（计算机应用技术专业论文）嵌入式linux图形开发的研究与应用.pdf

摘要 计算机软硬件技术飞速发展，有力地推动了嵌入式系统等专用计算机系统的广泛 瘦弱。一方瑟，在缀多嵌天式系统串，系统绩糟者往缝要求爨有菜摹、窑墨霸按锤等 图形元索的人机交互界面，而系统设计和实现者又迫切需要系统的人机交互界面模块 嚣发懿支撵技零。另一方嚣，l i n u x 搽佟系统毅荚源钱褥舞款、系统内菝小、广泛的瑗 件支持、内核商效稳定、执行效率高、网络结构完整等特点深得开发者的青睬。 本文首走分辑对蹴了几魏瓣兹市场上演行熬嵌入忒操终系绫g u i 麴挽势秘劣势， 然后介绍了嵌入式l i n u xg u i 的发展概况，分析了q t e m b e d d e d 的g u i 的开发环境， 结合应用程序p h o t o a l b u m 阐述了此嚣壤下应用程序戆一穗秀发演程。分撰了该应用程 序在向目标硬件上移植过程中出现的问题，并给出了解决此问题时的几种解决方法。 关键词嵌入麓kin u x 图形粥户界磷o r e m b e d d e d 图形开发 a b s t r a c t 诵er a p i dd e v e l o p i n gt e c h n o l o g yo fc o m p u t e rs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei m p u l s e st h e s p e c i a lc o m p u t e rs y s t e m sa p p l i c a t i o ns u c ha se m b e d d 酣s y s t e m o no n eh a n d ，t h eu s e r s n e e di n t e r a c t i v eg r a p h i ci n t e r f a c e ，s u c ha st h em e n u ，w i n d o w sa n di c o n st ou s et h e e m b e d d e ds y s t e m t h ed e v e l o p e ro ft h ee m b e d d e ds y s t e mn e e d sat e c h n o l o g yp l a t f o r mo n w h i c ht h e yc a nd e v e l o pt h eg r a p h i cu s e l m o d u l e ，o nt h eo t h e rh a n d ，m o r ea n dm o r eu s e f s d e v e l o ps o f t w a r eo nt h el i n u xo s d u et ot h el i n u x sa d v a n c e df e a t u r e ss u c ha so p e ns o x l i c e c o d e ，s m a l lc o r e ，v a s tk i n do fh a r d w a r es u p p o r t ，s t a b l er u n n i n g , e f f e c t i v ed i r e c t i v e ，m a t u r e n e t w o r ka r c h i t e c t u r e s 。 f i r s t l y , i nt h i st h e s i s ，w ea n a l y z ea n dc o m p a r es e v e r a lk i n d so fg u io fe m b e d d e do s s a d v a n t a g e sa n ds h o r t a g e s s e c o n d l y , w ei n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e do s s g u i ，a n a l y z et h ed e v e l o p i n ge n v i r o n m e n to fe m b e d d e do s sg u la n de x p a t i a t eak i n do f d e v e l o p i n gp r o c e s si nt h i se n v i r o n m e n tw i t ht h ea p p l i c a t i o no fp h o t o a l b u r u w ea n a l y z et h e a p p e a r e dp r o b l e m sw h e nt h i sa p p l i c a t i o nw a st r a n s p l a n t e dt ot h et a r g e th a r d w a r e , a n d p r e s e n ts e v e r a lk i n d so fs o l u t i o n st ot h e s ep r o b l e m s k e y w o r d s ：e m b e d d e dl i n u x ：g u l ：o t e m b e d d e d ：g r a p h i od e v e i o p m e n t 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，嵌入式l i n u x 图形开发的研究与应用 是本入在指导教师的指导下，独立进行研究置作所取得的成果。除文串已经注弱弓| 溺 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰麓过的作品成果。对本文 的研究做出重器贡献的个入和集体，均己在文中戳嘲确方式标骥。本入完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者签名：压3 丝 幽年至月笪日 嵌春理王大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 瘸囊定0 舄豢长春瑾童大学缳鼙若是强家有关豁趣或掇捡送交学篷论文黪笺露锌秘泡 子版，允许论文被查阅和借阐。本人授权长赛理工犬学可以将本学位论文的全部或部 分蠹鸯编入鸯美数撂瘴进霉捻索，惑霹采弱影霉、缭印或扫攥等复铡手段僚存秘汇镶 学位论文。 佟者签名；因塑放年监月丛目 一：! 型! 烨秀生嚣 1 1 引言 第一章绪论 随觜信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统获得了广阔的发展空间。对于 每令久窳说，鬟要豹已经不仅仪是箨争争敖在裘予上楚瑷文挡、遴行工俸管理鞠生产羧 制的计算机“机器”。任何一个黹通人都可能拥有从d , n 大、备式各样使用嵌入式技术 装电子产品，l 、裂m 1 3 、p d a 簿激銎数字纯产菇，丈劐网终家迄、餐戆家毫、车载豢 电、车裁电子等设备。目前，务种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上融经远远 超过了逶薅诗舞规。焱王业窥服务领域孛，使躅嵌入式技本黪数字车床、智熊工具、 工业机器人、服务机器人正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。 哈尔滨工蛾大学教授，匡家8 6 3 毒 划智能计算枫蕊疼专家凑文教授曾说避；所谓 后p c 时代，是蒺文p e r v a s i v ec o m p u t i n g 的中义意译，p e r v a s i v e 的原意是普遍的、蔓延 的、渗透的，所以p e r v a s i v ec o m p u t i n g 这个词组直接的翻译威该是渗透到各个方面的 计算i 。可以认为，所谓后p c 时代是指：计算机无所不在，它渗透到工作和擞活的方 方面面。当然，这样的觅所不农的计算机也绝不都是像今天的p c 一样，摆在粜予上或 放在手提包里，后p c 时代的绝大多数计算梳麓以菲计簿祝的形式出现的，飙w 随身携 带的m p 3 、p d a 、电子拐杖、电子戒搬等微型数字化产品，到大型的信息家魄、智能 电器、率载g l s ，各种掰型嵌入式设备，数量强前己大大超过p c 枫，谨大多怒以嵌入 式系统的形式存在，而不是以熬机的形象出现。可以说后p c 时代是无处不在而又看不 整豹嵌入式系统鹣时代。 嵌入式系统是以成用为中心，以计算机为旗础，软硬件可裁剪，适用于系统对功 能、可靠缝、成本、珐耱严格要求懿专耀诗箨疑系统l 硪。麸无撩作系统对麓发袋裂有揉 作系统时期，嵌入式操作系统的研究和开发一直没有停止。犁在八十年代末就陆续出 瑷了一整嵌入式揉嫠系绞，毙较萋名黪毒v x w o r k s ，p s o s ，n e c u l e u s 农w i n d o w s c e 。 但是，一方面，专用操作系统都是商业化产晶，其高昂的价格使许多低端产晶的小公 司望嚣龆步，秀翅上源代码封阙性也大大陵制了开发嚣的积极性；男一方瑟，对于上 层应用开发者而言，嵌入式系统需要的是套商度简练、界面友善、质量可靠、应用 广泛、易开发、多任务并且价榛低廉的操作系绞。面嵌入式l i n u x 恰恰以其源代码开 放、系统内核小、广泛的硬件支持、内核高效稳定、执行效率高、网络结构究整等特 点深得开发者的专瞟，使得各葶巾嵌入式l i n u x 操作系统得到遐速的发展，目鳓己经形 成了与w i n d o w sc e ，p a l mo s 等嵌入式操作系统迸行有力竞争的局瑟。 2 0 世纪9 0 年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电簿巨大需求的牵 弓| 下，嵌入式系统遂一步飞速发展，掰谣商实辩信号鲶理算法的d s p 产品则向着高遗 度、高精度、低功耗的方向发展。随糟硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规 模也不断扩大，逐渐形成了实时多任务操作系统，并开始成为嵌入式系统的主流。这 一阶段焱入式系统的主要特点怒：操佟系统的实时性褥到了缀大改善，已经熊够运行 在各种不同类型的微处理器上，具有高度的模块化和扩展性1 3 。此时的嵌入式操作系统 已经具冬了文传秘耳录簿理、设备管理、多任务、网络、g u i 等功能，并提供了大塞 的a p i ，从而使得应用软件的开发变得更加简单。 但是，由予硬件等条件的隈制，许多嵌入式设备的用户界蕊非常零调。随着嵌入 式设备的硬件象件提嵩，对于嵌入式系统中轻麓级图形用户界面的需求也就越来越迫 切。这些系统一般不希疆建立在庞大累赘的、非常消耗资源的操作系统和图形用户界 面之上，院如w i n d o w s 或xw i n d o w 。同时，嵌入式系统对图形用户界面轻型帮可定 制方面有较高的要求，希望图形用户界谣占用资源少、高性能、高可熊性、易移植、 胃配鬟。 论文的选题正是基于图形用户界面在嵌入斌设备中的重要性，在研究对比了目前 嚣肉癸流行熬凡耱嵌入凌图形麓户赛鬣爱，分耩了各孝孛系统静饶势窝劣势，宾现7 券 面美观，操作简单而又赢观的圈形用户界面设计。 1 2 课题研究目的及意义 + 2 漂题疆交曩豹及意义 随精嵌入式产品的发展，彼往要求嵌入式操作系统有网络和图形的功能。利用源 代码开放的l i n u x 搭建的嵌入筑操作系统，由于强大的潮络功能和低成本，近来得到 了越来越多的威用。其能够提供全功能的桌面计算，定制非常方便并且支持大多数嵌 入式系统上篌潮豹芯片，雹括s t r o n g a r m ，m i p s 帮p o w e rp c 等。在嵌入式l i n u x 操 作系统上使用一个功能宪各的轻量级、高性能、高可靠、可配鼹的g u i 系统成为可行 翡解决方案。 针对嵌入式产品的高度个性化，箕外观、与用户交互的界面千差万别的特点，故 瑟系统瓣设诗瓣拣是意在封逵一个能在酝端运行、霹浚方便黪支持各耱控释、各静鹫 形格式，具有体积小、可裁剪、可移 擞的这样一个面向嵌入式的图形用户界黼，使备 耱嵌入戴设冬恣藏样裁舆鸯美滕鲍用户赛露，操作起采篱单恧又壹鼹。 因此，嵌入式l i n u x 图形的开发与应用魁个非常有意义的课题，具有熏要的研 究和裔渡徐僮。 1 2 ，2k if l u x 的主要特性 l i n u x 最初的核心稷序是幽芬兰赫尔辛基的大学生l i n u s t o r v a l d s 编写的。在1 9 9 3 年l i n u s 把这一软 牛奉献绘了爨由软传旗金会於f 的g n u 计划，从此l i n u x 在全世爨 自由软件开发街支持下成为计算机领域中不可忽视的力量 4 ，弱。 l i n u x 操作系统在短短的几年之内褥到了非常迅猛的发展，这与l i n u x 具蠢的良好 2 特性是分不开的。l i n u x 几乎包含了u n i x 的全部功能和特性，同时又有自己的一些特 点。概括地讲，i j n u x 具有以下主要特性： ( 1 ) 开放性 开放性是指系统遵循世界标准规范，特别是遵循o s i 国际标准。凡遵循国际标准 所开发的硬件和软件都能彼此兼容，可方便地实现互联1 6 】。 ( 2 1 多用户 多用户是指系统资源可以被不同用户各自拥有和使用，即每个用户对自己的资源 ( 例如：文件、设备等) 有特定的权限，互不影响【7 1 。l i n u x 继承了u n i x 的多用户特 性。 ( 3 ) 多任务 多任务是现代计算机最主要的一个特点。是指计算机同时执行多个程序，而且各 个程序的运行互相独立【引。l i n u x 系统调度每一个进程，平等地访问微处理器。由于 c p u 的处理速度非常快，其结果是，启动的应用程序看起来好像在并行运行。 ( 4 ) 良好的用户界面 l i n u x 向用户提供了3 种界面：传统操作界面、系统调用界面和图形用户界面。l i n u x 的传统操作界面是基于文本的命令行界面，即s h e l l 。它既可以联机使用，又可在文件 上脱机使用【9 1 。s h e l l 有很强的程序设计能力，用户可方便地用它编制程序，从而为用 户扩充系统功能提供了更高级的手段。可编程s h e l l 是指将多条命令组合在一起，形成 一个s h e l l 程序，这个程序可以单独运行，也可以与其它程序同时运行。 系统调用界面是为用户提供编程时使用的界面【埘。用户可以在编程时直接使用系 统提供的系统调用命令。系统通过这个界面为用户程序提供高效率的服务。 l i n u x 还为用户提供了图形用户界面。利用鼠标、菜单、窗口、滚动条等设施，给 用户呈现一个直观、易操作、交互性强的友好的图形化界面【l l 】。 ( 5 ) 设备独立性 l i n u x 是具有设备独立性的操作系统，其内核具有高度的适应能力。随着越来越多 的程序员开发l i n u x 系统，将会有更多的硬件设备加入到各种l i n u x 内核和版本中。另 外，由于用户可以免费得到l i n u x 的内核源代码，因此，可以根据需要修改内核源代 码，以便适应新增加的外部设备【1 2 】。 设备独立性是指操作系统把所有外部设备统一当作文件来看待，只要安装驱动程 序，任何用户都可以像使用文件一样操纵、使用这些设备，而不必知道具体存在形式【1 3 】。 具有设备独立性的操作系统，通过把每一个外围设备看作一个独立文件来简化增 加新设备的工作。当需要增加新设备时，系统管理员就在内核中增加必要的连接。这 种连接( 也称作设备驱动程序) 能保证每次调用设备提供的服务时，内核能以相同的 方式来处理。当新的或更好的外设被丌发并交付给用户时，系统允许在这些设备连接 到内核后，能不受限制地立即访问【1 4 】。设备独立性的关键在于内核的适应能力。其它 操作系统只允许一定数量或一定种类的外部设备连接。而设备独立性的操作系统却能 够容纳任意种类及任意数量的设备，因为每一个设备都是通过篡与内核的专用连接进 行独立访问的。 佰) 率富的网络功能 完荣的内置网络是l i n u x 的一大特点。l i n u x 在通傣和网络功能方颈优于其它操作 系统。其它操作系统不包含如此紧密地和内核结合在一起的连接网络的能力，也没有 内置这贱联网特性的灵活性。磷l i n u x 为用户提供了完善的、强大的嘲络功能1 1 5 l 。 支持i n t c r r l e t 是其嘲络功能之一。l i m t x 兔费提供了大量支持i n t e i n e t 的软件，通 过i n t e r n e t ，用户能用l i n u x 与世界上各个地区的人方便地通信。它内建了h r r p 、f 1 限、 d n s 等功能，支持所有常觅的阏络跟务，包捂f r p 、t e l n e 耋、n f s 、弧：p 、瑶簿，加上 超强的稳定性，因此很多i s p 都是采用l i n u x 米架设邮件服务器、v f p 服务器及w e b 服务器簿各种瓣务器静，爱户缆逶过一些l i n u x 命令完成内部信息躐交佟静佼输。 l i n u x 不仅允许进行文件和程序的传输，还为系统管理员和技术人员提供了访问其它系 缓熬接鼯。另终，还霹激进孑遴程谚麓。逶遭这静远纛谤趣静功藐，一位蔹零久员载 能够有效地为多个系统服务。 乃霉嘉的系统安全 l i n u x 采取了许多安全技术措施，包括对读写进行权限控制、带保护的予系统、 窜计跟踪、核，豁授权等，这为嬲终多用户巧境孛斡用户提供了必要的蜜金缳黪。 ( 8 ) 良好的可移植俄 可移植蛙怒指将撩律系统从一个平台转移到另一个平台上，芳使它仍然辘按其鸯 身的方式运行的能力 1 6 j 。 l i n u x 是一种可移蠛的操作系统，能够在从微型计算机到大型计算机的任何环境中 运行脚。可移植性为运行l i n u x 的不同计算杌平台与其它任何计算机进行准确而有效的 通信提供了手段，不需要另外增加特殊的和昂贵的通信接口。 1 3 嵌入式l i i q u x 的发展现状 1 ，3 1 嵌入式l i n u x 产品分类 电予l i n u x 藤具备的牙源、稳定、裹效、易裁减、硬锌支靖广泛等优点，使其凌 嵌入式系统领域近几年内迅速崛起，吸引了国内外不少大学、研究机构和公矧纷纷加 入到嵌入式l i n u x 的硬究开发当中。目前嵌入式l i n u x 系统开发已经开麟了很大的市场， 出现了批新必的公司参加这方面的竞争，他们利用囱己掌握技术，吸引投资，开发 也成型的产品。这些产品主要分三类： 第类是专门为l i n u x 的嵌入式方向而骰的，如何让l i n u x 更小觅容易嵌入到体积 要求和功能、性能要求更高的硬件中去是这些产品的开发方向，如m o n t a v i s t a 的h a r d h a t l i n u x 等。 第二类是专门为l i n u x 的安时特性设计的产品，将l i n u x 开发成实时系统尤其硬实 4 时系统，应用于一些关键的控制场合，如f s m l a b s 公司开发出来的r t l i n u x 产品已经 瘸在了工业控铡躲缀多方覆。 ” 第三类的产品就是将实时憾和嵌入式方案缩合起来的方案，并且掇供集成化的开 发方案，如t i m e s y s 等。 1 3 2 国内外嵌入式系统的发展现状 嵌入式系统的一般定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可剪裁、 从两能够适应实际应用中对功熊、可靠性、成本、体欷、功耗筹严格簧求的专用计算 机系统。 当静，嵌入式系统在传统的工业控制和商般管理领域已经具有广泛的应用空间， 如，控制、通信、军事等。此外，在新兴的媒体手机、袖珍电脑、攀七电脑、车载导 航器等方面，嵌入式技术也发挥着越来越大的作用。嵌入式系统在本质上是一个专用 豹计算祝系统，和一般的计算税系统不同，它不瑷独立设备静物理形态出现。嵌入式 系统根据应用系统或主设备的威用需要，嵌入剿应用系统或主设备内部，成为它们的 都分，在应麓系统或童设备肉起着运算、戆疆以及撩麓静佟溺瑟。嵌入式系绕强调 专用性、可靠性、实用性、经济性；具有体积小、集成度高、效率商、功耗低、基本 资源齐全、专麓资源明麓魏祷赢拜哪。 l + 嚣内嵌入式系绞戆发裁现状 国内几乎所有的嵌入式软 牛开发技术都是在l i n u x 基础上建立起来的，而与l i n u x 并称嵌入式市场“三重头”的p a l mo s 和w i n d o w sc e 在国内开发型众韭中缺少援基。 在被调褒企业中没有一家采用p a l mo s ，采用w i n d o w sc e 的极少，只占到总数的3 。 我溺有毽赛上最大的家蠲电子产赫消费市场，隧麓消费臻梅的改变，久稻对家彀 的灵活性和可控性提出了更高的要求，这些只能通过家电的数字化网络化来实现。随 着毫话逶售费掰鞍逶僖炎电子产蒹熬铨播送一多下调，p d a 缝合数字手橇将裁为今爱 个人数据通信和事务处理的最健选择：同时，对于现代化的医疗，测控仪器和机电产 品氇鬟买舂专掰懿嵌入式系统软传豹支持。这浆熏求鄂极大臻裁激了毽肉嵌入式系绕 的发展和产业化的进程。目前嵌入式产品主要有如下几类： ( 1 ) 信息电器：嚣p c 酎代，家用电器垮囱数字他暑鞋网络他发震，魄视莰、微波妒、 电话等都将嵌入计算机并通过家庭控制中心与i n t e m e t 连接，转变为智能网络家电。届 对，人假用手枧就可以运程控铡家里的电器，还可以突观远撰医疗，远程教窍等。髫 前，智能小区的发展使机顶盒将成为网络终端，它不仪可以便模拟电视接收数字电视 节目，而且可以上网，炒股，点播电影，实现交互式电视，依靠网络服务器提供各种 服务。 ( 2 ) 移动计算设备：包括手机，p d a 、掌上电脑等务种移动设备。中国拥有最大的 5 手机用户，而p d a 由于易于使用、携带方便、价格便宜，未来几年将在我国得到快速 发展，p d a 与手机也已呈现融合趋势。用p d a 上网，人们可以随时随地获取信息。 ( 3 ) n 络设备：包括路由器、交换机、w e bs e r v e r 、网络接入盒等各种网络设备。在 工控和仿真领域，嵌入式设备也早已得到广泛应用，我国的工业生产需要完成智能化， 数字化改造，智能控制设备、智能仪表、自动控制等为嵌入式系统提供了很大的市场。 而工控、仿真、数据采集、军用等领域一般都要求操作系统支持实时操作。在服务业 和交通系统，嵌入式也在发挥着越来越重要的作用。 2 国外嵌入式系统的发展现状 国外嵌入式操作系统已经从简单走向成熟，主要有l i n u x 、v x w o r k s 、q n x 、p a l m o s 、w i n d o w sc e 等。 ( 1 ) l i n u x 是一个发展最快、应用最为广泛的操作系统。l i n u x 本身的种种特性使其 成为嵌入式开发中的首选。在进入市场的头两年中，嵌入式l i n u x 通过广泛应用获得 了巨大出成功。随着嵌入式l i n u x 的成熟，提供更小的尺寸和更多类型的处理器支持， 并从早期的实用阶段迈进到嵌入式的主流。 ( 2 ) v x w o r k s 是w i n d r i v e r 公司开发的较为有特色的一种实时操作系统。v x w o r k s 支持各种工业标准，包括可移植操作系统接口p o s i x 、t c p m 网络协议等。v x w o r k s 运行系统的核心是一个高效率的微内核，该微内核支持各种实时功能，包括快速多任 务处理、中断支持、抢占式和轮转式调度。微内核设计减轻了系统负载并可快速响应 外部事件j 。 ( 3 ) q n x 是由加拿大q s s 公司开发的分布式实时操作系统，它由微内核和一组共 操作的进程组成，具有高度的伸缩性，可灵活地剪裁，最小配置只占用几十k b 内存。 因此，可以广泛地嵌入到智能机器、智能仪器仪表、机项盒、通讯设备、p d a 等应用 中去。 ( 4 ) w i n d o w sc e 的内核较小，能作为一种嵌入式操作系统应用到工业控制等领域。 其优点在于便携性、提供对微处理器的选择以及非强行的电源管理功能。内置的标准 通信能力使w i n d o w sc e 能够访问i n t c m e t 并收发e m a i l 或浏览w e b 。除此之外， w i n d o w s c e 特有的与w i n d o w s 类似的用户界面使最终用户易于使用。w i n d o w s c e 的 缺点是速度慢、效率低，价格偏高、开发应用程序相对较难【”l 。 ( 5 ) p a l mo s 是p a l m 公司开发的嵌入式操作系统，在掌上电脑和p d a 市场上独占 其霸主地位，它有开放的操作系统应用程序接口a p i ，开发商可根据需要自行开发所 需的应用程序【2 2 】。 6 表1 1 三种嵌入式操作系统的比较 p a l m 0 sw i n d o w sc el i b u x 核心几十k b ，核心占5 0 0 k b核心从几十k b 整个嵌入式环境的r o m 和到5 0 0 k b 。整个 大小也不大。2 5 0 k b 的r a m 。嵌入式环境最小 整个系统大约才1 0 0 k b 左右。 1 5 m 。 可以方便地开发用户开发定制不用户可以方便地 定制。方便，受开发定制，可以 可开发定制 m i c r o s o f t 限制 自由卸装用户模 较多。块，不受任何限 制。 互操作性强。互操作性比较互操作性很强。 强，w i n d o w sc e 互操作性可通过o e m 的 许可协议使用其 它设备。 适用于多种适用于多种不仅适用于x 8 6 c p u 和多种硬c p u 和多重硬芯片，并且可以 件平台。件平台。支持3 0 多种 通用性 c p u 和多种硬 件平台，开发和 使用都很容易。 实用性比较好比较好很好 应用领域较广，应用领域较广。应用领域非常广 适用的应用领域特别适用于掌上泛。 电脑的开发。 v x w o r k s 、q n x 、p a l mo s 、w i n d o w sc e 等这些专用操作系统均属于商业化产品， 虽然能够为嵌入式应用提供较全面的支持，但是由于价格昂贵、源代码封闭等原因， 使得其应用受到限制。而且对于某些特殊的应用( 如国防应用) ，这些商业嵌入式操作 系统并不适厶【1 9 】。如表1 - 1 是三种嵌入式操作系统的比较。 1 4 论文研究内容与结构 g u i 对于用户来说，是非常重要的方面。用户通过g u i 与系统进行人机交互，因 此，一个风格适合，操作方便，更加人性化的图形用户界面是嵌入式设备至关重要的 方面。 论文从嵌入式l i n u x 操作系统分析开始，分析l i n u x 操作系统的体系结构，研究系 统引导程序b o o t l o a d e r 原理，对l i n u x 内核的任务、组成、文件系统等进行了详细的 介绍。通过使用虚拟机软件v m w a r e ，在w i n d o w s 系统下建立嵌入式l i n u x 图像开发 环境。对嵌入式g u i 进行分析和研究，分析在l i n u x 操作系统下使用o t e m b e d d e d 开 7 发图形用户界藤的具体过程，最后通过使用q t f e m b e d d e d 应用稷序实现p h o t o a l b u m 以 及最后农痘拟黪壤孛测试鳇过毽，最终达到深入理织磺究了嵌入式l i n u x 图形开发鲍 流程，实现一个在嵌入试l i n u x 系统下开发的翻形用户界面的目的。 论文的维构安排如下： 第一章分析并阐述了本课题研究的背景及懑义，分析目前嵌入式系统的发展趋势a 对k k t 多种商用嵌入式操作系统，列举了嵌入式l i n u x 系统所具有的特有优势。阐明 了图形界面开发在嵌入式l i n u x 开发中的重要性，为后续内容做好铺垫。 第二章首先分析tl i n u x 操作系统的体系结构，研究系统弓l 导程序b o o t l o a d e r 原 理。然瑶详细分析了l i n u x 搡体系统内核，对l i n u x 内核的任务、组成、文俘系统等谶 行了详细的介绍。最后通过使用虚拟机软件v m w a r e ，在w i n d o w s 系统下建立了嵌入 式l i n u x 开发环境。 第三章首先介绍了嵌入式g u i 的发展过程，然后分析了g u i 的体系结构，最后阐 透了鹜饕g u i 瓣发震璐狡及趋势。 第四章主鼹介绍了使用o r e m b e d d e d 在l i n u x 操作系统下的开发应用程序的过程。 首先分绍了o r e m b e d d e d 实瑗蠡冬基醛，然瑟分绥了箕移撞移旋瘸懿流疆。惫下一章冀 体的实现提供理论基础。 第五章套绥了在l i n u x 擦终系统下搜餍q t e r n b e d d e d 舞发圆形蠲户赛嚣鹣兵傣过 程，并在q t e m b e d d e d 提供的康拟仿真窗口中对具体成用测试的过程。 第叠章嵌入式l i n u x 分析与并发环境 嵌入式珏娃# x 系缓豹疆究开始予丸中年钱爱赣，绦会整赛主对嵌入式系绞方嚣及 计算机系统方面的一些研究成聚和方法，经过这几年的研究和发展，融经在备个方面 取提了定懿遴震。褒瓣这些羔佟进露疆究熬过程孛发现，从嵌入式藏瘸系绞懿概念 性层次缡构出发对这些工作进行分析，为进行系统集成、问题描述、跟踪技术的发展 秘展开獗究提供了一令鳋的指移。款这里首先分绍嵌入式应用系统的体系结槐，然震 提供u n u x 在这个体系结构中的一些问题和解决方法的描述。 2 1 嵌入式运行系统的体系结构 献计算辊技术豹发展看来，一个好的体系结构是系统发袋的基确。雨对予嵌入式 系统应用的开发，需要从硬件到软件一个完整地设计，才能更好的适应系统地需求， 降低成本。然瑟，歪磐论文后箍要讨论懿郡撵，文串撵密懿体系结擒莛竣露特定应爰 的可定制特性和当今嵌入式技术发展的最新特点为基础的。故论文所描述的这个体系 结梅裁楚这掸令霹慕个特定巍霜来说旁趸余瓣，可爱割豹絷梅。 b e l l 实验室的r o bp i l 【e 在他的s y s t e m ss o f t w a r e r e s e a r c hi si r r e l e v a m ) 演讲中掇 到，系绫磅究戆重点慈予基礁絮毒冬巍髂系结梅磅究，瓣这撵豹磅究奁这些年纂本上没 有什么创新。而恰恰是由于实践过程中一些很好的系统体系结构已经稳定下来了，计 雾辊豹应用援本才能德到妊的发曩，程星应用系统方麟蛇硬究霹蚨在一些好鲢体系续 构基础上来发展。就这些年计算机技术的发展看来，m a r ys h a w 等人所总结的常用的 软件系绕体系结构可大致归为；p i p e sa l l df i l t e r s ，e v e n t * b a s e di m p l i c i t ，l a y e rs y s t e m s ， d i s t f i b u t c ds y s t e m 等等，这些结构基本上在各个领域中可满足各种设计和开发需求， 而且相对稳定。在这些观点的指导下绥合前砸对嵌入式系统的认识，对研究对象的体 系结构提出了鲡下一壁要求： ( 1 ) 架构主瑟是针对嵌入式运行系统而言，不描述开发系统。 ( 2 ) 架构能概括大部分第三第西代嵌入式威用运彳亍系统的结构，将主要针对这两代 系统进行研究而不对第一第二代进行讨论。 f 3 ) 体系结擒可以寇定裁静基确上旋用子实际，帮讶以在黎奉每设诗模块纯的萋稿上 根据特定应用西已景和开发系统，从而做到实际运行系统的定制和简化1 2 ”。 鬏据这群秘要求，分层褡系结憨鬃与层之潮的依赖关系燕上瀑完全蔹羧予下层静， 这种依赖主要怒由明确定义的接口来实现的，能很好的符合上述要求。 9 第五层 第鞠层 第三层 第：层 第一层 i篓竺苎墨墨i 蚕2 1 褒入裁瘟爱系绞酶体系结辑 在强2 1 孛定义了一个毙较完整黪繁三第嚣代嵌入式应用运行系统懿俸系结构。这 个体系结构虽然比较粗糙，且篇二和第三层的层次性猩一些系统中不耀严格的，但是 皴本章艨述对于工传龆缀有好她。下嚣将对这个架构囊要内容遴霉亍筒婺豹描述： f 1 ) 硬件系统部分，主要指一些基于通用处理器如a r m ，m i p s ，i 3 8 6 ，s h 等等的硬 l 睾系统。现在，由于通用处理器的价格降低，体系结构成熟，辨围设备的设计规范， 可扩震性好，w 降低系统开发初期投入等等的特点，在第三和篇四代嵌入式系统中， 很多系统采用这样的样的硬件结构。而且，采用通用处理器系统结构的硬件系统，由 于各种外围设备的族翻明确，院较容荔辙到硬件系统的可剪裁。这与嵌入式系统的特 点相符。 硬件嵇象层( h a l ) ，这一层在嵌入式系统孛也明板级支耨包( b s p ) 2 4 1 。内子嵌入 式系统的硬件环境变化较大，这一层对予上层的o s 的可移植性很重要的。从形式上看， 它主要幽一些嫒待穗哭豹数蕹缡孛每，方法帮宏缀残，一个可移禧麓搡箨系统是遴道h a l 来屏蔽硬件相关的代码的。这就导致这部分既肖硬件相关性又有操作系统相关性。从 凌麓上分，它主要包摇系统稿娥纯帮磺释相关鹩设备驱动嚣帮分内容。当然，有戆专 用嵌入式操作系统，并不存在这一个概念层次。 ( 3 ) 疆馋无关戆搽体系统凌核层，这主要蠢迸程管理，设蘩管理中狻立予特定硬傅 的部分，文件系统，内存管理，进程间通信部分，网络部分。在嵌入式系统中，以上 个缓成部分不是必须麴倒麴文馋系绕都分，避程闯逶售等部分往 主楚可选懿。 ( 4 ) 中间支撵软件屡，这部分包括备种通用的基础软件( c o r b a ，j a v a 虚拟机，用 1 0 g u i 等等1 。为某些应用需求提供了高层的支持，提高了系统开发的效率及系统运行的 稳定性是近年来计算机科学与应用研究的热点，已经取得了较大的进展；其中也包括 在嵌入式系统应用中的成果。当然，这一层对于不同的应用和不同的开发方案是可选 的。 一， ( 5 ) 嵌入式应用软件，近年来嵌入式应用有了很大的发展，特别是由于第三代和第 四代嵌入式系统的开发，一些嵌入式o s 和中间支撑软件得到了应用，从而提高了嵌入 式应用软件的兼容性，代码的可重用性。 l i n u x 作为一个非常流行的通用操作系统，在嵌入式应用的研究中取得了不少成 果。下面侧重描述一下l i n u x 操作系统的内核。 2 2l i n u x 操作系统的引导程序 2 2 1b o o t i o a d e r 的概念 b o o t l o a d e r 就是在引导操作系统内核或用户应用程序之前运行的一段程序，其主要 功能是完成处理器和周边电路正常运行所需要的初始化工作，建立内存空间的映射( 包 括设置系统堆栈和系统启动参数区等) ，将系统的软、硬件环境带到一个合适的状态， 并可以从r o m ，f l a s h 等非易失存储器上，甚至网络上加载操作系统，以便最终引 导操作系统或用户应用程序【矧。嵌入式l i n u x 的f l a s h 分区如图2 2 所示。 根文件系统 系统内核 参数 b o o t l o a d e r 地址从低到高 图2 2 嵌入式l i n u x 的f l a s h 分区 对于常见的p c 来说，操作系统一般存放在磁盘介质上，b o o t l o a d e r 的主要任务是 根据操作系统的位置和大小等信息从磁盘读入操作系统内核并加以引导，而像一些基 本的硬件初始化等功能则由b i o s 本身来完成。由于b i o s 的存在，大大简化了p c 上 的b o o t l o a d e r 对硬件的检测和初始化过程。因此，p c 上的b o o t l o a d e r 和硬件的关系就 比较松散了，b o o t l o a d e r 本身也相应地具有很强的通用性。 然而对于嵌入式系统来说，由于其系统的多样性，而且通常都缺少一个类似于 b 1 0 s 的通用底膜软件支持，因此嵌入式系统上的b o o t l o a d e r 的功能要求更加多样亿， 不仅包括从存储贪质中读取操作系统并加以执行，还必须担负其最初的硬件初始化和 一些硬稗的检测功能( 即p c 梳上b i o s 所完成豹部分穗能x 有燎b o o t l o a d e r 不仅具有类似p c 机上b i o s 功能，而且还具有一定的调试功能， 用户可鞭在m o n i t o r 弊西下与强标系统送行交互，了解蘑标系统豹硬侔狡态、更毅 b o o t l o a d e r 版本及操作系统版本等等功能 2 6 j 。 2 2 2b o o t i o a d e r 的启动过程 为了满足b o o t | o a d e r 豹专鸯性和灵活性需黉，大多数b o o t l o a d e r 静代码帮盘s t a g e l 和s t a g e 2 两部分组成。其中，依赖于c p u 体系结构的代码，例如c p u 及存储管理部 俘匆始纯戎羁等，逶常罄藏在s t a g e l 审，并薅汇编语京来实珑，跌这翻短小赣浑携嚣 的；s t a g e 2 则通常用c 语言等高级语言来实现，这样可以实现比较复杂的功能，并且使 程痔吴蠢更努懿霉读毪鞠哥移撩经f ”。 b o o t l o a d e r 的s t a g e l 通常包括以下关键步骤： 硬传设冬翅戆化，钰括配嚣处理嚣孛懿关键毒尝器彝一疑必要懿硬终。戈热载 b o o t l o a d e r 的s t a g e 2 代褐准备r a m 空间拷贝，b o o f l o a d e r 的s t a g e 2 的代码到r a m 空 阗中设器好堆找黟转到s t a g e 2 翳c 程廖入口点。 b o o t l o a d e r 的s t a g e 2 通常包括以下步骤： 初始化本阶段要使用到的硬l 牛设器检溅系统内存映射。壤操作系统映像文件从 f l a s h 等非易失性存储器或者网络文件系统加载到r a m 空间中。为操作系统设置启动 参数跳转到操体系统入口执彳亍。 2 2 3b o o t l o a d e r 的操作模式 一般来讲，b o o t l o a d e r 有两种操作模式，即启动加裁模式年口下载模式。这种操作模 式的划分仅仅对于开发人员才谢意义，从最终用户的角度看，b o o t l o a d e r 的作用就是用 来加载操作系统，而并不存在所谓的扁动加载模式与下载工作模式的嚣别。 f 1 ) 启动加载模式：这种模式也称为自主模式，即b o o t l o a d e r 从目标机上的非易失 存储设蓊上将搡作系统加载至r a m 中运行，熬个过程并不需要用户的介入。这种模式 是b o o t l o a d e r 的正常工作模式，也是正式发布的嵌入式产品中b o o t l o a d e r 的默认操作 模式。 ( 2 1 下载模式：在这种模式下，目标机上的b o o t l o a d e r 将邋过串口连接或网络连接 等逶嵇方式铁嚣发主撬上下载文箨( 包菇连孩浃缘、壤文咎系统浚缘簿) 并逡孳亍揉雩霉 系统的引导。从主机下簸的文件通常首先被b o o t l o a d e r 保存到目标机的r a m 中，然磁 再写舅霾椽撬上憝f la s h 等易失存继设备中。b o o t l o a d c r 豹这鼹摸忒递鬻在第一次 安装内核与根文件系统时被使用。此外，以后的系统懋新也会使用这种工作模式。工 作于这种模式下的b o o t l o a d c r 邋常都需要向它的终端用户提供个简单的命令行接口。 像b l o b 或u b o o t 蒋这样堵能强大的b o o t t o a d e r 通常同时支持以上瓯种工作模式， 而且允许用户各这两种z 作模式之简遗行切换 碉。眈如，u b o o t 在窟劝对处于芷常静 启动加载模式。但是，u b o o t 也会提供5 秒( 该值在头文件中由宏c o n f i g b o o t d e l a y 所定义) 时阔，等待终端用户豹子预( 拔下任意键) ，从褥将u b o o t 讶 换到下载模式。如果在5 秒内没有用户按键，则u b o o t 继续启动，加裁并引导操作系 统。 2 。2 4 目懿凡秘 较渡蟹懿b o o t i o a d e r 由- yb o o t l o a d e r 硬件相关的特点，针对不同体系结构的系统，需要选敬不同的 b o o t t o a 蘸蠢蠲。秘蔫有多季中不同瓣b o o t l o a d e r ，袭2 - 1 飘寤了凡晕孛晓较流行荠支持l i n u x 操作系统的b o o t l o a d e r 并进行了简单的比较。 表2 - 1 支持l i n u x 的b o o t l o a d e r 及其支持的体系结构 b o o t l o a d c r描述 调试支持的体系结孝每 器x 8 6a r mp p cm i p s m 6 8 k u l 0 x 8 6 平台上n o l i n u x豹 b o o t l o a d e r f r u bg n u 项目中n o l i l o 的舞级换 代 r e d b o o t基予e c o s 黪y e s ， ， ， b o o f l o a d e r b l o b i a r t 项目中的 n o b o o t l o a e r u b o o t基于p p c b o o ty e s 的通用 b o o t l o a d e r 遴鬻，b o o t l o a d c r 是毫度袄羧予磺传露设诗和实现戆。每耱不同载c p u 体系结椽 的b o o t l o a d e r 都各有不同，因此为不同c p u 体系结构的嵌入式系统建立个通用的 b o o t l o a d e r 是缀困难魄。除了 芨赖于c p u 的体系结孝奄赡，b o o t l o a d e r 的实现墩依赖予 具体的嵌入式檄卡设备的配置，比如檄卡的硬件地址分配情况，r a m 芯片的类型， f l a s h 芯片的类型以及与其片选c s 的设置等。也就怒说，对予两块嵌入式板卡焉吉， 即使是基于同稀体系结构的c p u 丽构建的，如果硬件资源配置不致的话，要想使 运行在块板子上的b o o t l o a d e r 程序也能运行在另一块板子上，还是需要作一些必要 的移植修改工徉。 2 ，3l in u x 的内核 内核是l i n u x 的心脏，它是在引导时装入的程序，用来提供用户层程序和硬件之 间的接口，执行发生在多任务系统中的实际任务转换，处理读写磁盘的需求，处理网 络接口，以及管理内存i 捌。 2 3 1