基于Linux的嵌入式操作系统的研究与设计精品资料.doc

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1、武 汉 大 学硕 士 学 位 论 文基于Linux的嵌入式操作系统的研究与设计Research and Design of Embedded Operating System Based on Linux摘 要在后PC时代，对嵌入式系统的研究与开发成为当前的一个热点，嵌入式系统蕴含着巨大的市场需求，其应用已渗透到了各行各业。Linux是一种通用而且适合于嵌入式系统的操作系统，它既可以嵌入到一个非常小的系统中处理简单的任务，也可以组合起来处理非常复杂的任务。因此，对嵌入式Linux的研究具有非常重要的意义。通过对Linux内核源代码和嵌入式系统特殊性的分析，作者给出了嵌入式Linux的开发步骤并

2、讨论了在开发过程中的一些重要问题。由于Linux实时性能的缺陷，而嵌入式系统往往要应用到实时性能要求很高的环境，作者对Linux进程管理部分进行了深入分析，提出了添加实时内核，改进实时调度方式等方法来增强Linux的实时性能，使其适应嵌入式系统的实时需求。本文对Linux文件管理和虚拟文件系统进行了分析，比较了各种可用于嵌入式系统的文件系统，并提出了构建嵌入式文件系统的基本方法。根据嵌入式系统存储空间小和实时性要求高的特点，作者对Linux的虚拟内存机制进行了改造，并提出了两种改进方案，一种是通过直接修改内核源代码来彻底去掉虚拟内存机制，另一种是通过将交换空间置零的方法来消除虚拟内存机制的不利

3、影响。MiniGUI是一个优秀的图形用户界面，本文详细分析了MiniGUI的原理和机制，并对基于MiniGUI的图形应用开发做了简单讨论。最后，本文还详细讨论了Linux的设备管理机制，并对设备驱动程序的开发方式进行了归纳总结。通过举例说明了字符设备的驱动程序的开发方式，对块设备和网络设备的驱动程序开发也进行了简要介绍。关键字：嵌入式Linux实时虚拟内存管理MiniGUI设备驱动程序AbstractIn the pervasive computing, research and development for embedded systems have become a hotspot cu

4、rrently. The huge market demand is latent in embedded systems, and embedded systems have already applied to every walk of life. Linux is a versatile and cost effective operating system for embedded systems. It can be embedded in a surprisingly small system to handle simple tasks and scaled up to han

5、dle more complex tasks. Therefore, the research for embedded linux is very important. Through the analysis of linux kernel source code and specificity of embedded systems, the author presents steps of development for embedded linux and discusses some important problem which will be met in developing

6、. Because of the shortage of real-time performance, and because embedded systems are applied to the environment which requires a very high real-time performance, the author analyzes process management of linux thoroughly. Moreover, the author present the approach of strengthening linux real-time per

7、formance through adding real-time kernel and reforming real-time scheduling. By these ways, linux will meet the real-time demand of embedded systems. This term analyzes file system management and virtual file system of linux and hase a comparitson among many file system of embedded systems. Then, th

8、e author present the fundamental approach of building embedded file system. According to the feature of small memory space and high real-time demand of embedded system, the author reforms virtual memory management mechanism of linux and present two reforming approach: one is that virtual memory mana

9、gement mechanism is got rid of through modifying linux kernel source code; the other is that virtual memory management mechanism is taken off through putting the size of switch space into zero.MiniGUI is a excellent graphics user interface. This term analyzes the principle and mechanism of MiniGUI i

10、n detail, and discusses the development of MiniGUI applications. At last, this term discusses the device management mechanism of linux, and concludes the developing approaches of device driver. Through a example the developing approaches of character device driver are explained, and the developing a

11、pproaches of block device driver and network device also are introduced briefly.Keywords: embedded linux, real-time, virtual memory management, MiniGUI,device driverIII目 录摘 要IAbstractII引 言第1章 绪 论11.1 嵌入式系统概况11.2 嵌入式操作系统的特点和发展31.3 嵌入式Linux的优势和发展现状41.4 嵌入式Linux系统研究中的问题6第2章 嵌入式Linux系统的构建82.1 嵌入式Linux的开

12、发流程82.2 构建嵌入式Linux的关键问题92.3 嵌入式Linux开发的步骤11第3章 嵌入式Linux实时性能的改造183.1 Linux进程管理的实时性能分析183.2 Linux在实时性方面的缺陷和关键问题203.3 嵌入式Linux实时化改造方法21第4章 嵌入式Linux系统的文件系统264.1 Linux的文件系统管理264.2 各种不同的文件系统274.3 适合嵌入式环境的文件系统30第5章 嵌入式Linux系统的存储管理315.1 Linux的存储管理315.2 Linux内存管理用于嵌入式系统的问题355.3 改进Linux的存储管理36第6章 嵌入式Linux中的图形

13、用户界面406.1 MiniGUI简介406.2 MiniGUI的两个版本426.3 基于Linux 和 MiniGUI 的嵌入式系统软件开发45第7章 嵌入式Linux下设备驱动程序的开发517.1 Linux设备管理简介517.2 设备驱动程序的开发53第8章 结束语59参考文献60致 谢62引 言随着计算机技术的发展，嵌入式系统已成为计算机领域的一个重要组成部分。嵌入式系统的广泛应用，已经深入到我们日常生活中，在手机、PDA、机顶盒、汽车、微波炉、自动售货机、医疗仪器、信息家电等方面都有嵌入式系统的身影。事实上，嵌入式系统在数量上已经远远超过了各种通用计算机，并将在信息产业中占有越来越重

14、要的位置。由于Linux具有低费用、高性能的特点，使Linux系统成为嵌入式操作系统的新宠。理想的嵌入式操作系统的特点是：适应于多种CPU和多种硬件平台；性能稳定，剪裁性很好；开法和使用都很容易，生成的代码质量高，可靠性好；有一定的实时处理能力，并且能接入Internet。而所有这些特点Linux都具有，这些优势使Linux成为了嵌入式操作系统的首选。嵌入式Linux的开发与应用在国外已经是如火如荼了，许多Linux的改良品种已被开发出来并应用于各种嵌入式系统。它们包括RTLinux（实时Linux）、clinux（用于非 MMU 设备的 Linux）、Montavista Linux（用于A

15、RM、MIPS、PPC 的 Linux 分发版）、ARM-Linux（ARM 上的 Linux）和其它 Linux 系统。在国内，也出现了几个有代表性的优秀嵌入式Linux系统，红旗嵌入式Linux就是其中一个典型的例子。本文作者在攻读硕士学位研究生阶段一直在从事车载GPS导航系统和车载嵌入式平台等相关研究和开发工作，并在这些工作中深刻体会到开发满足特定需求、拥有自主版权的嵌入式操作系统的必要性。作者通过对Linux内核源代码和嵌入式系统特点的分析，对嵌入式Linux的设计与开发做了深入的探讨，并对嵌入式环境下文件系统的选择与开发、实时性能的提高、内存管理的改造提出了一些看法，对嵌入式系统GU

16、I和驱动程序的开发进行了介绍和归纳。由于时间的限制，加之本人的水平有限，不足之处在所难免，希望老师和同学不吝指正。基于Linux的嵌入式操作系统的研究与设计 68第1章 绪 论随着多媒体技术、通讯技术相结合的信息时代的快速发展和互联网的广泛应用。计算机、通信、消费电子一体化趋势日益明显,我们也从时代过渡到了后时代。在当前的数字信息技术和网络技术高速发展的后时代,嵌入式技术越来越和人们的生活紧密结合。嵌入式系统可存在于生活的各方面,从家里的电视机、洗衣机等家电，到汽车等交通工具,到办公室里的远程会议系统等等,都属于可以使用嵌入式技术开发和改造的产品。因此,研究与嵌入式系统有关的关键技术嵌入式操作

17、系统有着相当重要的实际意义。1.1 嵌入式系统概况嵌入式系统(Embedded System)被定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是将应用程序和操作系统与计算机硬件集成在一起的系统。简单的说就是系统的应用软件与系统的硬件一体化,类似于BIOS的工作方式。这种系统具有软件代码小,高度自动化,响应速度快等特点,特别适应于要求实时的和多任务的体系。嵌入式系统早在20世纪60年代就出现了。在通信领域中，嵌入式系统被用来控制电话的电子式机械交换，并被称为 “存储程控控制系统”。嵌入式系统的真正发展是在微处理器

18、问世之后。微处理器的广泛应用形成了一个广阔的嵌入式应用市场，计算机厂家开始大量的以插件方式向用户提供OEM产品，在由用户根据自己的需要选择一套适合的CPU板、存储器板以及各式I/O插件板，从而构成专用的嵌入式计算机系统，并将其嵌入到自己的系统设备中。随着微电子工艺水平的提高，单片机出现了并成为嵌入式计算机系统异军突起的一支新秀。其后发展的DSP产品进一步提升了嵌入式计算机系统的技术水平。20世纪90年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引力下，嵌入式系统进一步加速发展，并迅速地渗入到消费电子、医用电子、智能控制、通信电子、仪器仪表、交通运输等各种领域。嵌入式系统的特征可

19、分为以下几个部分：1. 硬件特征嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，如果独立于应用自行发展，则会失去市场。嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，这些也是各个半导体厂商之间竞争的热点。和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去处冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用对处理器的选择面前更具有竞争力。嵌入式系统中的软件，一般都固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体，可以随意更换，所以嵌入式系统的应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长，而且更强调可继承性和技术衔接性。2. 系统软件和应用

20、软件嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理器系统软件和应用软件的要求也和通用计算机不同。(1) 软件要求固态化存储(2) 软件代码高质量、高可靠性(3) 系统软件的高实时性是基本要求(4) 多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础3. 开发工具和环境嵌入式系统本身不具备自举开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。4. EOS（嵌入式操作系统）开发平台对于嵌入式系统，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行，但是为了合理地调度多任务，利用系统资源、系统函数、以及和专家库函数接口，用户必须自行选配EOS开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，

21、并减少开发时间，保障软件质量。一个优秀的EOS是嵌入式系统成功的关键。1.2 嵌入式操作系统的特点和发展嵌入式操作系统主要分为以下三种类型：1. 非实时嵌入式操作系统这类操作系统不提供硬实时功能。如果必须严格满足时间的限制，这类操作系统就不适合。其中的系统调用为不需要实时相应的任务提供进程管理、内存管理以及I/O管理。2. 实时操作系统这类操作系统为获得实时的时间期限提供必要的系统调用。3. 移动/手持式操作系统调整到适于移动环境的操作系统称为移动/手持式操作系统。但是，很多实时操作系统也可以用作移动/手持式操作系统。嵌入式操作系统并不是简单嵌入的操作系统，它与通常意义上的操作系统有一定的区别

22、。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬资源的分配、调度工作，控制协调并发活动，它必须体现所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。嵌入式操作系统具有如下一些特征：小巧、实时性、可装卸、固化代码、弱交互性、强稳定性和统一的接口。简单的嵌入式系统一般并不使用操作系统,只包含一些控制流程,但是当嵌入式系统所提供的功能复杂化之后(如:图形用户界面和网络支持等),简单的流程控制就不能满足系统的要求,这时就必须考虑使用操作系统做系统软件。这时,嵌入式操作系统(Embedded Operating System ,EOS)就应运而生。一个最小的嵌入式系统仅需如下基本组成部分：1. 一个

23、用作引导的可用设施(工具)2. 一个具备内存管理,进程管理,和定时器服务的Linux微内核3. 一个初始进程为了让上面的最小嵌入式系统变得有一定实用性,尚需加上一些东西：1. 硬件的驱动程序2. 一个或几个应用进程以提供必要的应用功效随着对系统要求的增加,也许还要用到下面这些组件1. 一个文件系统(或许放在ROM或RAM中)2. TCP/IP 网络协议栈3. 一个磁盘用来存放半易失性数据和提供交换能力随着EOS的广泛应用,业界已推出一些应用比较成功的EOS产品。随着各种应用的出现,EOS也从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展,归纳起来EOS应该有以下几个特点：小的系统内核、较强的实时性、多

24、任务功能、能够提供各种设备驱动程序、提供图形界面、提供TCP/IP、PPP等协议支持。嵌入式OS 比PC的OS相对简单，但由于各种嵌入式系统产品中包含不相同的特殊需求，致使这类系统中使用的OS不下几百种，如Windows CE、Palm OS、VxWork、PSOS、UNX、PowerTV、JavaOS、LynxOS和Nucleus等。至今仍有50%的开发者使用自行开发的OS。目前，市面上这些商业性嵌入式系统都在努力地为自己争取着嵌入式市场的份额。但是，这些专用操作系统均属于商业化产品，价格昂贵；而且，由于它们各自的源代码不公开，使得每个系统上的应用软件与其它系统都无法兼容。并且，由于这种封闭

25、性还导致了商业嵌入式系统在对各种设备的支持方面存在很大的问题，使得对它们的软件移植变得很困难。在嵌入式这个IT产业的新的关键领域，Linux操作系统适时地出现在了国际和国内各嵌入式厂商面前，由于Linux自身诸多优势，吸引了许多开发商的目光，成为嵌入式操作系统的新宠。它的出现无疑为国家发展嵌入式操作系统事业提供了一个极有吸引力的机会。1.3 嵌入式Linux的优势和发展现状Linux是一种UNIX类操作系统。它兼容POSIX 1003.1标准，并包含了UNIX System V与BSD 4.3的大部分特征，如多任务支持、多用户支持、多处理器支持、跨平台支持、按需调入执行、分页机制、动态外存缓存

26、、共享库支持、POSIX 1003.1支持、多种不同格式可执行文件支持、内存保护模式、支持不同种类的文件系统、TCP/IP，SLIP和PPP支持等。Linux内核的功能以及它和GPL(通用公共许可证)的结合，也是许多软件开发人员相信这是一个有前途的项目，并开始加入到内核的开发工作中。他们将GUN项目的C库、gcc、Emacs、bash等很快移植到Linux内核中，并于BSD UNIX以及MIT的XII结合，使整个Linux操作系统得以很快形成，而且建立在稳固的基础之上。由于Linux系统本身采用彻底开放、注重特性的方法进行设计，Linux内核的新版本推出速度非常得快。现在正在广泛使用的稳定的L

27、inux内核2.2.X版本以及最近推出的2.4版本，就充分显示了Linux开发队伍的非凡的创造力和协作开发模式的价值。Linux是遵循GPL规则的多任务操作系统，源码公开、价格低廉、功能强大、应用丰富。嵌入式Linux是指在标准Linux基础上经过裁剪、修改，适用于嵌入式系统的专用Linux系统。Linux作为嵌入式操作系统的优势表现在以下几个方面：1. 免许可证费用2. 有很高的稳定性3. 强大的网络功能4. 丰富的开发工具5. 大量的文挡Linux自身的特点完全能够满足嵌入式操作系统的基本要求。嵌入式系统要求操作系统满足它的实时性和多任务性。勿庸置疑，Linux是一个优秀的多任务操作系统；

28、另外从Linux的进程调度来看，它包含三个策略，即非实时，实时先进先出和实时基于优先权轮转法。在这两点上，Linux是满足嵌入式系统的要求的。嵌入式系统要求操作系统具有高效性和健壮性。Linux的内核功能可以被划分为若干个独立的功能模块，这些模块可以按需求来加载，所以内核是可以裁剪的。Linux内核的组织结构是整体式结构，由很多过程组成，每个过程可以独立编译，然后用连接程序将其连接在一起成为一个单独的目标程序，没有任何程度的信息隐藏，这种结构的内部结构简单，子系统间易于访问，因此内核的工作效率较高而且很稳定。内核的各个模块通过一些独特的机制使整个系统高效运行。Linux支持将某些模块常驻内存。

29、通过将应用程序和内核同时储留在内存中就可以解决嵌入式系统没有磁盘的问题。Linux强大的功能还可以为嵌入式系统提供TCP/IP等网络协议和Internet客户和服务器软件、图形用户界面、良好的移植性、灵活而强大的设备驱动和完善的开发调试工具。这些都说明了Linux用于嵌入式系统是完全可行的，并具有广泛的应用前景。目前，国外不少大学、研究机构和知名公司都加入了嵌入式Linux的开发工作，较成熟的嵌入式Linux产品不断涌现，如RT-Linux、Embedix、uClinux等。RT-Linux是由美国新墨西哥理工学院开发的基于标准Linux的嵌入式操作系统。它提供了一个精巧的实时内核，并把标准的

30、Linux核心作为实时核心的一个进程同用户的实时进程一起调度，这样做使得对Linux的改动量最小，充分利用了Linux下现有的丰富软件资源。Embedix是由嵌入式Linux行业主要厂商之一Lineo推出的，它提供了超过25种的Linux系统服务并可以免费获得。Lineo还将计划推出Embedix的开发调试工具包，基于图形界面的浏览器等。可以说，Embedix是一种较完整的嵌入式Linux解决方案。UClinux是专门用于微型控制领域的嵌入式Linux操作系统，它已经被成功的移植到了很多平台上。值得一提的是，在国内嵌入式Linux也得到的很大的重视，并在迅速发展。广州博利思软件公司推出的Poc

31、ketix和中科院自行开发的红旗嵌入式Linux等就是最好的证明。曾被媒体炒的火热的维纳斯与女娲之争，是用户认识到了嵌入式操作系统领域的巨大商机。据预测，我国信息家电产品市场规模2003年将达到2000亿至2500亿元规模。由于Linux开放源码的特点，全世界的开发厂商都站在同一起跑线上。国内的研究机构和企业也正在投入人力物力，力争在嵌入式操作系统市场上有所作为。但应清醒地看到，绝大部分地嵌入式系统的硬件平台还掌握在外国公司的手中。国产的嵌入式操作系统在技术含量、兼容性、市场运作模式等方面还有很多工作要做，但是嵌入式操作系统的巨大商业价值和Linux的开放性，为民族软件产业的发展提供了难得的机

32、会。应该在跟踪国外嵌入式操作系统最新技术的同时，坚持自主产权，力争找到自己的突破点，探索出一条适合中国国情的嵌入式操作系统的发展道路。1.4 嵌入式Linux系统研究中的问题就像世上没有万能钥匙一样，嵌入式Linux当然也有它的不足。1. 嵌入式Linux仍然占用了很大内存，虽然可以通过消减一些不必要的功能来改善，但这很有可能得不偿失，因为对Linux源代码大规模的修改很可能会带来其他的问题。2. 大多数Linux应用程序都会使用虚拟内存交换，但这在很多嵌入式系统中会带来很多麻烦。一方面，嵌入式系统大多没有外存，或者只有很少容量的Flash（闪存），这导致虚拟内存交换根本没有空间去完成；另一方

33、面，这种虚拟内存交换会带来大量的缺页中断和系统调度以及进程运行的不确定因素提高等，这在很大程度上影响了嵌入式系统的性能，特别是对实时性要求很强的嵌入式系统更是如此。3. Linux的内核的调试工具的使用仍然不是很方便。4. 尽管可以改善，但Linux的实时性能仍然不够理想。Unix的进程调度是以追求最大吞吐量为目标而不是追求高实时性。由于Linux继承了Unix这一特点，所以要达到很好的实时性能必须大规模的修改Linux的内核代码。但这种代价是很高的。5. 缺乏强大的图形用户接口的支持。6. 对设备驱动的支持仍然不够。很多外部设备不被Linux支持，只能自行开发驱动程序。7. Linux是一种

34、极具适用性的操作系统。可是，嵌入式系统在通常情况下是不具备这种性质的；它们是对于特定的用途，进行过仔细优化了。但Linux的这种适用性倾向，保持了系统的通用性和多变性，同时也是一个奢侈的目标，付出的代价很高，需要增添许多额外的工作，会有许多附加的程序产生，从而增加了软件包的体积，有时还会以降低性能为代价。随着技术的不断发展，以上的很多问题在一定程度上得到了改进和增强。但随着这些问题的解决，不同系统对Linux的改造也增强了，这使得各系统之间的兼容性无法避免的降低了，同时还存在系统稳定性降低、支持文档有限、持续开发难度加大等问题。这种情况使得开发自主版权的嵌入式Linux系统变得非常必要了，同时

35、深入研究嵌入式Linux系统也是非常必要的。本文也是一次为出发点，对如何构造嵌入式Linux系统进行了探讨，并在分析Linux内核源代码（Linux内核2.4.0版）和嵌入式Linux已有研究成果的基础上，对嵌入式Linux系统的进程调度的实时性改进、虚拟内存机制的取舍、嵌入式文件系统的建立、图形用户接口的支持和设备驱动程序的开发等方面进行了深入分析，并提出了一些改进方案。第2章 嵌入式Linux系统的构建2.1 嵌入式Linux的开发流程Linux 正在嵌入式开发领域稳步发展。因为 Linux 使用 GPL，所以任何对将 Linux 定制于嵌入式设备感兴趣的人都可以从Internet免费下载

36、其内核和应用程序，并开始移植或开发。为了方便嵌入式系统的开发，目前一般采用的方式实现使用评估板做开发，当在测试板上开发、运行、调试成功后，再根据测试板使用的硬件，裁剪掉在开发过程中需要而一般应用中不需要的硬件，最后做成产品板大量生产。有很多厂商提供这种评估板应用于嵌入式系统开发，如ARM公司的ARM Evaluator-7T,Lineo公司的Csimm等。一般的开发平台都需要在评估板上提供微处理器、存储芯片以及其他的外围硬件等设备。硬件平台的结构如图2-1。在软件方面提供系统的开发平台和下载工具，还有驻留在硬件上的BootLoader工具。对于由嵌入式操作系统的开发平台，还需要提供操作系统开发

37、工具。 图2-1 硬件平台结构一个小型的嵌入式Linux系统需要下面三个基本元素：1. 引导实用程序 2. Linux 微内核，由内存管理、进程管理和定时服务构成 3. 初始化过程 要实现最低限度的工作能力，还需要添加：1. 硬件驱动程序 2.一个或多个应用进程，以提供所需功能 随着要求的增加，可能还需要：1. 一个文件系统（可能是在 ROM 或者是 RAM 里） 2. 一个图形用户接口（GUI）3. TCP/IP 网络栈 嵌入式Linux的实现步骤为：1. 重新编译Linux内核，去掉内核中不需要的模块。2. 编写BootLoader,制作Boot ROM用于加载嵌入式Linux内核到内存中

38、。3. 重新设计网络设备驱动程序和I/O设备驱动程序。4. 嵌入式Linux系统执行流程（如图2-2）。图2-2 嵌入式Linux系统执行流程2.2 构建嵌入式Linux的关键问题2.2.1嵌入式Linux的引导当一个微处理器第一次启动的时候，它开始在预先设置的地址上执行指令。通常在那里有一些只读内存，包括初始化或引导代码。在PC上，这是BIOS。它执行了一些低水平的CPU初始化和其它硬件的配置。BIOS继续辨认哪个磁盘里有操作系统，把操作系统复制到RAM并且转向它。在PC上运行的Linux依靠PC的BIOS来提供这些配置和OS加载功能。在一个嵌入式系统里经常没有这种BIOS。嵌入式系统通常只

39、需要处理一个硬件的配置。这个代码很简单，只是一个指令清单，将固定的数字填充到硬件寄存器中去。这个代码也很重要，因为这些数值要与你的硬件相符并且要按照特定的顺序进行。这些启动代码完全根据硬件决定，不可随意移动。许多系统都有为核心微处理器和内存所定制的菜单式硬件设计。典型的是，芯片制造商有一个样本主板，可以用来作为设计的参考。通常这些菜单式设计的启动代码是可以获得的，它可以根据你的需要轻易的修改。在少数情况下，启动代码需要重新编写。这个代码最终要在较为稳定的内存上运行，通常是Flash或EPROM芯片。需要使用一些方法将代码放在芯片上。一种流行的方法是把Flash或EPROM芯片插入EPROM或F

40、lash烧制器。这将把你的程序“烧”入芯片。2.2.2 虚拟内存的取舍标准Linux具备虚拟内存的能力。正是这种特征使应用程序员可以编写代码而不需考虑程序有多大，当程序比分配给它的内存空间大时，多余部分会溢出到了磁盘交换区。但在没有磁盘的嵌入式系统里，通常不能这么做。在嵌入式系统里不需要这种强大的功能，特别是在实时系统中，因为它会带来无法控制的时间因素。2.2.3 选用合适的文件系统许多嵌入式系统没有磁盘或者文件系统，Linux不需要它们也能运行。在这种情况下，应用程序任务可以和内核一起编写，并且在引导时作为一个影像加载。对于简单的系统来说，这就足够了。但是，它缺乏灵活性。许多商业性嵌入式系统

41、提供了文件系统作为选项。许多是专用的文件系统或者是MS DOS Compatible文件系统。Linux 提供MS DOS Compatible文件系统，同时还有其它多种选择、之所以提供其它选择是因为它们更加强大而且具有容错功能。文件系统可以被放在传统的磁盘驱动器、FlashMemory或其它这类的介质上。而且，用于暂时保存文件，一个小RAM盘就足够了。FlashMemories被分割成块。这些块中也许包括一个含有当CPU启动时运行的最初的软件的引导块。这可能包括Linux引导代码，剩余的Flash可以用作文件系统。Linux的内核可以通过引导代码从Flash复制到RAM，或者，内核可以被存储

42、在Flash的一个独立部分并直接从那里执行。另外，对于一些系统来说还有一个选择。那就是将一个便宜的CDROM包含在内。这比FlashMemory便宜,而且通过交换CDROM支持简单的升级。Linux只要从CDROM上引导，就像从硬盘上一样从CDROM获得所有的程序。2.2.4 选择合适的实时性实时的含义是指在规定的时限内能够传递正确的结果，迟到的结果就是错误。实时系统并非是指“快速”的系统，实时系统有限定的响应时间，从而使系统具有可预测性。实时系统又可以分为“硬实时系统”和“软实时系统”。二者的区别在于：前者如果在不满足响应时限、响应不及时或反应过早的情况下都会导致灾难性的后果（如航空航天系统

43、）；而后者则在不满足响应时限时，系统性能退化，但并不会导致灾难性的后果（如交换系统）。在嵌入式领域中，实时并非是最重要的。嵌入式系统常常被错误地分为实时系统，尽管多数系统一般并不要求实时功能。如上文所述实时是一个相对的词，常常被严格地定义实时为对一事件以预定的方式在极短的时间如微秒作出响应。因此，需要怎样的实时性能决定于嵌入式Linux应用于一个什么样的实际情况。2.3 嵌入式Linux开发的步骤2.3.1 精简Linux内核由于嵌入式系统的功能和存储空间的限制，安装一个完整的Linux系统是不可能的，也是不必要的。因此，必须对Linux内核进行精简和配置。通过修改内核代码来达到定制的目的是比

44、较危险的，很容易造成代码的不稳定或者丧失代码的灵活性。比较安全的办法是选择合适版本的内核，然后通过内核选项的配置获得既满足应用功能要求同时体积又小的内核。可以使用make xconfig把所有不需要的选项都去掉，例如只留下i586 CPU、IDE设备驱动、TCP/IP协议栈、网卡驱动、文件系统、GUI等。当然，内核的精简与配置也不是越小越好，要根据特定的应用领域和存储空间的实际大小和系统整体性能来全面考虑，最终的目的是达到性能最优化。2.3.2 系统启动装有Linux的x86 PC机启动时，BIOS读取MBR内的内核引导程序（bootloader），如LILO，并将其装入内存运行。之后LILO

45、装载内核到内存并跳转到Linux内核，将控制权移交给内核。而在嵌入式平台上没有设计专用的BIOS芯片，其中的内核引导程序直接固化在Flash（或E2PROM等其它存储介质)上。嵌入式Linux bootloader的载入，通常可以通过在宿主机上运行专门的Flash烧写工具软件来实现。bootloader程序能够完成以下功能：初始化CPU速度、初始化存储器（包括激活存储器）、初始化存储器配置寄存器等、初始化串口、USB口和以太网口、激活指令 / 数据cache、建立堆栈指针、建立启动参数区，构造参数结构和标识列表，因为内核需要利用启动参数来识别根设备、页面大小、存储器大小等；通过上电自检来识别存

46、在哪些设备，并报告异常、提供对电源管理中休眠恢复的支持、跳转到内核起始处。bootloader的参数结构、内核和文件系统在嵌入式系统中的典型布局如下： /* 存储器起始地址 */ bootloader 启动参数区 内核驻留区 文件系统 /* 存储器结束地址 */内核启动之后需要执行的第一个函数是start_kernel()(linux/init/main.c)。它完成一系列初始化的工作。start_kernel()首先调用setup_arch()来完成与体系结构有关的初始化，包括初始化硬件寄存器、识别根设备并加载系统中的DRAM和Flash、指明系统中有多少页、文件系统的大小等。所有这些信息的

47、缺省值均通过参数形式从bootloader传递给内核。大多数2.4.x的内核通过标识列表传递参数。在标识列表中，每个标识包含一个tag_header，标明所传递的参数，其后是参数值。标识列表中tag的一般格式如下：#define struct u32 ；u32 ；下面是一个传递存储信息标识示例：#define ATAG_MEM 0x54410002 /* 幻数 */struct tag_mem32 u32 size； /* 存储器的大小 */u32 start； /* 存储器的物理起始地址 */ setup_arch()还要完成Flash存储器、系统寄存器和其它具体器件的存储映射。与系统有关的设置完成后，setup_arch()函数返回，控制权交还给start_kernel()函数，它接下来将要完成的工作还有：解释系统参数、初始化系统终端服务、系统调度器的初始化、时钟、定时器的初始化、系统软中断的初始化、控制台初始化、内核cache的初始化、校准时钟、内存初始化、创建及设置通用cache、建立uid_cache，并且根据系统内存大小来确定最大进程数目、快设备缓冲区的初始化（初始化一系列cache）、检查体系结构漏洞、创建