【導(dǎo)讀】用的形勢(shì)下，3C合一的趨勢(shì)已經(jīng)形成，系統(tǒng)也就將成為軟件業(yè)的新寵兒。同時(shí)在計(jì)算機(jī)本身的領(lǐng)域里面，微型化和專(zhuān)業(yè)。化成為了發(fā)展的新趨勢(shì)，同樣也需要嵌入式系統(tǒng)的支持。因此，研究與嵌入式系。統(tǒng)有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)——嵌入式操作系統(tǒng)有著相當(dāng)重要的實(shí)際意義。嵌入式操作系統(tǒng)條件的幾點(diǎn)要求展開(kāi)討論。電器的概念做出表述，并且說(shuō)明Linux的特點(diǎn)、發(fā)展?fàn)顩r河開(kāi)發(fā)環(huán)境。其中還講到了如何利用現(xiàn)有的工作設(shè)計(jì)出一個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)。對(duì)現(xiàn)有的工作，提出進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出完整的、具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品提出開(kāi)發(fā)展望。

　　

【正文】 式返回內(nèi)核。 使用微內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)，使得 RTOS 體積很小，便于直接放在 ROM 中，實(shí)現(xiàn) ROM 固化；同時(shí)方便進(jìn)行模塊化的擴(kuò)展。 使用微內(nèi)核的結(jié)構(gòu)也存在很多的缺點(diǎn)，如操作系統(tǒng)的服務(wù)模塊在獨(dú)立的地址空間運(yùn)行，雖然可以將不同模塊間的內(nèi)存錯(cuò)誤隔離開(kāi)來(lái)，但是使得進(jìn)程間通信和上下文切換的時(shí)間和開(kāi)銷(xiāo)大大增加，降低了系統(tǒng)效率。 RTOS 的衡量標(biāo)準(zhǔn) 用來(lái)作為 RTOS 性能衡量標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)主要有如下幾種： 1）系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間（ System Response Time）：系統(tǒng)在發(fā)出處理要求到系統(tǒng)給出應(yīng)答信號(hào)的時(shí)間； 2）任務(wù)切換時(shí)間（ ContextSwitching Time）：多任務(wù)之間進(jìn) 行切換而花費(fèi)的時(shí)間； 3）中斷延遲時(shí)間（ Interrupt Latency Time）：從接收到中斷信號(hào)到操作系統(tǒng)做出響應(yīng)，并完成進(jìn)入中斷服務(wù)程序的時(shí)間。 網(wǎng)絡(luò)要求 嵌入式系統(tǒng)是開(kāi)發(fā)信息電器在軟件系統(tǒng)方面的關(guān)鍵技術(shù)。信息電器是網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的產(chǎn)物，那么對(duì)于用來(lái)開(kāi)發(fā)信息電器的嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，嵌入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧必然會(huì)作為開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)中必要考慮的問(wèn)題。 在 RTOS 核心界面上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧提供對(duì)嵌入式系統(tǒng)上網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的接口。需要能夠處理標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，如 TCP/IP 協(xié)議以及相應(yīng)的應(yīng)用系列，網(wǎng)絡(luò)上 的設(shè)備也需要提供安全、授權(quán)的功能。這些在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧里面都需要實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，也增加了嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)復(fù)雜度，提高了開(kāi)發(fā)成本。 在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，如果能夠利用現(xiàn)成的代碼，選用高性能、低價(jià)格、穩(wěn)定的軟件平臺(tái)，提高開(kāi)發(fā)效率，盡量降低開(kāi)發(fā)成本。 用戶交互環(huán)境界面 開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于信息電器上，不得不考慮的問(wèn)題是如何取得在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)實(shí)體中的一席之地。提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不僅僅需要提供穩(wěn)定、高效的嵌入式系統(tǒng)，基于 Linux 的嵌入式操作系統(tǒng)研究 21 更需要提供易學(xué)易用的用戶交互界面接口。因?yàn)樾畔㈦娖魇袌?chǎng)的一大部分是利用它替代 PC 上網(wǎng)的用戶，他們?nèi)狈Ρ匾?計(jì)算機(jī)知識(shí)，也沒(méi)有必要花費(fèi)太多的時(shí)間學(xué)習(xí)使用。如果能夠提供一個(gè)有限資源需求，并且可以給用戶提供友好交互界面的圖形界面，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力必然會(huì)升高。 因此，這也作為研究嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)重要論題。 小結(jié) 本章主要介紹了嵌入式系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出嵌入式系統(tǒng)的四點(diǎn)重要需求：嵌入式處理器的支持、 RTOS 的概念、網(wǎng)絡(luò)方面的需求和用戶交互界面需求。 第三章將分四個(gè)部分介紹使用 Linux 能滿足這四個(gè)方面的需求，并且在后面的章節(jié)將詳細(xì)介紹 Linux 是如何滿足這些條件的。 基于 Linux 的嵌入式操作系統(tǒng)研究 22 第三章 采用 Linux 作為嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的原 因 從我們現(xiàn)在對(duì)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的需求來(lái)看，我們準(zhǔn)備采取 Linux 作為開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)的工具，依靠 Linux，實(shí)現(xiàn)我們的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，并且可以通過(guò) Linux 本身的不斷升級(jí)，自動(dòng)擴(kuò)充升級(jí)我們的嵌入式系統(tǒng)。 Linux 下面已經(jīng)有了 RealTime Linux 或者 RTAI，他們的做法是在 Linux 已經(jīng)有的內(nèi)核上面提供一個(gè)小型的實(shí)時(shí)內(nèi)核。由這個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核來(lái)控制實(shí)時(shí)任務(wù)，由 Linux 原來(lái)的內(nèi)核來(lái)控制非實(shí)時(shí)任務(wù)。Linux 本身的內(nèi)核作為實(shí)時(shí)內(nèi)核可搶占的一個(gè)任務(wù)，因?yàn)檫@個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)得相當(dāng)簡(jiǎn)單，那么在任務(wù)運(yùn)行和切換的過(guò)程中，運(yùn)行 效率上可以達(dá)到硬實(shí)時(shí)的要求。 Linux 提供了很多優(yōu)點(diǎn)，在第一章已經(jīng)描述。這些優(yōu)點(diǎn)都可以被 RealTime Linux 所利用。尤其是在第二章里面描述的那些嵌入式系統(tǒng)必需的要求上，RealTime Linux 可以很輕松的滿足。下面針對(duì)這些需求闡述我們使用 Linux 的原因。 嵌入式處理器支持 Linux 內(nèi)核提供對(duì)多種處理器的支持，并且正在進(jìn)一步增加對(duì)嵌入式微處理器的支持。 Linux 目前的內(nèi)核支持 Intel x86 、 Motorola/IBM PowerPC 、Compaq(DEC)Alpha、 IA 6 S/390、 SuperH 等處理器體系結(jié)構(gòu)，如果使用這些系列的微處理器作為嵌入式系統(tǒng)的處理器，并不是不可能。 今年的 EPF（ Embedded Processor Forum）將在六月 12 日至 16 日于 San Jose CA 舉行。這次論壇上將對(duì)嵌入式 Linux 支持的嵌入式處理器做專(zhuān)門(mén)的討論，關(guān)心 Linux 對(duì)嵌入式處理器支持的問(wèn)題。 實(shí)時(shí)支持 Linux 本身不是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)， Linux 的內(nèi)核并不提供對(duì)事件優(yōu)先級(jí)的調(diào)度和搶占支持。但是可以利用 Linux 的特性給 Linux 增加實(shí)時(shí)調(diào)度的能力。這里需要提出的實(shí) 時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的設(shè)想雖然在很早以前就提出過(guò)，但是仍然是具有創(chuàng)造性的，并且尤其在 Linux 時(shí)代這樣的實(shí)時(shí)系統(tǒng)更是顯得游刃有余。這種實(shí)現(xiàn)方案是雙內(nèi)核系統(tǒng)，即利用 Linux 內(nèi)核，同時(shí)增加一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，兩個(gè)內(nèi)核共同工作，獲得別的實(shí)時(shí)系統(tǒng)所不能達(dá)到的優(yōu)勢(shì)。 其實(shí)，雙內(nèi)核的解決方案在很早以前就已經(jīng)提出。大概在 20 年前，貝爾實(shí)基于 Linux 的嵌入式操作系統(tǒng)研究 23 驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)人員就準(zhǔn)備開(kāi)發(fā)一種名為 MERT 的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。這種操作系統(tǒng)就準(zhǔn)備運(yùn)行兩個(gè)內(nèi)核，一個(gè)是實(shí)時(shí)內(nèi)核，另外一個(gè)是分時(shí)通用內(nèi)核。實(shí)時(shí)內(nèi)核用來(lái)運(yùn)行實(shí)時(shí)任務(wù)，通用內(nèi)核用來(lái)運(yùn)行普通任務(wù)。這種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)就在 于，實(shí)時(shí)內(nèi)核可以利用非實(shí)時(shí) OS 內(nèi)核的一些優(yōu)勢(shì)來(lái)開(kāi)發(fā)。舉個(gè)例子說(shuō)，如果利用實(shí)時(shí)內(nèi)核上運(yùn)行一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)來(lái)對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，那么采集出來(lái)的數(shù)據(jù)可以通過(guò)非實(shí)時(shí)內(nèi)核上運(yùn)行的圖形界面顯示出來(lái)。在系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)的，顯示出來(lái)可能就沒(méi)有必要實(shí)時(shí)。這樣，即可以提高實(shí)時(shí)系統(tǒng)的可用性，也可以節(jié)省計(jì)算資源，同時(shí)將實(shí)時(shí)系統(tǒng)的一部分任務(wù)劃分出來(lái)，降低了實(shí)時(shí)內(nèi)核需要處理的復(fù)雜度，提高了實(shí)時(shí)的計(jì)算效率。 利用 Linux 的內(nèi)核，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)建立在這個(gè)非實(shí)時(shí)內(nèi)核基礎(chǔ)上的實(shí)時(shí)內(nèi)核，這兩個(gè)內(nèi)核共同工作，形成前面所描述的雙內(nèi)核實(shí)時(shí)系統(tǒng)。 這樣得實(shí)時(shí)內(nèi)核可以滿足短小精悍的要求，非實(shí)時(shí)內(nèi)核又已經(jīng)如前面所描述的那樣的強(qiáng)大，兩者結(jié)合起來(lái)，可以充分發(fā)揮出實(shí)時(shí)系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用，也可以充分讓嵌入式系統(tǒng)滿足信息電器時(shí)代的要求，開(kāi)發(fā)出強(qiáng)大合適的系統(tǒng)。 雙內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)可以用下面的圖來(lái)描述： 第四章將介紹的是美國(guó)新墨西哥州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系開(kāi)發(fā)的 RTLinux。它實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)科學(xué)家設(shè)想的雙內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。 RTLinux 建立在已經(jīng)成熟并且還在不斷升級(jí)強(qiáng)大的 Linux 內(nèi)核的基礎(chǔ)上，在第四章里面會(huì)詳細(xì)介紹他們的實(shí)現(xiàn)機(jī)理和開(kāi)發(fā)方法細(xì)節(jié)。 網(wǎng)絡(luò)支 持 我們可以這樣說(shuō)， Linux 是網(wǎng)絡(luò)的代名詞。沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)，就不可能產(chǎn)生世界各地高手云集的情況，也就不可能產(chǎn)生高手們共同開(kāi)發(fā)出來(lái)的操作系統(tǒng) —— Linux。Linux 的產(chǎn)生條件是網(wǎng)絡(luò)， Linux 的生存條件也是網(wǎng)絡(luò)，這就是這一網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的關(guān)鍵特性。 Linux 內(nèi)核對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的設(shè)計(jì)是從簡(jiǎn)潔實(shí)用的角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)出一整套的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊。 Linux 不僅可以支持一般用戶需求的 ftp（ file transfer protocol）、tel 和 rlogin 協(xié)議，還能提供對(duì)網(wǎng)絡(luò)上其他機(jī)器內(nèi)文件的訪問(wèn)（ NFS, 網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng) ）。 Linux 還可以支持 SLIP（ Serial Line Interface Protocol）和 PLIP（ Parallel 非實(shí)時(shí)內(nèi)核 計(jì)算機(jī)硬件 實(shí)時(shí)內(nèi)核 非實(shí)時(shí)任務(wù) 非實(shí)時(shí)任務(wù) 圖 2：雙內(nèi)核體系結(jié)構(gòu) 基于 Linux 的嵌入式操作系統(tǒng)研究 24 Line Interface Protocol）協(xié)議，使得通過(guò)串口和并口線進(jìn)行連接成為可能。通過(guò) 協(xié)議， Linux 可以提供通過(guò)無(wú)線電進(jìn)行連接的方式；通過(guò)在 Linux 上開(kāi)發(fā)Novell 標(biāo)準(zhǔn)的 IPX 協(xié)議， Linux 可以訪問(wèn) Netware 網(wǎng)絡(luò)。如果在 Apple 機(jī)的世界里面，可以通過(guò) AppleTalk 協(xié)議訪問(wèn) Apple 的網(wǎng)絡(luò)。在 Windows9x/NT 局域網(wǎng)里面，可以通過(guò) Samba 協(xié) 議進(jìn)行 Linux 和 Windows 之間的文件共享。通過(guò) Apache公司開(kāi)發(fā)的免費(fèi)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，可以利用 Linux 系統(tǒng)作為強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，提供Inter 上電子商務(wù)和數(shù)據(jù)提供服務(wù)。 有關(guān) Linux 對(duì) TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持請(qǐng)具體參看第五章。 GUI 開(kāi)發(fā)支持 利用 Linux 的有限資源開(kāi)發(fā)出多窗口子系統(tǒng)，是在嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)中形成競(jìng)爭(zhēng)實(shí)體的一個(gè)重要條件。特別是我們實(shí)現(xiàn)出雙內(nèi)核的基于 Linux 實(shí)時(shí)系統(tǒng)之后，GUI 的開(kāi)發(fā)更為方便。這里我們提出兩種利用 Linux 進(jìn)行窗口系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的可能方案。 利用 X Windows 的便利 利用 Linux 本身支持的 X windows 系統(tǒng)。 X Windows 是一個(gè)在大多數(shù) UNIX工作站上使用的圖形用戶界面，它是一種與平臺(tái)無(wú)關(guān)的客戶 /服務(wù)器模型，可以讓用戶在一臺(tái)機(jī)器上打開(kāi)另外一臺(tái)機(jī)器的窗口，而不用考慮客戶機(jī)的操作系統(tǒng)類(lèi)型。這種特性使得 UNIX 和 Linux 系統(tǒng)上的用戶和應(yīng)用程序非常自然的通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接在一起。 X Windows 的編程層次結(jié)構(gòu)是由 X Protocol、 X Lib、 X Intrinsic、 Motif/GTK/QT 函數(shù)接口、應(yīng)用程序組成的。 X Protocol 是 X 用來(lái)和 X Server 進(jìn)行通訊的方式，X Lib 提供一些函數(shù)集合，通過(guò)這些函數(shù)提供發(fā)送、接受和處理 X 協(xié)議請(qǐng)求的功能。 X Intrinsic 提供了一個(gè)窗口管理功能，利用 X Intrinsic 提供的一個(gè) Widget 集就可以完成一類(lèi)特定界面的編寫(xiě)。應(yīng)用程序可以通過(guò) Motif/GTK/QT 提供的函數(shù)接口調(diào)用 X Intrinsic ，也可以利用 Motif/GTK/QT 直接調(diào)用 X Lib。而Motif/GTK/QT 就是用來(lái)提供窗口函數(shù)庫(kù)的，通過(guò)使用這些窗口函數(shù)庫(kù)，可以很方便的寫(xiě)出 X Windows 的應(yīng)用程序。 使用 X Windows 開(kāi)發(fā) GUI，因?yàn)殚_(kāi)發(fā)環(huán)境成熟，開(kāi)發(fā)工具易用，可以縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)難度。但是，如果應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中，我們不得不考慮嵌入式系統(tǒng)的一些限定條件：嵌入式系統(tǒng)不能使用體積過(guò)大的操作系統(tǒng)內(nèi)核，就是因?yàn)樾枰獙⑾到y(tǒng)固化在 ROM 中或者 Disk On Chip 的 Flash ROM 上。但是，一個(gè) X Lib 就需要大概 10M ~20M 的空間，在一般的嵌入式環(huán)境都不能滿足這樣的條件。基于 Linux 的嵌入式操作系統(tǒng)研究 25 如果在外觀要求較高，而不太關(guān)注整個(gè)系統(tǒng)的制作費(fèi)用的條件下，采用 X Windows 作為 GUI 的開(kāi)發(fā)工具不失為一種好辦法。 利用 SVGALib 和 pThread 函數(shù)庫(kù) 利用 SVGALib 和 pThread 函數(shù)庫(kù)可以自行編寫(xiě)一個(gè)窗口子系統(tǒng)。不考慮實(shí)時(shí)的因素，我們可以先在 Linux 內(nèi)核上使用 SVGALib 和 pThread 函數(shù)庫(kù)先編寫(xiě)出來(lái)，然后提供必需應(yīng)用程序接口。 SVGALib 用于提供對(duì) SVGA 卡的顯卡驅(qū)動(dòng)，利用 pThread 實(shí)現(xiàn)消息循環(huán)和響應(yīng)。這樣的一個(gè) GUI 系統(tǒng)包括函數(shù)庫(kù)、窗口代碼等等大概需要空間為 2~3M，加上必要的圖像文件資源，占用的空間也不會(huì)太大。 實(shí)現(xiàn)這個(gè)窗口系統(tǒng)，關(guān)鍵技術(shù)在窗口元素、消息循環(huán)和界面設(shè)計(jì)上。主要要實(shí)現(xiàn)的窗口 元素是菜單、狀態(tài)欄、對(duì)話框、消息框、快捷鍵等；對(duì)話框控制類(lèi)型包括靜態(tài)文本框、按鈕、單選鈕和檢查框，組合框等；還需要提供基于對(duì)窗口的簡(jiǎn)單多窗口支持。 實(shí)現(xiàn)消息循環(huán)控制機(jī)制可以參考 Windows 系統(tǒng)的消息循環(huán)機(jī)制。系統(tǒng)管理消息的產(chǎn)生和分發(fā)，應(yīng)用程序提供消息回調(diào)函數(shù)用以實(shí)現(xiàn)消息處理。 整個(gè)消息循環(huán)機(jī)制可以如下設(shè)計(jì)： Linux 系統(tǒng) 消息分發(fā) 消息 2 消息 1 消息 3 ?? 消息 n 消息隊(duì)列 消息循環(huán) 獲取消息 消息處理函數(shù) 圖 3：消息循環(huán)的設(shè)計(jì) 基于 Linux 的嵌入式操作系統(tǒng)研究 26 小結(jié) 這一章中根據(jù)我們嵌入式系統(tǒng)的四點(diǎn)需求，介紹了使用了 Linux 進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具的原因。從這四個(gè)角度，說(shuō)明使用 Linux 原因，并且將根據(jù)這四點(diǎn)要求開(kāi)始下面的工作。整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)通過(guò) 對(duì)嵌入式系統(tǒng)的支持貫穿起來(lái)，重點(diǎn)放在 Linux 得實(shí)時(shí)支持、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的支持和利用嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的工具鏈的重要部分 —— Linux 內(nèi)核在線調(diào)試環(huán)境的搭建上面。 基于 Linux 的嵌入式操作系統(tǒng)研究 27 第四章 實(shí)時(shí) Linux 利用 Linux 實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)有這樣那樣的好處，在前面已經(jīng)詳細(xì)描述過(guò)了。但是，如何通過(guò) Linux 來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)呢？一般說(shuō)來(lái)，有兩種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)，第一種方法是通過(guò) POSIX 方法；另一種方法是通過(guò)底層編程的方法實(shí)現(xiàn)。 POSIX（ Portable Operating System Interface）是標(biāo)準(zhǔn)化類(lèi) UNIX 操作系統(tǒng)必須具有 的特征和接口的運(yùn)動(dòng)。使用 POSIX 的思想就是為了促進(jìn)為 UNIX 編寫(xiě)軟件的可移植性，從而使得 UNIX 程序員的工作更為容易。并且在 POSIX 里面加進(jìn)了對(duì)實(shí)時(shí)性的擴(kuò)展，如 或者 IEEE 已經(jīng)加入到 POSIX 標(biāo)準(zhǔn)中。在這些實(shí)時(shí)性擴(kuò)展里面定義了一些工具，