嵌入式系统8嵌入式Linux

1、嵌入式嵌入式LinuxLinux一、嵌入式一、嵌入式LinuxLinux的定义的定义l嵌入式嵌入式Linux(Embedded Linux)Linux(Embedded Linux)是指对是指对LinuxLinux经过小型化裁剪后，能够固化在经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几容量只有几K K字节或几字节或几M M字节的存储器芯字节的存储器芯片或单片系统中，应用于特定嵌入式场片或单片系统中，应用于特定嵌入式场合的专用合的专用LinuxLinux操作系统操作系统嵌入式嵌入式LinuxLinux的优势的优势 lLinuxLinux系统是层次结构且内核完全开放系统是层次结构且内核完全开放l强大的网

2、络支持功能强大的网络支持功能lLinuxLinux具备一整套工具链，容易自行建具备一整套工具链，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仿境，并且可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍真工具的障碍lLinuxLinux具有广泛的硬件支持特性具有广泛的硬件支持特性嵌入式嵌入式LinuxLinux面临的挑战面临的挑战l1 1、扩充、扩充LinuxLinux的实时系统的实时系统l2 2、改变、改变LinuxLinux内核的体系结构内核的体系结构l3、完善、完善Linux的集成开发环境的集成开发环境1 1、扩充、扩充LinuxLin

3、ux的实时系统的实时系统l内核不支持事件优先级和抢占实时特内核不支持事件优先级和抢占实时特性性l对对LinuxLinux实时性的扩展可以从两方面实时性的扩展可以从两方面进行进行: : 向外扩展（让实时系统支持的范围更广，支持的设备更多）向上扩展（扩充Linux内核，从功能上扩充Linux的实时处理和控制系统）lRT-LinuxRT-Linux的做法的做法Linux本身的任务以及Linux内核本身作为一个优先级最低的任务实时任务作为优先级最高的任务实时任务以Linux的内核模块(Loadable Kernel Module，LKM)的形式存在2、改变、改变Linux内核的体系结构内核的体系结构l

4、Monolithic内核体系内核体系lMicroKernel体系体系l执行效率执行效率l内核的体积内核的体积l升级、维护和移植升级、维护和移植微内核技术微内核技术l缺点：操作系统的服务模块在独立的缺点：操作系统的服务模块在独立的地址空间运行，使得进程间通信和上地址空间运行，使得进程间通信和上下文切换的系统开销大大增加，降低下文切换的系统开销大大增加，降低了系统效率。了系统效率。3、完善、完善Linux的集成开发环境的集成开发环境lLinux在基于图形界面的特定系统定在基于图形界面的特定系统定制平台的研究上，与制平台的研究上，与Windows操作系操作系统相比还存在差距统相比还存在差距POSIX

5、实时扩展实时扩展lPOSIX（Portable Operating System Interface）是为标准化类）是为标准化类UNIX操作系统所必须具有的特征和接操作系统所必须具有的特征和接口而制定，其思想就是为了增强为类口而制定，其思想就是为了增强为类UNIX操作系统编写的软件的可移植性操作系统编写的软件的可移植性二、嵌入式二、嵌入式linux开发开发l最小的嵌入式最小的嵌入式 Linux 系统仅需要三个基本系统仅需要三个基本元素：元素： 引导实用程序 Linux 微内核，由内存管理、进程管理和定时服务构成 初始化过程l硬件驱动程序 一个或多个应用进程，以提供所需功能 面向嵌入式面向嵌入式

6、Linux Linux 系统的系统的图形用户界面图形用户界面lMicroWindows/NanoXMicroWindows/NanoX开放源码无任何硬件加速能力图形引擎中存在许多低效算法代码质量较差lOpenGUIOpenGUI可移植性稍差lQt/EmbeddedQt/Embedded低的程序效率、大的资源消耗lMiniGUIMiniGUI嵌入式嵌入式Linux开发开发l了解硬件了解硬件 l针对所用针对所用CPU的编译器的编译器/汇编器汇编器/连接器连接器,相相应的库工具应的库工具,目标文件分析目标文件分析/管理工具管理工具,符号符号查看器查看器 l编程器，下载工具和查错器编程器，下载工具和查

7、错器 l安排内存地址安排内存地址 l编写启动代码和机器相关代码：硬件初始编写启动代码和机器相关代码：硬件初始化，装载内核及安装根文件系统以及开始化，装载内核及安装根文件系统以及开始内核执行内核执行 l驱动程序驱动程序 嵌入式Linux的一般开发步骤： 精简内核 系统启动 驱动程序开发 界面开发：将X-Window换成MicroWindows 精简内核精简内核 构造内核的常用命令包括：make config、dep、clean、mrproper、zImage、bzImage、modules、modules_install。 使用 make config 去掉多余功能。./Makefile ./a

8、rch/i386/kernel/ Makefile 系统启动 l系统启动的相关文件如下：系统启动的相关文件如下： ./arch/$ARCH/boot/ bootsect.s ./arch/$ARCH/boot/setup.s ./init/main.c bootsect.S 及及 setup.S 驱动程序驱动程序 在Linux系统里，设备驱动程序提供一组入口点，它们由一个结构在设备驱动程序初始化的时候向系统进行登记，以便系统在适当的时候调用。Linux系统里，通过调用register_chrdev 向系统注册字符型设备驱动程序。 添加驱动程序 1.直接修改系统核心的源代码，把设备驱动程序加进核

9、心里 2.把设备驱动程序作为可加载的模块，由系统管理员动态地加载它，使之成为核心的一部分。 驱动程序模块 Linux中，模块可以用C语言编写，用gcc编译成目标文件（不进行链接，作为*.o文件存在）。为此需要在gcc命令行里加上-c的参数。在成功地向系统注册了设备驱动程序后（调用register_chrdev），就可以用mknod命令来把设备映射为一个特别文件。其它程序需要使用这个设备的时候，对此特别文件进行操作。 三、三、linux启动流程启动流程l1 加电或复位加电或复位l2 BIOS的启动的启动l3 Boot Loaderl4 操作系统初始化操作系统初始化1 加电或复位加电或复位l冷启动

10、过程开始，中央处理器进入复位冷启动过程开始，中央处理器进入复位状态，将内存中的所有数据清零，对内状态，将内存中的所有数据清零，对内存进行校验，如果没错，存进行校验，如果没错，CS寄存器将置寄存器将置入入FFFF,IP寄存器置入寄存器置入0000，这个，这个CS:IP组合指向的是组合指向的是BIOS的入口。系统的入口。系统就是这样进入就是这样进入BIOS启动过程的。启动过程的。2 BIOS启动启动l上电自检上电自检POST(Power On Self Test)l对系统内的硬件设备进行监测和连接对系统内的硬件设备进行监测和连接l最后，最后，BIOS将从软盘或硬盘上读入将从软盘或硬盘上读入Boot

11、 Loader.如果从硬盘启动，如果从硬盘启动，BIOS将读入该盘的零柱面零磁道将读入该盘的零柱面零磁道1扇扇区（区（MBR）,这个扇区上就放着这个扇区上就放着Boot Loader.2 BIOS启动启动l除了启动程序，除了启动程序，BIOS还提供了一组中断以还提供了一组中断以便于对硬件设备的访问。我们知道，当键便于对硬件设备的访问。我们知道，当键盘上的某一键被按下，盘上的某一键被按下，CPU就会产生一个就会产生一个中断并把这个键的信息读入。中断并把这个键的信息读入。l在操作系统没有被装入以前（在操作系统没有被装入以前（Bootsect.S还没有被读入），中断的响应程序由还没有被读入），中断的

12、响应程序由BIOS提供。提供。3 Boot LoaderlBoot Loader是一段汇编代码，存放是一段汇编代码，存放在在MBR中，它的主要作用就是将系统中，它的主要作用就是将系统启动代码读入内存。启动代码读入内存。3 Boot Loaderl因为在启动过程中，因为在启动过程中，BIOS会把会把Boot Loader读入内存，并把控制权交给它。读入内存，并把控制权交给它。MBR（硬盘启动）内的代码就是（硬盘启动）内的代码就是Boot Loader或者它的一部分，为了或者它的一部分，为了说明说明Boot loader的实现，先解释磁的实现，先解释磁盘结构。盘结构。3 Boot Loaderl一

13、个硬盘在一个硬盘在DOS文件系统下可被分为四个基本分区，文件系统下可被分为四个基本分区，可以把一个基本分区定义为一个扩展分区，然后再可以把一个基本分区定义为一个扩展分区，然后再把这个基本分区分为一个或多个逻辑分区。把这个基本分区分为一个或多个逻辑分区。l整个硬盘的分区表存放在硬盘的第一个扇区整个硬盘的分区表存放在硬盘的第一个扇区（MBR），每个扩展分区也对应一个分区表，它存），每个扩展分区也对应一个分区表，它存放在该扩展分区对应的第一个扇区里。放在该扩展分区对应的第一个扇区里。l除主引导扇区外，每个基本分区和扩展分区也有自除主引导扇区外，每个基本分区和扩展分区也有自己的引导扇区，结构与己的引导

14、扇区，结构与MBR相同，但逻辑分区的引相同，但逻辑分区的引导扇区不能用于启动。导扇区不能用于启动。3 Boot Loaderl如果是硬盘启动，如果是硬盘启动，Boot Loader将查将查找主分区表中标记为活动分区的表项，找主分区表中标记为活动分区的表项，把该表项对应的分区的引导扇区读入，把该表项对应的分区的引导扇区读入，然后将控制权交给该扇区内的引导程然后将控制权交给该扇区内的引导程序。序。3 Boot Loaderl如果计算机上装有不只一个操作系统，如果计算机上装有不只一个操作系统，仅仅仅仅MS-DOS的的Boot Loader无法完无法完成这种工作，需要一个可以多重起动成这种工作，需要一

15、个可以多重起动的工具，下面介绍的工具，下面介绍Linux下最常用的下最常用的LILO.3 Boot LoaderlLILO实际上是一个在实际上是一个在Linux环境下编写的环境下编写的Boot Loader程序，主要功能是引导程序，主要功能是引导Linux操作系统的启动。操作系统的启动。lLILO的功能实际上是有几个程序共同实现的，它们是：的功能实际上是有几个程序共同实现的，它们是： （1）Map Installer 这是这是LILO用于管理启动文件的程序。用于管理启动文件的程序。它将它将boot loader写入引导分区，创建纪录文件以映射内写入引导分区，创建纪录文件以映射内核的启动。核的启

16、动。 （2）The boot loader 它负责把它负责把Linux内核或其他操作内核或其他操作系统系统 的引导分区读入内存。还提供命令行接口，让的引导分区读入内存。还提供命令行接口，让用户选择从哪个操作系统启动和加入启动参数。用户选择从哪个操作系统启动和加入启动参数。 （3）其他文件：主要包括用于存放）其他文件：主要包括用于存放Map Installer记录的记录的map文件和存放文件和存放LILO配置信息的配置文件。配置信息的配置文件。4 进入操作系统进入操作系统lBoot Loader 做了这么多工作，一言做了这么多工作，一言以蔽之，只是把操作系统的代码调入以蔽之，只是把操作系统的代码

17、调入内存，所以当它执行完后，自然该把内存，所以当它执行完后，自然该把控制权交给操作系统，由操作系统的控制权交给操作系统，由操作系统的启动程序来完成剩下的工作。启动程序来完成剩下的工作。4 进入操作系统进入操作系统l把控制权交给把控制权交给Setup.S这段程序这段程序l进入保护模式，同时把控制权交给进入保护模式，同时把控制权交给Head.SlHead.S调用调用/init/main.C中的中的start_kernel函数函数,启动程序从启动程序从start_kernel()函数继续执行函数继续执行4 进入操作系统进入操作系统（1）Setup.Sl首先，首先，Setup.S对已经调入内存的操作系

18、统代码进对已经调入内存的操作系统代码进行检查，如果没错，它会通过行检查，如果没错，它会通过BIOS中断获取内存中断获取内存容量，硬盘等信息（实模式）容量，硬盘等信息（实模式）l准备让准备让CPU进入保护模式进入保护模式 a.先屏蔽中断信号先屏蔽中断信号 b.调用指令调用指令lidt和和lgdt c.对对8259中断控制器进行编程中断控制器进行编程 d.协处理器重新定位协处理器重新定位 完成这几件事后，完成这几件事后，Setup.S设置保护模式的标志，设置保护模式的标志，重取指令，再用一条跳转指令重取指令，再用一条跳转指令jmpi 0 x100000,KERNEL_CS。进入保护模式下的启动。进

19、入保护模式下的启动阶段，控制权交给阶段，控制权交给Head.S.4 进入操作系统进入操作系统（2）Head.Sl也要先做屏蔽中断一类的工作也要先做屏蔽中断一类的工作l然后对中断向量表做一定的处理然后对中断向量表做一定的处理lBoot Loader读入内存的启动参数和命令行参数，读入内存的启动参数和命令行参数，Head.S把它们保存在把它们保存在empty_zero_page页中页中l检查检查CPU类型类型l对协处理器进行检查对协处理器进行检查 l页初始化页初始化,调用调用setup_paging这个子函数这个子函数 l因为已进入保护模式，段机制的多任务属性体现因为已进入保护模式，段机制的多任务

20、属性体现 4 进入操作系统进入操作系统（3）main.c中的初始化中的初始化lHead.S调用调用/init/main.c中的中的start_kernel函数，把控制权交给它，函数，把控制权交给它，这个函数是整个操作系统初始化的最这个函数是整个操作系统初始化的最重要的函数，一旦它执行完，整个操重要的函数，一旦它执行完，整个操作系统的初始化也就完成了。作系统的初始化也就完成了。4 进入操作系统进入操作系统（3）main.c中的初始化中的初始化l计算机在执行计算机在执行start_kernel前以进入前以进入了保护模式，使处理器完全进入了全了保护模式，使处理器完全进入了全面执行操作系统代码的状态。

21、面执行操作系统代码的状态。l但直到目前为止，这都是针对处理器但直到目前为止，这都是针对处理器的。而一旦的。而一旦start_kernel开始执行，开始执行，Linux内核就一步步展现。内核就一步步展现。lStart_kernel执行后，就可以以一个执行后，就可以以一个用户的身份登陆和使用用户的身份登陆和使用Linux了了4 进入操作系统进入操作系统（3）main.c中的初始化中的初始化l较为重要的函数如下较为重要的函数如下lSetup_arch() 最基本硬件的初始化最基本硬件的初始化lPaging_init() 线性地址空间映射线性地址空间映射lTrap_init()中断向量表初始化中断向量

22、表初始化lInt_IRQ与中断有关的初始化与中断有关的初始化lSched_init()进程调度初始化进程调度初始化lConsole_init()对中断的初始化对中断的初始化4 进入操作系统进入操作系统（3）main.c中的初始化中的初始化l对文件系统的初始化对文件系统的初始化lInode_init() i节点管理机制初始化节点管理机制初始化lName_cache_init() 目录缓存机制初目录缓存机制初始化始化lBuffer_init() 块缓存机制初始化块缓存机制初始化4 进入操作系统进入操作系统（3）main.c中的初始化中的初始化l启动到了目前这种状态，只剩下运行启动到了目前这种状态，

23、只剩下运行/etc下的启动配置文件。下的启动配置文件。l这时初始化程序并没有完成操作系统这时初始化程序并没有完成操作系统各个部分的初始化，更关键的文件系各个部分的初始化，更关键的文件系统的安装还没有涉及，这是在统的安装还没有涉及，这是在init进进程建立后完成的。就是程建立后完成的。就是start_kernel()最后部分内容。最后部分内容。4 进入操作系统进入操作系统（4）建立）建立init进程进程lLinux要建立的第一个进程是要建立的第一个进程是init进程进程l启动所需的启动所需的Shell脚本文件脚本文件 a.Linux系统启动所必须的系统启动所必须的 b.用户登陆后自己设定的用户登

24、陆后自己设定的系统启动所必须的脚本存放在系统默认系统启动所必须的脚本存放在系统默认的配置文件目录的配置文件目录/etc下。首先调用的下。首先调用的是是/etc/inittab.四、四、Linux系统移植的两系统移植的两大部分大部分l内核部分和系统部分内核部分和系统部分l(1)内核部分初始化和控制所有硬件设内核部分初始化和控制所有硬件设备（严格说不是所有，而是绝大部备（严格说不是所有，而是绝大部分），为内存管理、进程管理、设备分），为内存管理、进程管理、设备读写等工作做好一切准备。读写等工作做好一切准备。l(2)系统部分加载必需的设备，配置各系统部分加载必需的设备，配置各种环境以便用户可以使用整

25、个系统。种环境以便用户可以使用整个系统。(1)内核移植内核移植lLinux内核可以视为由五个功能部分内核可以视为由五个功能部分组成：进程管理（包括调度和通信）、组成：进程管理（包括调度和通信）、内存管理、设备管理、虚拟文件系统、内存管理、设备管理、虚拟文件系统、网络网络l需要改动的就是进程管理、内存管理需要改动的就是进程管理、内存管理和设备管理中被独立出来的那部分即和设备管理中被独立出来的那部分即硬件相关部分的代码硬件相关部分的代码修改的代码修改的代码l进程管理底层代码进程管理底层代码lBIOS接口代码接口代码l时钟、中断等板上设备支持代码时钟、中断等板上设备支持代码l特殊结构代码：特殊结构代

26、码：SMPl内存管理内存管理(2)系统移植系统移植l一个最小系统的重建过程一个最小系统的重建过程l类似类似Linux系统应急盘系统应急盘DiskOnChipl包括：包括：init、libc库、驱动模块、必需库、驱动模块、必需的应用程序和系统配置脚本。的应用程序和系统配置脚本。五、一些五、一些Real-Time Linux 简介简介lNMT RT-LinuxlMontaVista LinuxlucLinuxlBlueCat LinuxlOpenWRT，DD-WRTlGoogle Android1、NMT RT-LinuxlNMT 是新墨西哥科技大学(New Mexico Technology)

27、的缩写lReal-time Linux 的鼻祖l硬实时l一个实时内核负责处理硬件消息，接管中断，实时任务可在该内核上直接运行可载入式核心模组( loadable kernel module)。 RTAIlReal-Time Application Interface lLKMl在在 Linux 上定义了上定义了 一组一组 RTHAL (Real-Time Hardware Abstraction Layer)lRTAI 只使用只使用RTHAL和和 Linux 沟通沟通LXRTlRTAI 无法直接使用无法直接使用 Linux 的系统调用的系统调用l解决的方法：解决的方法： 使用 RT-FIFO

28、将一个 RTAI real-time kernel module 和真正的 Linux 进程连接在一起l 代理：代理：LXRT proxy 2、MontaVista LinuxlMontaVista软件公司软件公司l全球三大嵌入式全球三大嵌入式Linux操作系统及解决方案操作系统及解决方案供应商之一供应商之一lMontaVista Linux支持支持6种体系结构的种体系结构的20款处理器，款处理器，x86/IA-32、PowerPC、StrongARM、XScale、ARM、MIPSlMontaVista Linux包括包括KDevelop IDE、目、目标配置工具标配置工具（Target C

29、onfiguration Tool）、库优化）、库优化工具（工具（Library Optimizer tool）。另外，）。另外，它还提供超过它还提供超过215个应用软件包。个应用软件包。l基于基于Linux 2.4.X稳定内核，提供支持稳定内核，提供支持x86、MIPS、SH以及以及PowerPC体系结构的实时抢体系结构的实时抢占式内核。占式内核。l跨平台开发，支持跨平台开发，支持14个主机开发环境，包括个主机开发环境，包括Red Hat、Yellow Dog Linux、SuSE、Mandrake、Solaris以及以及VMWare on Windows NT/2000l该版本提供了该版本

30、提供了215多个主机配套工具和嵌入式多个主机配套工具和嵌入式目标平台开发组件软件包，包括目标平台开发组件软件包，包括thttpd嵌入式嵌入式服务器和服务器和802.11b无线通信标准附加包。无线通信标准附加包。l扩展了针对嵌入式跨平台开发的各类开扩展了针对嵌入式跨平台开发的各类开放源代码工具的支持，提供了首个基于放源代码工具的支持，提供了首个基于KDevelop的的MontaVista开发环境；开发环境；l支持支持x86和和PowerPC平台的平台的Linux跟踪跟踪工具（包括内核性能和执行分析器）；工具（包括内核性能和执行分析器）；lext3日志文件系统。日志文件系统。3、uClinuxl专

31、为无（专为无（MMU）的微控制器打造的嵌入式）的微控制器打造的嵌入式Linux操作系统。操作系统。luClinux已移植支持的微控制器和微处理器已移植支持的微控制器和微处理器 摩托罗拉DragonBall (M68EZ328), M68328, M68EN322, ColdFire, QUICC (Quad Integrated Communications Controller) Motorola MC68328: DragonBall集成微处理器 ARM7TDMI MC68EN302 Axis ETRAX Intel i960 PRISMA Atari 68k ETRAX 特点特点lUCl

32、inux的内核要比原的内核要比原Linux内核小的多内核小的多l1. 内存管理内存管理 不能使用处理器的虚拟内存管理技术 分页管理 对于内存的访问是直接的，所有程序中访问的地址都是实际的物理地址。 对内存空间没有保护，各个进程实际上共享一个运行空间。一个进程在执行前，系统必须为进程分配足够的连续地址空间，然后全部载入主存储器的连续空间中。l2.uCLinux两种可选的的内核加载方式两种可选的的内核加载方式 Flash运行方式：把内核的可执行映像文件烧到flash上，系统启动时从flash的某个地址开始逐句执行。 内核加载方式：把内核的压缩文件存放在flash上，系统启动时读取压缩文件在内存里解压，然后开始执行，运行速度更快l3.uCLinux的的romfs文件文件系统文件文件系统 内核支持romfs文件系统比支持ext2文件系统需要更少的代码 超级块（superblock）需要更少的存储空间