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1、嵌入式嵌入式 Linux 系统及其应用前景系统及其应用前景引 言：近年来，随着计算技术通信技术的飞速发展，特别是互网的迅速普及和3C（计算机、通信、消费电子）合一的加速，微型化和专业化成为发展的新趋势，嵌入式产品成为信息产业的主流。Linux 从 1991 年问世到现在，短短的十几年时间已经发展成为功能强大、设计完善的操作系统之一；可运行在X86、Alpha、Sparc、MIPS、PPC、Motorola、NEC、ARM 等多种硬件平台，而且开放源代码，可以定制；可与各种传统的商业操作系统分庭抗争。越来越多的企业和研发机构都转向嵌入式 Linux 的开发和研究上，在新兴的嵌入式操作系统领域内也
2、获得了飞速发展。一、嵌入式一、嵌入式 Linux 的特点的特点嵌入式系统是以应用为中心，以计算机为基础，软硬件可裁剪，适用于系统对功能、可靠性、成本、功耗严格要求的专用计算机系统，系统结构见图 1。实时性是嵌入式系统的基本要求，其次，还要求代码小，速度快，可靠性高。嵌入式 Linux（Embedded Linux）是指对 Linux 经过裁剪小型化后，可固化在存储器或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用 Linux 操作系统。嵌入式 Linux 的开发和研究已经成为目前操作系统领域的一个热点。与其它嵌入式操作系统相比（详见表 1） ，Linux 的特点如下二、二、Linux 嵌入式系统开发平台
3、嵌入式系统开发平台操作系统是一种在计算机上运行的软件。它的主要任务是管理计算机上的系统资源，为用户提供使用计算机及其外部设备的接口。它存在的目的是为了管理所有硬件资源，并且提供应用软件一个合适的操作环境。嵌入式系统由于硬件的限制，通常只具有极稀少的硬件资源，如主频较低的 CPU、较小的内存、小容量的固态电子盘芯片 DoC（Disk on Chip）或 DoM（Disk on Module）替代磁盘等。在使用电池的系统中，它还要实现低功耗，延长电池使用时间的功能。Linux 作为嵌入式操作系统是完全可行的。因为 Linux 提供了完成嵌入功能的基本内核和所需要的所有用户界面，能处理嵌入式任务和用
4、户界面。将 Linux 看作是连续的统一体，从一个具有内存管理、任务切换和时间服务及其它分拆的微内核到完整的服务器，支持所有的文件系统和网络服务。Linux 作为嵌入式系统，是一个带有很多优势的新成员。它对许多 CPU 和硬件平台都是易移植、稳定、功能强大、易于开发的。嵌入式 Linux 系统需要下面三个基本元素：系统引导工具（用于机器加电后的系统定位引导） 、Linux 微内核（内存管理、 程序管理） 、初始化进程。但如果要它成为完整的操作系统并且继续保持小型化，还必须加上硬件驱动程序、硬件接口程序和应用程序组。Linux 是基于 GNU 的 C 编译器，作为 GNU 工具链的一部分，与 g
5、db 源调试器一起工作的。它提供了开发嵌入式 Linux 系统的所有软件工具。在选择硬件时，常由于缺乏完整或精确的信息而使硬件选择成为复杂且困难的工作。硬件开发成本常是我们很关心的。当考虑硬件成本时，须要考虑产品的整个成本而不仅是 CPU 的成本。因为合适的 CPU，一旦加上总线逻辑和延时电路使之与外设一起工作，硬件系统就可能变得非常昂贵。如果要寻找嵌入式软件系统，那么，应首先确定硬件平台，即确定微处理器 CPU 的型号。现在比较流行的硬件平台有 Intel 公司的 StrongARM 系列，Motorola 公司的DragonBall 系列，NEC 公司的 VR 系列，Hitachi 公司的
6、 SH3、SH4 系列等等。选定硬件平台前，首先要确定系统的应用功能和所需要的速度，并制定好外接设备和接口标准。这样才能准确地定位所需要的硬件方案，得到性价比最高的系统。三、嵌入式三、嵌入式 Linux 面临的挑战面临的挑战目前，对嵌入式 Linux 系统的开发正在蓬勃兴起，并已形成了很大的市场。除了一些传统的 Linux 公司，像 RedHat、VA Linux 等，正在从事嵌入式 Linux 的研究之外，一批新公司（如 Lineo、TimeSys 等）和一些传统的大公司（如 IBM、SGI、Motorola、Intel等）以及一些开发专用嵌入式操作系统的公司（如 Lynx）也都在进行嵌入式
7、 Linux 的研究和开发。但就目前的技术而言，嵌入式 Linux 的研究成果与市场的真正需求还有一些距离，因此，嵌入式 Linux 走向成熟还需要在以下几个方面有所发展。(一一)Linux 的实时性扩充的实时性扩充实时性是嵌入式操作系统的基本要求。由于 Linux 还不是一个真正的实时操作系统，内核不支持事件优先级和抢占实时特性，所以在开发嵌入式 Linux 的过程中，首要问题是扩展 Linux 的实时性能。对 Linux 实时性的扩展可以从两方面进行：向外扩展和向上扩展。向外扩展即从范围上扩展，让实时系统支持的范围更广，支持的设备更多。目前的开发所面向的设备仅限于较简单的有实时要求的串/并
8、口数据采集、浮点数据计算等，而像实时网络这样实时系统的高级应用还需进一步发展。向上扩展是扩充 Linux 内核，从功能上扩充 Linux 的实时处理和控制系统。如嵌入式系统 RT-Linux，它的基本原理是将 Linux本身的任务以及 Linux 内核本身作为一个优先级最低的任务，而实时任务作为优先级最高的任务，即在实时任务存在的情况下运行实时任务，否则就运行 Linux 本身的任务。实时任务不同于 Linux 普通进程。它是以 Linux 的可装载的内核模块(Loadable Kernel Module，LKM)的形式存在的，需要运行实时任务的时候，将这个实时任务的内核模块插入到内核中去，实
9、时任务和 Linux 一般进程之间的通信通过共享内存或者 FIFO 通道来实现。(二二)改变改变 Linux 内核的体系结构内核的体系结构Linux 的内核体系采用的是 Monolithic。在这种体系结构中，内核的所有部分都集中在一起，而且所有的部件在一起编译连接。这样虽然能使系统的各部分直接沟通，有效地缩短任务之间的切换时间，提高系统的响应速度和 CPU 的利用率，且实时性好；但在系统比较大时体积也比较大，与嵌入式系统容量小、资源有限的特点不符。而另外一种内核体系结构 MicroKernel， 在内核中只包括了一些基本的内核功能，如创建和删除任务、任务调度、内存管理和中断处理等部分，而文件
10、系统、网络协议栈等部分都是在用户内存空间运行。这种结构虽然执行效率不如 Monolithic 内核，但大大减小了内核的体积，同时也方便了整个系统的升级、维护和移植，更能满足嵌入式系统的特点需要。为此，要使嵌入式 Linux 的应用更加广泛，若将 Linux 目前的 Monolithic 内核结构中的部分结构改造成MicroKernel 体系结构，可使得到的 Linux 既具有很好的实时性，又能满足嵌入式系统体积小的要求。另外，Linux 是一个需要占用存储器的操作系统。虽然这可以通过减少一些不必要的功能来弥补，但可能会浪费很多时间，而且容易带来很大的麻烦。许多 Linux 的应用程序都要用到虚
11、拟内存，这在许多嵌入式系统中是没有价值的。所以，并不是一个没有磁盘的 Linux 嵌入式系统就可以运行任何 Linux 应用程序。(三三)完善完善 Linux 的集成开发环境的集成开发环境提供完整的集成开发环境是每一个嵌入式系统开发人员所期待的。一个完整的嵌入式系统的集成开发环境一般需要提供的工具是：编译/连接器、内核调试/跟踪器和集成图形界面开发平台。其中的集成图形界面开发平台包括编辑器、调试器、软件仿真器和监视器等。在 Linux 系统中，具有功能强大的 gcc 编译器工具链，使用了基于 GNU 的调试器gdb 的远程调试功能，一般由一台客户机运行调试程序调试宿主机运行的操作系统内核; 在
12、使用远程开发时还可以使用交叉平台的方式，如在 Windows 平台下的调试跟踪器对 Linux的宿主系统做调试。但是，Linux 在基于图形界面的特定系统定制平台的研究上，与Windows 操作系统相比还存在差距。因此，要使嵌入式 Linux 在嵌入式操作系统领域中的优势更加明显，整体集成开发环境还有待提高和完善。四、嵌入式四、嵌入式 Linux 的发展及应用前景的发展及应用前景综上，由于 Linux 具有对各种设备的广泛支持性，因此，能方便地应用于机顶盒、IA 设备、PDA、掌上电脑、WAP 手机、寻呼机、车载盒以及工业控制等智能信息产品中。与 PC 相比，手持设备、IA 设备以及信息家电的
13、市场容量要高得多，而 Linux 嵌入式系统的强大的生命力和利用价值，使越来越多的企业和高校表现出对它极大的研发热情。蓝点软件公司、博利思公司、共创软件联盟、中科红旗等公司都已将嵌入式系统的开发作为自己的主要发展方向之一。五、结束语五、结束语在嵌入式系统的应用中，Linux 嵌入式操作系统所具有的技术优势和独特的开发模式给业界以新异。有理由相信，它能成为 Internet 时代嵌入式操作系统中的最强音。参考文献 1 袁鹏.浅谈 Linux 未来.电脑爱好者 ，2008，9 月刊：页码 342 章华.嵌入式的远景.电脑报 ，2008，3 月刊：页码 33 杨柳.Linux 与移动设备.大众软件 ，2009，6 月刊：页码 13
