嵌入式Linux编程入门与开发实例.ppt

1、,第1章 嵌入式系统基础,【学习目标】 知道嵌入式系统的运用领域 掌握嵌入式系统的基础知识 了解嵌入式系统的设计开发方法,第1章 嵌入式系统基础,.1嵌入,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,嵌入式系统概述,嵌入式操作系统,Linux操作系统,ARM处理器平台介绍,嵌入式系统开发,嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。,嵌入式操作系统,1.1 嵌入式系统概述,从应用的角度看，嵌入式系统与通用计算机系统相比，有如下一些特点： (1) 专用性强。 (2) 实时性好。 (3) 可裁剪性好。 (4)

2、 可靠性高。 (5) 功耗低。 (6) 系统内核小。 (7) 具有专门的开发工具和开发环境。 (8) 多技术的融合。,嵌入式系统可以应用于以下领域：,工业控制 对生产过程各种流程的控制，如流水线控制。利用嵌入式产品和技术，如可编程控制器、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、工业机器人等可以对工业生产过程中的生产流程加以控制，从而提高生产效率和产品质量、减少人力资源。美国Segway公司出品的两轮自平衡车，其内部就使用嵌入式系统来实现传感器数据采集、电机控制等。,军事电子设备和现代武器 军事领域从来就是许多高新技术的发源地，嵌入式系统在军事上的应用体现在军事侦察、指挥控制自动化、后勤保障

3、现代化、战场系统网络化等方面。如各种武器控制、舰艇、坦克、轰炸机等陆海空军用电子装备，雷达、电子对抗军事通信装备，野战指挥作战用各种专用设备等。比较成功的应用是美军在海湾战争中利用嵌入式系统设计开发了Adhoc设备安装在直升机、坦克、移动步兵身上，从而构成一个自愈合、自维护的作战梯队。,通信设备 网络通信设备中，嵌入式系统发挥了重要的作用，交换机、机顶盒、路由器、调制解调器等都是嵌入式应用系统。嵌入式网关和嵌入式因特网路由器已经成为嵌入式系统的一大应用方向。,交通管理 在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌GPS模块，GSM模块的移动定位终端已经

4、在各种运输行业获得了成功的使用。目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几千元，就可以随时随地找到你的位置。,环境工程与自然 水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。在很多环境恶劣，地况复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。 商用 各类收款机、电子秤、条形码阅读机、POS系统、点钞机、IC卡输入设备、自动柜员机、各种银行专业外围设备等。,在智能家电中应用 各种家用电器（电视机、冰箱、微波炉、电话等）将通过家庭通信、控制中心与Internet连接，实现远程控制、信息交互、网上娱乐、远程医疗和远程教育等。转变为智能网络家电

5、，还可以实现远程医疗，远程教育等。 消费电子产品 后PC时代的消费电子产品应具有强大的网络和多媒体处理功能，易用的界面和丰富的应用功能，这些特性都依赖于嵌入式系统提供的强大的数字处理能力和简洁实用的特性。嵌入式技术在消费电子产品方面的应用包括数字电视机机项盒、录像机、数码相机、DVD、手机、掌上电脑、家庭网络设备等具有强大的网络和多媒体处理能力的设备。,1.2 嵌入式操作系统,1、商用型嵌入式实时操作系统 2、免费嵌入式实时操作系统,1、商用型嵌入式实时操作系统,Palm：著名的网络设备制造商3COM的子公司Palm Computing掌上电脑公司的产品，主要用于PDA，市场占有率较大。,Vx

6、Work：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）。具有良好的持续发展能力、高性能的内核和友好的开发环境。其突出特点是可靠性好、实时性好和具有可裁剪性，支持多种处理器，如X86，i960，MIPS，Power PC等，目前市场占有率最高，广泛地应用于通信、航空、军事等领域。其缺点是它支持的硬件相对较少，并且源代码不开放，需要专门的技术人员进行开发和维护。,pSOS：美国ISI公司，现被WindRiver公司兼并，主要用于网络通信设备。,Windows Embedded：Windows CE.NET及Windows XP Embedded。其中Windo

7、ws CE 3.0是一种针对小容量、移动式、智能化、32位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统。 针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台，操作系统的基本内核需要至少200K的ROM。 Windows CE嵌入但不够实时，属于软实时操作系统，目前也开始中文手机的研究开发，由于其Windows背景，界面比较统一。,Symbian：由诺基亚、西门子、索尼爱立信等几家大型移动通讯设备商共同出资组建的一个合资公司，专门研发手机操作系统。,2、免费嵌入式实时操作系统,C/OS-:Micrium公司开发的微控制器操作系统，由美国人Jean Labrosse在1992年完成

8、，可用于8位、16位、32位处理器。其应用面覆盖了很多领域，如照相机、医疗器械、音响设备、发动机控制等。特点：源代码公开，可固化（ROMable），可裁剪（Scalable），占先式（总是运行最高优先级的就绪任务）、多任务、可确定性、任务栈、系统服务、中断管理、稳定性和可靠性。C/OS-II可以管理64个任务，应用程序最多可以有56个任务，并且提供以下服务：任务管理（任务创建、删除、任务挂起与唤醒、优先级切换等）、信号量、互斥信号量、消息队列、事件标志、定时管理和存储模块管理。,嵌入式Linux：指针对Linux经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几百字节或几兆字节的存储器芯片或单片机中，应用

9、于特定嵌入式场合的专用Linux操作系统，Linux是开放源码的，几乎支持所有的32位、64位CPU，内核中支持的硬件种类繁多，几乎可以从网络上找到所有硬件驱动程序。Linux的内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、效率高，易于定制剪裁，在价格上极具竞争力。 Linux不仅支持x86 CPU，还可以支持其他数十种CPU芯片。,eCOS：由Redhat推出的小型即时操作系统(Real-Time operating system)，最低编译核心可小至10K的级别，适合用于作bootloader增强，微小型系统。 此系统和嵌入式Linux系统的差异是他将操作系统做成静态连结(static libra

10、ry)的方式,让应用程式透过连结(linker)产生出具有操作系统的特性的应用程式。 eCOS的全称为embedded Configuration operating system，eCOS是开放原码、免权利金的即时作业系统，这套作业系统是针对嵌入式系统及应用而设计，因此是以单一个行程1)再搭配多个执行绪的方式来执行。,1.3 Linux 操作系统,1.3.1 Linux的发展历史 1.3.2 Linux 发行版本 1.3.3 Linux系统的特点和组成,1.3.1 Linux的发展历史,1991年，他用汇编语言编写了Linux系统的第一个内核Linux 0.0.1。 1994年3月，Linu

11、x 1.0版发行。 Linux 1.3版本之后，Linux已可运行在Intel、Digital以及Sun Sparc等处理器上。 从1998年开始，很多商业公司也加入了Linux的开发阵营中，因此出现了很多新的版本，如Slackware、Red Hat、Suse、OpenLinux和TurboLinux等。 目前Linux内核由150多万行代码组成，Linux也已经拥有一千多万用户。Linux内核GNU/Linux附同GNU工具已经占据Unix50%的市场。一些公司正把内核、应用程序、安装软件进行打包，生产Linux的发行版本。,1.3.2 Linux 发行版本,uClinux（micro-C

12、onrol-Linux）：uCLinux是Lineo公司的主打产品，是一种优秀的嵌入式 Linux版本，同时也是开放源码的嵌入式Linux的典范之作。uCLinux主要是针对目标处理器没有存储管理单元MMU （Memory Management Unit）的嵌入式系统而设计的。它已经被成功地移植到了很多平台上。由于没有MMU，其多任务的实现需要一定技巧。与标准Linux相比，uCLinux采用实存储器管理策略，而标准Linux利用CPU硬件的支持实现虚拟内存机制。,Embedix：Embedix是由嵌入式Linux行业主要厂商之一Luneo推出的，是根据嵌入式应用系统的特点重新设计的Linux

13、发行版本。Embedix提供了超过25种的Linux系统服务，包括Web服务器等。系统需要最小8MB内存，3MB ROM或快速闪存。Embedix基于Linux 2.2内核，并已经成功地移植到了Intel x86和PowerPC处理器系列上。像其它的Linux版本一样，Embedix可以免费获得。Luneo还发布了另一个重要的软件产品，它可以让在 Windows CE上运行的程序能够在Embedix上运行。Luneo还将计划推出Embedix的开发调试工具包、基于图形界面的浏览器等。可以说，Embedix 是一种完整的嵌入式Linux解决方案。,Xlinux：XLinux是由美国网虎公司推出，

14、主要开发者是陈盈豪。他在加盟网虎几个月后便开发出了基于XLinux的、号称是世界上最小的嵌入式Linux系统，内核只有143KB，而且还在不断减小。XLinux核心采用了“超字元集”专利技术，让Linux核心不仅可能与标准字符集相容，还涵盖了12个国家和地区的字符集。因此，XLinux在推广Linux的国际应用方面有独特的优势。,PoketLinux：PoketLinux由Agenda公司作为其新产品“VR3 PDA”的嵌入式Linux操作系统。它可以提供跨操作系统构造统一的、标准化的和开放的信息通信基础结构，在此结构上实现端到端方案的完整平台。 PoketLinux资源框架开放，使普通的软件

15、结构可以为所有用户提供一致的服务。PoketLinux平台使用户的视线从设备、平台和网络上移开，由此引发了信息技术新时代的产生。在PoketLinux中，称之为用户化信息交换（CIE），也就是提供和访问为每个用户需求而定制的“主题”信息的能力，而不管正在使用的设备是什么。,MidoriLinux：由Transmeta公司推出的MidoriLinux操作系统代码开放，在GUN普通公共许可（GPL）下发布，可以从网站上下载。该公司有个名为“MidoriLinux计划”。“MidoriLinux”这个名字来源于日本的“绿色”Midori，用来反映其Linux操作系统的环保外观。,Caldera Op

16、enLinux：Caldera将OpenLinux这套系统定位为容易使用与设置的发行版，以集成使用环境与最终用户办公环境，容易安装使用与简便管理为系统目标，有望成为最流行的公司团体台式Linux操作系统，适合初学者使用，全部安装需要1GB的硬盘空间。,SuSE：SuSE是欧洲最流行的Linux发行版，而且SuSE是软件国际化的先驱，让软件支持各国语系，贡献颇丰，SuSE也是用RPM作为软件安装管理程序，不过SuSE并不适合新手使用，提供了非常多的工具软件，全部安装需4.5GB的硬盘空间，安装过程也较为复杂。,TurboLinux：TurboLinux是日本制作的Linux发行版，其最大特色便是

17、以日文版、中文简/繁体版、英文版三种形式发行，其安装的简易性与系统设置的难度与Red Hat差不多，且安装界面是汉化的，系统本身支持中文简体，在中国国内有广大的用户群。,红旗嵌入式Linux：由北京中科院红旗软件公司推出的嵌入式Linux是国内做得较好的一款嵌入式操作系统，界面做得都非常的美观，安装也比较容易，新版本逐渐屏蔽了一些底层的操作，适合于新手使用。目前，中科院计算所自行开发的开放源码的嵌入式操作系统Easy Embedded OS(EEOS)也已经开始进入实用阶段了。该款嵌入式操作系统重点支持p-Java。系统目标一方面是小型化，另一方面能重用Linux的驱动和其它模块。由于有中科院

18、计算所的强大科研力量做后盾，EEOS有望发展成为功能完善、稳定、可靠的国产嵌入式操作系统平台。,1.3.3 Linux系统的特点和组成,1、开放性 Linux是开放源码自由软件的代表，遵循开放系统互连（OSI）国际标准。作为自由软件，Linux开放源码并对外免费提供，使用者可以按照自己的需要自由修改、复制和发布程序的源码，并公布在Internet上。,2、多用户多任务环境 所谓多用户，是指系统资源可以被不同用户使用，每个用户对自己的资源（如文件、设备）有特定权限，互不影响。而多任务，是现代计算机的主要特点，是指计算机同时执行多个程序，且各程序相互独立运行。,3、良好的用户界面 Linux向用户

19、提供了两种界面，即字符界面和图形界面。在配置较差的计算机中，可优先使用字符界面。此时，系统管理员通过在字符界面中输入相关的控制、配置命令对操作系统进行控制。在字符界面下进行操作，要求操作人员要熟练记住Linux的相关指令（多达上千条）。,4、设备独立性 所谓设备独立性，是指Linux操作系统将所有外部设备都作为文件来进行处理。在使用这些外部设备之前，只要将这些设备的驱动程序安装好，以后就可以像访问系统中的文件一样去访问这些设备，而不需要知道这些设备在系统中的具体存在形式。,5、丰富的网络功能 提供丰富的网络功能是Linux的一大特点，因为Linux就是依靠互联网才快速发展起来的。在Linux安

20、装包中包括了大量的网络功能软件。 Linux内置TCP/IP协议，支持Internet，这是其网络功能之一。另外，Linux还免费提供了大量支持Internet的软件，用户能用Linux与世界上的其他人通过Internet网络进行通信。,6、出色的速度性能 Linux系统可以连续运行数月数年而无需启动，与NT（死机）相比，这项性能尤其突出。 7、可靠的系统安全 Linux系统采取了许多安全技术措施，包括对读写进行权限控制、带保护的子系统、审计跟踪等。,8、良好的可移植性 Linux系统核心只有小于10%的源代码采用汇编语言编写，其余均是采用C语言编写，可以方便地从一个硬件平台移植到另外的一个硬

21、件平台，使之仍然能够按照其自身的方式运行。,Linux系统一般有4个组成部分：内核、Shell、文件系统和应用程序。 Linux 内核：内核是一个操作系统最基本的组成部分，由它来向应用程序访问硬件时提供服务。 Linux Shell：Shell是系统的用户界面，提供用户与内核的交互接口。Shell是一个命令解释器，它接收并解释用户输入的命令并把它们送到内核。 Linux文件系统：文件系统是文件存放在磁盘等存储设备上的组织方法。Linux支持多种目前流行的文件系统，如EXT2、EXT3、FAT、VFAT等。 Linux应用程序：标准Linux系统都有 称为应用程序的程序集，包括文本编辑器、编程语

22、言、X Window、办公套件、Internet工具、数据库等。,1.4 ARM处理器平台介绍,1.4.1 ARM处理器简介 1.4.2 ARM体系结构简介 1.4.3 ARM微处理器系列 1.4.4 ARM处理器的应用领域及特点 1.4.5 ARM微处理器结构 1.4.6 ARM微处理器的应用选型,1.4.1 ARM处理器简介,ARM （Advanced RISC Machines）是一类嵌入式微处理器，同时也可以认为是一个公司的名字，该公司于1990年11月成立于英国剑桥。 ARM处理器文档丰富、速度快、功耗低、价格低，目前采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器，即通常所说的ARM微处

23、理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统、安全系统等各类产品市场。 ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片。,1.4.2 ARM体系结构简介,ARM微处理器工作状态 ARM微处理器的工作状态一般有两种，并可在两种状态之间切换。第一种为ARM状态，此时处理器执行32位的字对齐的ARM指令；第二种为Thumb状态，此时处理器执行16位的、半字对齐的Thumb指令。,ARM体系结构的存储格式 ARM体系结构可以用两种方法存储字数据，分别是大端格式和小端格式。 大端格式：在

24、这种格式中，字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中。 小端格式：与大端存储格式相反，在小端存储格式中，低地址中存放的是字数据的低字节，高地址中存放的是字数据的高字节。,ARM处理器模式 ARM微处理器支持7种运行模式，分别为： 用户模式(usr)：ARM处理器正常的程序执行状态。 快速中断模式(fiq)：用于高速数据传输或通道处理。 外部中断模式(irq)：用于通用的中断处理。 管理模式(svc)：操作系统使用的保护模式。 数据访问终止模式(abt)：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护。 系统模式(sys)：运行具有特权的操作系统任务。 定义指令

25、中止模式(und)：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。,ARM指令集 程序的启动都是从ARM指令集开始，包括所有异常中断都是自动转化为ARM状态，并且所有的指令都可以是有条件执行的。 ARM指令集是Load/Store体系结构，只能通过Load/Store指令实现对系统存储器的访问，而其他的指令都是基于处理器内部的寄存器操作完成的。 ARM指令集是以32位二进制编码的方式给出的，大部分的指令编码中定义了第一操作数、第二操作数、目的操作数、条件标志影响位以及每条指令所对应的不同功能实现的二进制位。ARM指令根据CPSR中的条件位自动判断是否执行指令，在条件满足时，

26、指令执行，否则指令被忽略。,1.4.3 ARM微处理器系列,ARM7微处理器系列 ARM7系列微处理器为低功耗的32位RISC处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。ARM7微处理器系列具有如下特点： 具有嵌入式ICERT逻辑，调试开发方便。 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构。 代码密度高并兼容16位的Thumb指令集。 对操作系统支持广泛，包括Windows CE、Linux、Palm OS等。 指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便于用户的产品升级换代。 主频最高可达130MIPS，高

27、速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。,ARM9微处理器系列 ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特点： 采用取指、译码、执行、缓冲、回写等5级整数流水线，指令执行效率更高。 提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构。 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。 支持32位的高速AMBA总线接口。 全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。 MPU支持实时操作系统。 支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力。,ARM9E微处理器系列 ARM9E系列微处理器为可综合处理器，使用单一的

28、处理器内核提供了微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度。ARM9E系列微处理器提供了增强的DSP处理能力，很适合于那些需要同时使用DSP和微控制器的应用场合。,ARM10E微处理器系列 ARM10E系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系结构，与同等的ARM9器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近50，同时，ARM10E系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。 ARM10E系列微处理器的主要特点如下： 支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。 6级整数流水线，指令执行效率更高。 支持32位ARM指令集和

29、16位Thumb指令集。 支持32位的高速AMBA总线接口。 支持VFP10浮点处理协处理器。 全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。 支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力 主频最高可达400MIPS。 内嵌并行读/写操作部件。,5. ARM11微处理器系列 ARM11系列微处理器是ARM公司近年推出的新一代RISC处理器，它是ARM新指令架构ARMv6的第一代设计实现。ARM11的媒体处理能力和低功耗特点特别适用于无线和消费类电子产品，其高数据吞吐量和高性能的结合非常适合网络处理应用，在实时性能和浮点处理方面

30、ARM11可以满足汽车电子应用的需求。 ARM11系列微处理器主要有ARM11MPCore、ARM1136J(F)-S、ARM1156T2(F)-S和ARM1176JZ(F)-S等。,6. SecurCore微处理器系列 SecurCore系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的32位RISC技术的安全解决方案，因此，SecurCore系列微处理器除了具有ARM体系结构的低功耗、高性能的特点外，还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的支持。 SecurCore系列微处理器除了具有ARM体系结构各种主要特点外，还在系统安全方面具有如下的特点： 带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据

31、的安全。 采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测。 可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。,7 Xscale处理器 Xscale 处理器是Intel目前主要推广的一款ARM微处理器。Xscale 处理器是基于ARMv5TE体系结构的解决方案，是一款全性能、高性价比、低功耗的处理器。它支持16位的Thumb指令和DSP指令集，已使用在数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。Intel XScale具有下列特点： 32K数据Cache。 32K指令Cache。 2KB微小数据Cache。 7级流水线。 动态电源管理。,8. StrongARM微处理器系列 Intel StrongARM S

32、A-1100处理器是采用ARM体系结构高度集成的32位RISC微处理器。它融合了Intel公司的设计和处理技术以及ARM体系结构的电源效率，采用在软件上兼容ARMv4体系结构、同时采用具有Intel技术优点的体系结构。 Intel StrongARM处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择，已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品。,9. Cortex微处理器系列 Coetex系列微处理器是基于ARMv7架构的，分为Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M等3类。其中Cortex-A是传统的、基于虚拟存储的操作系统和应用程序而设计，支持ARM、Thumb和Thumb-2指令集

33、。Cortex-R针对实时系统设计，支持ARM、Thumb和Thumb-2指令集。Cortex-M为对价格敏感的产品而设计，只支持Thumb-2指令集。,1.4.4 ARM处理器的应用领域及特点,1.ARM处理器的应用领域 基于ARM的处理器以其高速度、低功耗、价格低等优点得到非常广泛的应用，到目前为止，ARM处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域： 工业控制领域：作为32的RISC架构，基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。 无线通讯领域：目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术， ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 网络应用：随着宽带技术的推广，采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对DSP的应用领域