【文章內容簡介】 可靠性、成本、體積、功耗等指標的嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。另一種是， IEEE（國際電氣和電子工業(yè)協(xié)會）的定義：嵌入式系統(tǒng)是用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器的設備和裝置。兩種定義分別是在不同方面來闡述嵌入式系統(tǒng)的特點，可以將嵌入式系統(tǒng)簡單的理解為一種軟件和硬件的綜合體，將電子、計算機技術與具體應用相結合后的產物，是一種體型小巧、功能強大的集成系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)一般指非 PC 系統(tǒng)， 它包括硬件和軟件兩部分，硬件設備包括處理器和外圍設備，軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件和應用程序。嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部分，它與通用處理器最大的區(qū)別在于，嵌入式處理器大多工作在為特定用戶群所專門設計的系統(tǒng)中，它將通用處理器中許多由板卡完成的任務集成到芯片內部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設計時趨于小型化，同時還具有很高的效率和可靠性。如今，全世界嵌入式處理器已經超過 1000 多種，流行的體系結構有 30多個系列，其中以 ARM、 PowerPC、 MC 68000、 MIPS 等使用最為廣泛。外圍設備在嵌入式系統(tǒng)中主要用于完 成存儲、通信、調試、顯示等輔助功能，如存儲器及外設器件和 I/O端口、圖形控制器等。嵌入式操作系統(tǒng)通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統(tǒng)內核、設備驅動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)不僅具有通用操作系統(tǒng)的一般功能，如向上提供對用戶的接口 (如圖形界面、庫函數 API 等 )，向下提供與硬件設備交互的接口 (硬件驅動程序 )，管理復雜的資源系統(tǒng)，同時它還在系統(tǒng)實時性、硬件依賴性、軟件固化性以及應用專用性等方面具有更加鮮明的特點。嵌入式系統(tǒng)的應用環(huán)境復雜，嵌入式處理器的多樣化，使嵌入式操作系統(tǒng)的種類繁 多，以適應不同的應用。常用的嵌入式操作系統(tǒng)有如下幾種： WinCE，Vxworks， Symbian， Linux， uClinux， ETLinux 等。嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產品、面向應用的，它必須與具體應用相結合才具有其實用價值。 基于 Linux平臺 用 Qt編譯數碼相框 6 嵌入式 linux 嵌入式 Linux 是以 Linux 為基礎的嵌入式作業(yè)系統(tǒng)，它被廣泛應用在移動電話、個人數字助理 (PDA)、媒體播放器、消費性電子產品以及航空航天等領域中。 嵌入式 linux 是將日益流行的 Linux 操作系統(tǒng)進行裁剪修改，使之能在嵌入式計算機系統(tǒng)上運行的一種操 作系統(tǒng)。嵌入式 linux 既繼承了 Inter 上無限的開放源代碼資源，又具有嵌入式操作系統(tǒng)的特性。 嵌入式 Linux的特點和優(yōu)勢 嵌入式 Linux 是將日益流行的 Linux 操作系統(tǒng)進行裁剪修改，使之能在嵌入式計算機系統(tǒng)上運行的一種操作系統(tǒng)。嵌入式 Linux 既繼承了 Inter 上無限的開放源代碼資源，又具有嵌入式操作系統(tǒng)的特性。嵌入式 Linux 的特點是版權費免費 。購買費用媒介成本技術支持全世界的自由軟件開發(fā)者提供支持網絡特性免費，而且性能優(yōu)異，軟件移植容易，代碼開放，有許多應用軟件支持，應用產 品開發(fā)周期短，新產品上市迅速，因為有許多公開的代碼可以參考和移植，實時性能 RT_Linux Hardhat Linux 等嵌入式 Linux 支持，實時性能穩(wěn)定性好安全性好。 Linux 做嵌入式的優(yōu)勢，首先， Linux 是開放源代碼的，不存在黑箱技術，遍布全球的眾多 Linux 愛好者又是 Linux 開發(fā)者的強大技術支持；其次， Linux的內核小、效率高，內核的更新 速度很快 ,linux 是可以定制的，其系統(tǒng)內核最小只有約 134KB。第三， Linux 是免費的 OS，在價格上極具競爭力。 Linux還有著嵌入式操作系統(tǒng)所需要 的很多特色，突出的就是 Linux 適應于多種 CPU和多種硬件平臺，是一個跨平臺的系統(tǒng)。到目前為止，它可以支持二三十種CPU。而且性能穩(wěn)定，裁剪性很好，開發(fā)和使用都很容易。很多 CPU 包括家電業(yè)芯片，都開始做 Linux 的平臺移植工作。移植的速度遠遠超過 Java 的開發(fā)環(huán)境。也就是說，如果今天用 Linux 環(huán)境開發(fā)產品，那么將來換 CPU 就不會遇到基于 Linux平臺 用 Qt編譯數碼相框 7 困擾。同時， Linux 內核的結構在網絡方面是非常完整的， Linux 對網絡中最常用的 TCP/IP 協(xié)議有最完備的支持。提供了包括十兆、百兆、千兆的以太網絡，以及無線網絡， Toker ring(令牌環(huán)網 )、光纖甚至衛(wèi)星的支持。所以 Linux 很適于做信息家電的開發(fā)。 現今 Linux 已經在嵌入式領域顯示了強勁的發(fā)展勢頭。 Linux 是一個成熟而穩(wěn)定的網絡操作系統(tǒng)， Linux 操作系統(tǒng)在短暫的時間內得到迅猛發(fā)展，是與其良好性能分不開的，其主要特性表現在如下幾個方面： （ 1）開放性：指系統(tǒng)遵循世界標準規(guī)范，特別是遵循開放系統(tǒng)互聯 (OSI 國際標準 )。凡遵循國際標準所開發(fā)的硬件和軟件，都能彼此兼容，可方便地實現互聯。 （ 2）多用戶：指系統(tǒng)資源可以被不同用戶各自擁有和使用，每個用戶對自己的資源有特定的權 限，互不影響。 （ 3）多任務：是現代計算機的主要的一個特點，是指計算機同時執(zhí)行多個程序，而且各個程序的運行互相獨立。 Linux系統(tǒng)調度每一個進程，平等地訪問微處理器。 （ 4）良好的用戶界面： Linux 向用戶提供了 3 種界面：傳統(tǒng)操作界面、系統(tǒng)調用界面和圖形用戶界面。 Linux的傳統(tǒng)操作界面是基于文本的命令行界面，即 Shell。 （ 5）設備獨立性：是指操作系統(tǒng)把所有外部設備統(tǒng)一當作文件看待，只要安裝它們的驅動程序，任何用戶都可以像使用文件一樣，操縱、使用這些設備，而不必知道它們的具體形式。這種設備獨立性簡化增加 新設備的工作。 （ 6）良好的移植性：經過內核開發(fā)者的努力， 內核已經可以支持多種處理器平臺，從大型計算機到有關體系結構的微型計算機 。 針對 Linux 內核的上述特點和在嵌入式開發(fā)領域對系統(tǒng)功能要求的不斷提高， Linux系統(tǒng)逐漸成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的首選操作系統(tǒng)。 嵌入式 linux 內核 Linux 的低成本和開放性，使其廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)領域。本節(jié)著重介紹 內核的新特性及其嵌入式應用中的優(yōu)勢。實時性和可靠性是嵌入式應基于 Linux平臺 用 Qt編譯數碼相框 8 用較為普遍的要求，盡管 并不是一個真正的實對操作系統(tǒng)，但其改進的特性能夠滿足響應需求。 已經在內核主體中加入了提高串斷性能和調度響應時間的改進，其中有三個最顯著的改進：采用可搶占內核、更加有效的調度算法以及同步性的提高。在嵌入式領域， 提高了其實時性能，添加了新的體系結構和處理器類型，還改善了 I/O 子系統(tǒng)，等等，并且增添更多的多媒體應用功能。 linux 內核描述 操作系統(tǒng)是一個用來和硬件打交道并為用戶程序提供一個有限服務集的低級 支撐軟件 。一個 計算機系統(tǒng) 是一個硬件和軟件的共生體，它們互相依 賴，不可分割。計算機的硬件，含有外圍設備、處理器、內存、硬盤和其他的電子設備組成計算機的發(fā)動機。但是沒有軟件來操作和控制它，自身是不能工作的。完成這個控制工作的軟件就稱為操作系統(tǒng)，在 Linux 的術語中被稱為 “ 內核 ” ，也可以稱為 “ 核心 ” 。 Linux 內核的主要模塊 (或組件 )分以下幾個部分：存儲管理、 CPU 和進程管理、文件系統(tǒng)、設備管理和驅動、網絡通信，以及系統(tǒng)的初始化 (引導 )、系統(tǒng)調用等。 Linux 最早是由芬蘭人 Linus Torvalds 設計的。當時由于 UNIX 的 商業(yè)化，Andrew Tannebaum 教授 開發(fā)了 Minix 操作系統(tǒng)以便于不受 ATamp。T 許可協(xié)議的約束，為教學科研提供一個操作系統(tǒng)。當時發(fā)布在 Inter 上，免費給全世界的學生使用。 Minix 具有較多 UNIX 的特點，但與 UNIX 不完全兼容。 1991 年 10 月5日， Linus 為了給 Minix 用戶設計一個比較有效的 UNIX PC 版本，自己動手寫了一個 “ 類 Minix” 的操作系統(tǒng)。整個故事從兩個在端終上打印 AAAA...和BBBB...的進程開始的，當時最初的內核版本是 。 Linus Torvalds 將它發(fā)到了 Minix 新聞組，很快就得到了反應。 Linus Torvalds 在這種簡單的任務切換機制上進行擴展，并在很多熱心支持者的幫助下開發(fā)和推出了 Linux 的第一基于 Linux平臺 用 Qt編譯數碼相框 9 個穩(wěn)定的工作版本。 1991 年 11 月， 版本推出， 版本隨后在1991 年 12 月推出，當時將它發(fā)布在 Inter 上，免費供人們使用。當 Linux非常接近于一種可靠的 /穩(wěn)定的系統(tǒng)時， Linus 決定將 版本稱為 版本。 1994 年 3 月 ,正式的 Linux 出現了，這差不多是一種正式的獨立宣言。截至那時為止，它的用戶基數已經發(fā)展得很大，而且 Linux 的核心開發(fā)隊伍也建 立起來了。 Linux 內核本身并不是操作系統(tǒng) ， 它是一個完整操作系統(tǒng)的組成部分 。 Red Hat、 Novell、 Debian 和 Gentoo 等 Linux 發(fā)行商都采用 Linux 內核，然后加入更多的工具、庫和應用程序來構建一個完整的操作系統(tǒng) 。 Linux 發(fā)行商一般會根據自己的需要對基本內核進行定制，在一些情況下，不同的 Linux 版本會在自己的內核中加入主內核中沒有的特性和支持，如 Red Hat 將部分 內核的特性向前移植到它自己的 內核中；再如 Ubuntu Linux 版本最近在Ubuntu 的 內核中增加了對 Sun T1 處理器的支持，而這種支持目前還沒有出現在主內核中。 linux 內核系統(tǒng)體系結構 Linux 內核主要由 5 個模塊構成，它們分別是：進程調度模塊、內存管理模塊、文件系統(tǒng)模塊、進程間通信模塊和網絡接口模塊。 進程調度模塊用來負責控制進程對 CPU 資源的使用。所采取的調度策略是各進程能夠公平合理地訪問 CPU，同時保證內核能及時地執(zhí)行硬件操作。內存管理模塊用于確保所有進程能夠安全地共享機器主內存區(qū)，同時，內存管理模塊還支持虛擬內存管理方式，使得 Linux 支持進程使用比實際內存空 間更多的內存容量。并可以利用文件系統(tǒng)把暫時不用的內存數據塊交換到外部存儲設備上去，當需要時再交換回來。文件系統(tǒng)模塊用于支持對外部設備的驅動和存儲。虛擬文件系統(tǒng)模塊通過向所有的外部存儲設備提供一個通用的文件接口，基于 Linux平臺 用 Qt編譯數碼相框 10 隱藏了各種硬件設備的不同細節(jié)。從而提供并支持與其他操作系統(tǒng)兼容的多種文件系統(tǒng)格式。進程間通信模塊子系統(tǒng)用于支持多種進程間的信息交換方式。網絡接口模塊提供對多種網絡通信標準的訪問并支持許多網絡硬件。 這幾個模塊之間的依賴關系如圖 21 所示。其中的連線代表它們之間的依賴關系，虛線和虛框部分表示 Linux 中還未實現的部分 (從 Linux 版才開始逐步實現虛擬文件系統(tǒng)，而網絡接口的支持到 版才有 )。 圖 2 1 Linux內存系統(tǒng)模塊結構及相互依賴關系 由圖可以看出，所有的模塊都與進程調度模塊存在依賴關系。因為它們都需要依靠進程調度程序來掛起 (暫停 )或重新運行它們的進程。通常，一個模塊會在等待硬件操作期間被掛起，而在操作完成后才可繼續(xù)運行。例如，當一個進程試圖將一數據塊寫到軟盤上去時，軟盤驅動程序就可能在啟動軟盤旋轉期間將該進程置為掛起等 待狀態(tài)，而在軟盤進入到正常轉速后再使得該進程能繼續(xù)運行。另外 3個模塊也是由于類似的原因而與進程調度模塊存在依賴關系。 其他幾個模塊的依賴關系有些不太明顯，但同樣也很重要。進程調度子系統(tǒng)需要使用內存管理來調整一特定進程所使用的物理內存空間。進程間通信子系統(tǒng)則需要依靠內存管理器來支持共享內存通信機制。這種通信機制允許兩個進程訪問內存的同一個區(qū)域以進行進程間信息的交換。虛擬文件系統(tǒng)也會使用網絡接口來支持網絡文件系統(tǒng) (NFS)，同樣也能使用內存管理子系統(tǒng)提供內存虛擬盤 (ramdisk)設備。而內存管理子系統(tǒng)也會使用 文件系統(tǒng)來支持內存數據塊的交換操作 [6] 。 基于 Linux平臺 用 Qt編譯數碼相框 11 內核的特點 一般地，可以從 Linux 內核版本號來區(qū)分系統(tǒng)是否是 Linux 穩(wěn)定版還是測試版。以版本 為例， 2 代表主版本號， 6 代表次版本號， 0 代表改動較小的末版本號。在版本號中，序號的第二位為偶數的版本表明這是一個可以使用的穩(wěn)定版本，如 ，而序號的第二位為奇數的版本一般有一些新的東西加入，是個不一定很穩(wěn)定的測試版本，如 。這樣穩(wěn)定版本來源于上一個測試版升級版本號， 而一個穩(wěn)定版本發(fā)展到完全成熟后就不再發(fā)展。 Linux 內核是 Linux 操作系統(tǒng)中最核心的部分，用于實現對硬件部件的編程控制和接口操作 。 內核相對 內核，優(yōu)點更加突出： （ 1）模塊子系統(tǒng)（ Module Subsystem）、統(tǒng)一設備模型（ Unified Device Model）和 PNP 支持模塊子系統(tǒng)發(fā)生了重大變化。 （ 2） 穩(wěn)定性有所提高 ： 為了徹底避免內核加載或者導出正在被使用的內核模塊，或者至少為了減少加載或者卸載模塊的同時使用該模塊的可能性（這有時會導致系統(tǒng)崩潰），內核加載和導出內核模 塊的過程都得到了改進。 （ 3） 統(tǒng)一設備模型 ： 統(tǒng)一設備模型的創(chuàng)