应用于无线视频监控的嵌入式Linux系统平台构建.pdf

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1、北京邮电大学硕士学位论文应用于无线视频监控的嵌入式Linux系统平台构建姓名：周哲申请学位级别：硕士专业：信号与信息处理指导教师：张惠民20090215应用于无线视频监控的嵌入式L i n u x 系统平台构建摘要随着无线网络技术和嵌入式技术的发展，无线视频监控已经成为嵌入式系统应用的一个新的发展方向。嵌入式系统由嵌入式操作系统和嵌入式硬件平台两部分组成：A R M 架构是嵌入式设备中使用相当广泛的硬件平台；而随着L i n u x 的发展，嵌入式L i n u x 操作系统已经成为嵌入式领域的主流操作系统。嵌入式L i n u x 操作系统支持多种硬件平台，具有良好的移植性和网络传输特性。本

2、文所介绍的方案正是基于A R M 9 硬件平台和嵌入式L i n u x 系统所构建的无线视频监控系统。本文分为五个章节。前三个章节分别介绍了无线视频监控系统和嵌入式系统的概念以及构建一般性嵌入式L i n u x 操作系统的步骤和组成。本文第四章的侧重点是介绍如何构建适用于无线视频监控的嵌入式L i n u x 系统。第四章从b o o t l o a d e r 的移植、L i n u xk e r n e l 的移植以及相关驱动的开发移植、嵌入式根文件系统的构建三方面分别进行了阐述。由于无线视频监控系统的特殊性，本文详细介绍了U S B 摄像头驱动模块和无线网卡驱动模块的代码架构以及工作

3、方式。在本文的第五章，作者介绍了本系统进行a d h o e 网络模式和i n f r a s t r u c t u r e 网络模式的配置方式以及在P C 监控端所截获的视频监控图像。在本文的最后部分，作者提出了对于通过嵌入式L i n u x 系统来实现无线视频监控的未来展望。关键词无线视频监控系统，A R M，嵌入式L i n u x 操作系统，组网方式T H ED E S I G NA N DI N 互P L E N!N TO FW I R E L E SSV I D E OS I 瓜V E。L A N C ES Y S T E MB A S E DO NE M B E D D E

4、DL I N U XA B S T R A C TC o m b i n e dw i t hw i r e l e s sn e t w o r kt e c h n i q u ea n de m b e d d e dt e c h n o l o g y，e m b e d d e dw i r e l e s sv i d e os u r v e i l l a n c eh a sd e v e l o p e da sn e wd i r e c t i o ni ne m b e d d e ds y s t e mf i e l d T h ee x p l o i t a

5、 t i o no fe m b e d d e ds y s t e mi sb a s e do ne m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r ma n de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m A R Ma r c h i t e c t u r eh a sb e e nu s e dw i d e l yi ne m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r m I nt h i se m b e d d e dO Sa r e a，e m b e d d

6、 e dL i n u xh a sb e c o m et h em a i n s t r e a mo p e r a t i n gs y s t e m E m b e d d e dL i n u xC a nb ea p p l i e do nm a n yk i n d so fp l a t f o r ma n di ta l s os u p p o r ts t r o n gn e t w o r kf u n c t i o n O u rd e s i g no fw i r e l e s sv i d e os u r v e i l l a n c es

7、y s t e mc o n s i s t so fA R M 9h a r d w a r ea r c h i t e c t u r ea n de m b e d d e dL i n u xo p e r a t i n gs y s t e m T h i sp a p e ri sc o m p o s e do ff i v es e c t i o n s S e c t i o nI&I Id e s c r i b e st h ec o n c e p to fw i r e l e s sv i d e os u r v e i l l a n c es y s t

8、 e ma n de m b e d d e ds y s t e m S e c t i o nl I Ia n a l y s e sh o wt ob u i l dg e n e r a le m b e d d e dL i n u xs y s t e m S e c t i o n i n t r o d u c e so u rs y s t e mf r o mt h r e ea s p e c t s：t r a n s p l a n to fb o o t l o a d e r，t r a n s p l a n to fL i n u xk e r n e la

9、n dt h eb u i l d i n go fe m b e d d e dI I Ir o o tf i l e s y s t e m T h i ss e c t i o ns u m m a r i z e st h ea r c h i t e c t u r eo fU S Bc a m e r ad r i v e ra n dw i r e l e s sn e t w o r kc a r dd r i v e ri nd e t a i l S e c t i o nVi n t r o d u c e sh o wt oc o n f i g u r ea d-h

10、o ca n di n f r a s t r u c t u r en e t w o r km o d ei no u rs y s t e m I nt h el a s ts e c t i o n，A u t h o rp u tf o r w a r dt h et r e n do fe m b e d d e dw i r e l e s sv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m K E YW O R D Se m b e d d e dL i n u xs y s t e m，e m b e d d e ds y s t e m

11、，e m b e d d e dw i r e l e s sv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m，d e v i c ed r i v e rI V独创性(或创新性)声明本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他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了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人

12、签名：!董瞳日期：2 2：主：丝关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校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，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后遵守此规定)保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文刁涡于保密范围，适用本授权书。本人签名：一生堕日期：一生z：呈：垒：导师签名：刁型瓣日期：型争兰!二一北京邮电大学硕士学位论

13、文嵌入式无线视频监控系统介绍第一章嵌入式无线视频监控系统介绍伴随着嵌入式技术、图像处理技术和无线网络传输技术的发展，传统模拟视频监控系统和基于P C 的远程视频监控系统由于自身的不足，已经无法满足现代社会应用中不断涌现出来的新需求，于是基于嵌入式技术的无线网络数字视频监控系统就应因而生了。嵌入式无线视频监控系统具有数字化和无线网络化两大特点：1 数字化数字化是2 1 世纪的特征，是以信息技术为核心的电子技术发展的必然。视频监控系统的数字化首先是系统中信息流(包括视频、音频、控制等)从模拟状态转为数字状态，这从根本上改变视频监控系统从信息采集、数据处理、传输、系统控制等的方式和结构形式。信息流的

14、数字化、编码压缩、开放式的协议，使视频监控系统与安防系统中其它各子系统间实现无缝连接，并在统一的操作平台上实现管理和控制，这也是系统集成化的含义。2 无线网络化除了数字化，2 l 世纪另一大特征就是网络化的兴起，这其中又以无线局域网技术为其最鲜明的特点。无线局域网技术是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。无线局域网基本上可以提供有线局域网的所有功能。但是，无线局域网技术具有传统局域网无法比拟的灵活性，并且无线局域网的通信范围不受环境条件的限制，最大传输范围可达到几十公里。虽然无线局域网的安全问题一直存在争议，但是随着W A P I，8 0 2 1 li 等标准的建立以及相关技术的发展，无线局

15、域网正在变得越来越安全可靠。而且相对于有线网络，无线局域网的组建、配置和维护较为容易。除此之外，伴随着无线通信技术的发展，无线局域网内的数据传输速率越来越高，网络Q o S 也越来越有保证。无线数字监控是无线网络发展至今最为广泛的应用之一。在通常情况下，监控点和中央控制中心相距较远，而且位置较分散，利用传统网络布线的方式不但成本非常高，而且一旦遇到河流山脉等障碍时，有线网络更是束手无策。此时，无线网络无可比拟的优势就体现了出来，利用无线网桥技术，可以将多个监测点与中央控制中心连接起来，且搭建迅速，可以在最短的时间内迅速建立起无线网络链路。北京邮电大学硕士学位论文嵌入式系统介绍第二章嵌入式系统介

16、绍2 1 嵌入式系统随着信息技术的迅速发展，计算机产业的发展已经到了所谓的后P C 时代。3 C(C o m p u t e r，C o m m u n i c a t i o n，C o n s u m e r)合一的发展趋势逐渐明朗，计算机微型化和专业化趋势己成事实。这两种发展趋势都产生了一个共同的需求：嵌入式系统(E m b e d d e dS y s t e m，E S)。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，使用于应用系统，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的不同，嵌入式系统是将一

17、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在。2 1 1 嵌入式系统组成嵌入式系绀1】一般包括嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和应用程序4 个部分。1 嵌入式处理器嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件嵌入式处理器与通用处理器的最大不同点在于其大多工作在为特定用户群设计的系统中。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，从而有利子嵌入式系统设计趋于小型化，并具有高效率、高可靠性等特征。大的硬件厂商会推出自己的嵌入式处理器，因而现今市面上有1 0 0 0 多种嵌入式处理器芯片，其中使用最广泛的有A R M，

18、M I P S，P o w e r P C，M C 6 8 0 0 0 等。2 外围设备外围设备是指在一个嵌入式系统中，除了嵌入式处理器以外用于完成存储、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以下3类：存储器：静态易失性存储器R A M S R A M)、动态存储器(D 删)和非易失性存储器(Fl as h)。其中，F l a s h 具有可以擦写次数多、存储速度快、容量大及价格低等优点，在嵌入式领域得到了广泛的应用。接口：应用最广泛的包括并口、R S 2 3 2 串口、I r D A 红外接口、S P I 串行外围设备接口、1 2 C 总线接口、U S B 通用串行总

19、线接口、E t h e m e t 网口等。人机交互：L C D，键盘和触摸屏等人机交互设备。2北京邮电大学硕士学位论文嵌入式系统介绍3 嵌入式操作系统在大型嵌入式应用系统中，为了使嵌入式开发更方便、快捷，需要具备一种稳定、安全的软件模块集合，用以管理存储器分配、中断处理、任务间通信和定时器响应，以及提供多任务处理等，即嵌入式操作系统。嵌入式操作系统的引入大大提高了嵌入式系统的功能，方便了应用软件的设计，但同时也占用了宝贵的嵌入式系统资源。一般在比较大型或需要多任务的应用场合才考虑使用嵌入式操作系统。4 应用软件嵌入式系统的应用软件是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

20、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。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不需要专门的操作系统。由于嵌入式应用对成本十分敏感，因此，为减少系统成本，除了精简每个硬件单元的成本为，应尽可能地减少应用软件的资源消耗，尽可能地优化。图2 1 嵌入式系统体系结构2 1 2 嵌入式系统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：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。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

21、术密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。北京邮电大学硕士学位论文嵌入式系统介绍嵌入式系统的硬件和软件都必须具备高度可定制性。只有这样才能适用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。嵌入式系统的硬件和软件都必须高效地设计，在保证稳定、安全、可靠的基础上量体裁衣，去除冗余，力争实现更高的性能。这样，才能最低限度地降低应用成本。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。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。嵌入式系统通常还有减少功耗的要求。这一方面是为了省电，因为嵌入式系统往往需

22、要以电池供电；另一方面是为了减少发热量，因为嵌入式系统中并没有设计风扇等排热手段。可靠性与稳定性对于嵌入式系统有着特别重要的意义，所以即使逻辑上的系统结构相同，在物理组成上也会有所不同。同时，对使用的元器件的质量和可靠性要求都比较高，因此元器件的平均故障时间成为关键的参数。此外，环境温度也是需要重点考虑的问题。2 2 嵌入式操作系统2 2 1 嵌入式操作系统介绍嵌入式操作系统【2 I E O S(E m b e d d e dO p e r a t i n g S y s t e m)是一种用途广泛的系统软件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域。E O S 负责嵌入系统的全部软、硬件资源的

23、分配、调度工作，控制、协调并发活动。它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。目前，已推出一些应用比较成功的E O S 产品系列。随着I n t e m e t 技术的发展、信息家电的普及应用及E O S 的微型化和专业化，E O S 开始从单一的功能方向向高专业化的强功能方向发展。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。E O S 是相对于一般操作系统而言的，它除具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等外，还有以下特点：可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。强实时性。

24、E O S 实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。统一的接口。提供各种设备驱动接口。操作方便、简单、提供友好的图形G U I，图形界面，追求易学易用。4北京邮电大学硕士学位论文嵌入式系统介绍提供强大的网络功能，支持T C P I P 协议及其它协议，提供T C P 厂U D P P P P P 协议支持及统一的M A C 访问层接口，为各种移动计算设备预留接口。强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预，这就要负责系统管理的E O S 具有较强的稳定性嵌入式操作系统的用户接口一般不提供操作命令，它通过系统调用命令向用户程序提供服务。固化代码。在嵌入系统中，嵌入式操作系统

25、和应用软件被固化在嵌入式系统计算机的R O M 中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因此，嵌入式操作系统的文件管理功能应该能够很容易地拆卸，而用各种内存文件系统。更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。2 2 2 主要嵌入式操作系统介绍1 嵌入式L t n u x嵌入式L i n u x(E m b e d d e dL i n u x)是指对标准L i n u x 经过小型化裁减处理之后，能够固化在容量只有几M B 字节的存储器芯片或者单片机中，是适合于特定嵌入式应用场合的专用L i n u x 操作系统。嵌入式L i n u x 同L i n u x 一样，具有低成本、多种硬件平台支持、优

26、异的性能和良好的网络支持等优点。2 V x w o r k sV x w o r k s 操作系统是美国风河公司设计开发的一种嵌入式实时操作系统(R 1 旧S)。V x w o r k s 具有实时性强、系统开销小、进程调度、进程间通信、中断处理等系统公用程序精炼的特点。此外，V x w o r k s 提供的多任务机制，对任务的控制采用优先级抢占河轮转调度机制，这充分保证了可靠的实时性。另外V x w o r k s 具有高度的可靠性，从而保证了用户工作环境的稳定。3 Q N XQ N X 也是一款实是操作系统，由加拿大Q N X 软件系统有限公司开发。Q N X的体系结构决定了它具有非常好

27、的伸缩性，用户可以把应用程序代码和Q N X 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象。Q N X 实时操作系统是一个开放的系统，其应用程序接口完全符合P O S I X 标准，具有良好的可移植性。4 W i n d o w sC EW i n d o w sC E 是微软开发的一个开放的、可升级的3 2 位嵌入式操作系统。北京邮电大学硕士学位论文嵌入式系统介绍W i n d o w sC E 的图形用户界面相当出色。W i n d o w sC E 具有模块化、结构化和基于w i n 3 2 应用程序接口以及与处理器无关等特点。2 2 3 嵌入式L in u x 的

28、优势目前，嵌入式的主流系统包括嵌入式L i n u x，W i n d o w sC E，V x W o r k s 等，在所有的操作系统中，L i n u x 是一个发展最快、应用最为广泛的操作系统。L i n u x遵循的源代码开放的原则，使嵌入式L i n u x 操作系统具有如下的优势：1 低成本开发系统L i n u x 的源码开放性允许任何人可以获得并修改L i n u x 的源码。这样一方面大大降低了开发的成本，另一方面又可以提高开发产品的效率。并且还可以在L i n u x 社区中获得支持。2 可应用于多种硬件平台L i n u x 可支持x 8 6、P o w e r P C

29、、A R M、X S C A L E、M I P S、S H、6 8 K、A l p h a、S P A R C 等多种体系结构，并且已经被移植到多种硬件平台。这对于经费、时间受限制的研究与开发项目是很有吸引力的。L i n u x 采用统一的框架对硬件进行管理，同时从一个硬件平台到另一个硬件平台的改动与上层应用无关。3 可定制的内核L i n u x 具有独特的内核模块机制，它可以根据用户的需要，实时地将某些模块插入到内核中或者从内核中移走，并能根据嵌入式设备的个性需要量体裁衣。经裁减的L i n u x 内核最小可达到1 5 0 K B 以下，尤其适合嵌入式领域中资源受限的实际情况。当前的

30、2 6 内核加入了许多嵌入式友好特性。4 性能优异L i n u x 系统内核精简、高效和稳定，能够充分发挥硬件的功能，因此它比其他操作系统的运行效率更高。在个人计算机上使用L i n u x，可以将它作为工作站。它也非常适合在嵌入式领域中应用，对比其他操作系统，它占用的资源更少，运行更稳定，速度更快。5 良好的网络支持L i n u x 是首先实现T C P I P 协议栈的操作系统，它的内核结构在网络方面是非常完整的，并提供了对包括十兆位、百兆位及千兆位的以太网，还有无线网络、T o k e nr i n g(令牌环)和光纤甚至卫星的支持，这对现在依赖于网络的嵌入式设备来说是很好的选择。6

31、北京邮电大学硕士学位论文嵌入式L i n u x 系统组成部分介绍第三章嵌入式Lin u x 系统组成部分介绍一个嵌入式L i n u x 系统从软件的角度看通常可以分为四个层次，如下图所示：1 引导加载程序：包括固化在固件(f l l T i i w a l e)中的b o o t 代码(可选)，和B o o t L o a d e l 两大部分。2 L i n u x 内核：特定于嵌入式板子的定制内核以及内核的启动参数。3 文件系统：包括根文件系统和建立于F l a s h 内存设备之上文件系统。通常用r a md i s k 来作为m o t f s。4 用户应用程序：特定于用户的应用程

32、序。有时在用户应用程序和内核层之间可能还会包括一个嵌入图形用户界面。常用的嵌入式G U I 有：Q t 和M i n i G U I。B o t t o mT o p图3-1 嵌入式L i n u x 系统的层次结构3 1B o o t L o a d e r 以及其主要任务介绍3 1 1B o o l：L o a d e r 概念B o o t l o a d e r 1 1(引导加载程序)是系统加电后运行的第一段代码。一般它只在系统启动时运行较短的时间，对于嵌入式系统来说，这是一个非常重要的系统组成部分。1 B o o t L o a d e r 所支持的C P U 和嵌入式板型各种不同的

33、C P U 体系结构都具有不同的B o o t L o a d e r。有些B o o t L o a d e r 也支持多种体系结构的C P U，例如U b o o t 就同时支持A R M 体系结构和M I P S 体系结构。除了依赖于C P U 的体系结构外，B o o t L o a d e r 实际上也依赖于集体的嵌入式板级设备的配置。2 B o o t L o a d e r 的安装媒介系统上电后，所有的C P U 都从某个由C P U 制造商预先设置的地址上取得指令。而基于C P U 构建得嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备(如：R O M，E E P R O M 或F L

34、 A S H 等)被映射到这个预先设定的地址上。因此在系统上电后，C P U 将首先执行B o o t L o a d e r 程序。7北京邮电大学硕士学位论文嵌入式L i n u x 系统组成部分介绍3 用来控$1 B o o t L o a d e r 的设备或机制主机和目标机之间一般通过串口建立连接，B o o t L o a d e r 软件在执行时通常会通过串口来进行I O，比如：输出打印信息到串口。4 B o o t L o a d e r 的启动过程是单阶段还是多阶段通过多阶段的B o o t L o a d e r 能够提供更为复杂的功能以及更好的可移植性。从固态存储设备上启动

35、的B o o t L o a d e r)k：多数都是两阶段的启动过程，即启动过程可以分为S t a g e l 和S t a g e 2 两部分。5 B o o t L o a d e r 的操作模式大多数B o o t L o a d e r 都包含两种不同的操作模式：启动加载模式和下载模式，这种区别仅对于B o o t L o a d e r 开发人员才具有区别。从最终用户的角度并不存在两种工作模式的区别。启动加载模式：这种模式也称为自主模式。B o o t L o a d e r)A 目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到R A M 中运行，整个过程没有用户的介入。本模式是B o

36、 o t L o a d e r 的正常工作模式。下载模式：在这种模式下，目标记上的B o o t L o a d e r：将通过串口连接或者网络连接等通信手段从主机下载文件，比如下载内核映像和根文件系统映像等。从主机下载的文件通常首先被B o o t L o a d e r 保存到目标机的R A M 中，然后再被B o o t L o a d e r 写入到目标机上的F L A S H 类型的固态存储设备中。B o o t L o a d e r 的这种模式通常在第一次安装内核与根文件系统时被使用。工作于这种模式下的B o o t L o a d e r 通常都会向它的终端用户提供一个简单的

37、命令行接口。6 B o o t L o a d e r 与主机之间进行文件传输所用的通信协议最常见的情况就是，目标机上的B o o t L o a d e r J 臣过串口与主机之间进行文件传输，传输协议通常是x m o d e m y m o d e m z m o d e m 协议中的一种。此外，通过以太网连接可以借助T F T P 协议来下载文件。3 1 2B o o t L o a d e r 的主要任务B o o tL o a d e r 的实现依赖于C P U 的体系结构，因此大多数B o o tL o a d e r 都分为s t a g e l 和s t a g e 2 两大部

38、分。依赖于C P U 体系结构的代码，比如设备初始化代码等，通常都放在s t a g e l 中，且通常都用汇编语言来实现，以达到短小精悍的目的。而s t a g e 2 则通常用C 语言来实现，这样可以实现给复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。B o o t L o a d e r 的s t a g e l 通常包括以下步骤(以执行的先后顺序)：硬件设备初始化。为加载B o o tL o a d e r 的s t a g e 2 准备R A M 空间。北京邮电大学硕士学位论文嵌入式L i n u x 系统组成部分介绍拷贝B o o t L o a d e r 的s t a g

39、e 2 到R A M 空间中。设置好堆栈。跳转N s t a g e 2 的C 入口点。B o o tL o a d e r 的s t a g e 2 通常包括以下步骤(以执行的先后顺序)：初始化本阶段要使用到的硬件设备。检测系统内存映射(m e m o r ym a p)。将k e r n e l 映像和根文件系统映像从f l a s h 上读到R A M 空间中。为内核设置启动参数。调用内核。3 2 内核介绍内核，是一个操作系统的核心。它负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统【3】，决定着系统的性能和稳定性。内核独立于普通应用程序，它一般处于系统态，拥有受保护的内存空间和访

40、问硬件设备的所有权限。1 进程管理：内核负责创建和终止进程，并且处理它们和外部世界的联系(输入和输出)。对整个系统功能来讲，不同进程之间的通信(通过信号、管道、进程间通信原语)是基本的，这也是由内核来处理的。另外，调度器，可能是整个操作系统中最关键的例程，是进程管理中的一部分。更广义的说，内核的进程管理活动实现了在一个C P U 上多个进程的抽象概念。2 内存管理：计算机内存是主要资源，而使用内存的策略是影响整个系统性能的关键。内核为每个进程在有限可利用的资源上建立了虚拟地址空间。内核不同部分通过一组函数与内存管理子系统交互，这些包括从简单的m a l l o e f r e e 到更稀奇古怪

41、的功能。3 文件系统：U n i x 系统是建立在文件系统这个概念上的。U n i x 里几乎所有东西都可以看作文件。内核在非结构的硬件上建立了结构化的文件系统，这个抽象的文件被系统广泛应用。另外，L i n u x 支持多文件系统类型，即物理介质上对数据的不同组织方法。4 设备控制：几乎每种系统操作最后都要影射到物理设备上。除了处理器、内存和少数其他实体外，几乎所有设备的控制操作都由设备相关的代码来实现。这些代码就是9北京邮电大学硕士学位论文嵌入式L i n u x 系统组成部分介绍设备驱动程序。内核必须为每个外部设备嵌入设备驱动程序，从硬盘驱动器到键盘和磁带。5 网络：网络必须由操作系统来

42、管理，由于大多数网络操作不是针对进程的：接收数据包是异步事件。数据包必须在进程处理它们以前就被收集，确认和分发。系统通过程序和网络接口发送数据包，并且应该可以正确地让程序睡眠，并唤醒等待网络数据的进程。另外，所有路由和地址解析问题都是在内核里实现的。3 3 文件系统介绍，r、S y s t e mC a l lI n t e r f a c e(S C I)P r o c e s sV i r t u a IF i l eM a n a g e m e n t(P M)S y s t e m(V F S)M e m o r yN e t w o r kS t a c kM a n a g e

43、m e n t(M M)触峋。e 岫。n 螨c 删。图3-2L i n u x 内核体系图文件系统【4】是操作系统一个重要的部分。L i n u x 下的文件系统主要可分为三部分：一是上层文件系统的系统调用(o p e n，r e a d 等)，二是虚拟文件系统(V m u a lF i l c s y s t c mS w i t c h，V F S)，三是挂载到V F S 中的各种实际文件系统，例如J F F S 2，Y A F F S 2 等。如下图所示：i 鬲口彤啜!III“!i 瓜蔽焉(v F S)内棱层l：|虚报文件系统l内该瑶：i：二二=。ll，。_ _ _ _-_-_ _ _

44、_ _ J _-。r _。_ _-_-_ _ _-_ _-_ _ _ _。叫II I ttIi 圆圈曰li 匝巫圈匝圃|广一+一一一一一+一+。r。一一一一一。节一一一一liE 至三4 毯驱动i：i 硬件缮ii 圃囱囱l图3 3L i n u x 文件系统结构图1 0北京邮电大学硕士学位论文嵌入式L i n u x 系统组成部分介绍V F S 作为虚拟文件系统是物理文件系统与服务之间的一个接口层。V F S 使得用户可以直接使用一般的系统调用而无需考虑具体文件系统和实际物理介质。V F S 只存在内存中，不存在于任何外存空间。V F S 的功能包括：(1)记录可用的文件系统的类型(2)将设备同

45、对应的文件系统联系起来(3)处理一些面向文件的通用操作。3 3 1L i n u x 根文件系统根文件系统是存放运行、维护系统所需的各种工具软件、库文件、脚本、配置文件和其他特殊文件的地方。L i n u x 遵守文件系统科学分类标准(F i l e s y s t e mH i e r a r c h yS t a n d a r d，F H S)。表3-1L i n u x 根文件系统的目录结构目录名称含义b i n存放二进制程序，诸如l s，c d 等命令b o o t存放系统启动的一些程序d e v存放设备文件。如网卡等e t e存放系统配置文件h o m e用户根目录1 i b存放库

46、文件m e d i a媒介的挂载点m n t该目录用来为其他文件系统提供安装点o p t不随发行版本一起交付的程序p r o cP r o c 文件系统目录r o o t超级用户的根目录s b i n存放超级用户运行的二进制文件s r v存放一些服务的目录s y sS y s 文件系统目录|v a I存放一些临时性文件和日志文件3 3 2 嵌入式文件系统不同的文件系统类型有不同的特点，因而根据存储设备的硬件特性、系统需求等有不同的应用场合。在嵌入式L i n u x 应用中，主要的存储设备为R A M(D 删，S D 洲)和R O M(常采用F L A S H 存储器)，常用的基于存储设备的文

47、件系统类型包括：j f f s 2，y a f f s，e r a m f s，r o m f s，r a m d i s k，r a m f s t m p f s等。北京邮电大学硕士学位论文嵌入式L i n u x 系统组成部分介绍1 基于F L A S H 的文件系统F l a s h(闪存)作为嵌入式系统的主要存储媒介，有其自身的特性。F l a s h 的写入操作只能把对应位置的l 修改为0，而不能把0 修改为l(擦除F 1 砒就是把对应存储块的内容恢复为1)，因此，一般情况下，向F l a s h 写入内容时，需要先擦除对应的存储区间，这种擦除是以块(b l o c k)为单位进行

48、的。闪存主要有N O R 和N A N D 两种技术。F l a s h 存储器的擦写次数是有限的，N A N D 闪存还有特殊的硬件接口和读写时序。因此，必须针对F l a s h 的硬件特性设计符合应用要求的文件系统；传统的文件系统如e x t 2 等，用作F l a s h 的文件系统会有诸多弊端。在嵌入式L i n u x 下，M T D(M e m o r yT e c h n o l o g yD e v i c e，存储技术设备)为底层硬件(闪存)和上层(文件系统)之间提供一个统一的抽象接口，即F l a s h的文件系统都是基于M T D 驱动层的。使用M T D 驱动程序的主

49、要优点在于，它是专门针对各种非易失性存储器(以闪存为主)而设计的，因而它对F l a s h 有更好的支持、管理和基于扇区的擦除、读写操作接口。(1)J F F S 2J F F S 文件系统最早是由瑞典A x i sC o m m u n i c a t i o n s 公司基于L i n u x 2 0 的内核为嵌入式系统开发的文件系统。J F F S 2(日志闪存文件系统版本2(J o u m a l l i n gF l a s hF i l e S y s t e mv 2)是R e d H a t 公司基于J F F S 开发的闪存文件系统，最初是针对R e d H a t 公司的

50、嵌入式产品E C O S 开发的嵌入式文件系统，所以J F F S 2 也可以用在L i n u x，u C L i n u x 中。J F F S 2 主要用于N O R 型闪存，基于M T D 驱动层，特点是：可读写的、支持数据压缩的、基于哈希表的日志型文件系统，并提供了崩溃掉电安全保护，提供“写平衡”支持等。缺点主要是当文件系统已满或接近满时，因为垃圾收集的关系而使i f f s 2 的运行速度大大放慢。(2)Y A F F S(Y e tA n o t h e rF l a s hF i l eS y s t e m)Y A F F S Y A F F S 2 是专为嵌入式系统使用N