Linux嵌入式系统的综述性芯恐战岚Linux嵌入式系统的综述性研究终结版

1、北京建筑工程学院 研究生试题专用纸（课程论文或报告）试题内容：（论文或报告的选题范围、写作要求等，附评分标准）本课程考试形式是论文写作，论文题目自拟，内容可以围绕嵌入式系统发展、嵌入式操作系统、嵌入式系统组成、结构、应用等方面进行综合论述。要求不少于6000字，论文结构按照科技论文写作结构，应有题目、摘要、标题、结论、参考文献。论文排版格式可参考附录电子测量与仪器学报格式要求。成绩由平时成绩和论文成绩两部分构成，其中平时成绩占30，主要包括：出勤、课堂表现、实验情况等，论文成绩占70，主要包括：论文层次性、内容是否充实、格式是否标准、主题是否明确等方面考查。其中论文成绩评定如下（100分）：层

2、次性（20分）内容（50分）主题（20分）格式（10分）Linux嵌入式系统的综述性研究摘 要：Linux以期开放源码、功能强大、模块化设计、支持多种硬件平台、函数接口符合国际和工业标准等优点，被广泛的应用于构造嵌入式实时操作系统。文中通过对Linux嵌入式系统的发展现状、嵌入式系统Linux分类及结构组成、嵌入式系统Linux应用领域、嵌入式系统Linux开发流程的介绍，展望了Linux嵌入式系统美好的发展前景。关键字：Linux嵌入式系统 Linux应用领域 Linux开发流程Review research on Linux embedded systemZhao Shuaibing(Be

3、ijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044)Abstract:Linux is widely used in constructing real-time operating system because of the advantages of open-source code, powerful function, modular design, support multi-hardware platforms, function interface with international ind

4、ustry standards. This paper introduces that the Linux embedded system development present situation, classification and structure of Linux embedded system composition, Linux embedded system application domain,Linux embedded system development process, which has good prospects for development on Linu

5、x embedded system.Keywords: Linux embedded system Linux application domain Linux development process0引 言随着信息化技术的发展和数字化产品的普及，以计算机技术、芯片技术和软件技术为核心的嵌入式系统再度成为当前研究和应用的热点，通信、计算机、消费电子技术（3C）合一的趋势正在逐步形成，无所不在的网络和无所不在的计算（everything connecting, everywhere computing）正在将人类带入一个崭新的信息社会。目前，嵌入式系统产品的研制和应用已经成为我国信息化带动工业化

6、、工业化促进信息化发展的新的国民经济增长点。随着消费家电的智能化，嵌入式更显重要，像我们平常见到的 、PDA、电子字典、可视 、数字相机、数字摄像机、机顶盒、交换机、路由器、数控设备或仪表、汽车电子、家电控制系统、医疗仪器、航天航空设备等等，都是典型的嵌入式系统。据预测，随着Internet的迅速发展和廉价微处理器的出现，嵌入式系统将在日常生活里形成更大的应用领域。文中通过对Linux嵌入式系统发展现状、系统分类、结构组成及应用领域的研究，体现出Linux嵌入式系统对当今科技发展具有重大的实际意义。1 Linux嵌入式系统发展现状 1.1 Linux嵌入式系统特点 嵌入式系统是用来控制或监视机

7、器、装置或工厂等的大规模系统的设备。具体说来，它是电脑软件和硬件的综合体；是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。一般来说，嵌入式系统不能使用通用型计算机，而且运行的是固化的软件，终端用户很难或者不可能改变固件。而Linux也早已成为IT界家喻户晓的一个名字。概括说来，将Linux应用于嵌入式系统的开发有如下一些优点： Linux自身具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境，并且可以跨越在嵌入式系统开发中仿真工具(ICE)的障碍。 内核的完全开放，使得可以自己设计和开发出真正的硬

8、实时系统；对于软实时系统，在Linux中也容易得到实现。 强大的网络支持，使得可以利用Linux的网络协议栈将其开发成为嵌入式的TCP/IP网络协议栈。1.2 Linux嵌入式系统优势 Linux作为嵌入式操作系统的优势主要有以下几点： 可应用于多种硬件平台。Linux已经被移植到多种硬件平台，这对于经费、时间受限制的研究与开发项目是很有吸引力的，有利于加快了软件与硬件的开发过程。Linux采用一个统一的框架对硬件进行管理，从一个硬件平台到另一个硬件平台的改动与上层应用无关。Linux可以随意地配置，不需要任何的许可证或商家的合作关系，源代码可以免费得到。这使得采用Linux作为操作系统不会遇

9、到任何关于版权的纠纷。毫无疑问，这会节省大量的开发费用。本身内置网络支持，而目前嵌入式系统对网络支持要求越来越高。Linux的高度模块化使添加部件非常容易。 Linux是一个和Unix相似、以内核为基础的、具有完全的内存访问控制，支持大量硬件(包括X86，Alpha、ARM和Motorola等现有的大部分芯片)等特性的一种通用操作系统。其程序源码全部公开，任何人可以修改并在GUN通用公共许可证(GNU General Public License)下发行。这样，开发人员可以对操作系统进行定制，适应其特殊需要。 Linux带有Unix用户熟悉的完善的开发工具，几乎所有的Unix系统的应用软件都已

10、移植到了Linux上。Linux还提供了强大的网络功能，有多种可选择窗口管理器(X Windows)。其强大的语言编译器GCC，C+等也可以很容易得到，不但成熟完善，而且使用方便。2 Linux嵌入式系统的分类及结构组成2.1 Linux嵌入式系统的分类 Linux在移动计算平台、智能工业控制、金融业终端系统，甚至军事领域都有着广泛的应用前景，Linux系统具体分为以下几类： RT-Linux：它由美国墨西哥理工学院开发的嵌入式Linux操作系统。RT-Linux应用于航天飞机的空间数据采集、科学仪器测控和电影特技图像处理等广泛领域。RT-Linux开发者并没有针对实时操作系统的特性而重写Li

11、nux的内核，因为这样做的工作量非常大，而且要保证兼容性也非常困难。为此，RT-Linux提出了精巧的内核，并把标准的Linux核心作为实时核心的一个进程，同用户的实时进程一起调度。这样对Linux内核的改动非常小，并且充分利用了Linux下现有的丰富的软件资源。 uClinux：uCLinux是Lineo公司的主打产品，同时也是开放源码的嵌入式Linux的典范之作。uCLinux主要是针对目标处理器没有存储管理单元MMU(Memory Management Unit) 的嵌入式系统而设计的。它秉承了标准Linux的优良特性，经过各方面的小型化改造，形成了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式Lin

12、ux。虽然它的体积很小，却仍然保留了Linux的大多数的优点：稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、对各种文件系统完备的支持和标准丰富的API。它专为嵌入式系统做了许多小型化的工作，目前已支持多款CPU。其编译后目标文件可控制在几百KB数量级，并已经被成功地移植到很多平台上。 Embedix： Embedix是由嵌入式Linux行业主要厂商之一Luneo推出的，是根据嵌入式应用系统的特点重新设计的Linux发行版本。Embedix提供了超过25种的Linux系统服务，包括Web服务器等。系统需要最小8MB内存，3MB ROM或快速闪存。Embedix基于Linux 2.2内核，并已经成功地移植到

13、了Intel x86和PowerPC处理器系列上。像其它的Linux版本一样，Embedix可以免费获得。Luneo还发布了另一个重要的软件产品，它可以让在Windows CE上运行的程序能够在Embedix上运行。Luneo还将计划推出Embedix的开发调试工具包、基于图形界面的浏览器等。可以说，Embedix是一种完整的嵌入式Linux解决方案。 = 4 * GB3 * MERGEFORMAT 红旗嵌入式Linux：由北京中科院红旗软件公司推出的嵌入式Linux是国内做得较好的一款嵌入式操作系统。目前，中科院计算所自行开发的开放源码的嵌入式操作系统Easy Embedded OS(EEO

14、S)。该款嵌入式操作系统重点支持p-Java。系统目标一方面是小型化，另一方面能重用Linux的驱动和其它模块。由于有中科院计算所的强大科研力量做后盾，EEOS有望发展成为功能完善、稳定、可靠的国产嵌入式操作系统平台。2.2 Linux嵌入式系统的结构组成根据国际电气和电子工程师协会（IEEE）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。一般而言，整个嵌入式系统的体系结构可以分成四个部

15、分：嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件。2.2.1 Linux嵌入式处理器 嵌入式处理器与通用处理器最大的不同点在于，嵌入式CPU大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中，它将通用CPU中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。嵌入式处理器的体系结构经历了从CISC至RISC和Compact RISC的转变，位数则由4位、8位、16位、32位逐步发展到64位。目前常用的嵌入式处理器可分为低端的嵌入式微控制器（Micro Controller Unit，MCU）、中高端的嵌入式微处理器（Embedded

16、Micro Processor Unit，EMPU）、用于计算机通信领域的嵌入式DSP处理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）和高度集成的嵌入式片上系统（System On Chip，SOC）。目前，以ARM为核心的嵌入式处理器的特点：耗电少功能强、16位/32位双指令集和众多合作伙伴。目前，基于Linux操作系统的ARM处理器发展过程如下: 图1 Linux操作系统的ARM处理器发展嵌入式外围设备 在嵌入系统硬件系统中，除了中心控制部件（MCU、DSP、EMPU、SOC）以外，用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件，事实上都可以算作嵌

17、入式外围设备。目前常用的嵌入式外围设备按功能可以分为存储设备、通信设备和显示设备三类。 存储设备主要用于各类数据的存储，常用的有静态易失型存储器（RAM、SRAM）、动态存储器（DRAM）和非易失型存储器（ROM、EPROM、EEPROM、FLASH）三种，其中FLASH凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。 通信设备可以直接在嵌入式系统中应用，包括RS-232接口（串行通信接口）、SPI（串行外围设备接口）、IrDA（红外线接口）、I2C（现场总线）、USB（通用串行总线接口）、Ethernet（以太网接口）等。 外围显示设备通常使用的是阴

18、极射线管（CRT）、液晶显示器（LCD）和触摸板（Touch Panel）等。图2 嵌入式外围设备接口嵌入式操作系统 嵌入式操作系统定义：为了使嵌入式系统的开发更加方便和快捷，需要有专门负责管理存储器分配、中断处理、任务调度等功能的软件模块。嵌入式操作系统是用来支持嵌入式应用的系统软件，是嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动程序、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形用户界面（GUI）等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理复杂的系统资源，能够对硬件进行抽象，能够提供库函数、驱动程序、开发工具集等。但与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时性、硬

19、件依赖性、软件固化性以及应用专用性等方面，具有更加鲜明的特点。 图3 Linux嵌入式系统 嵌入式操作系统根据应用场合可以分为两大类：一类是面向消费电子产品的非实时系统，这类设备包括个人数字助理（PDA）、移动 、机顶盒（STB）等；另一类则是面向控制、通信、医疗等领域的实时操作系统，如WindRiver公司的VxWorks、QNX系统软件公司的QNX等。实时系统（Real Time System）是一种能够在指定或者确定时间内完成系统功能，并且对外部和内部事件在同步或者异步时间内能做出及时响应的系统。在实时系统中，操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度，而且与这些操作进行的时间有关，也就是

20、说，实时系统对逻辑和时序的要求非常严格，如果逻辑和时序控制出现偏差将会产生严重后果。2.2.4 Linux嵌入式应用软件 嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到用户预期目标的计算机软件。由于用户任务可能有时间和精度上的要求，因此有些嵌入式应用软件需要特定嵌入式操作系统的支持。嵌入式应用软件和普通应用软件有一定的区别，它不仅要求其准确性、安全性和稳定性等方面能够满足实际应用的需要，而且还要尽可能地进行优化，以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本。3 Linux嵌入式系统应用领域 HYPERLINK :/baike.baidu /view/6115.htm嵌入式系统出现于

21、20世纪60年代晚期，它最初被用于控制机电 交换机，如今已被广泛的应用于工业制造、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等众多领域。HYPERLINK :/baike.baidu /view/1130583.htm计算机系统核心CPU，每年在全球范围内的产量大概在二十亿颗左右，其中超过80%应用于各类专用性很强的HYPERLINK :/baike.baidu /view/6115.htm嵌入式系统。一般的说，凡是带有HYPERLINK :/baike.baidu /view/1125.htm微处理器的专用软硬件系统都可以称为HYPERLINK :/baike.

22、baidu /view/6115.htm嵌入式系统。嵌入式Linux的应用领域非常广泛，主要的应用领域有信息家电、PDA 、机顶盒、Digital Telephone、Answering Machine、Screen Phone 、数据网络、Ethernet Switches、Router、Bridge、Hub、Remote access servers、ATM、Frame relay 、远程通信、医疗电子、交通运输计算机外设、工业控制、航空航天领域等，如图三所示。图4 Linux嵌入式系统应用对于桌面系统，微软的Windows有着强劲的优势，不要期望一般的PC用户很快转向使用Linux。但在

23、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Linux的应用产品，而不是使用Linux。对于系统开发者而言，Linux如下的特点是选择的关键：(1)源代码可自由获得。(2)无单个产品的版权费。(3)支持大量的硬件设备。(4)Linux已经是一个全球性的标准。 (5)Linux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。嵌入式Linux已经不可逆转地改变了嵌入式实时操作系统的市场前景。开发者拥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

24、收益，而最终用户则可得到更有价值的且价格较低的产品。4 Linux嵌入式系统开发流程在一个嵌入式系统中使用Linux开发，根据应用需求的不同有不同的配置开发方法，但是一般都要经过如下的过程： = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 建立开发环境操作系统一般使用RedHat-Linux，版本从7到9都可以，选择定制安装或全部安装，通过网络下载相应的GCC交叉编译器进行安装或者安装产品厂家提供的交叉编译器。 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 配置开发主机配置MINICOM，一般的参数为波特率为115200bps，数据位为8位，停止位为1，无奇偶校验，软件硬件流控设为无。在Wi

25、ndows下的超级终端的配置也是这样的。MINICOM软件的作用是作为调试嵌入式开发板的信息输出的监视器和键盘输入的工具。配置网络，主要是配置NFS网络文件系统，需要关闭防火墙，简化嵌入式网络调试环境设置过程。 = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 建立引导装载程序BOOTLOADER从网络上下载一些公开源代码的BOOTLOADER，如U-BOOT、BLOB、VIVI、LILO、ARM-BOOT、RED-BOOT等，根据自己具体的芯片进行移植修改。有些芯片没有内置引导装载程序，例如三星的ARM7、ARM9系列芯片，这样就需要编写开发板上Flash的烧写程序，网络上有免费下载的Wind

26、ows下通过JTAG并口简易仿真器烧写ARM外围Flash芯片的烧写程序，也有Linux下的公开源代码的J-Flash程序。如果不能烧写自己的开发板，就需要根据自己的具体电路进行源代码修改。这是系统正常运行的第一步。如果购买了厂家的仿真器当然比较容易烧写Flash，这对于需要迅速开发自己产品的人来说可以极大地提高开发速度，但是其中的核心技术是无法了解的。 = 4 * GB3 * MERGEFORMAT 下载别人已经移植好的Linux操作系统如CLinux、ARM-Linux、PPC-Linux等，如果有专门针对所使用的CPU移植好的Linux操作系统那是再好不过的，下载后再添加自己的特定硬件的

27、驱动程序，进行调试修改，对于带MMU的CPU可以使用模块方式调试驱动，对于CLinux这样的系统则需编译进内核进行调试。 = 5 * GB3 * MERGEFORMAT 建立根文件系统从 下载使用BUSYBOX软件进行功能裁减，产生一个最基本的根文件系统，再根据自己的应用需要添加其他程序。默认的启动脚本一般都不会符合应用的需要，所以就要修改根文件系统中的启动脚本，它的存放位置位于/etc目录下，包括：/etc/init.d/rc.S、/etc/profile、/etc/.profile等，自动挂装文件系统的配置文件/etc/fstab，具体情况会随系统不同而不同。根文件系统在嵌入式系统中一般设

28、为只读，需要使用mkcramfs、genromfs等工具产生烧写映像文件。 = 6 * GB3 * MERGEFORMAT 建立应用程序的Flash磁盘分区一般使用JFFS2或YAFFS文件系统，这需要在内核中提供这些文件系统的驱动，有的系统使用一个线性Flash（NOR型）512KB32MB，有的系统使用非线性Flash（NAND型）8512MB，有的两个同时使用，需要根据应用规划Flash的分区方案。 = 7 * GB3 * MERGEFORMAT 开发应用程序应用程序可以放入根文件系统中，也可以放入YAFFS、JFFS2文件系统中，有的应用不使用根文件系统，直接将应用程序和内核设计在一起

29、，这有点类似于COS-II的方式。 = 8 * GB3 * MERGEFORMAT 烧写内核、根文件系统、应用程序 = 9 * GB3 * MERGEFORMAT 发布产品5 Linux嵌入式系统发展前景Linux是一个领先的操作系统，可以运行在服务器和其他大型平台之上，如大型机和超级计算机。世界上500个最快的超级计算机90%以上运行Linux发行版或变种，最快的前10名超级计算机运行的都是Linux操作系统。 Linux也广泛应用在嵌入式设备上，如 、平板电脑、路由器、电视和电子游戏机等。在移动设备上广泛使用的Android操作系统就是创建在Linux内核之上。因此Linux嵌入式系统发展

30、前景拥有非常好的优势。从下图中可看出发展趋势。 图5 Linux嵌入式技术发展前景Linux嵌入式系统有巨大的市场前景和商业机会，出现了大量的专业公司和产品，如：HYPERLINK :/baike.baidu /view/1210860.htmMontavistaLineo Emi等，有行业协会如Embedded Linux Consortum等，得到世界著名计算机公司和OEM板级厂商的支持，如IBM Motorola Intel等。传统的HYPERLINK :/baike.baidu /view/6115.htm嵌入式系统厂商也采用了Linux策略，如Lynxworks Windriver QNX等，还有Internet上的大量嵌入式Linux爱好者的支持。嵌入式Linux支持几乎所有的嵌入式CPU和被移植