与瘟用编辑部傲型帆坶应用2 0。4 年第5 期 万方数据基于Linux的嵌入式操作系统的研究现状及发展展望基于Linux的嵌入式操作系统的研究现状及发展展望作者：王成，刘金刚作者单位：首都师范大学中国科学院计算技术研究所计算机科学联合研究院,100037刊名：微型机与应用英文刊名：MICROCOMPUTER&ITS APPLICATIONS年，卷(期)：2004,23(5)被引用次数：20次 参考文献(4条)参考文献(4条)1.毛德操;胡希明 Linux内核源代码情景分析(上下)20012.邵贝贝 嵌入式实时操作系统uc/os-

27、20033.探矽工作室 嵌入式系统开发圣经 20024.李善平;刘文峰;王焕龙 Linux与嵌入式系统 2002 引证文献(20条)引证文献(20条)1.张剑锋.袁保社.王莉 基于Qtopia的嵌入式Linux俄文解决方案期刊论文-现代电子技术 2008(20)2.张倩.尤一鸣 基于嵌入式Linux的视频监控系统期刊论文-天津工业大学学报 2007(2)3.王勇.杨勇 嵌入式操作系统Linux的应用移植期刊论文-测控技术 2006(10)4.王晓霞 基于Linux的嵌入式操作系统内核级安全的研究学位论文硕士 20065.闫效莺 基于嵌入式Linux软件平台技术的研究学位论文硕士 20066.倪

28、彬斌 基于ARM的嵌入式CEBus家庭网关设计学位论文硕士 20067.樊燕红 全数字B型超声诊断仪系统结构的研究学位论文硕士 20068.崔晓凤 基于PSTN的智能信息终端软件开发学位论文硕士 20069.武延民 基于即时模块编译的嵌入式Linux动态扩展技术研究学位论文硕士 200610.徐丽琨 基于PowerPC的嵌入式Linux视频监控系统设计与研发学位论文硕士 200611.张文佳 基于linux的嵌入式控制系统软件设计学位论文硕士 200612.陈燕 船载导航雷达的嵌入式软件设计学位论文硕士 200613.王勇 嵌入式Linux系统及其在故障录波器中的应用学位论文硕士 200614.邵剑波 无人机战术控制系统数据链接口技术研究学位论文硕士 200515.肖杰 基于uClinux嵌入式系统设计及其在Web服务器中的应用研究学位论文硕士 200516.唐蕊 基于Qtopia的嵌入式信息终端的设计与实现学位论文硕士 200517.王亚刚 嵌入式Linux系统移植与裁剪技术研究学位论文硕士 200518.陆萍 基于Skyeye和uClinux的轻量级Web服务器的设计与实现学位论文硕士 200519.王运涛 一种嵌入式网络视频监控装置的开发学位论文硕士 200520.叶顺流 基于ARM的嵌入式Linux研究与实现学位论文硕士 2005 本文链接：http:/