【文章內(nèi)容簡介】 ，具有低功耗，體積小，集成度高等特點。 （ 2） 嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都是可定制的。 （ 3） 實時性 ，即 在確定的時間內(nèi)響應(yīng)某個事件的特性。 （ 4） 嵌入式系統(tǒng)不比與一般的應(yīng)用軟件 它 具有相當(dāng)長的生命周期 。 （ 5） 嵌入式系統(tǒng)軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機中，而 非 磁盤等 存儲 載體上。 （ 6） 嵌入式系統(tǒng)本身不具備開發(fā)承載能力。在設(shè)計完成以后，如果需要對其進(jìn)行修改、升級換代等，也必須借助于開發(fā)工具和環(huán)境。 據(jù)調(diào)查，目前已有的嵌入式操作 系統(tǒng)有兩百多種，并且隨著嵌入式領(lǐng)域的不斷發(fā)展，各種各樣的嵌入式操作系統(tǒng)還在不斷的相繼問世 ， 其中比較著名的嵌入式操作系統(tǒng)有181。C/OS、 VxWorks、 Neculeus、 Linux和 Windows。 嵌入式 Linux 所謂嵌入式 Linux，是指 Linux在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用。在所有的操作系統(tǒng)中， Linux操作系統(tǒng)是一個發(fā)展最快，應(yīng)用最廣泛的操作系統(tǒng)，由于 Linux系統(tǒng)的優(yōu)良特性，使得其成為嵌入式開發(fā)中的首選。隨著嵌入式 Linux的不斷成熟，以及其對更小尺寸和更多類型的處理器支持，使得嵌入式 Linux操作 系統(tǒng)邁入了嵌入式系統(tǒng)的主流。 在嵌入式領(lǐng)域， Linux表現(xiàn)出強大而完備的性能，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點： （ 1） Linux是開放源代碼的，不在存黑箱技術(shù)。系統(tǒng)升級、軟件移植方便。只要遵循GPL的相關(guān)規(guī)定就可以免費得到 Linux內(nèi)核的完整源代碼，不用支付版權(quán)稅，可以根據(jù)具體的系統(tǒng)進(jìn)行裁減和優(yōu)化，這對于構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)具有重要的意義。 山東工商學(xué)院 2020 屆畢業(yè) 論文 3 （ 2）由于 Linux 是開放的操作系統(tǒng) ,比較容易實現(xiàn)產(chǎn)品定制。內(nèi)核可裁剪，功能可定制。 Linux 的內(nèi)核采用模塊化設(shè)計，模塊可以根據(jù)需要加載和卸除。這就使得開發(fā)人員可以針對自己的系統(tǒng)來 編譯自己的內(nèi)核，運行所需資源少，十分適合嵌入式應(yīng)用。 （ 3） Linux的源代碼隨處可得，注釋豐富，文檔齊全，易于解決各種問題，由全世界的自由軟件開發(fā)者為嵌入式 Linux提供技術(shù)支持，網(wǎng)絡(luò)資源得天獨厚。 （ 4） Linux的內(nèi)核非常穩(wěn)定，性能高效、多任務(wù)。 （ 5） Linux是一個跨平臺的系統(tǒng)，支持多種 CPU。最新的 Linux內(nèi)核支持 Intelx8Motorola/IBM、 PowerPC、 ARM（ Advanced RISC Machines）、 Compaq（ DEC)Alpha IA 6S/390SuperH 等微處理器體系結(jié)構(gòu)。 Linux還可以在沒有 MMU（ Memory Management Unit）的處理器上運行，這就使得在嵌入式領(lǐng)域沒有 MMU 的處理器得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。 當(dāng)下主流的嵌入式 Linux 系統(tǒng)有 181。Clinux， RTlinux 和 RTAI， MontaVistaLinux，以及LynxOS 操作系統(tǒng)。 181。Clinux設(shè)計的目標(biāo)平臺是那些不具有內(nèi)存管理單元（ MMU）的微處理芯片，為了達(dá)到嵌入式系統(tǒng)的要求， 181。Clinux還改寫和裁剪了大量 Linux內(nèi)核代碼以縮小內(nèi)核體積，使得其內(nèi)核遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn) Linux 的內(nèi) 核，但是它仍然保持了 Linux 操作系統(tǒng)幾乎所有的優(yōu)秀特性，包括穩(wěn)定，強大的網(wǎng)絡(luò)功能，出色的文件系統(tǒng)支持。 RTlinux 并沒有對 Linux 內(nèi)核作大的改動，而是利用 Linux 內(nèi)核模塊機制，采用插入模塊的方式，通過一個獨立的內(nèi)核來管理實時任務(wù)，在加載了 RTlinux 內(nèi)核之后，原來的Linux內(nèi)核就作為實時操作系統(tǒng)的一個空閑任務(wù)，僅當(dāng)沒有實時任務(wù)要運行時才執(zhí)行， Linux任務(wù)從不阻塞中斷，也不阻止其他進(jìn)程從自己的手中搶占處理機資源 RTLinux使用的關(guān)鍵技術(shù)是中斷控制硬件的軟件模仿，當(dāng) Linux使硬件中斷無效時， 實時系統(tǒng)將阻止這個請求，記錄它，然后返回 Linux。 MontaVista Linux 是全球三大嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)及解決方案供應(yīng)商之一的 Monta Vista Software 公司于 1999 年推出的，其重點考慮的是小內(nèi)存，確保響應(yīng)，高可用性等。Monta Vista Linux 的最新版本 Monta Vista ，它采用標(biāo)準(zhǔn) Linux內(nèi)核 ，并進(jìn)行了高度的裁剪和配置， 使其成為高穩(wěn)定性，性能突出的一款出色的嵌入式操作系統(tǒng)。 LynxOS 是一個針對有強實時性要求的嵌入式應(yīng)用的實時操作系統(tǒng)（ RTOS），它是一個結(jié)合了性能，可靠性，開放性與可擴展性的硬實時 RTOS， LynxOS 體系結(jié)構(gòu)的高度模塊化使它具有很強的可擴展性并且易于配置。 嵌入式微處理器 嵌入式微處理器 (Microprocessor Unit， MPU)由通用計算機中的 CPU演變而來。與通用計算機中的 CPU不同的是，在嵌入式應(yīng)用中，將微處理器裝在專門設(shè)計的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。此外，嵌入式微處理器在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面 相對通用計算機中的 CPU都做了各種增強。 山東工商學(xué)院 2020 屆畢業(yè) 論文 4 目前主要的嵌入式微處理器有 X8 ARM、 MIPS、 PowerPC 等系列。 ARM與 Linux 在 32 位 RISC 處理器的領(lǐng)域，基于 ARM 的結(jié)構(gòu)體系在嵌入式系統(tǒng)中發(fā)揮了重要的作用， ARM 處理器和嵌入式 Linux的結(jié)合也越來越緊密，并在嵌入式領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，早在 1994 年， Linux就可在 ARM 架構(gòu)上運行，時至今日，在各式各樣的便攜式消費類電子產(chǎn)品，網(wǎng)絡(luò)，無線設(shè)備，汽車，醫(yī)療和存儲產(chǎn)品內(nèi)，都可以看到 ARM 與 Linux相結(jié)合的身影。 ARM 結(jié)構(gòu)體系歷經(jīng)多年的 發(fā)展產(chǎn)生出很多版本，目前 Linux幾乎對 ARM 不同系列的處理器都有了相應(yīng)的支持，此外 Linux對于自己在 ARM 規(guī)劃藍(lán)圖中獲得定義的新特征也有相應(yīng)的支持。 山東工商學(xué)院 2020 屆畢業(yè) 論文 5 第二章 目標(biāo)平臺 在進(jìn)行嵌入式開發(fā)時，選擇合適的開發(fā)平臺是一個很重要的環(huán)節(jié)，開發(fā)板可以為用戶提供基本的底層硬件，系統(tǒng)和驅(qū)動等資源。考慮到諸如開發(fā)成本，資源特性要求，周期，技術(shù)支持程度等的不同，即使是基于同一款處理器的開發(fā)板也會因為開發(fā)的目的不同而不同。 本論文的研究課題是基于 ARM9 的嵌入式 Linux系統(tǒng)移植。選擇廣州友善之臂計算機有限公司的 2440V3 作為我們的研究平臺，該開發(fā)板是基于 Samsung 2440 處理器的開發(fā)平臺，具有完備的硬件資源和豐富的軟件資源包，為我們進(jìn)行嵌入式開發(fā)技術(shù)研究提供了一個較理想的平臺。 目標(biāo)硬件平臺結(jié)構(gòu) 2440V3是一款低價實用的 ARM9開發(fā)板，是目前國內(nèi)性價比最高的一款學(xué)習(xí)板。它采用 Samsung S3C2440 為微處理器，并采用專業(yè)穩(wěn)定的 CPU 內(nèi)核電源芯片和復(fù)位芯片來保證系統(tǒng)運行時的穩(wěn)定性。2440 的 PCB 采用沉金工藝的四層板設(shè)計，專業(yè)等長布線，保證關(guān)鍵信號線的信號完整性。 圖 244 0V3 開發(fā)板 山東工商學(xué)院 2020 屆畢業(yè) 論文 6 2440V3 開發(fā)板硬件資源 （ 1） CPU處理器 — Samsung S3C2440A，主頻 400MHZ，最高 533MHZ （ 2） SDRAM 內(nèi)存 — 在板 64M SDRAM — 32bit 數(shù)據(jù)總線 — SDRAM 時鐘頻率高達(dá) 100MHZ （ 3） FLASH 存儲 — 在板 64M Nand Flash, 掉電非易失 — 在板 2M Nor Flash，掉電非易失，已經(jīng)安裝 BIOS （ 4） LCD 顯示 — 板上集成 4 線電阻式觸摸屏接口，可以直接連接四線電阻觸摸屏 — 支持黑白、 4 級灰度、 16 級灰度、 256 色、 4096 色 STN 液晶屏，尺寸從 寸到 寸，屏幕分辨率可以達(dá)到 1024x768 象素； — 支持黑白、 4 級灰度、 16 級灰度、 256 色、 64K 色、真彩色 TFT 液晶屏，尺寸從 寸 到 寸，屏幕分辨率可以達(dá)到 1024x768 象素； — 標(biāo)準(zhǔn)配置為 NEC 256K 色 240x320/ 英寸 TFT 真彩液晶屏，帶觸摸屏； — 板上引出一個 12V電源接口，可以為大尺寸 TFT 液晶的 12V CCFL背光模塊(Inverting)供電。 （ 5） 接口和資源 — 1 個 10M 以太網(wǎng) RJ—45 接口 (采用 CS8900 網(wǎng)絡(luò)芯片 ) — 3 個串行口 — 1 個 USB Host — 1 個 USB Slave B 型接口 — 1 個 SD 卡存儲接口 — 1 路立體聲音頻輸出接口，一路麥克風(fēng)接口； — 1 個 20 針標(biāo)準(zhǔn) JTAG 接口 — 4 USER Leds — 4 USER buttons — 1 個 PWM 控制蜂鳴器 — 1 個可調(diào)電阻，用于 AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換測試 — 1 個 I2C 總線 AT24C08 芯片，用于 I2C 總線測試 — 1 個 20pin 攝像頭接口 山東工商學(xué)院 2020 屆畢業(yè) 論文 7 — 板載實時時鐘電池 — 電源接口 (12V)，帶電源開關(guān)和指示燈 （ 6） 系統(tǒng)時鐘源 — 12M 無源晶振 （ 7） 實時時鐘 — 內(nèi)部實時時鐘 (帶后備鋰電池 ) （ 8） 擴展接口 — 1 個 34 pin 接口 — 1 個 44 pin 系統(tǒng)總線接口 （ 9） 操作系統(tǒng)支持 — — 開發(fā)板設(shè)置及連接 ● 跳線說明。 2440V3 開飯板上有兩個跳線，分別為 J1 和 J6。 J1 為啟動模式選擇跳線。當(dāng) J1 接到 Nor Flash一側(cè)時，系統(tǒng)從 Nor Flash啟動 ,接 到另一側(cè)是則從 Nand Flash啟動。在 NAND Flash啟動模式下， 內(nèi)部的 4K Bytes BootSram被映射到 nGCS0 片選的空間；在 Nor Flash啟動模式下與 nGCS0 相連的外部存儲器 Nor Flash就被映射到 nGCS0 片選的空間。 J6 為 LCD 模塊電源選擇跳線，當(dāng)選擇 5V一側(cè)的兩針時，為 LCD 模塊提供 5V電壓，當(dāng)選擇另一側(cè)時，則提供 3V電壓。 ● 外部接口連接。使用開發(fā)板自帶的直連串口線連接 2440V3 的串口 0 和 PC 機的串口；交叉網(wǎng)線將 2440V3 的網(wǎng)絡(luò)接口 與 PC相連；將 12V電源適配器連接到板上的 12V輸入插座；把音箱或者耳機的插頭接入板上的音頻輸出口；液晶屏與 2440V3 的 LCD 接口相連；并用 USB 電纜連接 2440V3 和 PC。 ARM微處理器 ARM體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 ARM（ Advanced RISC Machines）是一種低功耗高性能的 32 位處理器，它以其體積小，低功耗，低成本，高性能等諸多優(yōu)異性能獲得了眾多處理器廠商的支持，從而得到了非常廣泛的應(yīng)用。目前為止， ARM 體系結(jié)構(gòu)共定義了 6 個版本，每一次 ARM 體系結(jié)構(gòu)的重 大修改，都會添加一些非常關(guān)鍵的技術(shù)。 ARM 處理器從 V3 結(jié)構(gòu)開始，實現(xiàn)了 32 位的地址空間，指令結(jié)構(gòu)更完善， V4 結(jié)構(gòu)增加了半字節(jié)指令的讀取和寫入操作和處理器系統(tǒng)模式， V5 結(jié)構(gòu)則提升了 ARM 和 Thumb兩種指令的交互工作能力，同時對 DSP 和 Java 指令也有了相應(yīng)的支持，最新的 V6 結(jié)構(gòu)增加了媒體指令。其中比較典型的 ARM 處理器如： ARM7 采用 3 級流水線結(jié)構(gòu)，采用馮 諾山東工商學(xué)院 2020 屆畢業(yè) 論文 8 依曼體系結(jié)構(gòu)； ARM9 采用 5 級流水線，采用哈佛體系結(jié)構(gòu)； ARM10 采用 6 級流水線。 ARM的體系結(jié)構(gòu)的特征 ARM 處理器采用了 RISC 體 系結(jié)構(gòu)，因此秉承了大部分早期 RISC 體系結(jié)構(gòu)的特征，如 32 位指令、 Load/Store 體系結(jié)構(gòu)等。 （ 1） 指令周期 ARM 被設(shè)計為使用最少的時鐘周期來訪問存儲器，但并不是所有指令都單周期執(zhí)行。如在低成本領(lǐng)域中普遍使用的 ARM7TDMI，數(shù)據(jù)和指令占有同一總線，使用同一存儲器時，即使最簡單的 Load 和 Store 指令也最少需要訪問 2 次存儲器（ 1 次取指令， 1 次數(shù)據(jù)讀 /寫）。因此，并不是所有 ARM 指令都在單一時鐘周期內(nèi)執(zhí)行的，少數(shù)指令需要多個時鐘周期。高性能的 ARM9TDMI 使用分開的數(shù)據(jù)和指令寄存器，能夠?qū)崿F(xiàn) 指令的單周期執(zhí)行。 （ 2） Load/Store 指令結(jié)構(gòu) ARM 微處理器采用加載 /存儲指令用于在寄存器和存儲器之間傳送數(shù)據(jù)，加載指令用于將存儲器中的數(shù)據(jù)傳送到寄存器，存儲指令則完成相反的操作。面向運算的所有操作都在寄存器中執(zhí)行，加快運算速度。 ARM9 系列 特性 ARM9 能夠運行在比 ARM7 更高的時鐘頻率上，處理器的整體性能也得到改善，存儲器系統(tǒng)也根據(jù)哈佛體系結(jié)構(gòu)重新設(shè)計，區(qū)分了指令總線和數(shù)據(jù)總線。增加的流水線設(shè)計提高了時鐘頻率和并行處理能力。 ARM9 采用了 5 級指令流水線，能夠?qū)⒚恳粋€指令處理分配到 5 個時鐘周期內(nèi)，也就是說在每一個時鐘周期內(nèi)同時有 5 個指令在執(zhí)行。 體系結(jié)構(gòu)