嵌入式系统8-嵌入式Linux

嵌入式系统8-嵌入式Linux第一页，共63页。一、嵌入式Linux的定义嵌入式Linux(EmbeddedLinux)是指对Linux经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几K字节或几M字节的存储器芯片或单片系统中，应用于特定嵌入式场合的专用Linux操作系统第二页，共63页。嵌入式Linux的优势Linux系统是层次结构且内核完全开放强大的网络支持功能Linux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，并且可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍Linux具有广泛的硬件支持特性第三页，共63页。嵌入式Linux面临的挑战1、扩充Linux的实时系统2、改变Linux内核的体系结构3、完善Linux的集成开发环境第四页，共63页。1、扩充Linux的实时系统内核不支持事件优先级和抢占实时特性对Linux实时性的扩展可以从两方面进行: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）第五页，共63页。RT-Linux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(LoadableKernelModule，LKM)的形式存在第六页，共63页。2、改变Linux内核的体系结构Monolithic内核体系MicroKernel体系执行效率内核的体积升级、维护和移植第七页，共63页。微内核技术缺点：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下文切换的系统开销大大增加，降低了系统效率。第八页，共63页。3、完善Linux的集成开发环境Linux在基于图形界面的特定系统定制平台的研究上，与Windows操作系统相比还存在差距第九页，共63页。POSIX实时扩展POSIX（PortableOperatingSystemInterface）是为标准化类UNIX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UNIX操作系统编写的软件的可移植性第十页，共63页。二、嵌入式linux开发最小的嵌入式Linux系统仅需要三个基本元素：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硬件驱动程序一个或多个应用进程，以提供所需功能第十一页，共63页。面向嵌入式Linux系统的图形用户界面MicroWindows/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OpenGUI可移植性稍差Qt/Embedded

低的程序效率、大的资源消耗MiniGUI第十二页，共63页。嵌入式Linux开发了解硬件针对所用CPU的编译器/汇编器/连接器,相应的库工具,目标文件分析/管理工具,符号查看器编程器，下载工具和查错器安排内存地址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内核执行驱动程序第十三页，共63页。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

第十四页，共63页。精简内核

构造内核的常用命令包括：makeconfig、dep、clean、mrproper、zImage、bzImage、modules、modules_install。使用makeconfig去掉多余功能。

./Makefile

./arch/i386/kernel/

Makefile

第十五页，共63页。系统启动

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setup.S

第十六页，共63页。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。

第十七页，共63页。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。第十八页，共63页。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。

第十九页，共63页。三、linux启动流程1加电或复位2BIOS的启动3BootLoader4操作系统初始化第二十页，共63页。1加电或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，对内存进行校验，如果没错，CS寄存器将置入FFFF,IP寄存器置入0000，这个CS:IP组合指向的是BIOS的入口。系统就是这样进入BIOS启动过程的。第二十一页，共63页。2BIOS启动上电自检POST(PowerOnSelfTest)对系统内的硬件设备进行监测和连接最后，BIOS将从软盘或硬盘上读入BootLoader.如果从硬盘启动，BIOS将读入该盘的零柱面零磁道1扇区（MBR）,这个扇区上就放着BootLoader.第二十二页，共63页。2BIOS启动除了启动程序，BIOS还提供了一组中断以便于对硬件设备的访问。我们知道，当键盘上的某一键被按下，CPU就会产生一个中断并把这个键的信息读入。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BIOS提供。第二十三页，共63页。3BootLoaderBootLoader是一段汇编代码，存放在MBR中，它的主要作用就是将系统启动代码读入内存。第二十四页，共63页。3BootLoader因为在启动过程中，BIOS会把BootLoader读入内存，并把控制权交给它。MBR（硬盘启动）内的代码就是BootLoader或者它的一部分，为了说明Bootloader的实现，先解释磁盘结构。第二十五页，共63页。3BootLoader一个硬盘在DOS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，然后再把这个基本分区分为一个或多个逻辑分区。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，它存放在该扩展分区对应的第一个扇区里。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MBR相同，但逻辑分区的引导扇区不能用于启动。第二十六页，共63页。3BootLoader如果是硬盘启动，BootLoader将查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，然后将控制权交给该扇区内的引导程序。第二十七页，共63页。3BootLoader 如果计算机上装有不只一个操作系统，仅仅MS-DOS的BootLoader无法完成这种工作，需要一个可以多重起动的工具，下面介绍Linux下最常用的LILO.第二十八页，共63页。3BootLoaderLILO实际上是一个在Linux环境下编写的BootLoader程序，主要功能是引导Linux操作系统的启动。LILO的功能实际上是有几个程序共同实现的，它们是：（1）MapInstaller这是LILO用于管理启动文件的程序。它将bootloader写入引导分区，创建纪录文件以映射内核的启动。（2）Thebootloader它负责把Linux内核或其他操作系统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。（3）其他文件：主要包括用于存放MapInstaller记录的map文件和存放LILO配置信息的配置文件。第二十九页，共63页。4进入操作系统BootLoader做了这么多工作，一言以蔽之，只是把操作系统的代码调入内存，所以当它执行完后，自然该把控制权交给操作系统，由操作系统的启动程序来完成剩下的工作。第三十页，共63页。4进入操作系统把控制权交给Setup.S这段程序进入保护模式，同时把控制权交给Head.SHead.S调用/init/main.C中的start_kernel函数,启动程序从start_kernel()函数继续执行第三十一页，共63页。4进入操作系统

（1）Setup.S首先，Setup.S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BIOS中断获取内存容量，硬盘等信息（实模式）准备让CPU进入保护模式a.先屏蔽中断信号b.调用指令lidt和lgdtc.对8259中断控制器进行编程d.协处理器重新定位完成这几件事后，Setup.S设置保护模式的标志，重取指令，再用一条跳转指令jmpi0x100000,KERNEL_CS。进入保护模式下的启动阶段，控制权交给Head.S.第三十二页，共63页。4进入操作系统

（2）Head.S也要先做屏蔽中断一类的工作然后对中断向量表做一定的处理BootLoader读入内存的启动参数和命令行参数，Head.S把它们保存在empty_zero_page页中检查CPU类型对协处理器进行检查

页初始化,调用setup_paging这个子函数

因为已进入保护模式，段机制的多任务属性体现

第三十三页，共63页。4进入操作系统

（3）main.c中的初始化Head.S调用/init/main.c中的start_kernel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。第三十四页，共63页。4进入操作系统

（3）main.c中的初始化计算机在执行start_kernel前以进入了保护模式，使处理器完全进入了全面执行操作系统代码的状态。但直到目前为止，这都是针对处理器的。而一旦start_kernel开始执行，Linux内核就一步步展现。Start_kernel执行后，就可以以一个用户的身份登陆和使用Linux了第三十五页，共63页。4进入操作系统

（3）main.c中的初始化较为重要的函数如下Setup_arch()最基本硬件的初始化Paging_init()线性地址空间映射Trap_init()中断向量表初始化Int_IRQ与中断有关的初始化Sched_init()进程调度初始化Console_init()对中断的初始化第三十六页，共63页。4进入操作系统

（3）main.c中的初始化对文件系统的初始化Inode_init()i节点管理机制初始化Name_cache_init()目录缓存机制初始化Buffer_init()块缓存机制初始化第三十七页，共63页。4进入操作系统

（3）main.c中的初始化启动到了目前这种状态，只剩下运行/etc下的启动配置文件。这时初始化程序并没有完成操作系统各个部分的初始化，更关键的文件系统的安装还没有涉及，这是在init进程建立后完成的。就是start_kernel()最后部分内容。第三十八页，共63页。4进入操作系统

（4）建立init进程Linux要建立的第一个进程是init进程启动所需的Shell脚本文件a.Linux系统启动所必须的b.用户登陆后自己设定的系统启动所必须的脚本存放在系统默认的配置文件目录/etc下。首先调用的是/etc/inittab.第三十九页，共63页。四、Linux系统移植的两大部分内核部分和系统部分(1)内核部分初始化和控制所有硬件设备（严格说不是所有，而是绝大部分），为内存管理、进程管理、设备读写等工作做好一切准备。(2)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个系统。

第四十页，共63页。(1)内核移植Linux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）、内存管理、设备管理、虚拟文件系统、网络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硬件相关部分的代码第四十一页，共63页。修改的代码进程管理底层代码BIOS接口代码时钟、中断等板上设备支持代码特殊结构代码：SMP内存管理第四十二页，共63页。(2)系统移植一个最小系统的重建过程类似Linux系统应急盘DiskOnChip包括：init、libc库、驱动模块、必需的应用程序和系统配置脚本。第四十三页，共63页。五、一些Real-TimeLinux简介NMTRT-LinuxMontaVistaLinuxucLinuxBlueCat

LinuxOpenWRT，DD-WRTGoogleAndroid第四十四页，共63页。1、NMTRT-LinuxNMT是新墨西哥科技大学(NewMexicoTechnology)的缩写Real-timeLinux的鼻祖硬实时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第四十五页，共63页。可载入式核心模组(loadablekernelmodule)。

第四十六页，共63页。RTAIReal-TimeApplicationInterfaceLKM在Linux上定义了一组RTHAL(Real-TimeHardwareAbstractionLayer)RTAI只使用RTHAL和Linux沟通第四十七页，共63页。LXRTRTAI无法直接使用Linux的系统调用解决的方法：使用RT-FIFO将一个RTAIreal-timekernelmodule和真正的Linux进程连接在一起代理：LXRTproxy第四十八页，共63页。第四十九页，共63页。2、MontaVista

LinuxMontaVista软件公司全球三大嵌入式Linux操作系统及解决方案供应商之一MontaVista

Linux支持6种体系结构的20款处理器，x86/IA-32、PowerPC、StrongARM、XScale、ARM、MIPSMontaVista

Linux包括KDevelop

IDE、目标配置工具（Target

Configuration

Tool）、库优化工具（Library

Optimizer

tool）。另外，它还提供超过215个应用软件包。第五十页，共63页。基于Linux

2.4.X稳定内核，提供支持x86、MIPS、SH以及PowerPC体系结构的实时抢占式内核。跨平台开发，支持14个主机开发环境，包括Red

Hat、Yellow

Dog

Linux、SuSE、Mandrake、Solaris以及VMWare

on

Windows

NT/2000该版本提供了215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thttpd嵌入式服务器和802.11b无线通信标准附加包。第五十一页，共63页。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KDevelop的MontaVista开发环境；支持x86和PowerPC平台的Linux跟踪工具（包括内核性能和执行分析器）；ext3日志文件系统。

第五十二页，共63页。3、uClinux专为无（MMU）的微控制器打造的嵌入式Linux操作系统。uClinux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

第五十三页，共63页。特点UClinux的内核要比原Linux内核小的多1.

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。第五十四页，共63页。2.uCLinux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，运行速度更快第五十五页，共63页。3.uCLinux的romfs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。4.uCLinux的应用程序库uClibc对libc做了精简静态链接第五十六页，共63页。uClinu