嵌入式Linux论文(历史发展分类及应用)

嵌入式Linux一、嵌入式Linux简介1.1嵌入式Linux历史随着社会的发展，信息化技术的成熟和数字化产品的普及，让以计算机技术、芯片技术和软件技术为核心的嵌入式系统再度成为当前研究和应用的焦点，通信、计算机、消费电子技术（3C）合一的趋势正在逐步形成，无所不在的网络和无所不在的计算（everythingconnecting,everywherecomputing）正在将人类带入一个崭新的信息社会。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，不仅可以与各种传统的商业操作系统分庭抗争，在新兴的嵌入式操作系统领域内也获得了飞速发展。嵌入式系统的发展方向是与目标系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。嵌入式Linux（EmbeddedLinux）是指对标准Linux经过小型化裁剪处理之后，能够固化在容量只有几K或者几M字节的存储器芯片或者单片机中，适合于特定嵌入式应用场合的专用Linux操作系统。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，从上个世纪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，嵌入式系统少说也有了近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：1.1.1无操作系统阶段嵌入式系统最初的应用是基于单片机的，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。1.1.2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设计的微控制器，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。1.1.3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。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。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。1.1.4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。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：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。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。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。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。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。1.2嵌入式Linux特点嵌入式Linux系统就是利用Linux其自身的许多特点，把它应用到嵌入式系统里。Linux做嵌入式有许多很好的特点，首先Linux是开放源代码的，不存在黑箱技术，遍布全球的众多Linux爱好者又是Linux开发者的强大技术支持；其次Linux的内核小、效率高，内核的更新速度很快；第三，Linux是免费的OS，在价格上极具竞争力。Linux还有着嵌入式操作系统所需要的很多特点，突出的就是Linux适应于多种CPU和多种硬件平台，是一个跨平台的系统。到目前为止，它可以支持二三十种CPU。而且性能稳定，裁剪性很好，开发和使用都很容易。很多CPU包括家电业芯片，都开始做Linux的平台移植工作。移植的速度远远超过Java的开发环境。也就是说，如果今天用Linux环境开发产品，那么将来换CPU就不会遇到困扰。同时，Linux内核的结构在网络方面是非常完整的，Linux对网络中最常用的TCP/IP协议有最完备的支持。提供了包括十兆、百兆、千兆的以太网络，以及无线网络，Tokerring(令牌环网)、光纤甚至卫星的支持。所以Linux很适于做信息家电的开发。还有使用Linux为的是来开发无线连接产品的开发者越来越多。Linux在快速增长的无线连接应用主场中有一个非常重要的特点，就是有足够快的开发速度。这是因为LInux有很多工具，并且Linux为众多程序员所熟悉。Linux的大小适合嵌入式操作系统──Linux固有的模块性，适应性和可配置性，使得这很容易做到。另外，Linux源码的实用性和成千上万的程序员热切其望它用于无数的嵌入式应用软件中，导致很多嵌入式Linux的出现，包括Embedix，ETLinux，LEM，LinuxRouterProject，LOAF，uCLinux，muLinux，ThinLinux，FirePlug，Linux和PizzaBoxLinux。相对，Linux的图形界面还相对较弱，但近年Linux的图形界面发展也很快，这也就不是问题。二、嵌入式Linux的构成Linux系统一般有4个主要部分：内核、shell、文件系统和应用程序。内核、shell和文件系统一起形成了基本的操作系统结构，它们使得用户可以运行程序、管理文件并使用系统。2.1Linux内核内核是操作系统的核心，具有很多最基本功能，如虚拟内存、多任务、共享库、需求加载、可执行程序和TCP/IP网络功能。Linux内核主要由进程调度（SCHED）、内存管理（MM）、虚拟文件系统（VFS）、网络接口（NET）和进程间通信（IPC）等5个子系统组成。2.1.1进程调度精度调度控制系统中的多个进程对CPU的访问使得多个进程能在CPU中微观串行，宏观并行地执行。进程调度处于系统的中心位置，内核中其他的子系统都依赖它，因为每个子系统都需要挂起和恢复进程。2.1.2内存管理内存管理的主要作用是控制多个进程安全地共享内存区域。当CPU提供内存管理单元（MMU）时，Linux内存管理完成为每个进程进行虚拟内存到物理内存的转换。Linux2.6引入了对无MMUCPU的支持。一般而言，Linux的每个进程享有4GB的内存空间，0~3GB属于用户空间，3~4GB属于内核空间，内核空间对常规内存、I/O设备内存以及高端内存存在不同的处理方式。2.1.3虚拟文件系统Linux虚拟文件系统（VFS）隐藏了各种硬件的具体细节，为所有的设备提供了统一的接口。而且，它独立于各个具体的文件系统，是对各种文件系统的一个抽象，它使用超级块superblock存放文件系统相关信息，使用索引节点inode存放文件的物理信息，使用目录项dentry存放文件的逻辑信息。2.1.4网络接口网络接口提供了对各种网络的标准的存取和各种网络硬件的支持。网络接口可分为网络协议和网络驱动程序，网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协议，网络设备驱动负责与硬件设备进行通信，每一种可能的硬件设备都有相应的设备驱动程序。2.1.5进程通信Linux支持进程间的多种通信机制，包含信号量、共享内存、管道等，这些机制可以协助多个进程、多资源的互斥访问、进程间的同步和消息传递。2.2Linuxshellshell是系统的用户界面，提供了用户与内核进行交互操作的一种接口。它接收用户输入的命令并把它送入内核去执行，是一个命令解释器。另外，shell编程语言具有普通编程语言的很多特点，用这种编程语言编写的shell程序与其他应用程序具有同样的效果。目前主要有下列版本的shell。a．BourneShell：是贝尔实验室开发的。b．BASH：是GNU的BourneAgainShell，是GNU操作系统上默认的shell,大部分linux的发行套件使用的都是这种shell。c．KornShell：是对BourneSHell的发展，在大部分内容上与BourneShell兼容。d．CShell：是SUN公司Shell的BSD版本。2.3Linux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系统能支持多种目前流行的文件系统，如EXT2、EXT3、FAT、FAT32、VFAT和ISO9660。2.4Linux应用程序标准的Linux系统一般都有一套都有称为应用程序的程序集，它包括文本编辑器、编程语言、XWindow、办公套件、Internet工具和数据库等。三、嵌入式Linux的开发流程嵌入式linux开发，根据应用需求的不同有不同的配置开发方法，但是一般都经过以下过程：3.1建立开发环境操作系统一般REDHAT－LINUX，版本7到9都可以，选择定制安装或全部安装，通过网络下载相应的GCC交叉编译器进行安装（比如arm-linux-gcc、arm-uclibc-gcc），或者安装产品厂家提供的交叉编译器。3.2配置开发主机配置MINICOM，一般参数为115200，数据位8位，停止位1，无奇偶校验，软硬件控制流设为无。在WINDOWS下的超级终端的配置也是这样。MINICOM软件的作用是作为调试嵌入式开发板信息输出的监视器和键盘输入的工具；配置网络，主要是配置NFS网络文件系统，需要关闭防火墙，简化嵌入式网络调试环境设置过程。3.3建立引导装载程序BOOTLOADER从网络上下载一些公开源代码的BOOTLOADER，如U-BOOT、BLOB、VIVI、LILO、ARM-BOOT、RED-BOOT等，根据自己具体芯片进行移植修改。有些芯片没有内置引导装载程序，比如三星的ARM7、ARM9系列芯片，这样就需要编写烧写开发板上flash的烧写程序，网络上有免费下载的WINDOWS下通过JTAG并口简易仿真器烧写ARM外围flash芯片的程序。也有LINUX下公开源代码的J-FLASH程序。如果不能烧写自己的开发板，就需要根据自