基于linux的嵌入式系统开发技术资料

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1、第六章 基于Linux的 嵌入式软件开发技术 目录 w嵌入式软件设计 wARM-Linux内核 wARM-Linux系统的调试 wARM-Linux的设备驱动程序 w嵌入式GUI简介 嵌入式软件设计 1. 交叉编译 2. 引导加载程序Bootloader 3. Linux内核移植 4. Linux的文件系统 嵌入式软件设计交叉编译 嵌入式软件设计引导加载程序 嵌入式Linux系统通常可以分为4个层次： w引导加载程序：一般烧写在Flash中， 常称为Bootloader，是开发板运行的第一 段程序，初始化最基本的硬件及加载 Linux 内核。 wLinux内核：特定为嵌入式平台定制的 内核以及

2、内核的启动参数。 w文件系统：包括根文件系统和建立于 Flash设备之上的文件系统。 w用户应用程序：特定用户的应用程序， 有时在用户应用程序和内核层之间可能还 会包括一个嵌入式图形用户界面，常用的 嵌入式GUI有QT、Micro Windows和 MiniGUI等。 嵌入式软件设计引导加载程序 Bootloader一般放在ROM、EEPROM和Flash中，在引导 时需要将部分代码和数据拷则到内存中。 Bootloader一般分为2部分： w 第1部分为基本硬件初始化、异常中断处理、设置堆 栈并将第2部分的代码和数据拷贝到内存； w 第2部分为本阶段使用硬件的初始化、内存检测、内 核的载入、

3、设置和启动，提供人机接口等功能。 同时装有Bootloader、内核启动参数、内核映像和根 文件系统映像的固态存储设备的典型空间分配结构图。 嵌入式软件设计内核移植 Linux移植即把Linux操作系统针对具体的目标 平台做必要改写之后,安装到该目标平台，使其正 确地运行起来。其基本内容是： w获取某一版本的Linux内核源码,根据具体目标平 台对该源码进行必要的改写(主要是修改体系结构 相关部分)； w 添加一些外设的驱动，打造一款适合于目标平台 (可以是嵌入式便携设备也可以是其他体系结构的 PC机)的新操作系统，并对该系统进行针对目标平 台的交叉编译，生成一个内核映像文件； w将该映像文件

4、烧写（安装）到目标平台中。 嵌入式软件设计内核移植 通常对Linux源码的改写工作难度较大，它要求 不仅对Linux内核结构非常熟悉, 而且对目标平台 的硬件结构也非常熟悉。同时还要求对相关版本的 汇编语言比较熟悉,因为与体系结构相关的部分源 码往往是用汇编语言写的。因此这部分工作一般由 目标平台提供商完成。 针对目前嵌入式系统中最流行的ARM平台,它的 这部分工作就是由英国ARM公司的工程师完成的。 使用者可以从其网站上下载相关版本Linux内核的 补丁(Patch)，把它打到所用的Linux内核上，再进 行交叉编译即可。 嵌入式软件设计内核移植 以Linux2.6.9为例，其基本过程是：

5、从ftp:/ftp.arm.1inux.org.uk下载Linux2.6.9 内核以及关于ARM平台的补丁。 给Linux2.6.9打补丁。 准备交叉编译环境。交叉编译环境工具链一般包 括Binutils(含AS汇编器和LD链接器等)、ARM- GCC和Glibc等。建立交叉编译环境。 修改内核目录下的Makefile文件。 进行编译。 嵌入式软件设计内核移植 Linux内核源码的修改 建立交叉编译环境之后，就可以对打过ARM补丁 的Linux内核进行移植修改。Linux的移植是个繁 重的工作，主要包含启动代码的修改、内核的链 接及装入、参数传递和内核引导4部分。 Linux内核分为体系结构相

6、关部分和体系结构无 关部分。在Linux启动的第1阶段，内核与体系结 构相关部分(arch目录下)首先执行，完成硬件寄 存器设置及内存映像等初始化工作，然后把控制 权转给内核中与系统结构无关部分。 在移植工作中要改动的代码主要集中在与体系 结构相关部分。 嵌入式软件设计内核移植 wLinux内核源码的裁减 wLinux内核源码的编译 wLinux内核源码的烧录 嵌入式软件设计文件系统 Linux内核在启动过程中会安装文件系统Root， 文件系统为Linux操作系统不可或缺的重要组成部 分。用户通常通过文件系统、操作系统与硬件设 备进行交互。在Linux系统中，硬件也作为文件系 统的一部分。 L

7、inux的一个最重要特点就是它支持许多不同的 文件系统。这使Linux非常灵活，能够与许多其他 操作系统共存。Linux支持的常见的文件系统有： JFS、ReiserFS、ext、ext2、ext3、IS09660、 XFS、Minx、MSDOS、UMSDOS、VFAT、NTFS、HPFS、 NFS、SMB、SysV和PROC等。随着时间的推移， Linux支持的文件系统数还会增加。 ARM-Linux内核 1. ARM-Linux内存管理 2. ARM-Linux的中断响应和处理 3. ARM-Linux系统调用 4. 系统的启动和初始化 5. ARM-Linux进程管理和调度 6. Lin

8、ux的模块机制 ARM-Linux内核 Linux内核主 要由5个子系 统组成：进 程调度、内 存管理、虚 拟文件系统 、网络接口 、进程间通 信 ARM-Linux内核 1.进程调度 进程调度控制进程对CPU的访问。要选择下一个进程运行 时，由调度程序选择最值得运行的进程。Linux使用了比较 简单的、基于优先级的进程调度算法选择可运行进程。 2.内存管理 内存管理是Linux中负责管理内存的模块。Linux采用页 式存储管理机制。内存管理的任务是屏蔽各种硬件的内存结 构向上层返回统一的访问界面。Linux支持各种各样的硬件 体系结构，对每种硬件结构，其内存组织形式不尽相同，并 解决了多进程

9、状态下内存不足的问题，做到按需调页。 ARM-Linux内核 3.虚拟文件系统 Linux最重要的特征之一就是支持多个不同的文件系统， Linux目前支持的文件系统多达十余种，随着时间的推移， 这一数目还在不断增加。 为了支持多种文件系统，Linux用一个被称为虚拟文件系 统(VFS)的接口层将真正的文件系统同操作系统及系统服务 分离开。VFS允许用户同时安装多个不同的文件系统。 4.网络接口 网络接口提供了对各种网络标准的存取和对各种网络硬 件的支持。网络接口可分为：网络协议和网络驱动程序。网 络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协议；网络设备 驱动程序负责与硬件设备通信，每一种可能的硬件

10、设备都有 相应的设备驱动程序。 ARM-Linux内核 5进程间通信 Linux中的每个进程都有自己的虚拟地址空间，操作系统 的一个最重要的基本管理目的，就是避免进程之间的互相影 响。但有时用户也希望能够利用两个或多个进程的功能完成 同一任务，为此，Linux内核提供了许多机制，利用这些机 制，进程之间可以进行通信并共同完成某项任务，这种机制 称为进程间通信(1PC)。信号和管道是最基本的两种，除此 以外，Linux还提供SystemV的进程间通信机制，包括消息队 列、信号灯及共享内存。 ARM-Linux内核内存管理 w存储管理是一个很大的范畴 n存储地址映射和内存空间的分配 n对地址访问的

11、保护和限制 nI/O地址映射 w存储管理机制的实现和具体的CPU以及MMU 的结构关系非常紧密 w操作系统内核的复杂性相当程度上来自内 存管理，对整个系统的结构有着根本性的 深远影响。 ARM-Linux内核内存管理 wMMU，也就是“内存管理单元”，其主要作用 是两个方面： n地址映射 n对地址访问的保护和限制 wMMU可以集成在芯片中，也可以作为协处理器 ARM-Linux内核内存管理 w冯诺依曼结构：程序只是一种数据， 对程序也可以像对数据一样加以处理， 并且可以和数据存储在同一个存储器中 。 w哈佛结构：采用程序和数据两个存储器 、两条总线的系统结构。 当前嵌入式系统中使用哈佛结构的较

12、多。 ARM-Linux内核内存管理 ARM存储管理机制 wARM系统结构中，地址映射可以是单层的按“段 （section）”映射，也可以是二层的页面映射 w采用单层的段映射的时候，内存中有个“段映射 表” ，当CPU访问内存的时候： n其32位虚地址的高12位用作访问段映射表的下标，从 表中找到相应的表项 n每个表项提供一个12位的物理段地址，以及对这个段 的访问许可标志，将这12位物理段地址和虚拟地址中 的低20位拼接在一起，就得到了32位的物理地址 ARM-Linux内核内存管理 w如果采用页面映射，“段映射表”就成了“首 层页面映射表”，映射的过程如下： n以32位虚地址的高12位（b

13、it20-bit31）作为访问 首层映射表的下标，从表中找到相应的表项，每个 表项指向一个二层映射表。 n以虚拟地址中的次8位（bit12-bit19）作为访问所 得二层映射表的下标，进一步从相应表项中取得20 位的物理页面地址。 n最后，将20位的物理页面地址和虚拟地址中的最低 12位拼接在一起，就得到了32位的物理地址。 ARM-Linux内核内存管理 w凡是支持虚存的CPU必须为有关的映射表 提供高速缓存，使地址映射的过程在不访 问内存的前提下完成，用于这个目的高速 缓存称为TLB。 w考虑到芯片成本，高速缓存不能放入全部 映射表，由MMU有选择地存放部分表项。 wARM系统结构中配备了

14、两个地址映射TLB和 两个高速缓存。 ARM-Linux内核内存管理 wARM处理器中，MMU是作为协处理器CP15的 一部分实现的。 wMMU相关的最主要的寄存器有三个： n控制寄存器，控制MMU的开关、高速缓存的开 关、写缓冲区的开关等 n地址转换表基地址寄存器 n域访问控制寄存器 ARM-Linux内核内存管理 控制寄存器中有S位（表示System）和R位（表示 ROM），与访问权限段位AP结合，决定了CPU在当 前运行状态下对目标段或者页面的访问权限： APSRCPU运行在特权状态CPU运行在用户状态 00 00不能访问不能访问 10只读不能访问 01只读只读 11不确定不确定 01读

15、写不能访问 10读写只读 11读写读写 ARM-Linux内核内存管理 ARM-Linux存储机制的建立 wARM-Linux内核将4GB地址空间分为两个部 分，系统空间和用户空间（1GB/3GB） wARM将I/O也放在内存地址空间中，所以系 统空间的一部分虚拟地址不是映射到物理 内存，而是映射到一些I/O设备的地址。 ARM-Linux内核内存管理 wARM的实现和x86的既相似又有很多不同： n在ARM处理器上，如果整个段（1MB，并且和 1MB边界对齐）都有映射，就采用单层映射 ；而在x86上总是采用二层映射 nARM处理器上所谓的“段（section）”是固 定长度的，实质上就是超大

16、型的页面；而 x86上的“段（segment）”则是不定长的 ARM-Linux内核内存管理 ARM-Linux进程的虚存空间 wLinux虚拟内存的实现需要6种机制的支持 ： n地址映射机制 n内存分配回收机制 n缓存和刷新机制 n请求页机制 n交换机制 n内存共享机制 ARM-Linux内核内存管理 task_struct结构分析图 : ARM-Linux内核内存管理 w由于那些虚拟内存区域来源各不相同， Linux使用vm_area_struct中指向一组虚拟 内存处理过程的指针来抽象此接口 w为进程创建新的虚拟内存区域或处理页面 不在物理内存中的情况下，Linux内核重复 使用进程的vm_area_struct数据结构集合 w当进程请求分配虚拟内存时，Linux并不直 接分配物理内存 ARM-Linux内核中断响应与处理 w中断是一个流程，一般要经过三个环节： n中断响应 n中断处理 n中断返回 w中断响应是第一个环节，主要是确定中断 源，在整个中断机制中起着枢纽的作用 ARM-Linux内核中断响应与