（物理电子学专业论文）嵌入式linux在epon系统上的移植及开发的研究.pdf

,y 5 7 7 4 8 8 摘要 干兆以 太网无源光网 络e p o n ( e t h e rn e t p a s s i v e o p t i c a l n e t w o r k ) 是解决“ 最后一公里” 瓶颈的新兴宽带光接入技术，具有成本低、兼容性好、技术成熟、可维护性强、业务功 能灵活等特点，因此市场前景十分看好。 e p o n 系统的光线路终端o l t ( o p l i c a l l i n e t e r m i n a l ) 和光网 络单元o n u ( o p t i c a l n e t w o r k u n it ) 都是典型的嵌入式系统设计， 它山 c p u ( m p c 8 2 4 5 ) , 存储设 备、 外围 硬件 设备和嵌入式软件组成。嵌入式软件包括嵌入式操作系统和用户应用程序两个部分， 它 是e p o n 系统交换、控制的核心，尤其是嵌入式操作系统更是整个e p o n 的灵魂。因此， 嵌入式操作系统的选择与研究及其 卜 的应用程序的夕 发成为整个e p o n 系统研发的关 键。 本文的主要研究工作及取得的成果如下: ( 1 ) 研究了 e p o n 系统的体系结构， 并对嵌入式系统的 特点、 设计和应用作了 深入的 论述。 ( 2 )从多个角度分析了 嵌入式l in u x 作为嵌入式操作系统的可行性， 并分析了 嵌入式 l i n u x 用于嵌入式系统今后需要完善的几个方面。 ( 3 ) 在深入分析p p c b o o t 源代码的 基础上， 结合o l t / o n u 主板的 特性， 完成了 p p c b o o t 在o n u / o l t 上的修改与移植。 ( 4 )基于嵌入式l i n u x 内 核的 源代码， 针对e p o n 系统的硬件特性， 对嵌入式l i n u x 内 核进行了修改和配置。设计了包括o l t / o n i 交换芯片的驱动程序。 ( 5 )基于嵌入式l i n u x ， 开发了 e p o n 系统中的 应用程序模块， 并以 s n m p 为 例， 详细 地论述了应用程序模块的实现。 关键词:以太网无源光网络 l i n u x 内核移植 嵌入式l i n u x引导装载程序 简单网络管理协议 来经作 者、 一导 )i p ii) 勿全_交 公布 ab s t r a c t e p o n ( e t h e r n e t p a s s i v e o p t i c a l n e t w o r k s ) i s a n e m e r g in g b r o a d b a n d o p t i c a l a c c e s s n e t w o r k t e c h n o l o g y t o s o l v e t h e l a s t m i l e b o t t l e n e c k . i t h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c o f l o w c o s t a n d g o o d c o m p a t i b i l i t y , a n d i t s t e c h n o l o g y h a s b e e n d e v e l o p e d w e l l . t h e r e f o r e e p o n h a s a f a i r l y w i d e m a r k e t . o p t i c a l l in e t e r m i n a l a n d o p t i c a l n e t w o r k u n i t a r e t y p i c a l e m b e d d e d s y s t e m s i n e p o n , w h i c h c o m p r i s e c p u ( m p c 8 2 4 5 ) , m e m o r y e q u i p m e n t , p e r i p h e r a l h a r d w a r e e q u i p m e n t a n d e m b e d d e d s o ft w a r e . e md e d d e d s o ft w a r e i n c l u d e s e m b e d d e d o p e r a t i o n s y s t e m a n d u s e r s a p p l i c a t io n , w h i c h i s t h e c o r e o f e x c h a n g e a n d c o n t r o l in e p o n , e s p e c i a l l y e m b e d d e d o p e r a t i n g s y s t e m b e i n g t h e s o u l o f w h o l e e p o n s y s t e m . s o t h e c h o i c e a n d s t u d y o f e m b e d d e d o p e r a t i n g s y s t e m , a l o n g w i t h d e v e l o p i n g a p p l i c a b l e s o ft w a r e u n d e r e m b e d d e d o p e r a t in g s y s t e m, b e c o m e s t h e k e y o f w h o l e e p o n . b a s e d o n t h e d e s i g n a n d s t u d y o f e p o n , c o n t e n t s i n t h i s p a p e r a r e f o l l o w s ; ( 1 ) s t u d y t h e s y s t e m s t r u c t u r e o f e p o n , d i s c u s s t h e e m b e d d e d s y s t e m a n d i t s c h a r a c t e r i s t i c , i t s d e s i g n a n d i t s a p p l i c a t i o n s ( 2 ) a n a l y z e t h e f e a s i b i l i t y o # e m b e d d e d l i n u x a p p l i e d i n e p o n s y s t e m f ro m d i f f e r e n t w a y , a l s o a n a ly z e t h e l i m i t a t i o n o f e m b e d d e d l i n u x . ( 3 ) b a s e d o n d e e p l y a n a l y z e o f t h e s o u r c e c o d e o f p p c b o o t , c o m b i n e d w i t h t h e c h a r a c t e r i s t i c o f h a r d w a r e , f i n i s h t h e m o d i f i c a t i o n a n d p o r t i n g o f p p c b o o t o n t h e ma i n b o a r d o f ol t a n d o nu. ( 4 ) b a s e d o n t h e s o u r c e c o d e o f th e k e rn e l o f l i n u x - 2 .4 . 1 9 , a i m i n g a t t h e c h a r a c t e r i s t i c o f h a r d w a r e , a me n d e d a n d c o n f i g u r e d t h e k e rne l o f l i n u x - 2 .4 . 1 9 , d e s i g n t h e d r i v e r o f b c m5 6 1 5 . ( 5 ) d e v e l o p t h e m o d u l e s o f a p p l i c a t i o n s i n e p o n u n d e r l i n u x . a s a e x a m p l e , d e t a i l e d l y d i s c u s s t h e p r o c e s s o f i m p l e m e n t a t i o n o f s n mp i n e p o n . k e y w o r d s : e p o n l i n u x e mb e d d e d l i n u x b o o t l o a d e r p o rt i n g s nmp i v 1 绪论 1 . 1 引言 无源光以太网 ( e p o n )的开发是由 a l l o p t i c 等新公司推动的，发起原因是异步传输 模式无源光网 络a p o n ( a t m p a s s i v e o p t i c a l n e t w o r k ) 标准不适合本地环， 缺少视频传 输功能、带宽有限、结构复杂、造价昂贵。随着快速以太网、g 比特以太网和i o g 以太 网逐渐成为主流， a l l o p t i c 坚信e p o n 会消除广域网 、 n a n ( w i d e a r e a n e t w o r k ) 和局域网 l a n ( l o c a l a r e a n e t w o r k ) 连接中a t m和i p 之间的协议转换。e p o n 建立在国际电联 i t u ( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n s u n i o n ) 关于a p o n 的 标准g . 9 8 3 上面， 寻求构建 把生活带入梦幻般完美的服务接入网络f s a n ( f i n e s e r v i c e a c c e s s n e t w o r k s ) 。 这个完美 服务接入网 络在单一的 光接入系统匕 传输汇聚的数据、视频和语音信息1 1 1 . e p o n 的经济学考虑非常简单， 光纤是传输数据、 视频和语音业务最有效的媒介， 能 提供无限的带宽。 但是将每个用户与端局之间实现点对点光纤连接， 在光纤的两端安装 有源电设备，在端局实现所有光纤连接的管理，其费用巨大，无法承受。e p o n 克服了 点对点的弊端，转而采用点对多点拓扑，不需要诸如再生器、放大器和激光器等电子器 件， 减少了端局使用的激光器数量。 点对点光纤技术适用于城域网和长距离应用， e p o n 适用于接入网的特殊要求。 e p o n比其他接入网技术更为简单， 效率高， 费用低。 e p o n 将光纤延 f 中 到最后一公里，从而获得高效、高可扩性、 低维护费用、端到端的 光网 6 1 e p o n最大 的优越性在于允许运营 商放 弃复杂 昂贵的异步传输模式 a t m ( a s y n c h r o n o u s t r a n s f e r m o d e ) 和同步光纤im ) s o n e t ( s y n c h r o n o u s o p t i c a l n e t w o r k ) 器件， 从而使网 络大为简化z 1 。 传统的电 信网 使用多层结构，u p o v e r a t m, s o n e t和 wd m，这种结构的网络要传输i p 业务，需要使用a t m交换机来构成虚链路，使用分插 复用器和数字交叉连接设备管理s o n e t 环和点对点的 w d m 光连接 3 1 1 . 2 e p o n系统的体系结构 e p o n 系统主要由网 元管理系统 ( e m s , e l e m e n t m a n a g e m e n t s y s t e m )、 光线路终 端 ( o l t ) 、 光 配线 网 ( o d n , o p t ic a l d i s t ri b u t i o n n e t w o r k ) 、 光网 络 单 元 ( o n u ) 组 成4 1 。如 图l . 1 所示: 一 , go i 图 1 . 1 e p o n 系统的 体系结构 o l t一般位于中心局内， 它提供与o d n 之间的光接口。 在o a n 网络侧， o l t应 提供至少一个网络接n , o l t 也提供传送到o n u所需各种业务的手段。 o n l连接p o n的用户侧，提供用户数据、图像和电话网络与p o n 的接口。 o n u 的基本功能是接收光信号， 并将其转换成用户需要的 格式( 以 太网、 i p 多 播、 p o t s , t i ) . e p o n 一个特有的性能是o n u 除了接收光信号并进行转换之外，还提供第2 , 3 层的交换 功能， 允许企业业务在o n u 内部实现路由。 e p o n 还可以利用第3 个波长来传输图像业务 5 o d n即 光配线网 络由 单模光纤和分路/ 祸合器、 连接器、 光纤接头等无源器件组成 ( 这些光缆和器件均在室外) 。 有源器件如o l t和o n l在o d n的 两端。 光信号在o d n 中的传输时， wd ma 把各o n l 的 眨 行信号分别调制为不同波长的光信号， 即每个o n i 占用一个波长，经过合波器藕合到同一根光纤传输到o l t ，在o l t中利用分波器分别 取出属于各o n u 的不同波长的光信号，再分别通过光电探测器解调为电信号，下行则 采用) 播方式13 1 由于 o n u 位于每个光纤到 f t t 13 ( f i b e r t o t h e b u i l d i n g ) 和光纤到户f t t h ( f i b e r t o t h e h o m e ) 应用的用户位置，其费用将由多个用户共同分摊，o n u的设计和费用是建造 e p o n 系统的关键因素。通常o n u 的费用占f t t b 的7 0 %,在f t t h中，o n l的成本占接 近8 0 % 1 3 1 0 e p o n系统中的o l t / o n u都是典型的嵌入式系统，它们以m p c 8 2 4 5 作为c p u , 各带有3 2 m的内存s d r a m和4 m的闪存f l a s h作为存储设备，外围有b c m5 6 1 5 交 换芯片及以太网日、串口设备，还有引导 程序、嵌入式操作系统和应用程序都烧写在 f l a s h中， 从而使o l t / o n i . 具有交换机的基本功能， e p o n系统成为可配置可管理的 网络系统。 1 . 3 嵌入式系统 嵌入式系统早己渗入到人们日常生活的每 一 个角落，与我们的生活息息相关! 3 c 融合、三网融合、中小企业信息化加速进行，无论是消费电子、还是企业计算市场，对 嵌入式系统的需求从来都未像今天这般为 i t业所重视。从掌上电脑、软交换机到即插 即用的电子邮件服务器，我们可以窥斑见豹地感受到 i t产品市 场正面临着这样三个互 相关联的机遇:下一代互联网的自 主运算趋势;企业对 i t解决方案后台化、简单化的 诉求:消费者期待网络功能强大、简单易用、 扩展方便、稳定低耗的下一代手持计算设 各。 这三方需求正在拉动一个以消费电子设备、自 主计算网络部件和功能服务器等产品 为代表的全新嵌入式系统及相关产品、 解决方案迅速浮出水面19 1 而嵌入式系统是以应用为中心，以半导 体技术、 控制技术计算机技术和通讯技术为 基础， 强调硬件软件的协同性与整合性， 软件与硬件可剪裁， 以满足系统对功能、 成木、 体积和功耗等要求的专用计算机系统。高实时性是嵌入式系统的基木要求，其次， 还要 求代码尽可能小，运行速度尽可能快，可靠性尽可能高 ， “ 。 嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、 存储设备、外围硬件设备、嵌入式操作系统以 及用户应用程序等1 i. 个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4 个特点: ( 1 )对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从 而使内部的代码和实时内核心的执行时阳 减少到最低限度。 ( 2 )具有功能很强的存储 区保护功能。 这是由于嵌入式系统的软件结构己模块化， 而为了避免在软件模块之问出 现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也 有利于软件诊断。 ( 3 ) 可 扩展的处理器结构， 以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器 ( 4 ) 嵌入式微处理器必须功耗很低， 尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠 电池供电的嵌入式系统更是如此如需要功耗只有m w 甚至i w 级。 嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂。 简单的只是流程控制的嵌入式系统一般不使 用操作系统， 但是一旦提供图形界面和网络支持等功能后， 就变得复杂化， 这是就需要 操作系统作系统软件了。嵌入式操作系统具有一下几个特点:小的系统内核、 较强的实 时性、多任务功能、能够提供各种设备的驱动程序、 提供图形界面和t c p / i p , p p p 等协 议支持。 嵌入式操作系统是操作系统领域的一个重要分支， 越来越多的企业和科研机构 把日 光转向嵌入式操作系统的开发和研究上 1 2 l 嵌入式软件除了操作系统软件 ( o s )外， 还有应用程序，嵌入式系统也是面向应用 的软件产品开发。 有时设计人员把这两种软件组合在一起。 应用程序控制着系统的运作 和行为; 而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用 l 3 。 尽管从八十 年代末开始 陆 续出 现了一 些 嵌 入 式 操 作 系 统，比 较著 名的 有v x w o r k p s o s n e c u le u s 和w in d o w s c e 。 但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。 对上层应用者而言，嵌入式操 作系统是一套高度简练、界面友善、质量可靠、应用广泛、易开发、多任务并且价格低 廉的操作系统。 尽管嵌入式系统有着无比 广阔的市场需求和发展前景， 但嵌入式系统的发展， 多年 来却经历了一个比相对后期产生的个人计算机( p c ) 更为曲折和痛苦的历程。 随着微处理 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， 就突出表现在了软件方面。 嵌入式软件的特征可以概括为四 个字: “ 小” 、 “ 特” 、 “ 专” 、 “ 简” 。所谓 “ 小” ，是指基于专用设备普遍的特点和需求， 一般不会编写得太大; “ 特”是指它一般根据某一系统的功能设计单独编写 ( 或在既有 软件 卜 进行修改) ， 是一种个性化很强的软件产品: “ 专”不仅是从专用系统的角度来说 的， 而且出于系统功能、 系统安全和功耗等方而最佳配置的考虑，嵌入式软件即使在同 一品牌、同系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改， 而这种修 改显然不同于通用软件的 “ 升级” ;至于 “ 简” ，则是说嵌入式软件 一 般不要求其功能设 计及实现 卜 过于复杂，简单既出于控制成本的目 的，同时也是对系统安全的考虑p 4 l 1 . 4 课题来源 建立宽带光接入网己 经是发展的必然趋势， 而e p o n因为其对e t h e m e t 的兼容以及 充足的带宽等种种优点成为光接入网的热门技术。 目前关于e p o n 的协议标准尚在制定 之中， 国内 多家 科研单 位都提出 了自 己 的 总体 方案 3 。 本文是国 家“ 8 6 3 ” 计 划“ 基于千 兆以太网的宽带无源光网络系统” ( 编号2 0 0 1 a a 1 2 2 0 2 3 )的一个子课题， 它的土要任务 就是生成o l t / o n u的引导装载程序、选择和配置嵌入式操作系统，使o l t / o n i 在硬件 启动完成后自 动过渡到操作系统的启动，从而为交换芯片的驱动和应用程序提供支持。 没有它，o l t / o n l 无异于无b i o s 和操作系统的 “ 死机” 。因此，本子课题是e p o n 系统 成为可配置、可管理并具有交换机功能的关键，也是e p o n 系统研发的首要任务之一。 1 . 5 本文的主要内容 木论文主要由六个部分组成，分别是: 第一章 绪论， 主要论述了e p o n系统的体系结构， 也阐述了e p o n系统中o l t / o n l 的嵌入式系统设计，并对嵌入式系统的特点、设计及应用作了详细的论述。 第二章 嵌入式l i n u x 应用于嵌入式系统的可行性分析，从多个角度分析了嵌入式 l i n u x 作为嵌入式操作系统的可行性，指出其适合e p o n 系统低成木的要求，并分析了嵌 入式l i n u x 用于嵌入式系统今后需要完善的几个方面。 第三章 p p c b o o t 在m p c 8 2 4 5 上的移植，在深入分析p p c b o o t 源代码的基础上，结合 o l 丁 / o n u 主板的特性，研究了尸 p c b o o t 在o n u / o l 丁匕 的修改与移植。并对部分源代码作了 分析和说明。 第四章 针对 e p o n 系统嵌入式l i n u x内核的配置和修改， 在分析嵌入式l i n 。 内核 源代码的基础上， 针对 e p o n 系统的硬件特性， 对嵌入式l i n u x内核进行了修改和配置。 包括完成o l t / o n u 交换芯片驱动程序的设计。 第五章 详细介绍嵌入式l i n u x 下开发的准备工作和e p o n 系统中开发的应用程序模 块。 包括开发模型、 开发步骤以及主机系统的配置以及各个木块的功能。 着重以s n m p d e 实现为例，阐述了应用程序在e p o n 系统中的实现。 第六章 总结与展望，总结了全文，并对后续工作的开展提出目 标。 2 嵌入式l i n u x 用于e p o n系统的可行性分析 ， 1三! 雀. j 目.jlj . f刁 l i n u x 的诞生来自 于一名芬兰大学生l i n u s t o r v a l d s 的业余爱好， 是在网络上不断 完善和发展的操作系统，因此是 一 个自山软件。 在网络上开发 !, i n u x己流行成为很多研 究操作系统的高手热衷的活动， 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 ( o s ) o 重要的是， l i n u x 的开发都是在g p l 的版本控制之下，因此l i n u x内核都是源 代码开放的。l i n u x内核的开发是由l i n u s t o r v a l d s 领导的内核开发小组进行开发的。 目 前在他们的公共站点h t t p : / / w w w . k e r n e l . o r 盯上几乎每三天进行一次内 核的升级， 目 前最新的内核是 l i n u x 2 . 4内核，l i n u x 2 . 6也即将面世。 自1 9 9 1 年以来， l i n u x 不仅在服务器和p c机方面成为wi n d o w s 9 5 , 9 8 的强劲对手， 还成为嵌入式系统方面的宠儿。 2 . 2 l i n u x 满足嵌入式系统的基本要求 首先分析l i n u x 能否满足嵌入式系统的 基本要求 1 6 1 . ( 1 ) 嵌入式系统所要求的实时，多任务性。从l i n u x 进程调度的3 个策略: “ 非实时， 实时先进先出，实时基十优先权轮转法”可以看出，l i n u x对于实时任务是有特殊处理 的 ( “ 软实时” ) ，虽然并没有满足 “ 硬实时” 要求， 但是这种软实时可以 满足一般嵌入 式系统的要求( 在 1 -5 u s内 响应) 口 -4 o l i n u x也是一个多任务操作系统， 也就是说 l in u x允许有多个程序同时装入内存运行，操作系统为每个程序创建一个运行环境， l in u x 的多仟务性满足嵌入式系统的要求。 ( 2 ) l i n u x也满足嵌入式系统所要求的高效性、 健壮性的条件。 l i n u x的内 核包含: 进程调度，内存管理，进程间通信， 虚拟文件系统和网络接口五大部分，内核的功能模 块又被划分为独立的模块，l i n u x提供的模块机制可以根据用户的需要，将某些模块插 入到内核或从内核中拿走，所以系统内核可以裁剪得精而小。l i n u x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。同时， l i n u x的进程调度方法也简单高效， 对于用户进程采用简单的 动态优先级调度方式: 对十内 核中的例程( 如: 设备3 1 动程序、 中断服务程序等) 则采用独特的内 核机制， 保证了内 核例程的高效运行。 l in u x 是成千上 力人智慧的结晶，是最可靠、最稳定的操作系统。 ( 3 ) 嵌 入式系统没有磁盘: 虽然一般的l in u x 是需要磁盘的， 但l i n u x 能够解决嵌入 式系统没有磁盘的问题。因为l i n u x 支持将某些模块常驻内存，所以最简单的办法是: 可以将嵌入式系统需要的应用程序和l i n u x内核同时储留在内存中，系统启动时，启动 应用程序。 再来分析l i n u x 能否满足嵌入式操作系统的一些复杂功能要求 1 6 . ( 1 ) 网 络协议: l i n u x 提供t c p / i p 网 络协议和i n t e rn e t 客户， 服务器软件。 ( 2 ) 图 形用户界面:有x w i n d o w s o ( 3 ) 外设: l i n u x 可以 使用的 外设驱动接日 很多。 ()带 有u n ix 用 户 所熟 悉的 完 善的 开 发 工 具， 如 :g c c ,g d b ,纯d b ,x g d b 等。 开 发嵌 入式 系统的关键是要有一套好的开发和调试工具， 传统的嵌入式系统的开发和调试工具是在 线仿 真器 ( i c e ) ， 在线 仿真器允 许开发者 调 试和监 视程序的 运行， 了 解底层软硬件接口 的 状态， 但是并不方 便做更高 级的 调试。 l i n u x 利用g n u 的g c c 做编译器， 用g d b ,k g d b , x g d b 做调试工具可方便地开发嵌入式系统。 ( 5 ) 几乎所有的u n i x 系统和应用软件都己 移植到了l i n u x卜 。 它不仅继承了u n i x 的 特征，而且在许多方面超过了u n i x . o ( 6 ) l i n u x 的移植性好， 它的内 核移植到新的 微处理器上基本不用修改。 通过上面的分析， 可以看出l i n u x 在嵌入式系统方面完全可以同其它商业e o s相抗 衡，能够满足嵌入式系统的要求。 2 .3 l i n u x 优越于其它商业操作系统 l in u x 与其他的商业操作系统相比， 还有许多 优越性，主要表现在【 习 : ( 1 ) l in u x是免费的操作系统， 在i n t e rn e t 上有着丰富的开发资源。 l i n u x的 创始人 l i n u s t o r v a l d s 将l i n u x 适时地放到g n u公共许可证下， 使得l i n u x 本身在短短的儿年 发展成为一个稳定、健壮的 o s ，也使得人们不用花钱就可以使用。使得操作系统真正 走上平民化。遇到问题时可通过网络，得到丰富的技术支持。 ( 2 ) l i n u x 的源代码是开放的，源代码随处可得，即使最困难的问 题也有办法解决， 不存在黑箱技术。i li 门 u x 系统是层次结构目 . 内核完全开放的操作系统。它是由很多体积 小h .性能高的微内核和系统组成。 在内核代码完全开放的前提下， 小同领域和小同层次 的用户可以根据自己的应用需要，很容易地对内核进行改造;在低成本的前提下，设计 和开发出真正 满足自己需要的嵌入式系统。 ( 3 )强大的网络支持功能。 l i n u x 诞生于因特网并具有u n i x 的特性， 这就保证了它 支持所有标准因特网协议，并且 可以利用 l i n u x的网络协议栈将其开发成为嵌入式的 t c p / i p网络协议栈，支持 t c p / i p , p p p , i g mp , i p v 6 ，而且提供了对 a t m 协议的支 持。 ( 4 ) l i n 。 二 具备一整套工具链， 容易自 行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境， 并月 _ 可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍。 一 般开发嵌入式操作系统的程序调试 和跟踪都是使用仿真器来实现的， 而使用l i n u x 系统做原型的时候， 可以绕过这个障碍， 直接使用内核调试器来做操作系统的内核调试和查错。 ( 5 ) i, i n u x 具有 泛的硬件支持特性。 无沦 是r i s c 还是c i s c , 3 2 位还是6 4 位等各种 处理器，l i n u x 都能运行。l i n u x 最通常使用的微处理器是 i n t e l x 8 6 芯片家族，但它 同样能运行于m o t o r o l a 公司的6 8 k 系列c p u 和i b m , a p p l e , m o t o r o l a 公司的p o w e r p c c p u 以及工 n t e l 公司的s t r o n g a r m c p u 等处理器系统，这意味着嵌入式l i n u x 将具有更) - 泛的应用前景。 综合上面的分析，可以看出，l i n u x 用于嵌入式系统方面是可行的，具有广泛的应 用前景。而e p o n系统的o l t / o n l ) 是典型的嵌入式系统， 其成本的高低直接影响着市 场的前景，嵌入式l i n u x 的免费性，正好满足了e p o n系统低成本的要求。 2 . 4 l i n u x 局限性 目前 些传统的 嵌入式 l i n u x 系统开发正在蓬勃兴起，并且已经开辟了很大的市场，除了一 l i n u x 公司，像r e d h a t , v a l i n u x 等正在从事嵌入式l i n u x 的研究之外 批新公司 ( 如 l i n e o , t i m e s y s 等) 和一些传统的大公司 ( 如 i b m , s g i , m o t o r o l a , i n t e l 等) 以及一些开发专有嵌入式操作系统的公司( 如l y n x ) 也正在进行嵌入式l i n u x 的研 究和开发。 但就目前的技术面言， 嵌入式l i n u x 的研究成果与 市场的真正需求还有一段 差距。因此，要开发出真正成熟的嵌入式l i n u x ，还需要从以下几个方面进行努力。 ( 1 ) 扩充l i n u x 的实时系统 众所周知，高实时性是嵌入式操作系统的基本要求。由 于l i n u x 是一种通用操作系 统，而不是一个真正的实时操作系统，内核不支持事件优先级和抢占实时特性。所以， 在开发嵌入式 l i n u x 的过程中， 首要问题是扩展 l i n u x 的实时性能。 一般来说， 对 l i n u x 实时性的扩展可以从两方面进行:向外扩展和向上扩展。向外扩展是从范围上扩展， 计 实时系统支持的范围更广，支持的设备更多。目 前的开发所面向的设备一般仅限于较简 单的有实时要求的串/ 并口数据采集、浮点数据计算等，而像实时网络这样实时系统的 高级应用还需进一步的发展。向上扩展是扩充l i n u x 内核， 从功能上扩充l i n u x 的实时 处理和控制系统。 如嵌入式系统r t - l i n u x ， 它的基本原理是将l i n 。的内核代码做一些 修改， 将l i n u x 本身的任务以及l i n u x内核本身作为一个优先级最低的任务，而实时任 务作为优先级最高的任务， 即在实时任务存在的情况下运行实时任务， 否则就运行l i n u x 本身的任务，实时任务不同于l i n u x 普通进程，它是以l i n u x 的内核模块( l o a d a b l e k e r n e l m o d u l e , l k m ) 的形式存在的，需要运行实时任务的时候，将这个实时任务的内 核模块插入到内核中去， 实时任务和l i n u x 一般进程之间的通信通过共享内存或者f i f o 通道来实现。 ( 2 ) 改变l i n u x内核的体系结构 l i n u x 的内核体系采用的是m o n o l i t h i c ， 在这种体系结构中，内核的所有部分都集 中在一起， 而且所有的部件在一起编译连接。 这样虽然能使系统的各部分直接沟通， 有 效地缩短任务之间的切换时间， 提高了系统的响 应速度， 实时性好并提高了c p u 的利用 率， 但在系统比较大的时候体积也比较大，与嵌入式系统容量小、资源有限的特点不符 合。 而另外一种内核体系结构m i c r o k e r n e l ，在内核中只包括了 一 些基本的内核功能如 创建和删除任务、任务调度、内存管理和中断处理等部分， 而文件系统、网络协议栈等 部分都是在用户内存空间运行。这种结构虽然执行效率不如m o n o l i t h i c 内核，但大大 减小了内核的体积，同时也极大地方便了整个系统的升级、维护和移植，因此更能满足 嵌入式系统的特点需要。为此，为使嵌入式 l i n u x 的应用更加广泛，可以考虑将 l i n u x 目 前的m o n o l i t h i c 内核结构中的部分结构改造成 m i c r o k e r n e l 体系结构。通过这种折 中办法， u j 一 以使得到的l i n u x 既具有很好的实时性， 又能满足嵌入式系统体积小的要求。 ( 3 ) 完善l i n u x 的集成开发环境 提供完整的集成开发环境是每一个嵌入式系统开发人员所期待的。 一个完整的嵌入 式系统的集成开发环境一般需要提供的工具是编译/ 连接器、 内核调试/ 跟踪器和集成图 形界面开发平台。 其中的集成图形界面开发平台包括编辑器、调试器、软件仿真器和监 视器等。 在l i n u x 系统中，具有功能强大的g c c 编译器工具链， 使用了基十g n u 的调试 器g d b 的远程调试功能， 一般由 一台客户机运行调试程序调试宿主机运行的操作系统内 核;在使用远程开发时还可以使用交叉平台的方式， 如在 w i n d o w s 平台下的调试跟踪器 对l i n u x 的宿主系统做调试。但是，l i n u x 在基于图形界面的特定系统定制平台的研究 上， 与w i n d o w s 操作系统相比还存在差距。因此，要使嵌入式l i n u x 在嵌入式操作系统 领域中的优势更加明显，整体集成开发环境还有待提高和完善。 3 p p c b o o t在e p o n系统上的移植 3 . 1 引言 e p o n系统的 o l t / o n l 的主板使用 mp c 8 2 4 5作为 c p u，这种器件属于集成 p o w e r p c的处理器， 有较高的集成度， 它集5 个芯片于一体， 从而降低了系统的组成开 销。高集成度的结果是简化了电路板的设计，降低了功耗和加快了开发调试时i r j o mp c 8 2 4 5 还有一些优越性: 3 3 3 - 3 5 0 mh z m p c 6 0 3 e处理器内核: 3 2 位p c i 接口运行可 达到6 6 mh z ;存储控制器提供的s d r a m支持频率最高达 1 3 3 mh z ，支持2 g b ;消息 单元具有 p o消息支持能力; 通用u o a n d r o m 接口支持; 2 个信道d ma控制器: 业 界标准1 2 c接口， 支持链接; 带有多个定时器和计数器的可编程中断控制器。 这种低成 本、多用途、 精彩的新型设备广泛地应用于交换机、路由器、接线器、网络存储应用和 图像显示系统。 p p c b o o t 在e p o n 系统o l t / o n i 上的移植， 实际上就是在mp c 8 2 4 5 平台上的移植。 3 . 2 p p c b o o t简介 p p c b o o t的前身是8 x x r o m和f a d s r o m， 其最高版本为p p c b o o t 2 .0 , 2 .0 版 本以后名称就改为了u - b o o t ，是由德国d e n x软件中心依照g p l发布的公共软件。 o l t / o n i中是选用的是1 . 1 .6 版本， 为的是生成e p o n日 标板的引导装载程序 引导装 载程序通常是在任何硬件上执行的 第一段代码， 它相当于p c机中的b o i s ， 完成系统从 硬件启动到操作系统启动的过渡， 也是嵌入式系统中必不可少的一段程序， 其实现方式 有山硬件的特性决定。 3 . 3 p p c b o o t源代码分析 p p c b o o t 的源代码树如图3 . 1 所示， 据此来分析一下p p c b o o t 的源代码分布， 然后 再解剖它d 7 l 曰j浏 付 觅 立 呵 互 .月 翔 1- 1 自 b o a r d 闲 曰 c o m m o n n自 c p u 自 us r+1自 d is k +白 d o c c 白 d r iv e r s 曰自 d t t r自 e x a m p le s n口 。 (+ 7 自 in c lu d e 闲自 n e t 1+ 自 p p c 图自 : 比 n自 t o o ls 日 录/ i n c l u d e / a s m - p p c 是一些比较底层的头文件，编译时会根据不同的配置与 / i n c l u d e / c o n f i g s / a s m 建 立一个 符号 链接; 还包括其他一些 头文 件， 例如: p p c b o o t .h 等。 3 .3 .4 公共代码 除了和主板， c p u 特性相关的代码外，其他大部分都是公用的代码， 位于/ c o m m o n) 下面，象p p c b o o t 的命令解析代码/ c o m m o n / c o m m a n d .c , p p c b o o t 环境变量处理代码 e n v i r o n m e n t . c 等都位于该目 录下。还有一个公共的代码就是p o w e r p c 系列的主板初始化 代码:b o a r d . c , c o m m o n 日 录下的代码都是公用的，在完成c p u 的初始化之后就会跳到 这个文件中，而与主板相关代码的执行都是在这个文件中调用的。 3 . 3 5 网络传输代码 网络传输代码位于目录中的/ n e t/ 下面，象a r p .c ,b o o t p .c , e t h .c ,t ft p . c 等都在这里 b o o t p , t f t p ，以太网初始化等功能的实现也是由这些代码完成的 3 . 3 .6 ma k e f i l e 文件 ma k e f i l e 文件位十p p c b o o t 的根目 录下， 是整个编译的控制主文件， 后面会讲到如 何修改该文件以添加o l t / o n u 主板的编译控制。 3 . 3 .7 关键的驱动程序文件 p p c b o o t 中几个比较关键的外设驱动代码包括串口的初始化，以太网口驱动 s d r a m初始化，f l a s h 初始化，以e p o n 的o l t / o n l 的主板为例，分别位于: 串口 :/ c p u / m p c 8 2 4 x / s e r i a l .c; s d r ame poo a r d / mu s e n k i / mu s e n k i s . c; f l as h: / b o a r d / mu s e n k i / fl a s h .c ; r t l 8 1 3 9 : / d r i v e r / r t l 8 1 3 9 . c 。 在移植的过程中这些都是需要修改和关注的代码。 3 . 4 3 . 4 . 1 针对o l t / o n u主板p p c b o o t的修改 目标板系统参数配置 日 标板系统参数在头文件中配置，要求对被选择为蓝本的主板和o l t / o n c 的主板 有足够的了解， 然后再做修改，卜 面是针对e p o n 的o l t / o n u 的主板修改的参数以及一 些比较关键的配置说明: # d e f i n e c o n f t g m p c 8 2 4 x 1 ; # d e f i n e c o n f i g m p c 8 2 4 5 1 ; # d e f i n e c o n f i g m u s e n k i 1 ; 这些是关于