【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 本上出自 INTEL、 AMD 等幾家公司。軟件則主要是WINDOWS 系統(tǒng)以及其相配套的如 OFFICE、 IE 等應(yīng)用軟件，所以傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是一個(gè) WINTEL 壟斷的工業(yè)。 但 是嵌入式系統(tǒng)就不同了，它是一個(gè)分散的工業(yè)，在這個(gè)領(lǐng)域充滿了競(jìng)爭(zhēng)、機(jī)遇與創(chuàng)新，沒(méi)有哪一個(gè)系列的處理器和操作系統(tǒng)能夠壟斷全部市場(chǎng)，呈現(xiàn)一種 “百花齊放 ”的景象。即便在體系結(jié)構(gòu)上存在著主流，但各不相同的應(yīng)用領(lǐng)域決定了不可能由少數(shù)公司、少數(shù)產(chǎn)品壟斷全部市場(chǎng)。因此，嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的產(chǎn)品和技術(shù)，必然是高度分散的，留給各個(gè)行業(yè)的中小規(guī)模搞技術(shù)公司的創(chuàng)新與第很大。另外，社會(huì)上的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是在不斷向前發(fā)展的，要求其中的嵌入式處理器核心也同步發(fā)展，這也構(gòu)成了推動(dòng)嵌入式工業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。 嵌入式處理器的應(yīng)用軟件是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng) 功能的關(guān)鍵，對(duì)嵌入式處理器系統(tǒng)軟件及應(yīng)用軟件的要求也和通用計(jì)算機(jī)有所不同 [1][2]。 軟件要求固態(tài)化存儲(chǔ) 為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在非易失性存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)本身中，而不是存儲(chǔ)與磁盤(pán)等載體中。 軟件代碼高質(zhì)量、高可靠性 盡管半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使處理器速度不斷提高，片上存儲(chǔ)器容量不斷增加，但在大多數(shù)應(yīng)用中，存儲(chǔ)空間仍然是寶貴的，還存在實(shí)時(shí)性的要求。為此要求程序編寫(xiě)和編譯工具的質(zhì)量要高，編譯后的代碼要優(yōu)化，以減少程序二進(jìn)制代碼的長(zhǎng)度，提高執(zhí)行速度。 系統(tǒng)軟件（例如 OS）要有一定 的實(shí)時(shí)性 在多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)中，對(duì)重要性格不相容的任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧的合理調(diào)度是保證每個(gè)任務(wù)及時(shí)執(zhí)行的關(guān)鍵。這種任務(wù)調(diào)度應(yīng)該由優(yōu)化編寫(xiě)的系統(tǒng)軟件來(lái)完成，但通過(guò)提高處理器速度也可以在一定程度上予以彌補(bǔ)。 多任務(wù)操作系統(tǒng)是知識(shí)集成的平臺(tái)和走向工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化道路的基礎(chǔ) 嵌入式操作系統(tǒng)是由于工程實(shí)踐的需要而誕生的，因?yàn)榭刂瞥绦驊?yīng)嵌入式系統(tǒng)得應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大而所提供的功能也越來(lái)越復(fù)雜，而這些功能大多是可以由操作系統(tǒng)來(lái)提供的。嵌入式操作系統(tǒng)所使用的技術(shù)，基本上是從 PC 操作系統(tǒng)下推而來(lái)的。由于應(yīng)用的需要和硬件條件的限制，嵌入式 操作系統(tǒng)一般更加注重占用空間小和效率高等特點(diǎn)。 把嵌入式操作系統(tǒng)引入到嵌入式系統(tǒng)中，能夠?qū)η度胧较到y(tǒng)的開(kāi)發(fā)產(chǎn)生極大的推動(dòng)作用。在沒(méi)有操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)下，每當(dāng)要進(jìn)行進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)和功能的擴(kuò)展，都會(huì)帶來(lái)巨大的勞動(dòng)力的無(wú)謂消耗。而嵌入式操作系統(tǒng)則可以通過(guò)提供給用戶(hù)的各種 API，來(lái)對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行有效的管理。 嵌入式 LINUX 的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 從 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)始，出現(xiàn)了如 VxWorks、 pSOS、 Nucleus、 Palm OS 和 Windows CE 等商用嵌入式操作系統(tǒng)。但這些操作系統(tǒng)都是商業(yè)化產(chǎn)品，其高昂的價(jià) 格使許多低端產(chǎn)品的小公司望而卻步；而且，源代碼封閉性也大大限制了開(kāi)發(fā)者的積極性，因?yàn)檫@些 EOS 提供給編程人員的，往往只有 API 應(yīng)用編程接 口，一般以函數(shù)形式出現(xiàn)，這些函數(shù)均是不能修改的。另外，結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)情，當(dāng)前國(guó)家對(duì)自主操作系統(tǒng)的大力支持，也為源代碼開(kāi)放的 Linux 的推廣提供了廣闊的前景。 Linux 操作系統(tǒng)是 UNIX 操作系統(tǒng)的一種克隆系統(tǒng)。它誕生于 1991 年的 10月 5 日（這是第一次正式向外公布的時(shí)間）。此后借助于因特網(wǎng)，經(jīng)過(guò)全世界各地計(jì)算機(jī)愛(ài)好者的共同努力，現(xiàn)已成為當(dāng)今世界上使用最多的一種 UNIX 類(lèi)操作系統(tǒng) ，并且使用人數(shù)還在迅猛增長(zhǎng)。 Linux 的特點(diǎn)如下： 1．開(kāi)放性是指系統(tǒng)遵循世界標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，特別是遵循開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)（ OSI）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。凡遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)所開(kāi)發(fā)的硬件和軟件，都能彼此兼容，可方便地實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。 Linux 采用 GPL 授權(quán)，除了把源代碼公開(kāi)以外，任何人都可以自由使用、修改、散布；而 Linux 核心本身采用模塊化設(shè)計(jì)，讓人很容易增減功能，由于 Linux 具有這樣高的可伸縮性，所以可以調(diào)出最適合我們硬件平臺(tái)的核心出來(lái)。 2．多用戶(hù)是指系統(tǒng)資源可以被不同用戶(hù)各自擁有并使用，即每個(gè)用戶(hù)對(duì)自己的資源有特定的權(quán)限，互不影響 。 Linux 和 UNIX 都具有多用戶(hù)的特性。 3．多任務(wù)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)最主要的一個(gè)特點(diǎn)。它是指計(jì)算機(jī)同時(shí)執(zhí)行多個(gè)程序，而且各個(gè)程序的運(yùn)行互相獨(dú)立。 Linux 系統(tǒng)調(diào)度每一個(gè)進(jìn)程平等地訪問(wèn)微處理器。由于 CPU 的處理速度非?？?，其結(jié)果是，啟動(dòng)的應(yīng)用程序看起來(lái)好像在并行運(yùn)行。 4．穩(wěn)定性強(qiáng)， Linux 不屬于任何一家公司，但它卻擁有全世界愿意投入自由軟件的開(kāi)發(fā)人員。在全球各處都有無(wú)數(shù)的人參與 Linux 核心的改進(jìn)、調(diào)試與測(cè)試，也正因此造就了穩(wěn)定度高的 Linux。所以， Linux 雖不是商業(yè)的產(chǎn)物，但它的質(zhì)量卻不遜于商業(yè)產(chǎn)品。 5．設(shè)備獨(dú)立性，是指操作系統(tǒng)把所有外部設(shè)備統(tǒng)一當(dāng)做文件來(lái)看待，只要安裝它們的驅(qū)動(dòng)程序，任何用戶(hù)都可以像使用文件一樣，操縱、使用這些設(shè)備，而不必知道它們的具體存在形式。另外，由于用戶(hù)可以免費(fèi)得到 Linux 的內(nèi)核源代碼，因此，用戶(hù)可以修改內(nèi)核源代碼，以便適應(yīng)新增加的外部設(shè)備。 6．提供了豐富的網(wǎng)絡(luò)功能 完善的內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)是 Linux 的一大特點(diǎn)。 Linux 在通信和網(wǎng)絡(luò)功能方面優(yōu)于其他操作系統(tǒng)。 Linux 為用戶(hù)提供了完善的、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，包括支持Inter、文件傳輸和遠(yuǎn)程訪問(wèn)。 7．可靠的系統(tǒng)安全 在 Linux 操作系統(tǒng)中采取了許多安全技術(shù)措施，包括對(duì)讀、寫(xiě)進(jìn)行權(quán)限控制、帶保護(hù)的子系統(tǒng)、審計(jì)跟蹤、核心授權(quán)等，這些措施為網(wǎng)絡(luò)多用戶(hù)環(huán)境中的用戶(hù)提供了必要的安全保障。 8．良好的可移植性 可移植性是指將操作系統(tǒng)從一個(gè)平臺(tái)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)平臺(tái)，并使它仍然能按其自身的方式運(yùn)行的能力。 Linux 一開(kāi)始是基于 Intel 386 機(jī)器設(shè)計(jì)的，但是隨著網(wǎng)絡(luò)的散布，加上有許多工程師致力于各式平臺(tái)的移植，使得 Linux 可以在x8 MIPS、 ARM/StrongARM、 PowerPC、 Motorola 68k、 Hitachi SH3/SHTransmeta 等平臺(tái)上運(yùn)行。 這些平臺(tái)幾乎覆蓋了所有嵌入式系統(tǒng)的 CPU種類(lèi)，這樣，在硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，使得可以考慮的 CPU 種類(lèi)增加了不少 [3][4]。 9．應(yīng)用軟件多 自由軟件世界里有個(gè)很大的特點(diǎn)就是軟件多，授權(quán)幾乎都是采用 GPL 方式，大家都可以自由參考與使用，但是因?yàn)檫@些軟件多半是由設(shè)計(jì)者利用空余時(shí)間開(kāi)發(fā)的，不以贏利為目的，所以并不能擔(dān)保這些軟件完全沒(méi)有問(wèn)題。盡管如此，仍有許多優(yōu)秀軟件出現(xiàn)，例如，大家熟知的 KDE 與 GNOME 便是很好的證明。 Linux 內(nèi)核 內(nèi)核是操作系統(tǒng)的內(nèi)部核心程序，它向外部提供 了對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)備的核心管理調(diào)用。操作系統(tǒng)的代碼分為以下兩部分，內(nèi)核所在的地址空間稱(chēng)為內(nèi)核空間，外部管理程序與用戶(hù)進(jìn)程所占據(jù)的地址空間稱(chēng)為外部空間（用戶(hù)空間）。通常，一個(gè)程序會(huì)跨越兩個(gè)空間。當(dāng)執(zhí)行到內(nèi)核空間的一段代碼時(shí)，稱(chēng)程序處于核心態(tài)；而當(dāng)程序執(zhí)行到外部空間代碼時(shí)，稱(chēng)程序處于用戶(hù)態(tài) [5]。 Linux 系統(tǒng)使用了單一內(nèi)核結(jié)構(gòu)。 Linus Torvalds 將代碼執(zhí)行效率作為自己操作系統(tǒng)的第一要?jiǎng)?wù)。在這樣的發(fā)展過(guò)程中，比起結(jié)構(gòu)的清晰，他們更加注重 功能的強(qiáng)大和高效率的代碼。于是，他們將大量的精力花在優(yōu)化代碼上，而這樣 的全局性?xún)?yōu)化必然以損失結(jié)構(gòu)精練作為代價(jià)，導(dǎo)致 Linux 中的每個(gè)部件都不能被輕易拆出，否則，必然破壞整體效率。 雖然 Linux是一個(gè)單一內(nèi)核操作系統(tǒng)，但它與傳統(tǒng)的單一內(nèi)核 UNIX操作系統(tǒng)不同。在普通的單一內(nèi)核系統(tǒng)中，所有內(nèi)核代碼都是被靜態(tài)編譯連入的。而在 Linux 中，可以動(dòng)態(tài)裝入和卸載內(nèi)核中的部分代碼。 Linux 中將這樣的代碼段稱(chēng)為模塊（ Module），并對(duì)模塊給予了強(qiáng)有力的支持。在 Linux 中，可以在需要時(shí)自動(dòng)裝入和卸載模塊。 Linux 操作系統(tǒng)的內(nèi)核穩(wěn)定而高效，以獨(dú)占的方式執(zhí)行最底層任務(wù)，來(lái)保證其他程序的 正常運(yùn)行。它是整個(gè)操作系統(tǒng)的核心，具有獨(dú)特的性質(zhì) [6][7]。 Linux 內(nèi)核系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)， Linux 內(nèi)核主要由 5 個(gè)模塊構(gòu)成，它們分別是：進(jìn)程調(diào)度模塊、內(nèi)存管理模塊、文件系統(tǒng)模塊、進(jìn)程間通信模塊和網(wǎng)絡(luò)接口模塊。進(jìn)程調(diào)度模塊用來(lái)負(fù)責(zé)控制進(jìn)程對(duì) CPU 資源的使用，所采取的調(diào)度策略是各進(jìn)程能夠公平合理地訪問(wèn) CPU，同時(shí)保證內(nèi)核能及時(shí)地執(zhí)行硬件操作。內(nèi)存管理模塊用于確保所有進(jìn)程能夠安全地共享機(jī)器主內(nèi)存區(qū)，同時(shí)，內(nèi)存管理模塊還支持虛擬內(nèi)存管理方式，使得 Linux 支持進(jìn)程使用比實(shí)際內(nèi)存空間更多的內(nèi)存容量，并可以利用文件 系統(tǒng)把暫時(shí)不用的內(nèi)存數(shù)據(jù)塊交換到外部存儲(chǔ)設(shè)備上去，當(dāng)需要時(shí)再交換回來(lái)。文件系統(tǒng)模塊用于支持對(duì)外部設(shè)備的驅(qū)動(dòng)和存儲(chǔ)，虛擬文件系統(tǒng)模塊通過(guò)向所有的外部存儲(chǔ)設(shè)備提供一個(gè)通用的文件接口，隱藏了各種硬件設(shè)備的不同細(xì)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(jìn)程間通信模塊子系統(tǒng)用于支持多種進(jìn)程間的信息交換方式。網(wǎng)絡(luò)接口模塊提供對(duì)多種網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)的訪問(wèn)并支持許多網(wǎng)絡(luò)硬件 [8]。 3 嵌入式圖形用戶(hù)界面 圖形用戶(hù) 界面 （ Graphical User Interface，簡(jiǎn)稱(chēng) GUI，又稱(chēng)圖 形用戶(hù)接口 ）是指采用圖形方 式顯示的計(jì)算機(jī)操作用戶(hù)界面。與早期計(jì)算機(jī)使用的命令行界面相比，圖形界面對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)在視覺(jué)上更易于接受。 嵌入式 GUI 概述 嵌入式 GUI（ Graphics User Interface）為嵌入式系統(tǒng)提供了一種應(yīng)用于特殊場(chǎng)合的人機(jī)交互界面。嵌入式 GUI 要求簡(jiǎn)單、直觀、可靠、占用資源小且反應(yīng)快速，以適應(yīng)系統(tǒng)硬件資源有限的條件。另外，由于嵌入式系統(tǒng)硬件本身的特殊性，嵌入式 GUI 應(yīng)具備高度可移植性與可裁減性，以適應(yīng)不同的硬件條件和使用需求。 總體來(lái)講，嵌入式 GUI 具備以下特點(diǎn)：體積小 、 運(yùn)行時(shí)耗用系統(tǒng)資源小 、 上層接口 與硬件無(wú)關(guān) 、 高度可移植 、 高可靠性 、 可配置 [9]。 嵌入式 GUI 的分類(lèi) 目前在常用的嵌入式 GUI 領(lǐng)域，廣泛使用的有 QT/Embedded、Microwindows 和 MiniGUI 三種。由于嵌入式開(kāi)發(fā)人員對(duì)實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)在理解上的不同，是的這些 GUI 系統(tǒng)在接口定義、體系結(jié)構(gòu)、功能特性等方面存在很大差別，它們所采取的技術(shù)路線也有所不同。 三種 GUI 優(yōu)缺點(diǎn)分析 下面以形式總結(jié)以上說(shuō)敘述的三種圖形用戶(hù)界面 GUI 的優(yōu)缺點(diǎn)： 圖形用戶(hù)界面 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) MiniGUI (1)輕量級(jí)的圖形用戶(hù)界面支持 (2)系統(tǒng)圖形抽象 層 (3)多字體和多字符集支持 (4)兩個(gè)不同架構(gòu)的版本 Minithread和 Minilite (1)控件功能不夠豐富 (2)C 代碼，擴(kuò)展不利 Microwindows (1)開(kāi)源項(xiàng)目 (1)典型的基于 C/S 體系結(jié)構(gòu) (3)最底層是面向圖形輸出和鍵盤(pán)、鼠標(biāo)或觸摸屏的驅(qū)動(dòng)程序，中間層提供底層硬件抽象接口 (1)無(wú)任何硬件加速能力 (2)圖形引擎中存在許多低效算法，同時(shí)未經(jīng)任何優(yōu)化 (3)代碼質(zhì)量差 Qt/Embedded 隨意設(shè)置程序界面的外觀 非常容易的根據(jù)硬件特性定制 有針對(duì)手機(jī)的 Qtopia 應(yīng)用 套件 商用客戶(hù)較多 當(dāng)移植 Qt/Embedded 程序到不同平臺(tái)時(shí)，只需要重新編譯代碼，而不需要對(duì)代碼進(jìn)行修改 程序本地化很容易 程序與 Java 集成很容易 代碼量過(guò)大，最好用于 flash 大的智能手機(jī) 結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，很難進(jìn)行底層太多的擴(kuò)充 商用需要一定的授權(quán)費(fèi)用 表格 31 三種 GUI 優(yōu)缺點(diǎn)分析 綜上對(duì)比，不難看出， Qt/Embedded 是一個(gè)專(zhuān)門(mén)為小型設(shè)備提供圖形用戶(hù)界面的應(yīng)用框架和窗口系統(tǒng)。 Qt/Embedded 是高 端嵌入式設(shè)備 PDA 及手機(jī)的主流開(kāi)發(fā)工具。作為一項(xiàng)成熟的技術(shù)， KDE 桌面系統(tǒng)對(duì)于嵌入式窗口系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有很大參考價(jià)值， Qtopia 給嵌入式窗口系統(tǒng)提供了很好的框架，提供了豐富的窗口小部件（ widgets），并且還支持窗口部件的定制，因此它可以為用戶(hù)提供漂亮的圖形界面。 Qt 是 KDE 等項(xiàng)目使用 GUI 支持庫(kù)，所以有許多基于 Qt 的 X Window 程序可以非常方便地移植到 Qt/Embedded 版本上 [10][11][12]。 4 嵌入式 GUI 的開(kāi)發(fā)軟硬件環(huán)境 本章主要介紹設(shè)計(jì)基于 GUI 的嵌入式工作日志記錄器所用到的軟件和硬件平臺(tái)，其中硬件主要是 MINI2440 開(kāi)發(fā)板、三星 S3C2440 處理器而軟件主要是QT 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 QT sdk。此設(shè)計(jì)的主要工作是在 Linux（本次設(shè)計(jì)所使用的Linux 發(fā)行版為紅帽的桌面系統(tǒng) Fedora9）下 ARM 交叉環(huán)境的搭建，在 Windows xp 下 QT SDK 的安裝以及設(shè)計(jì)編寫(xiě)工作日志記錄器的主程序。 Linux 內(nèi)核的移植，文件系統(tǒng)的構(gòu)建（包括能在 ARM 上運(yùn)行的 QT/E 庫(kù)和交叉編譯完成后的工作日志記錄器程序）與移植。 硬件平臺(tái)簡(jiǎn)介 Mini2440 是一款真正低價(jià)實(shí)用的 ARM9 開(kāi)發(fā)板，是目 前國(guó)內(nèi)性?xún)r(jià)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(zhuān)業(yè)穩(wěn)定的 CPU 內(nèi)核電源芯片和復(fù)位芯片來(lái)保證系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)