（电子科学与技术专业论文）基于linux的嵌入式系统研究及防火墙应用.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed 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 ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i ni n f o r m a t i o nt i m e sa n dt h eb o a r da p p l i c a t i o no fi n t e r n e t ，i ti sc l e a rt h a t3 c ( c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o na n dc o n s u m e r ) w i l lc o n ；c r g ei n t h en e a rf u t u r ew h i c h w i t ll e a dt h ef o c u so fc o m p u t e ri n d u s t r yf r o mt h ec o m p u t ep r o d u c tt oi n f o r m a t i o n p r o d u c t i t i st h e c o n c e p t o fi n f o r m a t i o na p p l i a n c ei nt h ea p p l i c a t i o na n d d e v e l o p m e n tf i e l do fi n f o r m a t i o na p p l i a n c e ，e m b e d d e ds y s t e m w i l lb et h em o s t f a v o r i t et h i n gi l ls o f t w a r ed e v e l o p m e n tf i e l d a tt h es a m et i m e ，i nt h ef i e l do f c o m p u t e rs c i e n c ei t s e l f , t h em i c r o m a t i o na n ds p e c i a l i z a t i o ni st h ed e wd i r e c t i o no ft h e c o m p u t e rw o r l d i ta l s on e e d st h es u p p o r to fe m b e d d e ds y s t e m s o t h er e s e a r c ho f t h ek e yt e c h n i q u eo fe m b e d d e ds y s t e m - - e m b e d d e ds y s t e mi s em o s ti m p o r t a n t t h i n g ， o n eo ft h em o s tp r o m i s i n ge m e r g i n ga r e a ss e e m st ob er u n n i n gl i n u xi nt h e s e e n v i r o n m e n t s b u tt h em a i nc h a l l e n g ef o re m b e d d e dl i n u xi sh o wt os a v et h e r e q u i r e m e n t o fs y s t e ms o u r c et oa d a p tt h er e s t r i c t i o n ss u c ha sm e m o d 、 c a p a c i t a n c e 、s p e e do fc p u a n dc o s t b a s e do nt h i s ，w ed e s i g n e dad i m i n u t i v el i n u x s y s t e ma n di m p l e m e n t e dt h ef i r e w a l lf u n c t i o no nt h i ss y s t e m ，t h e ne m b e d d e dt h e s y s t e mt oad i s k o n c h i pw h o s ec a p a c i t yi s8 m i nt h i sp a p e r ，w ea d a p t e dt w on 3 e a n st o d e s i g nt h ed i m i n u t i v el i n u xs y s t e m ：o n em e t h o di st oc u s t o m i z es y s t e md i r e c t l yf r o m r e d h a t 62 ，t h eo t h e ri st ou s et h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e mi nw e b t h ef i r s tm e t h o d c a r lm a k eu sh a v eaf a i ru n d e r s t a n d i n go fs y s t e ma n di ss u i t a b l ef o ri n d e p t hr e s e a r c h t h es e c o n dm e t h o dh a st h et i m e s a v i n gv i r t u ea n dh a sr i x ，a l r o u s n e s si ns h o r t d a i e d d e v e l o p m e n to fi t e m s i nt h i sp a p e r 。w eu s e da d v a n c e de m b e d d e dt e c h n i q u et oi m p l e m e n tt h ef i r e w a l t f u n c t i o nw i t hl o wc o s ta n dh i g he f f i c i e n c yc o m p a r e dw i t ht h er e a d y , t e c h n i q u e ，i th a s t h ec h a r a c t e ro fs a v i n gt i m ea n dc o s t 第一章绪论 本论文着重研究了基于l 1 n u x 的嵌入式系统裁减了一小型l i n u x 系统嵌入 电子盘，并实现了一个简单的防火墙应用。 1 1 论文研究背景和意义 从国内外嵌入式系统发展状况来看，嵌入式系统的应用正从传统的单一应用范 围、狭窄应用对象、简单实现功能向现在和未来社会需要的应用需要进行转变。利 用的范围除了在自动化控带0 、军事技术、工业生产、科学研究等方面之外，现在逐 步在向日常生活中渗透。而p c 的发展现在正在减缓趋势。据有关报道，p c 的增 长率由九十年代中期的年递增率3 5 下降到去年的1 5 。用市场的观点来看，p c 的已经从高速增长进入到平稳发展的市场顶峰时期，单纯由p c 机带领的电子产业 蒸蒸日上的时代已经成为历史，现在的电子产业的发展需要寻找一个新的“战略转 折点”。 根据p c 时代的概念美国b u s i n e s sw e e k 杂志提出了“后p c 时代”的概念c 在这个时代，占电子市场主体的不再是p c 和家用电器，而是具备视听功能、信息、 处理和双向刚络通信功能的信息电器( 1 n f o m _ 1 a t i o na p p l i a n c e ) - 它适应信息州代的 要求，具有很强的网络功能，是人们用来访问和获取网上信息的工具，也是消赞类 电子技术和计算机技术相结合的产物。信息电器是国际互联网发展到一定阶段- 进 入到千家万户的一种必要有效的手段。有关报道指出，信息电器将是下一步【i 市 场的主导产品，具有相当广阔的市场前景。嵌入式系统在信息电器里面的应用，则 是对嵌入式系统概念和应用范围的一个变革，从而打破过去p c 时代被单一微处理 器厂家和单一操作系统厂家垄断的局面，而应该会出现一个山多芯片、多处理嚣占 领市场领域的局面。 在信息f 乜器时代，单纯用p c 实现路由、防火墙、v p n 等的技术已不适用r 相 对于普及的信息电器实现的成本也太昂贵，所以就不现实。本论文关注了征下一步 i t 邗场中嵌入式系统产品的广阔应用前景旨在用嵌入式这种先进的技术低成本 地实现路山、防火墙、v p n 等网络应用。本文选择了l i n u x 作嵌入式系统7 i 发， 因为从一诞生开始，它就具备了丌发嵌入式系统的诸多优势： 1 、源代码可自由获得。 2 、无单个产品的舨权费。 浙江大学硕士学位论立 3 、支持大量的硬件设备。 4 、l i n u x 已经是一个全球性的标准。 5 、l i n u x 是一个成熟的、高效的、健壮的、可靠的、模块化的、非常易于配置 的操作系统。它自身具备了一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和 交叉运行环境，并且可以跨越嵌入式系统开发中的仿真工具( i c e ) 的障碍。内核 的完全开放使人们可以自己设计和开发出真正的硬实时系统，软实时系统在l i n u x 中也容易得到实现。强大的网络支持使得可以利用l i n u x 的网络协议栈将其丌发成 为嵌入式的t c p i p 网络协议栈。对于桌面系统，微软的w i n d o w s 有着强劲的优势， 不要期望一般的p c 用户很快转向使用l i n u x 。但在嵌入式及实时应用中，操作系 统是不可见的、隐藏的技术，只对应用提供相关的支持，诸如一个非电脑设备。对 于用户更乐于使用嵌入式l i n u x 的应用产品，而不是使用l i n u x 。 嵌入式l i n u x 技术的关键是对l i n u x 的裁减达到小型化的目的，并移植应用程序： 对不同嵌入式微处理器的l i n u x 内核代码移植，驱动程序的研究：图形接口g u i 以 及微型浏览器的研究。对嵌入式l i n u x 系统的小型化一般分两种：一种是从源代码 级入手按照系统设计需求对数据结构，通信方式，网络功能，图形用户界面进行优 化。从源码级对l i n u x 核心进行瘦身定制( 包括修改文件系统，设备驱动程序，网 络功能等模块) ，并在m a k e 阶段进行优化编译，可以得到体积非常小的嵌入式系 统内核，但难度也相当大，需要花费大量的人力物力：另一种是直接使用外围m a k e k e r n e l 的方式来对l i n u x 核心进行瘦身，不需要改动源代码。这样的系统也能满足 一般对系统大小等要求不是很高的特定任务。本文采用后一种方法裁减了一个小型 的l i n u x 系统。利用先进的技术，低成本，高效率的实现了路由、防火墙、v p n 等网络化的应用。 嵌入式l i n u x 已经不可逆转地改变了嵌入式操作系统的市场6 u 景。丌发者捌有 了对他们的嵌入式操作系统更好的控制权；制造商则在成本以及令人头痛的单一产 品版权费问题上获得前所未有的收益，而最终用户则可得到更有价值的且价格较低 的产品。由此，我们有理由相信，在国内外众多l i n u x 厂商的推动下嵌入式l i n u x 一定会成为i n t e r n e t 时代嵌入式系统中的生力军。开发中国自主产权的嵌入式处理 器和嵌入式操作系统，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。国内厂商应该抓住这个机会，从而可以向该类行业的核心领域靠近，取得和国 际竞争组织竞争的机会。我们应该抓住机遇，组织力量，重点出击，取得主动权。 本课题的提出和研究也将具有很大的意义和价值。 浙江大学碗士学位论文 1 2 嵌入式系统概述 一种观点认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可咀称为嵌入式系统 1 1 。另一种观点认为嵌入式系统是以应用为中心、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。应该说后者从功能应用特征上较好的定义了嵌入式系统。从狭义上讲， 我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有自己的操作系统并且具 有某些特定功能的系统，这里的微处理器专指3 2 位以上的微处理器。按照这种定 义，典型的嵌入式系统有使用x 8 6 的小型嵌入式工控主板，在各种自动化设备、数 字机械产品中有非常广阔的应用空间；另外一大类是使用i n t e l ，m o t o r o l a 等专用 芯片构成的小系统，它不仅仅在新兴的消费电子和通讯仪表等方面获得了巨大的发 展应用空间，而且甚至有趋势取代传统的工控机。未来的几年内，随着信息化，智 能化，网络化的发展，嵌入式系统技术将获得广阔的发展空间。 1 2 1 嵌入式技术的历史发展 嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史了，嵌入式技术也历经了几个发 展阶段。练观嵌入式技术的发展，大致经历了以下4 个阶段【2 】。 1 、第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、 伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制 系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行 结束后清除内存。这阶段系统的主要特点是：系统结构和功能都相对单一，处理 效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。出于这种嵌入式系统使确简便、价 格很低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是己经远远不能适应高效的、需要 大容量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。 2 、第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。 这阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率 高：操作系统具有一定的兼容性和扩展性：应用软件较专业，用户界面不够友好： 系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 3 、第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要 特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好：操作系 统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设 备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序 浙江大学硕士学位论文 接口( a p i ) ，开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。 4 、第四阶段是以基于i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展 的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展以 及i n t e m e t 技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。 1 2 2 与通用计算机系统的比较 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： 1 、嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式c p u 与通用型c p u 的最大不 同就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、 体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片 内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合 也越来越紧密。 2 、嵌入式系统是将先迸的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的 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、不断创新的知识集成系统。 3 、嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，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中对处理器的选择更 具有竞争力。 4 、嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品 同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 5 、为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储 器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 6 、嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不 能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 1 3 基于l i n u x 的嵌入式系统简介 l i n u x 是一种在网络上产生的操作系统，他的产生来自于一名芬兰学生l i n u s t o r v a l d s 的业余爱好。在网络上l i n u x 的开发成为一些爱好者热衷的项目，使得l i n u x 在短期内就成为了一个稳定、成熟的操作系统。重要的是，l i n u x 的开发都是在g p l ( g n up u b l i cl i c e n s e ) 的版本控制之下，因此l i n u x 内核的所有源代码都是采取 开放源代码的方式。我们缺乏对操作系统的开发经验，这样的条件对我们来说是 个很大的契机，利用l i n u x 作为我们开发嵌入式系统成为可能。 l i n u x 内核的丌发是由l i n u st o r 、 a l d s 领导的内核丌发小组进行丌发的。世界各 地的l i n u x 爱好者们将自己对l i n u x 内核需要做的改动交给l i n u s 小组，由这个小 组进行统一控制，随时刘内核进行更新升级。整个丌发的过程遵循c v s 版本控制， 保证开发的质量。目前在他们的公共站点b 卸：地y 出1 k c f 呲：! ：上几乎每三天进行 一次内核的升级。 1 3 1 嵌入式l i n u x 操作系统特点 嵌入式l i n u x 是按照嵌入式操作系统的要求而设计的一种小型操作系统。由 一个k e r n e l ( 内核) 及一些根据需要进行定制的系统模块组成。其k e r n e l 很小， 一般只有几百k b 左右。即使加上其他必须的模块和应用程序，所需的存储空间也 很小。它有多任务、多迸程的系统特征，有些还具有实时性。一个小型的嵌入式l i n u x 系统只需要引导程序、l i n u x 微内核、初始化进程3 个基本元素。运行嵌入式l i n u x 的c p u 可以是x 8 6 、a l p h a 、s p a r c 、m i p s 、p p c 等。与这些芯片搭配的主板都很 小，与一张p c i 卡大d 、相当，有的甚至更小。嵌入式l i n u x 所需的存储器不是软磁 盘、硬盘、z i p 盘、c d r o m 、d v d 这些众所周知的常规存储器，它使，1 r o m 、 c o m p a c t f l a s h 、m - s y s t e m s 的d i s k o n c h i p 、s o n y 的m e m o r y s t i c k 、i b m 的m i r ao d r i x ，e 等体积极小与主板上的b i o s 大小相近，存储容量不太大的存储器。它的内存 可以使用普通的内存，也可以使用专用的r a m 。 嵌入式l i n u x 操作系统的主要特点是精简标准l i n u x 的内核，适应于多种c p u 和硬件平台，性能稳定，裁剪性很好，开发和使用都很容易，并且可以使用u n i x 或l i n u x 上的应用程序。现在，嵌入式l i n u x 也可以使用w i n d o w sf 的多媒体应 用。 目前，国外许多具有前瞻性的企业已经推出了嵌入式l i n u x 操作系统的p d a 、 相机或者更为概念化的信息家电。例如网虎国际公司就与i n t e l 合作，将o u a r k ( 夸 克) l i n u x 应用于i n t e l19 9 9 年推出的s t r o n g a r m 芯片上，使人们在这一平台上享 受上网和听m p 3 的乐趣。反观国内，只有网虎 6 】、t u r b o l i n u x 7 ，蓝点f 8 等少数 几家公司推出了嵌入式l i n u x 操作系统，所以，嵌入式l i n u x 操作系统，l 二国内的发 展和应用尚需努力。 1 3 2 与专用嵌入式实时操作系统的比较 嵌入式l i n u x 由于代码丌放性以及强大的网络功能，在中低端的t f l ：, 式网络 浙江大学硕 | 学位论义 设备中应用起来，比起p s o s + ，v x w o n s 等专用系统有许多优势，l i n u x 甚至支持 蓝牙技术，v x w o r k s 9 】对于新技术的支持远没有l i n u x 那么迅速；从开发路由器卡 可知 1 0 ：从产品上市时间到产品的功能不断扩充、开发人力的投入都验证了使用 嵌入式l i n u x 作为操作系统平台的优势。如果是用v x w o r k s 作为平台来做就相当 困难，一系列的防火墙协议以及w e bs e r v e r 协议、t c p i p 整个钵系结构、拨号协 议等等，不是自己丌发就是要买v x g s n s 的编译好的库( 不公丌源代码的) ，价格 也比较昂贵。表lf 1 0 将专用嵌入式实用操作系统与嵌入式l i n u x 作了详细的分析 和比较。表2 从开发路由器的角度将v x w o r k s 专用操作系统与嵌入式l i n u x 操作 系统作了一个比较。 裹1专用嵌入式实时操作系统与嵌入式l i n u x 的比较 专用嵌入式实时操作系统 嵌入式l i n u x 操作系统 版权费 每生产一件产品需交纳免费 份版权费 购买费用 人民币数十万元免费 技术支持由开发商独家提供有限的技术支全世界的自由软件开发者提供 持支持 网络特性另加人民币数十万购买免费而且性能优异 软件移植难，因为是封闭系统易，代码丌放，有许多应用软 件支持 应用产品长，因为可参考的代码有限短，新产品上市迅速，因有许 开发周期多公开的代码可以参考和移植 实时性能好 需改进可用r t l i n u x 等模块 弥补 稳定性好较好，在局性能系统中仍斋改 进 浙江大学坝_ 学位论文 轰二开发路由器一一v x w o r k s 专用操作系统与嵌入式l i n u x 操作系统比较 项目：开发路由器使用v x w o r k s 专用操作 使用嵌入式l i n u x 操作系 系统统 产品上市时间 长达9 个月仅需3 个月 投入开发的人力多达六人以上 只斋7 2 7 _ 人 产品的成本 每台路由器需要交一份没有任何附加赞 版权费，成本大大提高 产品功能的丰富性 一般，增加功能要象厂丰富，只需刹用自由软 家购买模块 件的大量公开代码移植 网络特性另外购买网络模块，如免费获得自由软件代 o s p f 动态路由协议库， 码，只需移植，由于来 很昂贵：若自行开发，自桌面l i n u x 平台，继承 则稳定性差，开发时间 性好，稳定性好，丌发 长时问短 产品升级以及对新网络 厂家反映慢，支持馒，利月i 全世界l i n u x 自出软 协议的支持不一定能支持新特性件丌发团体的力量，支 持迅速 1 4 本论文研究内容和主要成果 系统小型化、产品稳定性、价格的便宜程度及是否易于开发是嵌入式系统开发 中存在的至关重要的问题。嵌入式l i n u x 虽然只是才兴起的热门技术，却能很好地 解决这些问题。基于此，本文提出了基于l i n u x 的嵌入式系统研究，直接从r e d h a t 6 2 发行版本瘦身定制了一个小型l i n u x 系统，将其嵌入一容量为8 m 的d i s k o n c h i p 。 通过一定的嵌入式技术，d i s k o n c h i p 将代替标准硬盘使系统直接运行于其上。为 了验证系统的可行性，论文还按照防火墙的标准定制系统，实班了一个简单的防火 墙应用。 论文的结构安排如下： 第一章对嵌入式系统做了概述，介绍了嵌入式l i n u x 系统的些特点。 第二章从嵌入式系统的要求出发阐述，利用l i n u x 做嵌入式系统丌发的优 势。 第三章对本文采用的硬件系统的主要部分进行了介绍。 第四章介绍了防火墙的历史发展和l i n u x 防火墙原理。 浙江大学砸! l 学位论文 第五章描述了l i n u x 的嵌入过程，并且重点介绍了设计中采用的两种小型化的 方法：根据r e d h a t6 2 埘内核和系统文件进行个性化定制和利用己丌发的嵌入式 l i n u x 系统对其进行功能特定化。 第六章介绍了两种基于嵌入式l i n u x 的防火墙应用的实现方法。 最后，对本文研究方向进行了总结，并对其发腥前景做了腱望。 本论文的主要研究成果如下： 1 、瘦身定制了一个小型化l i n u x 系统，嵌入一容量为8 m 的f 乜子盘。系统可 以稳定地运行在低功耗6 x 9 6 单板机上。 2 、利用l i n u x 内核自带的防火墙，进行了一些简单的防火墙规则设计。使系 统可实现防火墙的功能。 3 、对自编的防火墙程序以模块的方式登记到内核中做了一定的研究。为了实 现某一特定功能，可运用这种将应用程序登记到内核的方法。 4 、本论文对后续研究也有很大的帮助。 塑查兰堕堕! 壁基 第二章利用l i n u x 作为嵌入式系统开发 对嵌 式系统的许多要求和l i n u x 的诸多适台做嵌人式系统的特挑定了它们 必然是一对很好的结台，下面先来了解一下嵌入式系统的璺求。 2 1 嵌入式系统的特点 嵌入式系统的构成可以用以下图1 表示 图1 嵌入式系统构成 嵌入式系统的构成决定了系统在各个层次l 的不同要求 2 1 1 嵌入式处理器要求 嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。市场上形成竞争力的1 淡入式处埋器比 p c 使用的微地理器f n 垄断局面要好的多。几乎每个半导体厂家郝生产自己的嵌入 式处理器，越来越多约公司剂有自己的豫a 式处理器设计舟 】、嵌入式处删器的助 能跨度报广，寻址空问从6 4 k b 到1 6 m b 处理速度从01 m i p s 到2 0 0 0 m i p s ，常 硒封装肌g 个引脚到1 4 4 个引脚。目箭，嵌入式处理器主要可以分为如下儿类 1 、嵌入式微处理器 嵌入式微处坪器就是和通用计算帆里面对应的c p u 。在应用中，一般是将微处 理器装配在专门设计的电路诅1 在母板上只保留和嵌入式相蓑的功能【l | j 可。这择 浙江入学硕：i | 学位论文 可以满足嵌入式系统体积和功耗大幅度减小的要求。 目前的嵌入式处理器主要包括有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 4 0 0 、p o w e r p c 、 m o t o r o l a6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 系列等等。 2 、嵌入式微控制器 嵌入式微控制器又称单片机。它是将一整个计算机系统集成到一块芯片上。一 般在单片机里面以一块嵌入式微处理器内核为核心，然后集成上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 0 、半行口、脉宽调制输出、 a d 、d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等等必要的产品和功能外设。因为这些功能外 设是集成在这块单片机芯片中的，因此需要生产出一系列的产品方便用户的定制。 目前的嵌入式微控制器主要有8 0 5 1 、p 5 1 x a 、m c s 一2 5 l 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、 c 】6 6 1 6 7 、m c 6 8 h c 0 5 1 1 1 1 2 1 6 、6 8 3 0 0 等等。目前的嵌入式市场出单片机占领了 约7 0 的市场份额。 3 、嵌入式d s p 处理器 在d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 里面专门为系统结构和指令系统进行设计， 提高了编译效率和执行速度。在数字滤波、f f t 、谱分析、图像处理的分析等领域， d s p 正在大量进入嵌入式市场。 因为现在嵌入式系统的智能化，例如需要推出各种带有智能逻辑的消费类产 品，生物信息识别终端。a d s l 接入等等都需要实现运算量较大的智能的化算法。 这些正是d s p 的强项。目前采用最多的是t i 公司的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的 d s p 5 6 0 0 0 系列。 2 1 。2r t o s 的要求 开发嵌入式系统需要一个支持实时多任务的操作系统( r t o s ) 【1 1 内核米支 持。因为嵌入式的应用不仅仅局限于原来的只是面对系统级的需求，而是需要面对 用户级的应用，满足在各个层次上尤其是消费电子产品的需求。在这个方而，嵌入 式的应用系统的开发和定制变得越来越重要。传统的使用循明：控制的嵌入式系统不 能满足足够的需求。目前在中国大多数的嵌入式软件开发还是在基于处理器直接编 写，而没有采用商品化的r t o s ，那么在开发嵌入式系统时无法将系统软件和应用 软件分开处理，每次开发的时候都要特别定制系统软件和应用软件，开发的代价太 大，成本过高。 使用r t o s 内核，可以针对使用的处理器进行优化设计，做成一个高效率的实 口寸多任务内核。并且在上面可咀根据不同处理器体系结构设计出不同的a p i 接口， 浙江火学硕f 。学位论文 这些是r t o s 基于设备独立的应用程序丌发基础。 在r t o s 基础上可以编写出各种硬件驱动程序、专家库函数、行业库函数、产 品库函数，和通用性的应用程序一起，可以作为产品销售。这个角度说，r t o s 又 是一个软件丌发平台。 在r t o s 早面最关键的部分是实时多任务内核，需要实现任务管理、定时器管 理、存储器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列管理、旗语管 理等等。实现出效率高，体积小，移植功能强大、易于定制的r t o s 是丌发嵌入式 系统的关键问题。 2 1 2 1r t o s 的概念 从表现上讲，r t o s 是实时嵌入式系统在启动之后运行的一段背景程序。应用 程序是运行在这个基础之上的多个任务。r t o s 根据各个任务的要求，进行资源( 包 括存储器、外设等) 的管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。在r t o s 支 持的系统中，每个人任务都有优先级别，r t o s 根掘各个任务的优先级来动态的切 换各个任务，保证对实时性的要求。这种体系结构简化了编程结构，比过去的循环 控制的体系结构有了很大的改进。 从性能上讲，r t o s 和普通的o s 存在的区别主要是在“实时”二字上。“在实 时计算中，系统的正确性不仅仅依赖于计算的逻辑结果而且依赖于结果产生的时 间。”1 1 从这个角度上看，我们可以把实时系统定义成“一个能够在实现指定或 者确定的时间内完成系统功能和对外部或内部、同步或异步时间做出响应的系统”。 f i l l 这个定义要求了： 1 系统应该有在事先定义的时问范围内识别和处理离散事件的能力。 2 ，系统能够处理和存储控制系统所需要的大量的数据。 2 1 2 2r t o s 的分类方法 开发r t o s ，需要更多的关注到将来在其上设计h ：合适的应用棚天的考老。根 据不同的应用，可以有很多羊4 ，不同的侧重点，不同的侧重点对应了不同的分类方法。 下面介绍两种主要是按照实时调度算法来分类方法。 1 周期性和非周期性 周期性就是系统通过传感器或者其他周期性设备对外部环境的变化做出探测， 对在这个周期内探测到的变化做出反应。比如在化工厂中反应炉的温度探测控制， 如果探测到温度升高一定水平，需要添加某种材料，保证化学反应的效率，并目将 哳伍大学腆i ? 学位论立 温度下降。 非周期性就是外部事件是循环性发生的但不是有规律性的或者是突发事件。 比摇晚，一架客机飞入个进_ 亍空中交通管制的管制范围内所产生的哥i 件。使刚韭 周期性的硷测就比爿期性检测要好一些。 2 硬实时和软实时 硬实时和软实时的区别就在于对外界的事件做出反应的时m 。删寅时系统必殒 是对及时的事件做出反应绝对不能错过事件处理的d e a d l i n c 情况。a ：硬实时系统 中如果出现了这样的情况就意味者巨大的掼失和灾难。比如u a 核 t l 站。 1 的堆芯韫度 控制系统，如果没有对堆芯过热做出及时的处理，后果不堪想致。 软实 时系统是指，如果在系统负荷较重的时候允许发生错过d e a d l i n e 的情况 而且不会造成太大的危害。比如说枉控电话系统允许在l o s 个电话中有一个接不 通。 崾实时系统和软实时系统的史现区别主要是在选择调度算往上。选择基于优先 级调度的葬法足以满足软菇时系统的需球。而日可“提供高述f 4 e 应和太的系统吞 吐率：而对硬实时系统柬l 且。需要使用的算法就应潋是调度方式曲单反应进度快 的实删调度算洼了。 2 。1 2 3r t o s 的体系结构 r t o s 的体系结构可奠用下圈2 束袭示 图2r t o s 体系结构图 1 、硬件抽象层( h a l ) 包含了所有和硬件平台相关的代码，如上下文切换和 1 2 浙江人学坝| 学位论史 己定制好的i o 寄存器访问等等。它存在于r t o s 的最底层，直接访问和控制硬件 对其上层的r t o s 的机器无关代码提供访问和控制服务。这样可以简化r t o s 内核 的移植工作，除了设备驱动程序之外，在移植的时候只需要修改h a l 的代码就可 以了。 2 、r t o s 内核( k e r n e l ) 是用来为大多数程序，j 至o s ( 网络、文件系统、驱 动程序) 构建一系列在抽象的文件上工作的抽象机，使用户程序及上层o s 组件对 系统设备透明。 在这个内核里面需要实现如下的接口界面： 多线程支持( 线程管理，线程同步原语) 内存分配原语函数， 文件操作接口函数 中断、异常及定时器函数 其它标准c 库函数 程序动态装载卸载 3 、在提供的r t o s 接口上需要有对用户程序提供的函数接1 1 ，专门为用户定 制网络、图形、视频等接口。并且提供驱动程序开发界面，方便丌发者对不同需求 的设备定制驱动程序。 一般柬说，r t o s 内核的实现都为微内核的体系结构。所谓微内核技术是指将 必需的功能( 如进程管理、任务通信、中断处理、进程调度) 放在内核中，而将那 些不是非常重要的核心功能和服务( 文件系统、存储管理、网络通信、设备管理) 等等作为内核之上可配置的部分。这样，整个操作系统就是由提供一些基本服务机 制的微内核加上一些服务进程构成，系统的各个系统调用和服务都足由内核发消息 到不同的服务进程，服务进程执行相应的操作，然后以消息的方式返回内核。 使用微内核的体系结构，使得r t o s 体积很小，便于直接放在r o m 中，实现 r o m 固化；同时方便进行模块化的扩展。 使用微内核的结构也存在很多的缺点，如操作系统的服务模块在独立的地址空 间运行，虽然可以将不同模块间的内存错误隔离丌球，但是使好进程问通信和上下 文切换的时问和丌销大大增加，降低了系统效率。 2 1 _ 2 4r t o s 的衡量标准 用来作为r t o s 性能衡量标准的指标主要有如下几种： 1 、系统响应时间( s y s t e mr e s p o n s et i m e ) ：系, n 9 5 发出处理要求到系统给 浙江人学坝十学位论文 应答信号的时间： 2 、任务切换时问( c o n t e x t s w i t c h i n gt i m e ) ：多任务之1 日j 进行切换而花费的时 f 6 j ： 3 、中断延迟时间( i n t e r r u p tl a t e n c yt i m e ) ：从接收到中断信号到操作系统做 出响应，并完成进入中断服务程序的时间。 2 1 3 网络要求 嵌入式系统是开发信息电器在软件系统方面的关键技术。信息电器是网络时代 的产物，那么对于用来丌发信息电器的嵌入式系统来说，嵌入一个网络协议栈必然 会作为丌发嵌入式系统中必要考虑的问题。 在r t o s 核心界面上实现网络协议栈，通过网络协议栈提供对嵌入式系统上网 络应用程序的接口。需要能够处理标准的协议，如t c p i p 协议以及相应的应用系 列，网络上的设备也需要提供安全、授权的功能。这些在网络协议栈i 批面都需要实 现。当然，也增加了嵌入式系统的丌发复杂度，提高了丌发成本。 在网络协议栈的丌发过程中，如果能够利用现成的代码，选用高性能、低价格、 稳定的软件平台，提高开发效率，尽量降低开发成本。 2 1 4 用户交互环境界面 开发嵌入式系统应用于信息电器上，不得不考虑的问题是如何取得在市场竞 争实体中的一席之地。提高市场竞争力不仅仅需要提供稳定、高效的嵌入式系统， 更需要提供易学易用的用户交互界面接口。因为信息电器市场的一大部分是利用它 替代p c 上网的用户，他们缺乏必要的计算机知识，也没有必要花费太多的时间学 习使用。如果能够提供个有限资源需求，并且可以给用户提供友好交互界面的图 形界面，市场竞争力必然会升高。 2 2l i n u x 作嵌入式系统开发的优势 从我们现在对嵌入式系统丌发的需求来看，我们准备采取l i n u x 作为丌发嵌入 式系统的工具，依靠l i n u x ，实现我们的实时系统，并且可以通过l i n u x 本身的不 断升级，自动扩充升级我们的嵌入式系统。l i n u x 提供了很多优点，在第一章已经 描述，尤其是在这章里前面部分描述的那些嵌入式系统必需的要求上，l i n u x 叮以 很轻松的满足。下面针对这些需求阐述我们使用l i n u x 的原因。 浙江人学颤1 1 学位论文 2 2 1 嵌入式处理器支持 l i n u x 内核提供对多种处理器的支持，并且丁f 在进一步增加灯嵌入式微处理器 的支持。l i n u x 目前的内核支持i n t e lx 8 6 、m o t o r o l a i b m p o w e r p c 、 c o m p a q ( d e c ) a l p h a 、i a6 4 、s 3 9 0 、s u p e r h 等处理器体系结构，如果使用这些系 列的微处理嚣作为嵌入式系统的处理器并不是不可能。 2 。2 2 实时支持 l i n u x 本身不是一个实时系统，l i n u x 的内核并不提供对事件优先级的调度和 抢占支持。但是可以利用l i n u x 的特性给l i n u x 增加实时调皮的能力。这里需要提 出的实时系统实现的没想虽然在很早以前就提出过，但是仍然是具有创造性的，并 且尤其在l i n u x 时代这样的实时系统更是显得游刃有余。这种实王见方寨是双内核系 统，即利用l i n u x 内核，同时增加一个实时内核，两个内核共同工作，获得别的实 时系统所不能达到的优势。 其实，双内核的解决方案在很早以前就已经提出。大概在2 0 年前，贝尔实验 室的开发人员就准备开发一种名为m e r t 的实时操作系统。这种操作系统就准备 运行两个内核，一个是实时内核，另外一个是分时通用内核。实时内核用来运行实 时任务，通用内核用来运行普通任务。这种设计方法的优势就在于，实时内核可以 利用非实时o s 内核的一些优势来开发。举个例子说，如果利用实时内核上运行一 个实时任务来对外界环境进行数据采集，那么采集出来的数据可以通过非实时内核 一h 运行的图形界面显示出来。在系统内部的数据处理实时的，显示出来可能就没有 必要实时。这样，即可以提高实时系统的可用性，也可以节省计算资源，同时将实 时系统的一部分任务划分出来，降低了实时内核需要处理的复杂度，提高了实时的 计算效率。 利用l i n u x 的内核，可以实现一个建立在这个非实时内核基础j z a 9 实时内核， 这两个内核共同工作，形成前面所描述的双内核实时系统。这样得实时内核”t 以满 足短小精悍的要求，非实时内核又已经如前面所描述的那样的强大两者结合起来， 可以充分发挥出实时系统在嵌入式系统中的应用，也可以充分让嵌入式系统满足信 息电器时代的要求，丌发出强大合适的系统。 域内核的体系结构可以用下面的图来描述 2 2 3 网络支持 图3 双内核体系结构 g c l j n 以这样说，l i n u x 是网络的代名词。l i n u x 的产生条件是网络l i n u x 的 生存条件也是网络，这就是这一网络操作系统的关键特性。 l i n u x 内核对网络协议栈的设计是从简洁实用的角度出发，实现出一整套的网 络协议模块。l i n u x 不仅可以支持一般用户需求的f t p ( f i l et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 、t e l n e t 和r l oo l n 协议，还能提供对网络上其他机器内文什的访问( , n f s 斟络文件系统) 。 l i n u x 还可以支持s l i p ( s e r i a ll i n ei n t e r f a c ep r o t o c 0 1 ) 和p l i p ( p a r a l l e ll i n ei n t e r f a c e p r o t o c 0 1 ) 协议，使得通过串口和并 2 1 线进行连接成为可能。通过a x 2 5 协议，l i n u x 可以提供通过无线电进行连接的方式：通过在l i n u x 上开发n o v e l l 标准的i p x 协 议，l i n u x 可以访问n e t w a r e 网络。如果在a p p l e 机的世界里面，可以通过a p p l e t a l k 协议访问a p p l e 的网络。在w i n d o w s 9 x n t 局域网里面，可以通过s a m b a 协议进 行l i n u x 和w i n d o w s 之间的文件共享。通过a p a c h e 公司丌发的免费网络服务器， 可以利用l i n u x 系统作为强大的网络服务器，提供i n t e r n e t 上电子商务和数掂提供 服务。 2 2 4g u i 开发支持 利用l i n u x 的有限资源开发出多窗口子系统，是在嵌入式系统市场巾形成竞争 实体的一个重要条件。特别是我们实现出双内核的