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1、 华中科技大学硕士学位论文嵌入式 Linux 关键技术研究姓名:徐刚申请学位级别:硕士专业:计算机应用技术指导教师:阳富民2003.5.9 华中科技大学项士学位论文摘要,目前,嵌入式系统已进入基于的开发阶段,在这个阶段迫切需要一个高教、资源占用少、功能齐备、易于扩充且成本低廉的嵌入式操作系统,嵌入式操作系统就是在这一背景下被推出来的。嵌入式操作系统不仅继承了传统的许多优点,如易于开发、功能强大、免版费、开放源码等,而且对原有系统做了大量的嵌入化改造,使其能够更好的适应嵌入式应用的需要。在深入研究了嵌入式开发过程中用到的各种关键技术如引导程序、驱动开发、文件系统构造等的基础上实现了一个基于开发平
2、台的嵌入式系统。开发嵌入式系统首先要解决它的引导问题,通过对核心的构造和引导过程的深入分析,研究出了嵌入式的一般引导机制,给出了核心引导的三个必要条件,并为开发平台编写了引导程序。编写驱动程序是嵌入式系统开发的另一个重要任务,并且驱动程序设计的好坏直接影响到系统的稳定性,为此深入研究了接口、中断、任务队列等与驱动程序开发有关的技术,解决了驱动程序开发过程中可能遇到的竞争、死锁及有界缓冲区问题,并且为开发平台编写了相应的驱动程序。嵌入式系统的特点之一是存在着童遭约惠回题为此采取了以下措施对嵌入式系统进行小型化改造:首先,对内核采取定制的方法,剔除了核心中与具体应用需求无关的模块;其次,设计了一个
3、最小的文件系统目录结构模型,并给出了文件系统小型化的方法,如裁减它的目录结构、库、脚本等。嵌入式系统的另一个特点是断电的随机性,为了提高文件系统的可靠性并考虑到嵌入式系统常用的闪存设备的损耗平衡问题,采用了一种称为?一的日志文件系统,并且针对该文件系统安装速度较慢的缺点,同时给出了设置检查点和综合使用、 、三种文件系统的解决方案。关键词:嵌入式操榨系统;引导;驱动;裁减;日志妄磊系统.?一华中科技大学硕士学位论文, ,一,?, .,., . , . ., ., , ,., . ,:;, , ?,华中科技大学硕士学位论文., ,.:; ; 华中科技大学硕士学位论文绪论.课题背景在以计算机技术、通
4、讯技术相结合为标志的信息时代快速发展的形势下,卜】、 、合一的趋势已经形成,其结果必然是将计算机工业的重心从计算机产品转移到信息产品,从而涌现出各种嵌入式信息设备【】 。在嵌入式信息设备的开发领域中,由于用户的需求不断增加,嵌入式操作系统必将成为软件业的新热点。因此,设计与实现功能强大的嵌入式操作系统有着相当重要的意义。嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁减、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【。嵌入式技术发展到今天,嵌入式系统给世界带来的工业年产值已超过了万亿美元【嵌入式操作系统门】简称是一种实时的、支持嵌入式系统应用的操作系统软件,它
5、是嵌入式系统的极重要的组成部分,嵌入式操作系统的主要特点是:能运行于各种不同类型的微处理器上,兼容性好;内核精小、效率高,并且具有高度的模块化和扩展性:具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能;具有大量的应用程序接口,开发应用程序简单:嵌入式应用软件丰富:软件要求固化存储,软件代码要求高质量、高可靠性,系统软件的高实时性是基本要求。目前嵌入式系统已进入以基于/为标志的嵌入式系统开发阶段哺,对网络的支持程度已成为衡量一个嵌入式操作系统性能的重要标准。嵌入式是嵌入式系统的核心,拥有自己的嵌入式和支撑系统软件是发展自主产权嵌入式系统的前提条件和基础。嵌入式是指应用于
6、各种信息设备里的,一般功能不太强,主要是以低价格、低功耗为特征】 。年月日,“龙芯号”正式在北京发布,它是我国第一款具有自主知识产权的嵌入式处理器系统。 “龙芯号”最高主频达到,定点和浮点最高运算速度均超过每秒亿次。 “龙芯号”功耗较低,兆主频下运行的功耗为.,支持、等主流操作系统,能直接支持软解压的流媒体应用,可用于一?一华中科技大学硕士学位论文网络终端机、工业控制计算机等嵌入式设备。随着嵌入式系统的发展,嵌入式操作系统逐渐成为嵌入式微处理器的支撑软件,“龙芯号”能否在嵌入式系统方面取得成功,一个非常关键的因素是要看我国嵌入式操作系统研究和开发的程度。嵌入式多种原形的提出,正为我国加快发展嵌
7、入式软件技术提供了极好的机遇和条件【】 。.国内外概况.嵌入式系统的概况随着后时代的到来,在向传统领域扩展的同时,积极地加强其在嵌入式领域的应用。易于移植,且有强大的网络功能以及优秀的工具的支持,容易自行建立嵌入式系统所需的开发环境和交叉运行环境,并且可以跨越在嵌入式系统开发中的仿真工具的障碍【。 。尤其重要的是公开内核源代码,因此开发者可以清楚地把握操作系统的运行机理,定制内核的行为,对代码进行优化,同时也有利于设计和开发自主版权【】的硬实时或软实时操作系统。的另一个重要优势在于它是免费的,这使得嵌入式在与其它商用嵌入式操作系统如郴、盯、等的竞争中处于有利地位。由于的独特优势,近年来越来越多
8、的企业和科研机构把目光转向嵌入式的开发和研究上。在嵌入式的研究与开发过程中涌现了一大批经营嵌入式的公司,国际上比较有代表性的有、 、 、等,国内主要有中科红旗、博利思【】 、蓝点软件北京研发中心、共创软件联盟等。这充分说明了利用开发嵌入式操作系统的生命力。目前,国内外至少有上百种嵌入式的分布及相关的产品,下面就其中比较有代表性的几个分布和产品做一介绍。. 是由公司提供的基于开放源码模式进行开发的嵌入式,它使用平台进行嵌入式系统的开发。最适于开发工体系的嵌入式应用开发,同时公司提供了华中科技大学硕士学位论文具包,包括和编译器和针对目标芯片的汇编器,并且现在的开发工具已经移植到了 .,使用上。最新
9、的版本是公司的/作为系统。. .基于最新的 .稳定内核,提供支持、 、以及体系结构的实时抢占式内核,是一个开放源代码、免版费以及%来自纯源代码。 .的一个重要的改进在于跨平台开发,、它支持个主机开发环境,包括 、 、 、.等,在大多数情况下, .支持上述最新的版本。此外,还扩展了针对嵌入式跨平台开发的各类开放源代码工具的支持,提供了首个基于的开发环境,支持和平台的跟踪工具包括内核性能和执行分析器以及日志文件系统等。.是专为无存储器管理单元的微控制器打造的嵌入式操作系统。的内核要比原.内核小的多,但保留了操作系统的主要优点:稳定性,优异的网络能力以及优秀的文件系统支持。只适用于特定环境下功能要求
10、相对简单的嵌入式系统。.嵌入式操作系统是由博利思软件有限公司开发的通用型嵌入或式系统平台,支持多种网络协议包括完整的/协议、基于技术的图形用户接口及嵌入式浏览器等,目前主要应用于移动信息家电产品。最新的.采用了存储映像和一系列相关技术,使系统可以瞬时加载,此外它还取消了硬盘上的交换空间,并对内存分配过程安排了更为密集的管理以保持较充足的连续内存空间,在内存映射机制上,大量采用共享库并提供了共享库的换出机制来减少内存消耗。就目前的技术而言,嵌入式的研究成果与市场需求还有一段差距。因此,要开发出真正成熟的嵌入式,还需要从以下几个方面进行努力:扩充“华中科技大学硕士学位论文的实时性、改造【内核的体系
11、结构、完善的集成开发环境、应用程序接口的标准化。.嵌入式的关键技术的研究概况嵌入式开发大致涉及几个方面:引导程序、核心改造、系统小型化、图形用户界面、集成开发环境,下面就在有关开发中所涉及到的一些关键技术的研究状况做一番论述。.引导程序引导程序通常是在任何硬件上执行的第一段代码,它负责硬件设备的低级初始化,将内核和文件系统可能不需要搬至内存中,然后将控制转给内核。嵌入式设备上一些流行的并可免费使用的【引导装载程序有、和等。所有这些引导装载程序都用于基于设备上的,并需要.工具用于安装。.最初由 和开发,用于平台,后来移植到多种平台上,如评估板、?评估板、 、以及等。有两种处理模式:自动引导和命令
12、模式。在系统起动的秒内若从串口接收到命令字,即从自动引导模式转入命令模式,在命令模式下可下载新的引导程序、核心及文件系统。的大小约。网址:/./。.由公司在的基础上开发的应用程序,支持广泛的嵌入式设备,包括、及等。支持或网络引导,并支持通过串口,或以太网/下载程序。有一个命令行和脚本接口,另外它还包含一个桩用于调试目标机上的程序。华中科技大学硕士学位论文网址:/./。.、,也可用在一个全功能的引导程序,主要用于及上。除了用于引导外,还可用于引导,及。可读写任何内存空间,也可向的任何地方写入数据,支持、等文件系统,支持引导参数设置,分区,并支持帧缓存。大小:。网址:/./.。.是一种基于主机、目
13、标机体系的引导程序,由 /开发,用于、及开发板。它由两部分组成:主机通讯程序和目标机二进制代码,目标代码需借助或写入目标机的中。支持串口和网络两种下载方式。网络使用原始套接字方式,无栈且不能处理冲突,使用时最好将主机和目标机用一个转接头或没有其它的设备连在上面连在一起。:大小:主机通讯程序,目标机二进制代码。网址.:/./.?。./也是一种基于主机、目标机体系的引导程序,用于、开发板等。/用于将核心和文件系统从主机上的硬盘中下载到目标系统的内存中,然后将控制权交给核心来引导核心。是一段放到目标设备上的代码,在目标系统起动时会首先运行它,而是运行在主机方管理下载核心和文件系统的程序,它有一个简单
14、的配置脚本。是的一部分,可用于调试,则与无关。?一华中科技大学硕士学位论文。,大小:.开发工具.和基于的一整套嵌入式开发环境是由公司开发的,它支持多种硬件平台如、 、等,适于应用到各种嵌入式手持操作环境中。通过使用可以为自己的嵌入式应用创建一个个性化的内核。的设计使用了模块化的设计方案,方便剪裁系统,从而可以生成最符合需求的内核,达到体积和功能的最优化。同时还提供了基于的集成开发环境、实时扩展方案、接口等等。其中,集成开发环境包括了内核远程调试器、实时任务调试器和跟踪器等等。.集成开发工具.【集成开发工具是我国第一个自主版权的嵌入式集成开发工具,整个系统由、 、三个部分组成。主要面向应用软件开
15、发商,提供集成化的软件开发环境,主要提供以下功能:支持嵌入式软件开发过程的工程化管理,支持多个工作区和多个工程;依赖性检验,包括内核系统调用和设备依赖性检验;友好的编辑界面;支持宿主环境下的嵌入式软件的可视化仿真编译、调试、运行;支持宿主环境下针对不同目标平台的应用软件目标代码的生成。主要面向设备制造商,提供集成化的内核开发和调试环境,并可实现应用软件目标代码的调试,主要提供以下功能:支持.的可配置性与可裁减性:支持文件系统的可配置性和自动生成;支持库的动态生成;支持目标系统环境下内核和应用软件的可视化调试;支持宿主环境下针对不同目标平台的内核代码的生成。是指设备驱动程序开发工具,目前尚在开发中。.口是一种在嵌入式系统裁减中使用的版本控制工具。流行的软件版本控制工具由于采用文件作为出入库和版本标识的粒度,有两个经常发生的问?。华中科技大学硕士学位论文题,裁减时文件系统有变化无法控制,裁减涉及多个文件的改动时无法表示其版本号。利用全局的版本标识解决了上面两个问题,允许裁减者并发工作,可以在上进行项目的合作,并且具有较可靠的密文传输机制保障项目的保密性,.图形系统由于嵌入式系统无法提供桌面图形系统所需要的程序存储空间和运行空间,而且一股的图形系统也无法满足嵌入式系统对功能、外观的定制以及支持特殊的/设备的要求,因此,嵌入式图形系统的研究和实现成为嵌入式系统开发的热点之
