第3章 嵌入式操作系统--Linux.ppt

第三章嵌入式操作系统 Linux 3 1嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件 它是嵌入式系统 包括软 硬件系统 极为重要的组成部分 嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点 例如 能够有效管理越来越复杂的系统资源 能够把硬件虚拟化 使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来 能够提供库函数 驱动程序 工具集等 与通用操作系统相比较 嵌入式操作系统在系统实时高效性 硬件的相互依赖性 软件固态化以及应用的专一性等方面具有较为突出的特点 最早的嵌人式系统不使用操作系统 目前 大多数简单的单片机系统基本上采用这种方法开发 程序员处理所有的硬件交互工作 并将特定的算法嵌人单片机中 随着嵌入式系统的发展 20世纪80年代出现了商业的嵌人式实时内核 这种嵌入式操作系统只有实时多任务调度核 并以销售二进制代码为主 当时的主要产品有ReadySystem的VRTX32 IPI公司的MTOS和ISI的PSOS等 3 1 1嵌入式操作系统的演化及其发展趋势 进入20世纪90年代 现代操作系统的设计思想 例如微内核设计和模块化思想 开始渗入嵌入式领域 这个阶段的嵌人式操作系统除了具有嵌入式实时内核外 还具有其他许多模块 例如各种设备的支持模块 网络支持 图形用户界面等等 在这一阶段 各类商业的嵌入式操作系统系统得到迅速发展 它能运行于各种不同类型的微处理器上 兼容性好 操作系统内核精小 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 这个阶段的产品主要有Vxworks PSOS uc os II等 随着信息家电和信息产业的迅速发展 微电子技术发展迅速 片上系统使嵌入式系统越来越小 功能却越来越强 但目前大多数嵌人式系统还是互相孤立 没有网络连接的 随着Internet的发展以及Internet技术与信息家电 工业控制技术等结合日益密切 嵌入式技术与Internet技术的结合正推动嵌入式操作系统技术的快速发展 近几年 嵌入操作系统的发展有了以下显著的变化 一方面 嵌入式操作系统自身结构的设计更易于移植 以便在短时间内支持更多种微处理器 另一方面 系统应能使用驱动程序开发与配置环境 造就一个新的板级支持包和驱动程序结构 以适应微处理器不断升级变化所产生的需求 开放源码之风已波及嵌入式操作系统厂家 数量相当多的嵌入式操作系统厂家出售产品时 就附加了源程序代码 并含生产版税 后PC时代更多的产品使用嵌入式操作系统 它们对实时性要求并不高 如手持设备等 WindowsCE PalmoS JAVA0S等产品就是顺应这些需求而开发出来的 随着Internet及芯片技术的快速发展 消费电子产品的需求日益扩大 原来只关注实时操作系统市场的厂家也纷纷进军消费电子产品市场 推出了各自的解决方案 使嵌入式操作系统市场呈现相互融合的趋势 电信设备 控制系统要求的高可靠性 对嵌入式操作系统提出了新的要求 各类通用机上使用的新技术 新观念正逐步移植到嵌入式系统中 如移动数据库 移动代理等 嵌人式操作系统也出现了基于面向对象的分布式技术 如实时CORBA 嵌入式CORBA 嵌入式软件平台正逐步形成 各种嵌人式Linux操作系统正迅速发展 已经形成了能与其他嵌入式操作系统进行有力竞争的局面 嵌入式Linux操作系统的迅速崛起 主要出于人们对自由软件的渴望与嵌入式系统应用的特制性 要求提供系统源码层次上的支持 而嵌入式Linux正适应了这一需求 它具有开放源代码 系统内核小 效率高 内核网络结构完整等特点 裁减后的系统很适于消费电子类嵌入式系统的开发 目前 韩日等国的一些企业已推出一些基于嵌入式Linux的手持式设备 此外 嵌入式Linux也得到了一些国际知名的大公司 例如Intel公司和Motorola公司等 的大力支持 面向定制趋势 在系统级整合改造并支持应用特制的性能 即在定制的或商品化的硬件上提供高性能和高可靠性的系统服务 将操作系统的功能和内存需求定制成每个应用所需的系统 这同时也对嵌入式系统的设计提出了挑战 如基于微内核设计 功能插件支撑技术和协议可插拔技术 在此基础上实现从简单的单个独立设备到复杂的网络化多处理器的嵌入式系统 嵌入式系统的多媒体化和网络化趋势明显 特别是与Internet及无线网络的结合 对嵌入式操作系统提出了新的要求 为了满足嵌入式电子设备功能的不断升级和日趋复杂的电气结构 全世界的嵌入式操作系统多达数百种 而且新的嵌入式操作系统还在不断涌现 很多IT组织 大公司都有自己的嵌入式实时操作系统 下面介绍一些较常用的嵌入式操作系统 3 1 2嵌入式操作系统的演化及其发展趋势 VxWorks操作系统是美国WINDRIVER公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统 RTOS 是目前嵌入式系统领域中使用最广泛 市场占有率最高的系统 它支持多种处理器 如x86 i960 SunSparc MotorolaMC68XXX MIPS POWERPC等等 以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信 军事 航空 航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中 如卫星通信 军事演习 弹道制导 飞机导航等 在美国的F 16 FA 18战斗机 B 2隐形轰炸机和爱国者导弹上 甚至连1997年在火星表面登陆的火星探测器上也使用了VxWorks 1 VxWorks uC OS II是一款多任务的实时操作系统 其最关键的部分是实时多任务内核 内核的基本功能包括 任务管理 定时器管理 存储器管理 事件管理 系统管理 消息 队列 管理 信号量管理等 这些管理功能都是通过应用程序接El函数API由用户调用的 uC OS II采用占先式实时内核的任务管理机制 当一个运行中的任务使一个比它优先级高的任务进入了就绪态时 当前任务的CPU使用权就被剥夺了 高优先级的任务获得CPU的控制权 占先式运行机制特别适用于对实时性要求较高的场合 可以管理64个任务 其中 系统保留8个任务 应用程序最多可以使用56个任务 uC OS II不支持时间片轮转调度法 所以赋予每个任务的优先级必须是不同的 优先级号越低 任务的优先级越高 它的基本代码尺寸不到5KB 对存储器容量要求低 满足了嵌入式系统对体积的苛刻要求 uC OS II有完整的TCP IP协议栈 GUI和文件管理系统 可随内核一起移植 目前已被应用于各个领域 如照相机 医疗检测仪器 音响设施等 2 uC OS II MicrosoftwindowsCE是一个简洁 高效率的多平台操作系统 主要面向PDA与手机市场 它是从整体上为有限资源的平台设计的多线程 多任务的操作系统 它的模块化设计允许它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制 但其基本内核需要至少200KB的ROM 而且在实时性方面的表现也不尽如人意 它支持win32API 为开发人员提供熟悉开发平台 使有经验的Windows开发人员可以很快地掌握其开发 采用它的产品很多 从世嘉的游戏机到现在大部分的高档掌上电脑都采用了WindowsCE 但是其缺点是对硬件要求很高 耗电比较大 另外 许可证价格较高也限制了它的推广 3 WindowsCE Linux自1991年10月5日问世至今 仅有十几年的时间 而它在全球计算机产业界的影响却超过了之前的任何一个操作系统 Linux是一个成熟 稳定的网络操作系统 把它作为嵌入式操作系统具有很多显著的优点 Linux是遵循GPL协议的开放源码软件 任何人都可以从互联网上得到 不需要许可证费用 开发成本低 Linux的核心代码是开放的 所有人都可以根据自己的意图修改和定制开发适合自己的产品 Linux内核代码易于裁剪 可以根据应用具体需要增加或裁减某些功能 以适应产品的需求 4 Linux Linux核心代码采用移植性比较好的C语言编写 可以很容易地移植到其他处理器上 可支持的处理器种类众多 Linux应用软件众多 在开发嵌入式产品时 有许多公开的代码可以参考和移植 可加快开发进程 简而言之 嵌入式Linux系统稳定 功能强大 支持多种硬件平台 应用软件多 简单易用且开放源代码 可广泛用于网络产品 PDA 手机等信息家电领域 当面对一个具体的嵌入式应用开发项目时 面对如此众多的嵌入式操作系统 如何选择一个合适的嵌入式操作系统是个令人困惑的问题 这里列出一些影响嵌入式操作系统选择的重要因素 3 1 3嵌入式操作系统的选择 每种嵌入式操作系统都有其擅长的领域 根据应用需求选择嵌入式操作系统就是要扬长避短 发挥所选择的嵌入式操作系统的优势 例如 嵌入式Linux在网络方面有其独特的优势 但缺少一个优秀的图形界面则是嵌入式Linux的短处 如果所要开发的嵌入式设备和网络应用密切相关或者就是一个网络设备 嵌入式Linux是个很好的选择 因为Linux不仅集成了TCP IP协议 还有很丰富的其他网络协议和相关的网络应用软件 例如DHCPServer PPPoe和WebServer等 而如果所开发的嵌入式设备有较高的图形要求 则应考虑以图形界面见长的嵌入式操作系统 1 应用需求 嵌入式应用对实时性的要求是决定嵌入式操作系统选择的一个重要参考因素 如果要开发的嵌入式应用有严格的硬实时要求 那么应考虑使用传统的商用嵌入式实时操作系统 如果要开发的嵌入式应用并没有严格的硬实时要求 那么嵌入式Linux或许可以很好地满足需求 实际上 大部分的嵌入式应用对实时性的要求并不是很严格 而且硬实时和软实时之间的界限也十分模糊 实实时与嵌入式系统的硬件性能与所拥有的资源有一定的关系 例如 IntelXScale这类的处理器即使是使用普通的2 4 x版本的Linux的内核 最坏情况下 内核的抢占延时也小于2ms 而如果使用一些增加实时性技术的嵌入式Linux 例如MontaVista的Linux 最坏情况下的响应时间短于500us 绝大数情况下短于200us 若考虑到最新的2 6内核采用的低延时的O 1 调度器 微秒级的PCSIX定时器等新技术 对Linux在实时性方面的改进 嵌入式Linux应可以适用于绝大多数的嵌入式系统应用 2 实时性 开发工具的好坏及开发人员对工具的熟悉程度将直接影响嵌入式产品的开发进度 从目前的情况看 商用嵌入式操作系统都有较好的开发工具支持 例如VxWorks的Tornado集成开发环境和windowCE的PlatformBuilder集成开发环境都有很强大的功能 相比较而言 嵌入式Linux采用字符界面的命令行工具对于初学者存在一定的困难 嵌入式Linux的开发也有一些高效稳定的开发工具可以使用 例如 MontaVista公司和TimeSys公司的嵌人式Linux操作系统都有基于工业级Eclipse开发框架的功能强大的集成开发工具 但是它们的价格也很高 3 开发工具 现在市场上的嵌入式CPU种类很多 各种嵌入式操作系统所支持的CPU也不都相同 通常ARM系列处理器由于占有的市场份额比较大 很多嵌人式系统都支持它 而如果所用处理器是一个新上市的嵌入式处理器 则可选的余地就不大了 对于这种新的嵌入式处理器 一般不会有商业嵌入式操作系统的支持 而芯片产家提供的操作系统很有可能就是Linux 这是由于Linux是开源的 其内核源代码很容易得到 而且也没有许可证费用 因此芯片产家要为自己的处理器移植操作系统 首先考虑的就是移植Linux 4 CPU种类 由于中国技术人员的工资比发达国家要低很多 所以在考虑嵌入式操作系统选择时 需要考虑是采用开放源代码技术自行开发还是购买现成的商用嵌入式操作系统的成本问题 有些商用的嵌入式操作系统 例如VxWorks和WindowCE 既要收取开发费 又按产品销售的实际数量收取每个产品中嵌入式操作系统软件运行时的许可证费用 uc OS II的商用许可证则是每种产品收取一次性的费用 而Linux这类开源的产品则无论是uClinux还是嵌入式Linux都不需要许可证的费用 许多嵌入式Linux提供商则是收取技术支持和服务的费用 在国内 若公司的技术人员对Linux有足够的了解 则从价格的角度考虑 嵌入式Linux也是一个不错的选择 5 价格和技术支持和服务 3 2Linux概述 Linux是一个功能强大而稳定的操作系统 它可以运行在x86PC SunSparc DigitalA1pha 680 x0 PowerPC MIPS等多种平台上 可以说Linux是目前支持硬件平台最多的操作系统 Linux最大的特点在于它是开放源代码的 它遵循公共版权许可证 GPL 秉承 自由的思想 开放的源码 原则 成千上万的专家和爱好者通过Internet不断地完善并维护它 可以说Linux是计算机爱好者自己的操作系统 最初的Linux代码是1991年由芬兰的大学生LinusTorvalds写的 他将Linux的原始代码放在Internet上 让人们自由下载 此后 Linux被世界上其他的程序员持续修改而发展迅速 1993年底 1994年初 Linux1 0终于诞生了 它已经是一个功能完备的操作系统 而且内核紧凑 高效 可以充分发挥硬件的性能 3 2 1Linux的历史 Linux的生命力来自于它的开源思想 自Linus公开Linux代码以来 世界各地的程序员和软件爱好者不断地对Linux系统进行修改和加强 其版本从最初的0 0 1发展到2 0 x 2 2 x 2 4 x直到如今的2 6 x 同时 Linux也从初期的x86平台被移植到了PowerPC Sparc MIPS 68K等几乎市面上能找到的所有体系结构上 在开源运动的带动下 数不胜数的应用软件出现在Linux系统上 大大加强了Linux系统的实用能力 如今 从个人使用的桌面PC到支持企业级应用的大型服务器 乃至嵌入式系统的世界 Linux的应用已经遍布各种计算机系统 从低端 中端直至高端的计算机领域 Linux已无处不在 1 总体结构 3 2 2Linux操作系统的构成 系统调用接口 从总体上看 运行在计算机硬件系统之上的Linux操作系统可分为Linux内核与应用程序两大部分 应用程序 应用程序是运行在Linux操作系统上的一个庞大的软件集合 它由系统应用程序和用户应用程序组成 这里的系统应用程序指的是与Linux操作系统运行密切相关的应用程序 例如shell 图形界面 系统管理和维护程序以及GCC编译程序等 这些系统应用程序是用户使用Linux的接口 用户通过这些程序来访问和控制Linux操作系统的运行 这里的用户应用程序指的是用户为完成某一特定工作或解决某一具体问题而编写的程序 系统调用接口 系统调用接口是Linux内核的一部分 它是应用程序与Linux内核问的接口 各种应用程序通过这个接口调用内核提供的功能和服务 以实现特定的任务 Linux内核 Linux内核是Linux操作系统的核心和灵魂 它负责管理磁盘上的文件 内存 启动并运行程序以及从网络上接收或发送数据包等 硬件 硬件包括了Linux安装和运行时需要和管理的各种物理设备 如CPU 内存 硬盘 网络硬件等 Linux内核 Linux内核结构由进程管理 内存管理 文件系统 网络接口 进程间通信和设备驱动等模块组成 进程管理模块控制着进程对CPU的访问 当需要选择下一个进程运行时 由调度程序选择最合适的进程运行 内存管理模块支持虚拟内存 允许多个进程安全地共享主内存区域 文件系统模块隐藏了各种不同硬件的具体细节 为所有设备提供了统一的接口 虚拟文件系统还支持多达数十种不同的文件系统 网络接口模块提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持 进程间通信模块支持进程间各种通信机制 设备驱动则实现了各种外部设备的访问和管理 Linux是一种是实用性很强的现代操作系统 它开发的中坚力量是软件工程师 因此多以实用性和效率为出发点 很多地方还考虑了工业规范和兼容性等因素 不同于教学性操作系统追求理论上的先进性 Linux系统内核最注重的问题是实用性和效率 Linux内核具有以下特色 第一 Linux内核被设计成单内核结构 效率高 紧凑性强 这种设计与微内核结构有很大的不同 微内核中只包含一些操作系统的基本功能 不是最基本的服务和应用程序都在微内核之上构造 这使得微内核更有利于扩展和移植 但是微内核与诸如文件管理 设备驱动 虚拟内存管理 进程管理等其他上层服务之间需要有较高的通信开销 所以目前多集中在理论教学领域 第二 2 6版本前 Linux内核是不可抢占的 进程在内核态运行时是不可抢占的 即除非其主动释放CPU 否则不会被调度程序打断而运行其他任务 它的好处在于 内核中没有并发任务 单处理器而言 因此避免了许多复杂的同步问题 但其不利影响是非抢占特性降低了系统响应速度 新任务必须等待当前任务从内核态退出 切换到用户态或结束执行 时才可能获得运行机会 为了增强系统实时性 提高响应速度 2 6版本后的Linux将抢占技术引入了内核 使其变为可抢占 当然 付出的代价是同步操作进一步复杂 第三 为了保证能方便地支持新设备 新功能 又不会无限扩大内核规模 Linux系统对设备驱动或新文件系统等采用了模块化方式 用户在需要时可以动态加载 使用完毕可以动态卸载 此外 用户也可以定制内核 选择适合自己的功能 将不需要的部分从内核剔除 这两种技术保证了内核的紧凑性和扩展性 第四 Linux内核纯粹是一种被动调用服务对象 所谓被动是因为它为用户提供服务的惟一方式是用户通过系统调用来请求在内核空间运行某个函数 内核本身是一种函数和数据结构的集合 不存在运行中的内核进程为用户服务 Linux的内核线程仅仅为系统自身服务 第五 Linux内核采用的虚拟内存技术使得在32位机器上虚拟内存空间达到了4GB 其中 3GB属于用户空间 3 4GB属于内核空间 这使得用户可以使用远远大于实际内存的存储空间 第六 Linux文件系统的最大特点是实现了一种抽象文件模型 虚拟文件系统 FS 使用虚拟文件系统屏蔽了各种不同文件系统的内在差别 使得用户可以使用同样的方式访问各种不同格式的文件系统 可以毫无区别地在不同介质 不同格式的文件系统之间使用vFs提供的统一接口交换数据 这种抽象为Linux带来了无限活力 根文件系统目录树结构 Linux的应用程序按照一定的分类 以文件系统的形式组织存放在磁盘中 Linux启动之后 磁盘上的所有文件系统被加载安装到一棵文件树中 形成一个以 为根节点的文件树 在Linux中 所有的目录 文件和外部设备都以文件的形式挂接在这个文件树上 这和以驱动器盘符为基础的MS Windows系统有很大差别 这个特点简化了文件的访问 所有的文件目录都可以从根 查找到 目前大多数Linux发行版本的根目录都有以下子目录 bin etc lost found sbin Var boot root home mnt tmp dev lib proc usr 对于2 6内核的系统 还多了一个sys目录 4 Shell简介 Shell是Linux系统的一种应用程序 它不属于操作系统核心的组成部分 Shell是Linux系统提供给用户的最重要的交互界面之一 它继承了Unix系统Shell强大而灵活的功能 是用户使用系统功能的强大工具 Bash和TCShell这两个Shell经常被称为 Linux 它们是Linux下最流行的Shell Shell执行文件需要必要的环境 这些环境包含文件搜索路径 当前目录 用户主目录 默认编辑器等 可以从命令 manshellname 中获得这些信息 这些信息属于环境变量 可以通过env观察当前系统默认的环境变量 改变这些变量可以通过命令方式直接设置 变量 设置 例如PATH opt 和修改存在于用户主目录下的相关配置文件 例如对bash来说 配置文件为 bashrc 和 bash profile 在Shell环境中可以将一组命令组成一个序列 放在一个文本文件中执行 这个文本文件就是Shell脚本 它不用被编译成二进制可执行文件 可以直接修改编辑 这有点类似于dos下的BAT批处理文件 使用Shell程序的意义在于 有些任务无法通过现有的命令完成 必须使用一组命令协作才能完成 而且各种命令之间不是简单的罗列 而是按照设定的逻辑关系有机结合 由此可见 Shell程序需要能够控制各种命令的执行流 能够读 写临时数据 因此 Shell程序自己控制语句和变量 而且对其使用也要遵循相关语法 5 Linux文件 Linux操作系统中 以文件来表示所有的逻辑实体与非逻辑实体 逻辑实体指文件与目录 非逻辑实体则泛指硬盘 终端机 打印机等各种设备 Linux文件包括以下类型 普通文件 这是最常见的文件类型 它包含了某种形式的数据 至于是文本数据还是二进制数据 对于内核来说毫无区别 目录文件 包含了其他文件的名字以及指向与这些文件有关信息的指针 字符特殊文件 用于系统中某些类型的设备 块特殊文件 典型地用于磁盘设备 系统中的所有设备或者是字符特殊文件及块特殊文件 FIFO 用于进程间的通信 也叫命名管道 套接口 用于进程间的网络通信 符号链接 用于指向另一个文件 3 2 3Linux的基本操作 自学 3 3嵌入式Linux简介 目前 国内外不少大学 研究机构和知名公司都加入了嵌入式Linux的研究开发工作 较成熟的嵌入式Linux产品不断涌现 下面简要介绍几种嵌入式Linux系统 在当前的嵌入式领域 所使用的大部分嵌入式Linux都是自制的 一般来说 自制式嵌入式Linux系统即是在Linux标准内核源码的基础上 根据所选定的硬件平台和所需的功能 对标准内核进行裁剪修改 并制作的相应文件系统 裁剪后的内核和文件系统就构成了自制嵌入式Linux的基础 接下来 向制作好的嵌入式Linux移植所需要的应用程序 就构成了完整的自制嵌入式Linux软件系统 3 3 1自制嵌入式Linux 商业版的嵌入式Linux系统占有一部分市场 主要的嵌入式Linux提供商有MontaVista公司 Lineo公司 MetroWorks公司 TimeSys公司 LynuxWorks公司和FSMLabs等 MontaVista软件公司是一个世界领先的智能设备和相应基础部件的嵌入式Linux系统软件供应商 它以提供基于GNU Linux的开放源码软件解决方案来推动嵌入式系统革命 由实时操作系统 RTOS 的倡导者JamesReady在1999年创立 MontaVista公司提供的MontavistaLinux家族系列产品满足了广泛的软件开发商的需要 包含从通信基础设施到消费电子的应用 MontaVista公司发布的多种MontaVistaLinux版本包括专业版 ProfessionalEdition 消费电子版 ConsumerElectronicsEdition 和电信运营级版 CarrierGradeEdition 3 3 2商业版嵌入式Linux TimeSys作为一个世界领先的嵌入式Linux开发软件供应商 为了吸引大部分的自制Linux开发者 使开发者可以定制自己的嵌入式Linux 并推广其公司的产品 开展了一个名为LinuxLink的收费服务 通过这个服务 使用者可以有偿获得TimeSys提供的一系列服务 这些服务包括 提供各种模块 内核和开发工具包及其源代码 并提供最新的升级 邮件列表 可以通过邮件列表与TimeSys的工程师或其他成员交流 错误报告 跟踪用户所遇到的错误 并将错误报告提供给TimeSys存档 使错误可以得到更好更快的解决 文档支持 包括说明文档和how to文档 通过这些服务 用户可以得到最新的更新 LinuxLink提供的服务涵盖了主流的处理器 如Intel ARM MIPS等 而且提供的源代码完全遵循GPL协议 LinuxLink为使用者提供了方便的开发环境 使嵌入式开发变得更加简单 有效 uClinux是从Linux中派生出来的 专门为无内存管理单元 MMU 的微处理器设计的一种嵌入式操作系统 uClinux在Linux的基础上去除了MMU支持 并对内核的部分源代码进行了紧缩和裁剪 实现了完整的TCP IP协议栈以及其众多的网络协议 可以支持ext2 FATl6 32 NFS等多种文件系统 也就是说 uClinux比Linux拥有更小的内核 占用更少的系统资源 同时保留了Linux操作系统的主要优点 稳定性 较高的网络性能和出色的文件系统支持 uClinux最初是用在MotorolaDragonBall上的 随后又渐渐移植到其他的硬件平台上 成为无MMU平台上常用的操作系统 正因为这些原因 Linux2 6内核扩展多嵌入式平台支持的一个主要途径就是把uClinux的大部分并入主流内核功能中 目前许多嵌入式处理器 如ARM系列的一部分型号等 很多都是无MMU的 uClinux在嵌入式系统中的