（信号与信息处理专业论文）基于arm7的嵌入式系统设计与web服务器的实现.pdf

摘要 计算机技术发展到今天，嵌入式系统的应用越来越广泛：嵌入式计算机在应 用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就包含了5 1 0 个嵌入式微处理器。而随着网络技术日新月异的发展，各种网络器件成为 嵌入式系统新的应用。微处理器产生后，价格低廉、结构小巧的c p u 和外设连 接提供了稳定可靠的硬件架构。2 0 世纪9 0 年代以来，a r m3 2 位嵌入式r i s c 处理器扩展到世界范围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域 的领先地位。 l i n u x 因其可应用于多种硬件平台：是免费软件，源代码可以得到；微内核， 本身内置网络支持和高度模块化等优点，非常适合做嵌入式开发的操作系统。 u c l i n u x 是l i n u x 的一个分支，是专为没有m m u ( 内存管理单元) 的c p u 而设 计的。 本文主要研究了基于a r m 的嵌入式l i n u x 开发，这个研究开发是在实践的 基础上完成的，设计了以三星a r m 7 t d m ic p u 为核心的嵌入式硬件系统，并在 此基础上嵌入u c l i n u x 系统，在u c l i n u x 系统上可以开发各种应用，本文还研究 了其中了一个应用一嵌入式w e b 服务器，该w e b 服务器采用h t t p 协议。我们 已经成功的解决了a r m 的开发难题，研究了a r m 的开发方案，以及u c l i n u x 针对a r m 的移植难题，这在嵌入式系统研究领域，有较高的实践和研究价值。 本论文所研究的这个嵌入式系统具有低成本，高效率的特点，值得推广。最后， 本论文针对所作的工作进行了总结并且展望了本嵌入式系统的其他应用。 关键词：嵌入式系统、a r m 、u c l i n u x a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , e m b e d d e ds y s t e mi sm o r e a n dm o r ew i d e l yu s e d b yn o w , e m b e d d e dc o m p u t e rs y s t e mi sm u c hm o r et h a n c o m m o nc o m p u t e ri nq u a n t i t y , t h e r ea r ea b o u t5 1 0m i c r o p r o c e s s o ri np e r i p h e r a l e q u i p m e n to fac o m p u t e r a tt h em e a nt i m e 1 0 t so fn e t w o r ke q u i p m e n t sb e c o m et h e n e wa p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n to fe m b e d d e ds y s t e ms i n c et h ep r o g r e s s i v e l y d e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g y t h ec h e a pa n dp o w e r f u lm i c r o p r o c e s s o r sa n d v a r i o u sk i n d so fp e r i p h e r a le q u i p m e n t sh a v em a d et h eh a r d w a r ef r a m e so fa l lk i n d so f e m b e d d e da p p l i c a t i o n ss t a b l ea n dr e l i a b l e s i n c el9 9 0 s a r mw h i c hi s3 2 b i t e m b e d d e d 王u s cm i c r o p r o c e s s o r , h a sb e e ns p r e a dt ot h er a n g eo ft h ew o r l d a n d o c c u p i e di 1 1 t h ef i e l do fa p p l i c a t i o no fl o wc o n s u m p t i o n 1 0 wc o s ta n dh i g h p e r f o r m a n c ee m b e d d e ds y s t e m b e c a u s ei t se x c e l l e n tk e r n e ld e s i g na n da p p l i c a t i o np e r f o r m a n c e l i n u xi sr u n n i n g o nm a n yk i n d so fh a r d w a r e ，l i n u xa l s oo w n so t h e rm e r i t ss u c ha si t sf r e es o n r c ec o d e ， i t si n h e r i tn e t w o r k i n gf u n c d o n sa n di t sm o d u l a r i z a t i o nd e s i g ni nk e r n e l t h e r e f o r e l i n u xi sv e r ys u i t a b l et ob et 1 1 eo p e r a t es y s t e mo fe m b e d d e ds y s t e m u c l i n u xi sa b r a n c ho fe m b e d d e dl i n u x a n di ti sd e s i g n e df o rn o m m uc p u i n 也i s 也e s i s t h ee m b e d d e dl i n u xs v s t e mb a s e do na r mh a sb e e nd e v e l o p e d t h ee m b e d d e dh a r d w a r es y s t e mw a sd e s i g n e dt a k i n gs a m s u n ga i t m 7 t d m ic p ua s t h ec o r e a n das m a l ln c l i n u xs y s t e mi se m b e d d e di n t ot h i sh a r d w a r es y s t e m v a r i o u s k i n d so fa p p l i c a t i o ni nu c l i n u xs y s t e mc a nb ed e v e l o p e d t h i st h e s i si n t r o d u c e so n e a p p l i c a t i o n e m b e d d e dw e bs e r v e ra n di t sp r o t o c o l - h t t ew eh a v ea l r e a d ys o l v e dt h e p r o b l e mo fd e v e l o p i n ga r ma n dr e s e a r c h e dt h ep r o j e c to fd e v e l o p i n ga r m t h e i m p o r t a n tt h i l l 窟i st h a tw es u c c e s s f u l l ys o l v e dt h ed i f f i c u l t i e so fp o r t i n gu c l i n u xi n t o a r mh a r d w a r ep l a t f o r m t h i sp r o v i d e sw i t hah i g h e rp r a c t i c ea n dr e s e a r c hv a l u ei n t h ef i e l do fs t u d y i n ge m b e d d e ds y s t e m o u re m b e d d e ds y s t e mh a st h ec h a r a c t e r so f l o wc o s ta n dh i g he f f i c i e n c y a tl e a s t ，as u m u pa n dp r o s p e c to fs o m eo t h e ru s a g eo f l i n u xe m b e d d e ds y s t e ma r eg i v e n k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，a r n l ，u c l i n u x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤叠盘茔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。 学位论文作者签名 旅爹务 签字日期：工年眙月刃咱 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：撕岔靖丈 导师签名： 签字日期：伊i 年d z 月w 日签字日期：p 盯年口月雄日 第一章绪论 第一章绪论 嵌入式系统是继i t 网络技术之后，又一个新的技术发展方向。由于嵌入式 系统具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征，目 前已经广泛的应用于军事国防、消费电子、网络通信、工业控制等各个领域。随 着计算机技术与通信技术的发展，嵌入式系统的研究与开发也有着越来越重要的 实际意义。 随着i n t e m e t 的普及，出现了信息家电，如p d a 、可视电话、移动电话、机 顶盒和数码相机等嵌入式设备。它们的市场需求也越来越大，同时也对嵌入式设 备的网络功能和性能提出了更高的要求。8 1 6 位单片机的速度和内存较难满足嵌 入式设备的网络要求，随着集成电路的发展，3 2 位r i s c 处理器更是受到青睐。 a r m 是业界领先的1 6 3 2 位嵌入式r i s c 处理器技术提供商，占领大约7 5 的市场。它可为一个完整的系统的开发提供全面的技术支持，技术具有性能高、 成本低和能耗省的特点。a r m 的微处理器核心正迅速地成为便携式通信设备、 手持计算、多媒体数字消费和嵌入式解决方案市场中r i s c 批量生产的标准。 为了降低硬件成本及运行功耗，有类c p u 在设计中取消了m m u ( m e m o r y m a n a g e m e n tu n i t ，内存管理单元) 功能模块。最初，运行于这类没有m m u 的 c p u 之上的都是些很简单的单任务操作系统，或者更简单的控制程序，甚至 根本就没有操作系统而直接运行应用程序。在这种情况下，系统无法运行复杂的 应用程序，或者效率很低，而且，所有的应用程序需要重写，并要求程序员十分 了解硬件特性。这些都阻碍了应用于这类c p u 之上的嵌入式产品开发的速度。 然而，随着u c l i n u x 的诞生，这一切都改变了，u c l i n u x 是专为无m m u 的c p u 打造的操作系统。 本文详细论述了作者在硕士学位论文工作期间在基于a r m 处理器的嵌入式 l i n u x 系统研究工作领域里所做的研究和实践。 1 1 嵌入式系统概述 随着现代计算机技术的飞速发展和互联网技术的广泛使用，从p c 时代过渡 到了以个人数字助理、手持个人电脑和信息家电为代表的3 c ( 计算机、通信、 消费电子) 一体的后p c 时代。后p c 时代里，嵌入式系统扮演了越来越重要的 角色，被广泛应用于信息电器、移动计算机设备、网络设备和工控仿真等领域。 嵌入式系统的开发也成为近年来i t 行业的技术热点。 1 1 1 嵌入式系统的定义 第一章绪论 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视 或者辅助设备、机器和车间运行的装置”。这主要是从应用上加以定义的，从中 可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。 不过，上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓。目前国内一个普遍被 认同的定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应 用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 1 1 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具 体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高 度分散、不断创新的只是集成系统。所谓嵌入式设备。是指具有计算机功能，但 又不称为计算机的设备或器材，几乎包括了我们周围的所有电器设备：p d a 、手 机、机顶盒、汽车、微波炉、电梯、安全系统、自动售货机、医疗仪器、立体音 响、自动取款机等。 l 、嵌入式系统无所不在 嵌入式计算机在应用上远远超过了各种通用的计算机，一台通用的计算机的 外部设备中就包含了5 1 0 个嵌入式处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、 显示器、m o d e m 、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数码相机、集线器等均是由 嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船 舶、航空、航天、军事装备、消费类产品方面均是嵌入式计算机的应用领域。2 0 0 0 年m c u 和m p u 的生产量达到了8 2 亿片，从1 9 9 4 年到2 0 0 4 年，嵌入式系统软 件开发人员渴望增加1 0 倍。今天嵌入式系统带来的工业产值已超过了1 万亿美 元，未来几年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个 每年1 5 0 0 亿美元的新市场。美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特 出售的计算能力已经超过了i b m ”，由此可见嵌入式计算工业的规模和广度。 2 、嵌入式系统的产品特征 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的。和通用计算机不同，嵌入 式系统是针对具体应用的专用系统，一般具有成本敏感性，它的硬件和软件都必 须高效率的设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性 能。好的嵌入式系统是完成目标功能的最小系统。 3 、嵌入式设备对软件的要求 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有所不同： 软件要求固态化存储 软件代码高质量、高可靠性 第一章绪论 许多应用要求系统软件具有实时处理能力 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。 4 、嵌入式系统开发需要开发t 具和环境 嵌入式系统本身不具各自举开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行 开发。 5 、嵌入式系统轶# 需要e o s 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 合理的调度多任务，利用系统资源、系统函数、以及库函数接几，用户必须自行 选配e o s ( 嵌入式操作系统) 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可 靠性，并减少开发时间，保证软件质量。一个优秀的e o s 是嵌入式系统成功的 关键。 e o s 是相对于一般操作系统而言的，它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、但是嵌入式系统具有这些功能 是不够的，为了适应不断发展的嵌入式产品的要求，e o s 需要具有以下特点： 更好的硬件适应性，也就是良好的移植性 占用更少的硬件资源 高可靠性 l i d 提供强大的网络功能，支持t c p i p 协议及其它协议 友好的图形接f ( g u i ) 有些应用要求e o s 具有实时性能 1 1 3 嵌入式系统的组成 嵌入式系统一般指非p c 系统，包括硬件及软件两部分。其中硬件包括处理 器微处理器、存储器及外设器件和i o 端口，图形控制器等。嵌入式软件部分 包括操作系统软件( o s ) 和应用程序编程，为硬件产品不可或缺的重要部分。 即：嵌入式系统是软硬兼施，互惠互利，融为一体，成为产品。 1 、嵌入式系统的硬件 从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的 部分。目前，世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1 0 0 0 种。体系结构 包括m c u 、m p u 等3 0 多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前最，很多半导 体制造商都开始人规模生产嵌入式处理器，并且公司自主设计处理器也已经成了 未来嵌入式领域的一大趋势，其中从单片机、d s p 到f p g a ，品种越来越多，速 度越来越快，。胜能越来越强，价格也越来越低。目前嵌入式处理器的寻址空间可 以从6 4 k b 到1 6 m b ，处理速度晟快可达到2 0 0 0 m i p s ，封装从几个引脚到几白 个不等。根据现状，嵌入式处理器可以分成下面几类： 个不等。根据现状，嵌入式处理器可以分成下面几类： 第一章绪论 嵌入式处理 器( d s p ) ( m p u ) ( s o c ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机种的c p u 。在应用中，将微处理器装配 在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式系统应用有关的母板功能，这样可以大 幅度减小系统的体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器 虽然在功能上和标准处理器基本是一样的，但在工作速度、抗电磁干扰、可靠性 等方面一般都做了各种增强。 和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可 靠性高的优点，但是在电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线接口、各种外设等 器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。 嵌入式微控制器( e m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，e m c u ) 嵌入式控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯 片中。嵌入式微控制器一般以某一种处理器内核为核心，芯片内部集成 r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、w a t c h d o g 、i o 、串行口、 脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s hm e m o r y 、e e p r o m 等各种必要功能和外设。 为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产 品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使 得单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合执行d s p 算法， 编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面d s p 算法正在大量进入嵌入式领域，d s p 应用正从通用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过渡到采用d s p 处理器。嵌入式d s p 处理器有两个发展来源，一是d s p 处理器经过单片化、e m c 改造、增加片上外设成为嵌入式d s p 处理器，t i 地 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 等属于此范畴；二是在通用单片机或s o c 中增加d s p 协 处理器，例如i n t e l 地m c s - 2 9 6 。 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 随着e d i 地推广和v l s i 设计地普及化，以及半导体工业地迅速发展，在 第一章绪论 一个硅片上实现一个更为复杂地系统地时代已经来临，这就是s y s t e mo nc h i p ( s o t ) 。各种通用处理器内核将作为s o c 设计公司地标准库，和许多其它嵌入 式系统外设一样，成为v l s i 设计中一种标准地器件，用标准地v h d l 等语言描 述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设 计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成地器件外，整个嵌入式系统 大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减 小体积和功耗，提高可靠性非常有利。 2 、嵌入式系统软件 嵌入式系统的软件主要是嵌入式操作系统。 嵌入式操作系统并不是一个新生地事物。从2 0 世纪8 0 年代，国际上就有一 些i t 组织、公司开始进行商用嵌入式操作系统和专用操作系统的研发，这其中 涌现出一些著名的嵌入式操作系统。经过多年发展，目前世界上已经有一大批十 分成熟的嵌入式操作系统。 嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种一商用型和免费型。商用的 操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵。免 费地操作系统在价格方面有优势，但是也存在着开发困难的不足。 ( 1 ) 商用型嵌入式操作系统 v x w o r k s v x w o r k s 是w i n d r i v e r 公司开发研制地一种高性能的嵌入式实时操作系统。 它包括了操作系统本身和其集成开发环境。v x w o r k s 以其良好的可靠性、开放性、 实时性和易用性赢得了大量的客户。 w i n d o w s c e w i n d o w sc e 是一种3 2 位的多任务操作系统，它经过压缩。可以移植，能够 开发出多种企业和客户类设备。由于其是微软公司的“维纳斯计划”的核心，包 含了i n t e r n e te x p l o r e r 地版本，可以和i n t e m e t 实现连接、同步交换信息。如果开 发者能够熟悉w i n d o w s 开发环境，可以基于w i n d o w sc e 开发出很好的应用程 序。 l y n x l y n x 是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统。支持线程概念。 l y n x 为应用软件提供可取的处理环境。在这一环境下，基于硬件的高速存储器 管理，提供更加安全和过硬的应用性能。可取的处理环境采用由l i n u x 提供的全 部存储器管理部件支持，保证应用起来不受其它系统及应用软件部分的误码和数 据的干扰。 p a l m o s p a l mo s 是一种专为掌上设备设计的3 2 位操作系统，它运行在一个抢占式的 第一章绪论 多任务内核之上。同一时刻用户界面仅仅允许一个应用程序被打开。这个被打开 的程序将控制整个屏幕，应用程序始终运行在单用户界面进程上，也就是说，它 们不允许所谓的m d i ( 多文档接口) 存在，所有的程序必须以s d i ( 单文档接口) 的形式存在。与w i n d o w sc e 相比，p a l mo s 显然更为紧凑。 o s - 9 o s 一9 是一个实时的，多用户的，多任务的商业化操作系统。它使用模块化 的设计，允许通过增加设备文件增加新的设备。它所有的i o 输入输出设备都被 当作文件来处理，这与基于i o 的系统区别很大。同时，内核和用户程序都可放 在r o m 上面。因此，o s 9 可以在基于6 8 0 * 0 的所有计算机上运行，包括无盘 的嵌入式控制系统和多用户的服务器。d a v i d 是调整o s 一9 o s 2 0 0 0 使之用于s t b 市场的产品。d a v i d 与众不同的一个地方在于它总是包含了一个i o 的子系统： s p f ，梯形协议文件管理；m p f m ，图片文件管理；m a u l ，多媒体用户界面； s c f ，连续字符文件管理。和所有的o s 9 系统一样，d a v i d 必须和其他的文件 管理以前使用。 p s o s p s o s 原属于i s i 公司的产品，但i s i 已经被w i n d r i v e r 公司兼并，现在p s o s 属于w i n d r i v e r 公司的产品。p s o s 是一个模块化，高性能，内存保护模式的实 时操作系统，它特别适用于嵌入式的微处理器。 j i n i j i n i 是建立在j a v a 基础上的系统，最大的特点是独立于平台之上，可以“一 次编程、到处执行”，它可以实现传统的和非传统的联网器件间的相互对话。 q n x q n x 是q u a n t u m ns o f t w a r es y s t e m 公司研制的基于p c 的实时多任务的、可 扩展的操作系统，它具有微内核结构，用户可以根据需要选择其中一些组件来定 制操作系统。 h o p e n 国内开发的h o p e n 是一个按嵌入式系统要求设计的操作系统，它是由一个很 小的内核及一些根据需要进行定制的系统模块组成。该系统在处理中文联网方面 很有特色。 ( 2 ) 免费型嵌入式操作系统 l i n u x l i n u x 由于作为服务器操作系统，其功能的增强已引起了业界的注意。l i n u x 也逐渐应用于工作站及桌面p c 。同样，l i n u x 也因为它服务器o s 的特性而成为 下一代智能型嵌入式设备的理想操作系统。 1 1 4 嵌入式系统研究的必要性和可行性 - 6 一 第一章绪论 1 、必要性 嵌入式系统将成为i t 界的又一个焦点，开发中国自主产权的嵌入式系统， 对于我们国家的民族i t 工业来讲，将有十分重要的战略意义。我们应该抓住机 遇，组织力量，重点出击，取得主动权。从目前国内i t 市场来看，嵌入式系统 及其产品在由家电和i n t e m e t 衍生出来的新型市场中占有主导地位和独特份额。 因此，嵌入式系统的市场争夺战，是未来后p c 时代i t 市场的关键之战。 嵌入式c p u 是嵌入式系统的核心，拥有自己的嵌入式c p u 和支撑硬件是发 展自主产权嵌入式系统的前提条件和基础。 对于嵌入式操作系统应尽早抓标准，既可防止不合国情的外国产品成为事实 标准，也可防止出现无序竞争。在另一方面，嵌入式系统的硬件技术已经成熟， 只要引进先进技术，根据专业性的特征，加以吸收和同化，就可以形成自己的嵌 入式系统硬件生产体系。 总之，研制中国自主版权的适合中国国情的嵌入式系统，具有十分重要的意 义：不仅能促进嵌入式系统应用的发展，而且能够增加国内嵌入式系统在世界嵌 入式系统各个领域中所占的份额。 2 、可行性 信息技术快速发展和互联网的广泛应用，使得嵌入式系统的快速发展成为可 能。近年来，互联网发展迅速，1 9 9 9 年中国的i n t e m e t 用户超过8 0 0 万，据估计 到2 0 0 5 年将达到8 0 0 0 万，2 0 1 0 年用户数将达到2 8 4 ，5 亿，面对如此大的电 子产品市场和潜在用户量，嵌入式系统的应用前景会十分的广阔。嵌入式系统必 然得到i t 界和各个厂商的重视，并引发争先研制和开发嵌入式操作系统的浪潮。 嵌入式系统不会出现垄断，在嵌入式产品领域将是多芯片、多操作系统的局 面，任何软、硬件厂商都无法做到垄断，这正是国内厂商向其核心领域发展的机 会。对于中国来说，信息家电的出现和发展是社会和经济发展的必然结果。p c 和信息家电，如同电影和电视一样，会在一段时期长期共存下去：p c 取代不了 信息家电，信息家电也不可能打败p c ，因为两者的功能和定位是不一样的。 1 2 嵌入式l i n u x 1 2 1 嵌入式l i n u x 系统概述 随着处理器的产生，价格低廉、结构小巧的c p u 和外设连接提供了稳定可 靠的硬件架构，那么限制嵌入式系统发展的瓶颈就突出表现在软件方面。从8 0 年代末开始，陆续出现了一些嵌入式操作系统。高端嵌入式系统要求许多高级的 功能，血n m n n p # n n n n 支持。很多高端r t o s 供应商已经提供了这些功能， 但其价格也高端，一般人难以接受。微软的w i n d o w sc e 也有此类功能，却不具 第一章绪论 备大多数嵌入式系统要求的实时性能，而且难以移植，也曾经有人想以d o s 为 基础用单独的第三方工具拼凑一个系统，但这种努力没有成功。而且这些专用操 作系统都是商业化产品，其高昂的价格使许多低端产品的小公司望而却步；而且， 源代码封闭性也大大限制了开发者的积极性。现在需要的是一个便宜、成熟并且 提供高端嵌入式系统所必须特性的操作系统。 l i n u x 是个在9 0 年代初期，由自由软件联盟发起编写的网络操作系统，它是 一种类似于u n i x 系统，以核心为基础的、完全内存保护、多任务多进程的操作 系统而且是代码公开、非赢利性的产品，可被广泛用于p c 和网络服务器上，现 在大量的网络服务器和p c 机都采用这种系统，最近几年，l i n u x 也被移植到嵌 入式产品上，尤其在网络方面表现出良好的特性，因为它的源代码公开，用户可 以任意修改来适应自己的电子产品，所有它被更多的研发商所采纳。如今，业界 已经达成共识：即嵌入式l i n u x 是大势所趋，其巨大的市场潜力与蕴含的无限商 机必然会吸引众多的厂商进入这一领域。事实证明，嵌入式l i n u x 已经越来越显 示出其强大的生命力，l i n u x 目前有近百个中文和西文版本。 嵌入式l i n u x 的内核从底层提供对硬件的支持，完成对硬件模块的驱动。操 作系统的构成主要包括网络系统、文件系统、内存管理、进程调度、进程间通信 等子系统。另外，它还提供开发上层应用程序的接口。由于a r m 7 t d m i 是没有 m m u 的处理器，它不支持嵌入式l i n u x 的内存管理功能。所以必须对内存的管 理做特殊处理。一些嵌入式l i n u x 版本解决了没有m m u 芯片的内存管理问题， 并且使得系统的实时性更好。u c l i n u x 版本就是一个典型的范例。 目前正在开发的嵌入式系统中，4 9 的项目选择l i n u x 作为嵌入式操作系统。 l i n u x 已经成为了嵌入式操作系统的理想选择。但是，嵌入式应用涵盖的领域极 为广泛，其特点也可能极其不相同，所有说l i n u x 也不是适合于一切嵌入式应用 的场合。就其特点来说l i n u x 适用于高端嵌入式产品，具体而言之，大略有以下 几类：移动计算设备，如h a l l d p c 、p a l m p c 及p d a ；移动通讯终端设备，如上 网手机；网络通讯设备，如接入盒、打印机服务器乃至路由器、交换机；智能家 电设备，如机项盒：仿真、控制设备。所以，各个厂商都不遗余力的把产品重点 放在此领域，开发出了很多的产品。 归结起来，l i n u x 之所以能在嵌入式系统市场上取得如此迅速的发展，与它 自身的优良特性有着不可分割的关系： 开放源码，丰富的软件资源 功能强大的内核，性能高效、稳定、多任务 支持多种体系结构，如x 8 6 、a r m 、m i p s 、a p l h a 、s p a r c 等 完善的网络通信、图形、文件管理机制 支持大量的周边硬件设备，驱动丰富 8 - 第一章绪论 大小、功能都可定制 良好的开发环境，不断发展的开发工具集 价格低廉 1 2 2u c l i n u x - - 嵌入式l i n u x 在全球范围内，每年生产的c p u 的数量大概在2 0 亿颗左右，其中超过8 0 应用于专用性很强的各类嵌入式系统。而在这些c p u 中，有相当一部分是面 向低端市场的。为了降低硬件成本及运行功耗，有一类c p u 在设计中取消了 m m u 功能模块。最初，运行于这类没有m m u 的c p u 之上的都是一些很简单 的单任务操作系统，或者更简单的控制程序，甚至根本就没有操作系统而直接运 行应用程序。在这种情况下，系统无法运行复杂的应用程序，或者效率很低，而 且所有的应用程序需要重写，并要求程序员十分了解硬件特性。这些都阻碍了应 用于这类c p u 之上的嵌入式产品开发的速度。 然而，随着u c l i n u x 的诞生，这一切都改变了。 u c l i n u x 是专为无m m u 的微控制器打造的嵌入式l i n u x 操作系统。u c l i n u x 的发音为“y o u - - s e e - - l i n u x ”，u c l i n u x 名字是希腊字母u 和英语大写的“c ” 的联合，“u ”代表“m i c r o ”，微型的意思，“c ”为“c o n t r o l ”，控制器的意思， 所以u c l i n u x 就是m i c r o c o n t r 0 1 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”。 u c l i n u x 是针对控制领域的嵌入式l i n u x 操作系统，它从l i n u x 2 0 2 4 内核派 生而来，沿袭了主流l i n u x 的绝大部分特性。适合不具备m m u 的微处理器微 控制器。没有m m u 支持是u c l i n u x 与主流l i n u x 的基本差异。 同时，u c l i n u x 有着特别小的内核和用户空间，大多数内核的二进制代码和 源代码都被重写，进一步缩减了u c l i n u x 内核的代码。u c l i n u x 的内核要比原 l i n u x 2 0 的内核小的多( 内核小于5 1 2 k b ，内核加上工具小于9 0 0 k b ) ，但保留 了l i n u x 操作系统的主要优点：稳定性，优异的网络能力以及优秀的文件系统支 持。 u c l i n u x 的主要特点： 1 、内存管理 这部分是u c l i n u x 与传统l i n u x 区别最大的地方。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。通过赋予每个任务不同的虚拟一物理地址转换映射，支持不同任务之 间的保护。对于u c l i n u x 来说，其设计时针对没有m m u 的处理器，即u c l i n u x 不能使用处理器的虚拟内存管理技术。u c l i n u x 仍然采用存储器的分页管理，系 统在启动时把实际的存储器进行分页，在加载应用程序时程序分页加载。但是由 9 - 第一章绪论 于没有m m u 管理，所以实际上u c l i n u x 采用实存储器管理策略。这一点影响了 系统工作的很多方面。 2 、u c l i n u x 的内核加载方式 u c l i n u x 的内核有两种可选的运行方式：可以在f l a s h 上直接运行，也可以 加载到内存中运行。由于内存的存取速率要比f l a s h 高，所以后者可以减少内 存需要，运行速度也更快。 3 、u c l i n u x 的文件系统 u c l i n u x 系统采用r o m f s 文件系统，这种文件系统相对于一般的e x t 2 文件系 统要求更少的空间。这是由于内核支持r o m f s 文件系统比支持e x t 2 文件系统需 要更少的代码，而且r o m f s 文件系统相对简单，在建立文件系统超级块 ( s u p e r b l o c k ) 时需要更少的存储空间。 4 、u c l i n u x 的应用程序库 u c l i n u x 小型化的另一个做法是重写了应用程序库，相对于越来越大且越来 越全的g l i b c 库，u c l i b e 对1 i b c 做了精简。 5 、可执行文件格式 u c l i n u x 系统使用f l a t 可执行文件格式。 另外，u c l i n u x 还提供通用的l i n u xa p i ，支持完整的t c p h p 协议堆栈和大 量其它的网络协议，支持包括n f s 、e x t 2 、r o m f s 等多种文件系统。 熟悉主流l i n u x 的开发者会注意到在u c l i n u x 下工作的微小差异，但同样也 可以很快熟悉u c l i n u x 的一些特性。对于设计内核或系统空间的应用程序的开发 者，要特别注意u c l i n u x 既没有内存保护，也没有虚拟内存模型，另外有些内核 系统调用也有差异。 u c l i n u x 以其优异的性能、免费开放的代码等优点，博得众多嵌入式开发者 的青睐。和过去基于简单r t o s 甚至没有使用任何操作系统的嵌入式程序设计相 比，基于l i n u x 这样成熟的、高效的、健壮的、可靠的、模块化的、易于配置的 操作系统开发自己的应用程序，无疑能进一步提高效率，并具有很好的可移植性。 1 3 嵌入式系统的现状和发展趋势 1 3 1 嵌入式系统的现状 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式技术全面展开，目前已经成为 通信和消费类产品的共同的发展方向。在通信领域，数字技术正在全面取代模拟 技术。在广播电视领域，美国已经开始由模拟电视向数字电视转变，欧洲的d v b ( 数字电视广播) 技术已经在全球大多数国家推广。数字音频广播( d a b ) 也 己经进入商品化试播阶段。所有上述产品中，都离不开嵌入式系统技术。在个人 第一章绪论 领域中，嵌入式产品将主要是作为个人移动的数据处理和通信软件。由于嵌入式 设备具有自然的人机交互界面，g u i 屏幕为中心的多媒体界面给人以很大的亲和 力。手写输入、语音拨号上网、收发电子邮件彩色图形、图像已取得初步成效。 硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配 套开发包。目前底层系统和硬件平台经过若干年的研究，已经相对比较成熟，实 现各种功能的芯片应有尽有。 从软件方面讲，也有相当的成熟软件系统。国外商品化的嵌入式操作系统， 已进入我国市场的有很多。我国自主开发的也有一些，如h o p e n 嵌入式操作系 统。而且网上也可以找到各种各样的免费资源，从广大厂商的开发文档到各种驱 动程序源代码。甚至很多厂商还提供微处理器的样片。 目前嵌入式系统应用技术热点有以下方面： 移动、网络技术、网络家电、微电子机械、国防工业、生物微电子技术( d n a ) 、 电子商务、i n t e r a c t 。 1 3 2 嵌入式系统未来的发展趋势 信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市场 展现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战。从中可以看出未 来嵌入式系统的几大发展趋势： l 、嵌入式产品将与互联网应用相互促进，快速发展，嵌入式产品将成为互 联网的主要终端之一，网上将出现大量的服务于嵌入式产品的软件，并有专门服 务于嵌入式产品的内容。嵌入式设备网络互联成为必然趋势。 2 、随着微电子技术的快速发展，芯片功能更加强大，s o c 将成趋势，这不 仅能降低成本，缩小产品体积，还将增强产品的可靠性。同时，软件硬件的紧密 结合，嵌入式软件与硬件界线更加模糊，嵌入式软件时常以硬件形态存在，这种 方式可提高实时性，增强可维护性。 3 、无线通讯产品将成为嵌入式软件的重要应用领域，一方面，已有无线产 品将借助芯片技术和嵌入式软件来提高性能，另一方面当前许多嵌入式产品都将 增加无线通讯功能。因此，未来几年，蓝牙等相关技术会与嵌入式软件相互促进， 共同发展，使更多的产品具有通讯功能，使更多的通讯产品更好的为用户服务。 4 、嵌入式操作系统会与嵌入式应用软件协同发展。嵌入式系统中的重要角 色包括嵌入式应用软件，嵌入式系统应用领域千差万别，只有充分重视应用软件 的发展，才能满足丰富多彩的应用要求。 5 、嵌入式系统是在多种硬件平台上发展起来的，随着嵌入式系统的广泛应 用，信息交换、资源共享机会增多。由此相关的标准问题也将日渐突出。如何建 立相关的标准成为业界关注的问题。 第一章绪论 1 4 本文主要工作 互联网技术在世界范围的扩展和中国通信事业的告诉发展，已为我国开发嵌 入式产品造就了广大市场，基于嵌入式系统的应用研究成为新的热点。抓紧研究 开发具有自主知识产权的嵌入式系统，促进我国各领域嵌入式应用的发展，具有 重要的现实意义。目前国内嵌入式行业开发现状大体分为三类：第一类是嵌入式 系统的平台，包括硬件及软件平台都是从国外开发厂商买过来，只在其上做应用 开发；第二类是硬件平台自己开发，软件平台从外购买；第三类是整个嵌入式平 台都自己开发，具有自主知识产权，难度也较前两种为大。本文的工作属于第三 类，拥有整套的开发技术。 大量嵌入式应用的出现，对嵌入式设备的性能和功能提出了更高的要求，对 嵌入式设备的性能和功能提出了更高的要求。8 1 6 位单片机的速度和内存较难满 足嵌入式设备的上网要求。随着集成电路技术的发展，3 2 位r i s c 处理器更是受 到了青睐。如何合理选择软硬件平台，设计个良好的嵌入式多应用综合开发平 台是本论文研究和解决的重要课题。 a r m 公司的3 2 位r i s c 处理器，以其高速度、低功耗、成本低、功能强、 特有1 6 3 2 位双指令集等诸多优异的性能，已成为移动通信、手持计算、多媒体 数字消费等嵌入式解决方案的r i s c 标准。国内外多家公司都推出了自己的基于 a r m 内核的处理器产品，越来越多的开发人员开始了针对a r m 平台的开发。 本文自主设计开发了基于a r m 核的多嵌入式应用综合开发平台，该设计成果已 经作为实验室的嵌入式应