第1章嵌入式系统导论

-1-第1章嵌入式系统导论近年来，随着计算机技术、微电子技术及通讯技术的飞速发展，基于32位微处理器的嵌入式系统在各个领域的应用不断地得到扩大和深入，嵌入式产品已成为信息产业的主流。面对IT产业界这一新热点，高校开设嵌入式系统相关课程已是当务之急。目前国内很多高校都在开设和计划开设嵌入式系统课程。在嵌入式系统实验教学中，我们选择了当前主流的ARM7微处理器芯片和源码开放的μCLinux操作操作。ARM系列处理器是专门针对嵌入式设备设计的，是目前构造嵌入式教学系统硬件平台的首选，而μCLinux继承了标准Linux的优良特性，它强大的网络功能和出色的文件系统等优势也将在嵌入式领域得到更加广泛的应用。本章节对嵌入式系统的发展历史与现状、嵌入式Linux操作系统的特点及组成进行简要论述，在第2小节对µClinux系统进行了分析，第3小节论述了嵌入式Linux系统一般开发流程。1.1概述1.1.1嵌入式系统发展历史与现状虽然嵌入式系统是近几年才开始真正风靡起来的，但事实上嵌入式这个概念却很早就已经存在了。嵌入式系统诞生于微型机时代，经历了漫长的独立发展的单片机道路，从70年代单片机的出现到今天各种嵌入式微处理器、微控制器的广泛应用，嵌入式系统有了近30年的历史。纵观嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下四个阶段：◆无操作系统阶段嵌入式系统最初的应用是基于单片机的。20世纪70年代，微处理器的出现，使早期供养在特殊机房中，实现数值计算的大型计算机发生了历史性的变化。以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性等特点，迅速走出机房，进入工业控制领域。将微型机做在一个芯片上嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。单片机大多以可编程控制器的形式出现，具有监测、伺服、设备指示等功能，通常应用于各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中，一般没有操作系统的支持，只能通过汇编语言对系统进行直接控制，运行结束后再清除内存。这些装置虽然已经初步具备了嵌入式的应用特点，但仅仅只是使用8位的CPU芯片来执行一些单线程的程序，因此严格地说还谈不上“系统”的概念。这一阶段嵌入式系统的主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容-2-量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，因而曾经在工业控制领域中得到了非常广泛的应用，但却无法满足现今对执行效率、存储容量都有较高要求的信息家电等场合的需要。◆简单操作系统阶段20世纪80年代，随着微电子工艺水平的提高，IC制造商开始把嵌入式应用中所需要的微处理器、I/O接口、串行接口以及RAM、ROM等部件统统集成到一片VLSI中，制造出面向I/O设计的MCU即微控制器（MicroControllerUnit），并一举成为嵌入式系统领域中异军突起的新秀。与此同时，嵌入式系统的程序员也开始基于一些简单的“操作系统”开发嵌入式应用软件，大大缩短了开发周期、提高了开发效率。这一阶段嵌入式系统的主要特点是：出现了大量高可靠、低功耗的嵌入式CPU（如PowerPC等），各种简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展。此时的嵌入式操作系统虽然还比较简单，但已经初步具有了一定的兼容性和扩展性，内核精巧且效率高，主要用来控制系统负载以及监控应用程序的运行。在MCU微控制器阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，由单片微型计算机发展到微控制器，以寻求应用系统在芯片上的最大化解决。◆实时操作系统阶段20世纪90年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统进一步飞速发展，而面向实时信号处理算法的DSP产品则向着高速度、高精度、低功耗的方向发展。DSP（DigitalsignalProcessor）是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。在这一阶段，随着硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也不断扩大，逐渐形成了实时多任务操作系统（RTOS），并开始成为嵌入式系统的主流。RTOS是具有实时性且能支持实时控制系统工作的操作系统。这一阶段嵌入式系统的主要特点是：操作系统的实时性得到了很大改善，已经能够运行在各种不同类型的微处理器上，具有高度的模块化和扩展性。此时的嵌入式操作系统已经具备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、图形用户界面（GUI）等功能，并提供了大量的应用程序接口（API），从而使得应用软件的开发变得更加简单。◆面向Internet阶段21世纪无疑将是一个网络的时代，将嵌入式系统应用到各种网络环境中去的呼声自然也越来越高。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，随着Internet的进一步发展，以及Internet技术与信息家电、工业控制技术等的结合日益紧密，嵌入式设备与Internet的结合才是嵌入式技术的真正未来。-3-信息时代和数字时代的到来，为嵌入式系统的发展带来了巨大的机遇，同时也对嵌入式系统厂商提出了新的挑战。目前，嵌入式技术与Internet技术的结合正在推动着嵌入式技术的飞速发展，嵌入式系统的研究和应用产生了如下新的显著变化：1.新的微处理器层出不穷，嵌入式操作系统自身结构的设计更加便于移植，能够在短时间内支持更多的微处理器。2.嵌入式系统的开发成了一项系统工程，开发厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还要提供强大的硬件开发工具和软件支持包。3.通用计算机上使用的新技术、新观念开始逐步移植到嵌入式系统中，如嵌入式数据库、移动代理、实时CORBA等，嵌入式软件平台得到进一步完善。4.各类嵌入式Linux操作系统迅速发展，由于具有源代码开放、系统内核小、执行效率高、网络结构完整等特点，很适合信息家电等嵌入式系统的需要，目前已经形成了能与WindowsCE、PalmOS等嵌入式操作系统进行有力竞争的局面。5.网络化、信息化的要求随着Internet技术的成熟和带宽的提高而日益突出，以往功能单一的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构变得更加复杂，网络互联成为必然趋势。6.精简系统内核，优化关键算法，降低功耗和软硬件成本。7.提供更加友好的多媒体人机交互界面。1.1.2嵌入式系统的组成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，整个嵌入式系统由四大部分组成：嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件。嵌入式系统的体系结构如图1-1所示。图1-1嵌入式系统的组成◆嵌入式处理器嵌入式应用软件嵌入式操作系统嵌入式硬件平台嵌入式处理器嵌入式外围设备-4-嵌入式处理器是嵌入式系统的核心。嵌入式处理器与通用处理器最大的不同点在于，嵌入式CPU大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中，它将通用CPU中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。◆嵌入式外围设备在嵌入系统硬件系统中，除了中心控制部件（MCU、DSP、EMPU、SOC）以外，用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件，事实上都可以算作嵌入式外围设备。目前常用的嵌入式外围设备按功能可以分为存储设备（静态存储器和动态存储器）、通信设备（包括RS-232接口、USB接口、以太网接口等等）和显示设备（阴极射线管CRT、液晶显示器LCD和触摸屏）。◆嵌入式操作系统嵌入式操作系统根据应用场合可以分为两大类：一类是面向消费电子产品的非实时系统，这类设备包括个人数字助理（PDA）、移动电话、机顶盒（STB）等；另一类则是面向控制、通信、医疗等领域的实时操作系统（RealTimeOperatingSystem），RTOS是具有实时性且能从硬件方面支持实时控制系统工作的操作系统。目前嵌入式Linux操作系统以价格低廉、功能强大又易于移植而正在被广泛采用，成为嵌入式操作系统中的新兴的力量。◆嵌入式应用软件嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到用户预期目标的计算机软件，由于用户任务可能有时间和精度上的要求，因此有些嵌入式应用软件需要特定嵌入式操作系统的支持。嵌入式应用软件和普通应用软件有一定的区别，它不仅要求其准确性、安全性和稳定性等方面能够满足实际应用的需要，而且还要尽可能地进行优化，以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本。1.1.3嵌入式Linux的特点嵌入式Linux（EmbeddedLinux）是指对Linux经过裁减小型化后，可固化在存储器中，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，嵌入式Linux具有如下一些特点：◆广泛的硬件支持◆高效稳定的内核◆开放源码，资源丰富-5-◆强大的网络支持功能◆完善的文件管理机制◆优秀的开发工具◆完全免费1.1.4嵌入式Linux的版本嵌入式Linux发展到现在已经有很多种版本了，按照实际应用场合及特殊的功能需求，嵌入式Linux最常用的是以下两个版本。（1）实时Linux操作系统RTLinux。RTLinux是美国新墨西哥州大学计算机系研制开发的。它在底层实现了添加Linux的实时特性支持。经过加入实时处理后，RTLinux就完全能够达到硬实时系统的性能指标。（2）μCLinux操作系统。μCLinux是嵌入式linux的一个典范之作。在μCLinux这个英文单词中μ表示Micro，小的意思，C表示Control，控制的意思，μCLinux就是Micro-Control-linux，字面上的理解就是“针对微控制领域而设计的linux系统。我们实验教学系统就是采用的μCLinux操作系统。下面有单独一节对μCLinux进行全面分析。1.2Linux文件系统基础1.2.1Linux文件结构Linux特性之一就是对多种文件系统的支持，这种特性使得Linux很容易地同其他操作系统共存。Linux将各种安装的文件和文件系统以一个完整的虚拟文件系统的形式呈现给用户。文件结构是文件存放在磁盘等存贮设备上的组织方法。主要体现在对文件和目录的组织上。目录提供了管理文件的一个方便而有效的途径。Linux使用标准的目录结构，在安装的时候，安装程序就已经为用户创建了文件系统和完整而固定的目录组成形式，并指定了每个目录的作用和其中的文件类型。Linux采用的是树型结构。最上层是根目录，其他的所有目录都是从根目录出发而生成的。微软的DOS和windows也是采用树型结构，但是在DOS和windows中这样的树型结构的根是磁盘分区的盘符，有几个分区就有几个树型结构，他们之间的关系是并列的。但是在Linux中，无论操作系统管理几个磁盘分区，这样的目录树只有一个。从结构上讲，各个磁盘分区上的树型目录不一定是并列的。因为Linux是一个多用户系统，制定一个固定的目录规划有助于对系统文件和不同的用户文件进行统一管理。-6-1.2.2Linux目录管理Linux系统上命名目录的方式是相当隐秘的，在嵌入式Linux中，文件系统通常还是按照标准的目录结构来存放所有的文件。通过上节的简要描述，大家对Linux的文件系统及目录结构有了一些认识，在这一节将列出Linux下的主要目录的功用。（1）根目录（/）目录结构上的最高点被称为根目录，用单个字符斜杠（“/”）表示根目录。注意：“/”目录与root用户的主目录不是一回事，其主目录为/root，因此/root目录是根目录“/”的子目录。在Linux系统上的其它目录都包含在根目录之下的层次结构中，这一点不同于Windows系统。Windows系统中的每个驱动器被赋予了自己的字母及其自己的目录结构。在Linux中，系统上所有的存储设备都被装载到根目录之下的每个目录中，或者在根目录下，或者在更下层。（2）/bin子目录这个子目录包含超级用户和一般用户