（计算机应用技术专业论文）动态电源管理在嵌入式linux系统中的设计与实现.pdf

础怠 u 源管理n 嵌入l i n u x 系统中的设计，实现摘璺 摘要 文章首先指出电源管理对于以移动计算为主的嵌入式系统具有 重要的作用，然后简单介绍了课题所采用的a r m 实验板的构成情况 和嵌入式l i n u x 系统的开发方法。在此基础上，文章详尽描述了包括 空闲状态和睡眠唤醒在内的嵌入式系统电源管理基本功能的设计和 实现，并重点介绍了如何基于负载统计和c p u 调频实现系统的动态 电源管理功能，从而在保证系统性能的前提下有效降低系统功耗。 文章完整地给出了嵌入式l i n u x 系统的电源管理解决方案，并通 过调整c p u 工作频率的方法为电源管理加入动态特性支持，满足用 户对系统功耗低、响应快的双重要求，对类似的项目开发具有较好的 参考价值。 关键词 动态电源管理；嵌入式l i n u x ；a r m l i n u x ；a r m ；p x a 2 5 0 作者：郭胜超 指导老师：钱培德 垒! ! ! ! ! 璺 里! ! 坚! ! ! ! ! 型垦! 型! 翌! ! 竺生旦婴! 竺! ! ! 竺坚! 竖! ! 塑! 竺! ! ! ! ! 曼! ! ! ! 璺! 型生! ! 竺苎! ! ! ! 塑 d e s i g n i n g a n dr e a l i z a t i o no f d y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n t o ne m b e d d e dl i n u x s y s t e m a b s t r a c t t ob e g i nw i t hp o i n t i n go u tt h a tp o w e rm a n a g e m e n ti sp l a y i n ga n i m p o r t a n tr o l e i nm o b i l e c o m p u t i n g c e n t e r e d e m b e d d e d s y s t e m , t h i s t h e s i sg i v e st h ei n t r o d u c t i o no fa r ma r c h i t e c t u r ea n de m b e d d e dl i n u x o nw h i c ht h e p r o j e c ti sb a s e d t h e n ，i td e s c r i b e sh o w t od e s i g na n dr e a l i z e t h eb a s i so fp o w e r m a n a g e m e n t t h a tc o n s i s t so fi d l es t a t ea n d s l e e p w a k e u p f u n c t i o ni n d e t a i l m o r e o v e r , t h e a u t h o rf o c u s e so n d y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n tt h a t i sa c h i e v e d b ys y s t e m w o r k l o a d c o l l e c t i n ga n dc p uf r e q u e n c ys c a l i n g ，a n ds o ，p o w e rc o n s u m p t i o n w i l lb e d e c r e a s e dw h i l e p e r f o r m a n c e c a nb eg u a r a n t e e da tt h es a m et i m e t h ea r t i c l ep r e s e n t sa ni n t e g r a t e ds o l u t i o nt op o w e rm a n a g e m e n to n e m b e d d e dl i n u x ，a n db e s i d e s ，t og e tt h el o w e rp o w e rc o n s u m p t i o na n d t h ef a s t e rr e s p o n s i v es p e e d ，i tr e a l i z e sd y n a m i c s c a l i n go f c p u f r e q u e n c y t o s u p p o r td y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n t t h ee x p e r i e n c ea n ds c h e m e s s u m m a r i z e di nt h i sp a p e rw o u l db eo f g r e a tr e f e r e n c e dv n u e s f o rs i m i l a r p r o j e c td e v e l o p m e n t k e y w o r d s d y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n t ；e m b e d d e dl i n u x ；a r m l i n u x ；a r m ； p x a 2 5 0 w r i t t e nb yg u o s h e n g c h a o s u p e r v i s e db yq i a np e i d e y 6 4 5 7 5 4 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创。性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏 州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本 声明的法律责任。 研究生签名：缸鹾墟日期：型竺兰：孽 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论 文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：砼盟毖 日期： 丝堡生孥 导师签名：i 2 笾 日期： 缨堡垒颦 动态l b 潺管矬礼嵌入式l i n u x 系统中的设计14 实现 第一章引言 1 1 嵌入式系统的发展和应用 随着计算机网络和通信技术的发展，当今计算模式在经历了从单 机到网络的转变以后，一场新的、更加深入的i n t e r n e t 革命正悄然兴 起。这场革命的主旨是将网络世界中已经实现的人与人之间的互联， 进一步发展为人与设备、设备与设备之间的互联。即不仅要将数以亿 计的p c 联网，还要为s m a r tp h o n e 、p d a 、机顶盒、信息家电i a ( i n f o r m a t i o na p p l i a n c e ) 等内置计算芯片的电子设备提供网络互联和 移动计算能力。导致这场革命的核心技术就是嵌入式系统。 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，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。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 l o 个嵌入式微处理器， 键盘、鼠标、m o d e m 、声卡、打印机、扫描仪、u s b 集线器等均是 由嵌入式处理器控制的。在当前数字信息技术和网络技术高速发展的 后p c ( p o s t 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 e l e c t r o n i c s ) 一体化趋势日渐明显，嵌入式系统已广泛地渗透到人们 生活的方方面面。据统计，每年只有1 0 2 0 的计算机芯片是为台 式或膝上电脑而设计的，这也意味着每年有1 2b i l l i o nc p u 是为嵌入 式设备而设计制造的l l j 。 嵌入式系统的应用领域非常广，可以将其分为两大类。一类面向 过程控制，主要以单片机为核心，系统功能相对简单，一般不需要操 作系统的支持，如工业控制模块、简单的家电产品都属于这一类。另 一类面向信息处理和移动计算，主要以微处理器为核心，系统功能相 对复杂，大多需要操作系统内核的支持，以掌上电脑为代表的移动产 品就属于这一类。本文讨论的嵌入式系统及相关工作都属于面向信息 处理的应用范畴。 动态i u 源管理“嵌入，l i n u x 系统中的设计。，实现 1 2 电源管理的作用及意义 电源管理在传统的笔记本电脑中是一个非常重要的功能，系统在 有限的电力下能够有效运行多长时间，是人们选购笔记本电脑的一个 重要参考。近来，因环保意识的高涨，应用于笔记本电脑的电源管理 系统也被广泛运用到p c 及其它计算机系统中，减少了电能的消耗并 在一定程度上保护了硬件。业界先后推出两个电源管理方案。一个是 传统的a p m ( a d v a n c e dp o w e rm a n a g e m e n t ) 【2 l ，它目前仍然使用在 许多l i n u x 系统中，但在基于微软操作系统的笔记本电脑和计算机设 备中已经被逐步淘汰：另一个是较新的a c p i ( a d v a n c e dc o n f i g u r a t i o n a n d p o w e r i n t e r f a c e ) 【3 】，为彻底解决a p m 方案中存在的问题，c o m p a q 、 i n t e l 、m i c r o s o f t 、p h o e n i x 、t o s h i b a 共同制定了a c p i 这个开放式的 工业标准，以满足计算机系统不断发展的电源管理要求。在p c 、笔 记本电脑、服务器等商业硬件中，采用a c p i 作为电源管理方案成为 人们的首选，但它强烈依赖于流行的x 8 6 i a 3 2b i o s 架构。 在以移动计算为主的嵌入式应用领域，电源管理更是至关重要的 一环，它直接影响着系统软硬件的设计与实现。对于使用电池供电的 便携式设备而言，有效的电源管理功能可以大大提高系统的待机时 间，满足用户对设备使用时间的要求。嵌入式设备往往具有较高的集 成度，如果硬器件长时间运行在高频高压状态下又不能很好散热的 话，势必会对器件造成不良影响。动态电源管理( d p m ，d y n a m i c p o w e r m a n a g e m e n t ) 【4 】功能则可以根据系统实际运行状况调整硬件工作状 态，在系统空闲时降低器件的工作频率或电压，关闭目前不使用的外 围设备，从而降低整个系统的功耗，延长硬器件的使用寿命。 电源管理是嵌入式工程项目产品化过程中的一个核心环节，其性 能优劣直接决定着一个产品在市场上是否具有竞争力。笔者所在项目 组与硬件厂商合作，开发了一个基于嵌入式l i n u x 实现的p d a 应用 系统。该系统面向移动计算，为用户提供了手掌上的音频、视频和网 络应用，满足人们日益迫切的随时随地的信息处理要求。在将该系统 产品化进入市场的过程中，本文所述的动态电源管理扮演着非常重要 动态i u 源管理a i 嵌入止l i n u x 系统中的垃计，实现 角色，是系统不可缺少的核心模块。我们最终设计实现的动态电源管 理功能有效地降低了系统的整体功耗，在有限的电力供应下使系统能 够工作尽可能长的时间，并在一定程度上保护了设备的硬器件，延长 了整个产品的使用年限。我们的电源管理模块很好地解决了最终用户 最为关心的问题，直接增强了产品在市场上的竞争力，是将项目开发 转化为生产力和市场效益的关键推动力。 1 3 本文主要工作和内容安排 本文是基于a r m 平台和嵌入式l i n u x 开发的p d a 应用系统的 一个子项。文章详细描述了该系统中电源管理模块的设计思路和实现 方法，为系统提供了空闲状态和睡眠唤醒功能，使系统具备基本的 电源管理功能，并在此基础上提出了一种基于c p u 调频的动态电源 管理方案，在保证系统性能的前提下进一步降低系统功耗。 首先，我们在第二章给出了课题的平台情况和背景知识。其中包 括硬件平台i n t e ld b p x a 2 5 0a r m 开发板的构成和软件平台 a r m l i n u x 的系统开发的基本方法流程。 接着，在第三章中我们详细描述了包括空闲状态和睡眠唤醒功 能在内的电源管理基本功能的设计和实现。在介绍微处理器p x a 2 5 0 的电源管理硬件特性后，我们首先基于l i n u x 的i d l e 进程模型实现了 系统的空闲状态，然后分别给出了系统睡眠和系统唤醒的详细实现流 程以及一些关键问题的解决方法，并以l c d 为例介绍了外围设备电 源管理功能的实现方法。 然后，我们在第四章重点介绍了基于c p u 调频的动态电源管理 功能的具体实现。我们在l i n u x 内核现有负载统计信息的基础上，提 出了一种周期统计系统i d l e 时间比例的负载计算方法，进而根据该负 载信息的变化对p x a 2 5 0 微处理作基于模式切换的频率调整，为电源 管理功能加入动态特征，以满足系统实际运行情况的动态变化要求。 最后，在第五章结束语部分，我们总结了本文完成的主要工作以 及这些工作成果的价值和实际意义，指出了课题由于条件所限而导致 动态l u 源管螋f i 一嵌入al i n u x 系统中的啦计j 实j ；! i i 的不足之处和可以开展的后继工作，并对嵌入式系统的电源管理技术 的发展趋势做出了一些展望。 本文完整地给出了基于嵌入式l i n u x 系统开发的便携式设备的电 源管理解决方案，为项目开发的产品化、市场化提供了必要保证。此 外，课题实现的基于c p u 调频的动态电源管理功能在同类产品中并 不多见，它较好地满足了用户对产品功耗低、响应快的双重要求，增 强了产品的市场竞争力。同时，文章介绍的a r m 体系结构特点、嵌 入式l i n u x 系统开发方法以及内核编程经验，对类似的项目开发也有 较好的参考价值。 动态i u 源管理 ：嵌入al i n u x 系统中的设计1 ，实现 第二章硬件平台和软件系统 2 1a r m 微处理器 a r m 公司( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e sl i m i t e d ，简称为a r m l i m i t e d ) 正式成立于1 9 9 0 年。在1 9 8 5 年4 月2 6 日，第一个a r m 原型在英国剑桥的a c o r n 计算机有限公司诞生( 在美国v l s i 公司制 造) 。a r m 公司虽然才成立1 0 多年，但在1 9 9 9 年因移动电话火爆市 场，其3 2 位r j s c 处理器占市场份额超过了5 0 ，成为业界龙头老 大。2 0 0 1 年初，a r m 公司的3 2 位r i s c 处理器市场占有率超过了 7 5 ，引起业界的极大关注【5 。a r m 公司的成功之处在于它是知识产 权( i r i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 供应商，是设计公司。a r m 公司本身不 生产芯片，而是转让设计许可，由合作伙伴公司来生产各具特色的芯 片。a r m 公司商业模式的强大之处在于其价格合理，全世界范围有 超过1 0 0 个合作伙伴，其中包括半导体工业的著名公司。 a r m 架构提供了a r m 处理器内核( a r m 7 t d m i 、a r m 9 t d m i 、 a r m l 0 t d m l 等) 和a r m 处理器核( a r m 7 1 0 t 7 2 0 t 、 a r m 9 2 0 t 9 4 0 t 、a r m l 0 2 0 e 等) ，再由各半导体公司在上述处理器 内核或处理器核基础上进行再设计，嵌入各种外围设备和处理部件， 形成各种嵌入式微处理器m p u 或微控制器m c u 。例如： a t m e l 公司，a t 9 1 系列微控制器( a r m 7 t d m i 内核) ； c i r r u s 公司，e p 和c l p s 系列手持设备中的微处理器 ( a i t m 7 2 0 t 核) ； s a m s u n g 公司，$ 3 c 2 4 1 0 微处理器( a r m 9 2 0 t 核) ： i n t e l 公司，s a 1 l l o 微处理器( s t r o n g a r m 核) 和p x a 2 x x 微处理器( x s c a l e 核) 州。 a r m 公司专注于设计，其处理器内核耗电少、成本低、功能强，特 有1 6 3 2 位双指令集。a r m 己成为移动通信、手持计算、多媒体数 字消费等嵌入式产品的r i s cc p u 的事实标准。 动态t b 源管理托嵌入武l i n u x 系统中的设计1 j 宴现 2 2i n t e ld b p x a 2 5 0 开发板 课题选用i n t e ld b p x a 2 5 0 开发板作为实验的硬件平台，该平台 采用流行的x s c a l e 架构p x a 2 5 0 微处理器。x s c a l e 是i n t e l 公司继 s t r o n g a r m 之后针对无线手持式应用产品推出的新一代嵌入式微处 理器架构，是i n t e lp c a ( p e r s o n a li n t e m e tc l i e n ta r c h i t e c t u r e ) 开放式 平台架构中应用子系统和通信子系统的微处理器解决方案。p x a 2 5 0 作为x s c a l e 体系中一款主流微处理器，具有以下一些特点【7 】： 采用7 8 级超级流水线； 兼容a r mv 5 t e 指令，支持多媒体处理技术； 各3 2 k b 的i - c a c h e 和d c a c h e ，及各3 2 路的i - m m ut l b 和 d m m ut l b ： 强大的j t a g 调试接口： 丰富的电源管理支持。 d b p x a 2 5 0 开发板的硬件资源非常丰富，以p x a 2 5 0 微处理器为 中心集成了大量的外围设备和各种处理部件，其主要组成部分如图 2 一l 所示吼 图2 - 1d b p x a 2 5 0 开发板硬件结构 动态乜源管理n ：嵌入式l i n u x 系统中的设计0 实现第二章硬件甲台和软件系统 微处理器p x a 2 5 0 和s d r a m 集成在处理器芯片板( p r o c e s s o r c a r d ) 上，这是d b p x a 2 5 0 开发板的核心部件，l c d 、红外、串口、 蓝牙、网口、f l a s h 等外部设备都通过该芯片板与处理器相连。s a 1 1 1 1 是与p x a 2 5 0 配合工作的协处理器芯片，负责p s 2 键盘鼠标、p c 卡、 c f 卡等设备的嵌入与集成。控制芯片p h i l i p su c b l 4 0 0 则为开发板扩 充了音频i o 功能和触摸屏设备。强大的微处理器和众多的外部设备 支持使d b p x a 2 5 0 成为嵌入式系统应用理想的实验开发平台。 2 。3 嵌入式操作系统和l i n u x 随着人们对嵌入式系统应用需求的不断加强，嵌入式系统的体系 结构和系统功能也越来越复杂。微处理器制造工艺的迅猛发展，为嵌 入式系统开发提供了高性能、低功耗的中央处理器和稳定可靠的硬件 架构。类似于台式机桌面应用的开发，嵌入式系统同样需要在软件方 面与硬件发展同步，嵌入式操作系统的出现成为必然。一般说来，面 向嵌入式应用的操作系统应具有以下特点： 代码体积小，适合在嵌入式系统有限的存储空间中运行： 面向应用，方便定制、裁剪和移植： 多任务支持，实时性强，对重要性各不相同的任务进行统筹兼 顾的合理调度，保证系统每个任务都能及时被执行； 可靠性高，能够独立处理各类事件和故障。 伴随着嵌入式系统的发展，一些优秀的嵌入式操作系统纷纷涌 现。美国温德瑞尔( w i n dr i v e r ) 公司一度是这一领域的霸主，其开 发的v x w o r k s 是人们心中的一座丰碑。微软公司的w i n d o w sc e 和 p a l m 公司的p a l mo s 等商品化系统，在掌上设备的嵌入式操作系统 领域占有着相当的市场份额。但这些商业化的操作系统。其高昂的价 格和定制能力的缺乏，使得许多低端应用和特定设备无法使用它们作 为系统的软件平台。另一方面，随着自由软件运动的兴起，l i n u x 继 在桌面系统和服务器领域取得巨大成功之后，在嵌入式领域也获得了 飞速发展，逐渐成为嵌入式系统的研究热点和广泛使用的软件平台。 审_ 碰件卜卉和软件系统动态l u 源管理拒嵌入l i n u x 系统中的垃计o 实现 据统计，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【i 】。l i n u x 之所以能在嵌入式系统市场上取得如 此快的发展，与它自身的优良特性有着不可分割的关系： l 、开放源码，丰富的软件资源； l i n u x 遵循g p l 许可协议，用法律保障了用户免费获得内核源代 码的权利。由于嵌入式系统千差万别，开发者往往需要针对应用特点 对系统进行修改和优化，这时能否获得源代码就至关重要了。l i n u x 的开放性吸引了全世界的程序员为其开发自由软件，使得基于l i n u x 的嵌入式系统可以使用这些丰富的软件资源进行二次开发，从而降低 系统开发成本，缩短产品推出周期。 2 、内核功能强大，效率高，可靠性好； l i n u x 内核的高效和可靠性在各个应用领域，尤其是网络服务器 方面得到了事实。对效率和可靠性要求较高的嵌入式系统来说，l i n u x 也是一个不错的选择。 3 、支持多种体系结构； l i n u x 能支持x 8 6 、a r m 、m i p s 、a l p h a 、s p a r c 等多种体系 结构。目前，l i n u x 已被移植到数十种硬件平台上，几乎所有流行的 c p u 在l i n u x 中都有很好的支持。此外，对于嵌入式系统中使用较多 的没有m m u 的处理器，l i n u x 也有完备的解决方案，也即采用下文 将要介绍的u c l i n u x 作为操作系统。 4 、完善的网络通信、图形和文件系统支持； l i n u x 自产生之日起就与网络密不可分，网络通信功能是l i n u x 内核的一个重要组成部分，各种网络通信协议在l i n u x 内核中都有很 好的支持。图形系统方面，q t e m b e d d e d ( 9 1 、m i n i g u i 、 m i c r o w i n d o w s 等都是基于l i n u x 的嵌入式g u i ，可满足各种不同 的嵌入式系统对图形系统的要求。嵌入式系统较多使用f l a s h 作为 文件的存储设备，嵌入式l i n u x 采用m t d 机制实现了j f f s 2 t 1 2 】、 y a f f s 【l3 1 、c r a m f s 等文件系统，使基于l i n u x 开发的嵌入式系统 具备完善的文件管理功能。 5 、驱动支持丰富，支持大量周边硬件设备： 动态i u 游管理扎嵌入al i n u x 系统中的设计实现 l i n u x 内核中有相当一部分代码是设备驱动程序，支持各种主流 硬件设备和最新硬件技术。随着l i n u x 的广泛应用，许多芯片厂家也 已经开始提供l i n u x 上的驱动，这又进一步促进了l i n u x 在各种硬件 设备上的应用。 6 、可定制，方便裁剪。 用户可在两个层次对l i n u x 内核进行裁剪定制，使之更好地满足 各种嵌入式系统的要求。首先，由于l i n u x 开放源码，并且内核代码 结构性很好，所以用户可直接根据系统需求修改内核代码，对l i n u x 做相应裁剪、定制和优化：其次，l i n u x 提供一种模块机制，用户可 以在编链内核时配置将哪些功能和驱动模块包含在内核中，也可以在 内核运行时动态地加载或卸载相关内核模块。 伴随着l i n u x 在嵌入式领域的广泛应用，世界范围的不少大学、 研究机构、开源组织和知名公司都加入了嵌入式l i n u x 地开发工作， 成熟的嵌入式l i n u x 系统不断涌现。下面我们简单看一下目前使用较 多的一些嵌入式l i n u x 系统： l 、r t - l i n u x 1 4 】 这是由美国新墨西哥理工学院针对嵌入式系统实时性要求开发 的嵌入式l i n u x 系统。r t - l i n u x 并没有重写l i n u x 内核，而是提供了 一个精巧的实时内核，并把原有标准l i n u x 内核作为实时内核的一个 进程同用户的实时进程一起调度。这样做的好处是对l i n u x 内核的改 动最小，容易保证与已有系统的兼容性，充分利用现有的软件资源。 目前，r t - l i n u x 已广泛应用于航天飞机的空间数据采集、科学仪器监 控和电影特技图象处理等领域。 2 、e m b e d i x 【1 5 】 e m b e d i x 是由嵌入式l i n u x 行业主要厂商之一l i n e o 推出的，是 根据嵌入式应用系统的特点重新设计的l i r t u x 发行版本。e m b e d i x 提 供了超过2 5 种的l i n u x 系统服务，包括w e b 服务器等。l i n e o 还推 出了e m b e d i x 的开发调试工具包、基于图形界面的浏览器等。可以说， e m b e d i x 是一种较完整的嵌入式l i n u x 解决方案。 3 、u c l i n u x 【1 6 】 动态i u 源管理z i ：嵌入式l i n u x 系统中的设计1j 实现 u c l i n u x 是一个完全符合g n u g p l 公约的开源项目，英文单词 中u 表示m i c r o ，小的意思，c 表示c o n t r o l ，控制的意思，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“微控制领域中的l i n u x 系统”。它专门针对没有m m u 的c p u 设计，支持m o t o r o l a 公司 d r a g o n b a l l 、c o l d f i r e 系列及a r m 7 t d m i 等多种微处理器，并专为 嵌入式系统做了许多小型化的工作。国内从事u c l i n u x 开发的有合肥 华恒科技【。7 l 等几家公司。 4 、a r m l i n u x 1 8 】 a r m l i n u x 是标准l i n u x 内核在a r m 体系结构上的移植实现， 支持绝大多数a r m 系列微处理器，包括a r m 6 1 0 、a r m 7 1 0 、 a r m 7 2 0 t 、a r m 9 2 0 tc o r e 、s t r o n g a r m x s c a l e 。a r m l i n u x 遵循 g p l 协议完全公开源代码，拥有强大的社区支持，开发者可以方便地 将a r m l i n u x 移植到新的a r m 平台上运行，弗为自己定制的硬件平 台添加相应的设备驱动。开源团体的开发模式使a r m l i n u x 已成功 运行在1 0 0 多种不同的a r m 系列硬件平台上，其中包括本课题所使 用的i n t e ld b p x a 2 5 0 开发板。 2 4a r m l i n u x 系统开发 本文所讨论的动态电源管理就是在i n t e ld b p x a 2 5 0 实验板上基 于a r m l i n u x 内核设计和实现的。下面我们从实验开发环境、内核 的配置与交叉编链、内核映像的装载引导、根文件的挂载四个方面介 绍基于a r m l i n u x 内核的系统开发方法【1 9 1 。 2 4 1 实验开发环境 嵌入式系统开发不同于传统桌面系统应用的开发，系统的特殊性 决定了其开发环境和流程与p c 应用有很大不同。一般来说，嵌入式 系统的软硬件计算资源比较有限，不能像桌面应用那样在系统本地建 立开发调试环境，而是要借助p c 作为宿主机建立交叉开发环境。本 课题所使用的开发环境如图2 - 2 所示： 动态l u 源管理“嵌入l i n u x 系统中的设计i ，实现 目标机( d b p x a 2 5 0 ) 网线宿主机( p c ) a r m l i n u x24 1 8r e dh a tl i n u x7 2 豳2 - 2 实验开发环境 目标机即i n t e ld b p x a 2 5 0 实验开发板，运行2 4 1 8 版a r m l i n u x 内 核。使用一台安装r e dh a t l i n u x7 2 的p c 作为开发宿主机，目标机 通过串口线和网口线与宿主机通信。内核及应用系统都在宿主机上开 发、编译，然后通过串口或局域网将目标代码下载至目标机运行。在 这样的环境下，我们还可以在宿主机上使用g d b 对运行在目标机上 的代码进行远程调试，解决嵌入式系统开发中调试手段缺乏的问题 2 0 1 。 2 4 2 内核的配置与交叉编链 首先我们要获得2 4 1 8 版的标准l i n u x 内核，然后从a r m l i n u x 网站下载版本匹配的针对d b p x a 2 5 0 硬件平台的源码补丁。这个补 丁包括了针对p x a 2 5 0 体系的移植代码和相关外围设备驱动，将该补 丁打到标准l i n u x 内核代码树上就得到了我们所需的a r m l i n u x 源码 树。接下来通过下列命令对a r m l i n u x 内核进行配置： m a k e l u b b o c k _ _ c o n f i g m a k e m e n u c o n f i g 目录a r c h a r m d e f - c o n f i g s 下存放着a r m l i n u x 在各种硬件平台上的配 置文件 2 ，其中，l u b b o c k 就是对应于我们开发板的配置文件。以 l u b b o c k 为前缀运行m a k el u b b o c kc o n f i g 为内核的进一步配置建好相 关目录链接；然后运行m a k em e n u c o n f i g 命令以标准l i n u x 内核的配 黄方式配置a r m l i n u x 内核的功能模块和驱动支持。 配置完成以后，我们就可以使用以下命令编链内核了： 第一章鼬件r 台和软件乐统动态i u 源管j 坐托嵌入止l i n u x 系统中的、啦汁，实现 m a k e d e p m a k ez l m a g e 这个过程与标准l i n u x 内核的编链大致相同，m a k e d e p 检查源文件的 依赖关系，m a k ez i m a g e 真正编链内核映像z i m a g e 。所不同的是，我 们这里的z l m a g e 最终要运行在a r m 平台上，所以要使用x 8 6 到a r m 的交叉编译器。我们从a r m l i n u x 网站下载安装了2 9 5 3 版的g n u 交叉编译工具链，并在m a k e f i l e 中指定使用交叉编译器a r n l 1 i n u x g c c ， 然后再运行m a k ez l m a g e 即可完成内核的交叉编链。成功编链以后， a r c h a r m b o o t 目录下的z l m a g e 文件即为可以在目标机上运行的内核 压缩映像。 2 4 3 内核映像的装载引导 大多数嵌入式系统都需要一个装载引导程序( b o o tl o a d e r ) 负责 系统的初始化和启动工作，a r m l i n u x 也不例外。系统一加电b o o t l o a d e r 首先获得系统控制权，它负责初始化c p u 、r a m 等硬件，并 把内核映像载入r a m ，然后通过c p u 寄存器给内核准备必要的参数， 最后启动内核运行，从而将系统控制权转交给操作系统内剑2 2 1 。 b o o tl o a d e r 是硬件设备上的第一层软件，其实现代码往往与具 体的硬件体系密切相关。d b p x a 2 5 0 上使用较多的b o o tl o a d e r 有： r e d b o o t 2 3 1 、b l o b t 2 4 1 、a r m b o o t 2 5 1 等，其中的a r m b o o t 是一个源于 p p c b o o t 的开源项目，可移植性好，功能完善，已成为a r m 平台上 广泛使用的b o o tl o a d e r 。我们的实验系统也使用a r m b o o t 完成内核 的装载引导工作。此外，电源管理模块中系统的睡眠状态机的唤醒也 是基于a r m b o o t 设计实现的。 a r m b o o t 是我们在开发板上安装的第一个程序。首先，我们在 宿主机上对a r m b o o t 1 1 0 源码进行交叉编译，得到映像a r m b o o t ，这 个过程并不复杂。然后，则是要将a r m b o o t 下载至系统加电后运行第 一条指令的地址0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 处，这是f l a s h 设备的首地址。也即 我们只要将a r m b o o t 下载至目标机f l a s h 的第一段地址就可以使得 动态i 乜源笛埋 嵌入式l i n u x 系统中的啦计1o 实珧 a r m b o o t 正常工作了。这个安装过程又分为两种情况。第一，如果 目标机已经安装了软件系统，则这个安装过程就相对简单了，我们只 要通过软件系统提供的读写f l a s h 的方法安装a r m b o o t 即可；第 二，则是要在“裸机”状态下安装。大多数情况下，硬件厂商都会提 供一种在“裸机”上下载安装一段程序的手段，方便用户在原始状态 的硬件平台上安装软件。与d b p x a 2 5 0 开发板配套，i n t e l 公司提供 给用户一条j 1 a g 电缆和一个j f l a s h 程序用来在“裸机”上安装软件。 我们用j t a g 电缆连接宿主机的并口和开发板的j t a g 调试接口，在 宿主机上运行j f l a s h 程序，就可以将a r m b o o t 映像文件下载至目标机 f l a s h 的指定地址。 a r m b o o t 成功安装并运行以后会通过串口提供个控制操作界 面，我们可以在宿主机上利用它控制目标机完成诸如管理f l a s h 、 程序的下载和执行等工作。内核映像z l m a g e 加载运行的方式主要有 两种，分别用于系统的开发调试阶段和最终产品定型阶段。如果是开 发阶段，我们可以直接通过串口或网络接口将z i m a g e 下载至r a m 指 定地址，然后再用g o 命令跳转到这个地址执行即可：如果内核功能 全部定型以后，我们就可以将z l m a g e 下载至f l a s h ，每次系统启动 以后a r m b o o t 自动将z i m a g e 从f l a s h 加载至r a m 启动运行。 2 4 4 根文件的挂载 根文件是用户空间应用系统的载体，是a r m l i n u x 正常启动运 行的必要保证。我们基于流行的b u b y b o x 2 6 定制的根文件大小虽不足 2 m ，但功能却相当完备，不但包括常用的s h e l l 命令和库文件，还支 持大部分网络功能。b u s y b o x 针对嵌入式系统资源有限的特点定制常 用命令，裁剪其选项支持，为系统提供了一个相当完备的p o s i x 环 境，是嵌入式l i n u x 系统中最流行的根文件解决方案。我们交叉编链 后的可执行文件b u s y b o x 大小不到6 0 0 k 。 有了根文件以后，接下来则要解决内核如何挂载根文件的问题。 我们在系统开发阶段和定型阶段分别采用n f s 和j f f s 2 来组织根文 第一市碰件i ，台和软件系统 动态i 也源管螳 ：嵌入al i n u x 彖缆中垃计。i 实现 件系统，以便内核在启动的最后阶段顺利挂载根文件【2 7 1 。 n f s 是一种非常方便灵活的文件系统，系统可以通过n f s 透明 地使用位于网络上另一台机器上的文件系统。我们将组织好的根文件 目录树安排在宿主机的l m n t l u b b o c k 目录下，然后在a r m l i n u x 内核 启动时通过网络挂载，就可以在开发板上实时地读写位于宿主机上的 文件系统，用户程序根本无需感知文件系统的物理位置。为此，我们 需要在宿主机上配置两个服务：d h c p 和n f s 。配置d h c p 的子协 议b o o t p ，使得目标机在启动时能够获得i p 地址等信息，打通 t c 粥p 协议栈，为n f s 提供网络通道。以下是我们配置完毕的 e t c d h c p d c o n f 文件： a l l o wb o o t p ；使用b o o t p 子协议 s u b n e t2 1 0 2 9 1 7 5 0 n e t m a s k 2 5 5 2 5 5 2 5 5 0 子网地址和子网掩码 d e f a u l t 1 e a s e t i m e1 2 0 9 6 0 0 ； m a x - 1 e a s e t i m e3 1 5 5 7 6 0 0 ； o p t i o n t o u t e r s2 1 02 9 1 7 5 1 ； g r o u p h o s t h o s t h “d w a r ee t h e m e t0 0 ：0 2 ：b 3 ：9 2 ：a 7 ：3 d ； f i x e d a d d r e s s2 1 0 2 9 1 7 5 2 4 1 ： ，网关地址 目标机网卡的m a c 地址 分配给目标机的i p 地址 j 1 n f s 的配置则相对简单，只需在文件e t c e x p o r t s 中作如下配置： r a n t l u b b o c k2 t 0 2 9 1 7 5 2 4 1 ( r w , n o _ r o o t _ s q u a s h ，n o _ a l l _ s q u a s h ) 也即允许客户端2 1 0 2 9 1 7 5 2 4 1 挂载r n n t l u b b o c k 目录。最后，配置 a r m l i n u x 的内核命令行参数： c o n f i gc m d l i n e = ”r o o t = ，d e v ，n f sn f s r o o t = - 2 1 0 2 9 1 7 5 2 4 0 ：r r m l l u b b o e k i p = b o o t p c o n s o l e = t t y s o ，1 1 5 2 0 0 ” 这样，目标机启动时在局域网内广播b o o t p 请求，宿主机 2 1 0 2 9 1 7 5 2 4 0 上的d h c p 服务响应该请求，目标机获得i p 地址 2 l o 2 9 1 7 5 2 4 1 后通过网络挂载宿主机2 1 0 2 9 1 7 5 2 4 0 上m n t l u b b o c k 目录中的内容作为根文件。使用n f s 作为根文件是嵌入式l i n u x 系 统开发阶段很常用的方式，在目标机运行过程当中，开发人员可以直 接在宿主机上操作根文件系统中的文件，从而避免了繁琐的文件下载 动态i u 源管螳“嵌入止l i n u x 系统中的设计。j 实现 过程。 系统定型以后目标机要独立于宿主机运行，根文件通常组织在 f l a s h 设备中，l i n u x 基于m t d 驱动机制在f l a s h 设备上实现了 y a f f s 、j f f s 2 等文件系统。其中，y a f f s 是针对n a n df l a s h 设 计实现的；j f f s 2 则同时支持n o rf l a s h 和n a n df l a s h 。 d b p x a 2 5 0 配备了两块3 2 m 的n o rf l a s h ，我们在0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 处 的b o o tr o mf l a s h 中安装了b o o tl o a d e r ( a r m b o o t ) 、k e r n e l ( z l m a g e ) 和f i l e s y s t e m ( j f f s 2 ) 三部分内容，其分区结构如图2 3 所示【2 8 】。 s t a t i cs t r u c tr n t d _ p a r t i t i o nl u b b o c k _ p a r t i t i o n s = n a m e ： “b o o t l o a d e ( s i z e ：o x 0 0 0 4 0 0 0 0 o f f