嵌入式系統(tǒng)8-嵌入式Linux

嵌入式系統(tǒng)8-嵌入式Linux第一頁，共63頁。一、嵌入式Linux的定義嵌入式Linux(EmbeddedLinux)是指對Linux經(jīng)過小型化裁剪后，能夠固化在容量只有幾K字節(jié)或幾M字節(jié)的存儲器芯片或單片系統(tǒng)中，應(yīng)用于特定嵌入式場合的專用Linux操作系統(tǒng)第二頁，共63頁。嵌入式Linux的優(yōu)勢Linux系統(tǒng)是層次結(jié)構(gòu)且內(nèi)核完全開放強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能Linux具備一整套工具鏈，容易自行建立嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境和交叉運(yùn)行環(huán)境，并且可以跨越嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中仿真工具的障礙Linux具有廣泛的硬件支持特性第三頁，共63頁。嵌入式Linux面臨的挑戰(zhàn)1、擴(kuò)充Linux的實(shí)時系統(tǒng)2、改變Linux內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)3、完善Linux的集成開發(fā)環(huán)境第四頁，共63頁。1、擴(kuò)充Linux的實(shí)時系統(tǒng)內(nèi)核不支持事件優(yōu)先級和搶占實(shí)時特性對Linux實(shí)時性的擴(kuò)展可以從兩方面進(jìn)行:向外擴(kuò)展（讓實(shí)時系統(tǒng)支持的范圍更廣，支持的設(shè)備更多）向上擴(kuò)展（擴(kuò)充Linux內(nèi)核，從功能上擴(kuò)充Linux的實(shí)時處理和控制系統(tǒng)）第五頁，共63頁。RT-Linux的做法Linux本身的任務(wù)以及Linux內(nèi)核本身作為一個優(yōu)先級最低的任務(wù)實(shí)時任務(wù)作為優(yōu)先級最高的任務(wù)實(shí)時任務(wù)以Linux的內(nèi)核模塊(LoadableKernelModule，LKM)的形式存在第六頁，共63頁。2、改變Linux內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)Monolithic內(nèi)核體系MicroKernel體系執(zhí)行效率內(nèi)核的體積升級、維護(hù)和移植第七頁，共63頁。微內(nèi)核技術(shù)缺點(diǎn)：操作系統(tǒng)的服務(wù)模塊在獨(dú)立的地址空間運(yùn)行，使得進(jìn)程間通信和上下文切換的系統(tǒng)開銷大大增加，降低了系統(tǒng)效率。第八頁，共63頁。3、完善Linux的集成開發(fā)環(huán)境Linux在基于圖形界面的特定系統(tǒng)定制平臺的研究上，與Windows操作系統(tǒng)相比還存在差距第九頁，共63頁。POSIX實(shí)時擴(kuò)展POSIX（PortableOperatingSystemInterface）是為標(biāo)準(zhǔn)化類UNIX操作系統(tǒng)所必須具有的特征和接口而制定，其思想就是為了增強(qiáng)為類UNIX操作系統(tǒng)編寫的軟件的可移植性第十頁，共63頁。二、嵌入式linux開發(fā)最小的嵌入式Linux系統(tǒng)僅需要三個基本元素：引導(dǎo)實(shí)用程序Linux微內(nèi)核，由內(nèi)存管理、進(jìn)程管理和定時服務(wù)構(gòu)成初始化過程硬件驅(qū)動程序一個或多個應(yīng)用進(jìn)程，以提供所需功能第十一頁，共63頁。面向嵌入式Linux系統(tǒng)的圖形用戶界面MicroWindows/NanoX開放源碼無任何硬件加速能力圖形引擎中存在許多低效算法代碼質(zhì)量較差OpenGUI可移植性稍差Qt/Embedded

低的程序效率、大的資源消耗MiniGUI第十二頁，共63頁。嵌入式Linux開發(fā)了解硬件針對所用CPU的編譯器/匯編器/連接器,相應(yīng)的庫工具,目標(biāo)文件分析/管理工具,符號查看器編程器，下載工具和查錯器安排內(nèi)存地址編寫啟動代碼和機(jī)器相關(guān)代碼：硬件初始化，裝載內(nèi)核及安裝根文件系統(tǒng)以及開始內(nèi)核執(zhí)行驅(qū)動程序第十三頁，共63頁。嵌入式Linux的一般開發(fā)步驟：精簡內(nèi)核系統(tǒng)啟動驅(qū)動程序開發(fā)界面開發(fā)：將X-Window換成MicroWindows

第十四頁，共63頁。精簡內(nèi)核

構(gòu)造內(nèi)核的常用命令包括：makeconfig、dep、clean、mrproper、zImage、bzImage、modules、modules_install。使用makeconfig去掉多余功能。

./Makefile

./arch/i386/kernel/

Makefile

第十五頁，共63頁。系統(tǒng)啟動

系統(tǒng)啟動的相關(guān)文件如下：

./arch/$ARCH/boot/

bootsect.s

./arch/$ARCH/boot/setup.s

./init/main.c

bootsect.S及setup.S

第十六頁，共63頁。驅(qū)動程序在Linux系統(tǒng)里，設(shè)備驅(qū)動程序提供一組入口點(diǎn)，它們由一個結(jié)構(gòu)在設(shè)備驅(qū)動程序初始化的時候向系統(tǒng)進(jìn)行登記，以便系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)臅r候調(diào)用。Linux系統(tǒng)里，通過調(diào)用register_chrdev向系統(tǒng)注冊字符型設(shè)備驅(qū)動程序。

第十七頁，共63頁。添加驅(qū)動程序1.直接修改系統(tǒng)核心的源代碼，把設(shè)備驅(qū)動程序加進(jìn)核心里2.把設(shè)備驅(qū)動程序作為可加載的模塊，由系統(tǒng)管理員動態(tài)地加載它，使之成為核心的一部分。第十八頁，共63頁。驅(qū)動程序模塊Linux中，模塊可以用C語言編寫，用gcc編譯成目標(biāo)文件（不進(jìn)行鏈接，作為*.o文件存在）。為此需要在gcc命令行里加上-c的參數(shù)。在成功地向系統(tǒng)注冊了設(shè)備驅(qū)動程序后（調(diào)用register_chrdev），就可以用mknod命令來把設(shè)備映射為一個特別文件。其它程序需要使用這個設(shè)備的時候，對此特別文件進(jìn)行操作。

第十九頁，共63頁。三、linux啟動流程1加電或復(fù)位2BIOS的啟動3BootLoader4操作系統(tǒng)初始化第二十頁，共63頁。1加電或復(fù)位冷啟動過程開始，中央處理器進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，將內(nèi)存中的所有數(shù)據(jù)清零，對內(nèi)存進(jìn)行校驗(yàn)，如果沒錯，CS寄存器將置入FFFF,IP寄存器置入0000，這個CS:IP組合指向的是BIOS的入口。系統(tǒng)就是這樣進(jìn)入BIOS啟動過程的。第二十一頁，共63頁。2BIOS啟動上電自檢POST(PowerOnSelfTest)對系統(tǒng)內(nèi)的硬件設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和連接最后，BIOS將從軟盤或硬盤上讀入BootLoader.如果從硬盤啟動，BIOS將讀入該盤的零柱面零磁道1扇區(qū)（MBR）,這個扇區(qū)上就放著BootLoader.第二十二頁，共63頁。2BIOS啟動除了啟動程序，BIOS還提供了一組中斷以便于對硬件設(shè)備的訪問。我們知道，當(dāng)鍵盤上的某一鍵被按下，CPU就會產(chǎn)生一個中斷并把這個鍵的信息讀入。在操作系統(tǒng)沒有被裝入以前（Bootsect.S還沒有被讀入），中斷的響應(yīng)程序由BIOS提供。第二十三頁，共63頁。3BootLoaderBootLoader是一段匯編代碼，存放在MBR中，它的主要作用就是將系統(tǒng)啟動代碼讀入內(nèi)存。第二十四頁，共63頁。3BootLoader因?yàn)樵趩舆^程中，BIOS會把BootLoader讀入內(nèi)存，并把控制權(quán)交給它。MBR（硬盤啟動）內(nèi)的代碼就是BootLoader或者它的一部分，為了說明Bootloader的實(shí)現(xiàn)，先解釋磁盤結(jié)構(gòu)。第二十五頁，共63頁。3BootLoader一個硬盤在DOS文件系統(tǒng)下可被分為四個基本分區(qū)，可以把一個基本分區(qū)定義為一個擴(kuò)展分區(qū)，然后再把這個基本分區(qū)分為一個或多個邏輯分區(qū)。整個硬盤的分區(qū)表存放在硬盤的第一個扇區(qū)（MBR），每個擴(kuò)展分區(qū)也對應(yīng)一個分區(qū)表，它存放在該擴(kuò)展分區(qū)對應(yīng)的第一個扇區(qū)里。除主引導(dǎo)扇區(qū)外，每個基本分區(qū)和擴(kuò)展分區(qū)也有自己的引導(dǎo)扇區(qū)，結(jié)構(gòu)與MBR相同，但邏輯分區(qū)的引導(dǎo)扇區(qū)不能用于啟動。第二十六頁，共63頁。3BootLoader如果是硬盤啟動，BootLoader將查找主分區(qū)表中標(biāo)記為活動分區(qū)的表項(xiàng)，把該表項(xiàng)對應(yīng)的分區(qū)的引導(dǎo)扇區(qū)讀入，然后將控制權(quán)交給該扇區(qū)內(nèi)的引導(dǎo)程序。第二十七頁，共63頁。3BootLoader 如果計(jì)算機(jī)上裝有不只一個操作系統(tǒng)，僅僅MS-DOS的BootLoader無法完成這種工作，需要一個可以多重起動的工具，下面介紹Linux下最常用的LILO.第二十八頁，共63頁。3BootLoaderLILO實(shí)際上是一個在Linux環(huán)境下編寫的BootLoader程序，主要功能是引導(dǎo)Linux操作系統(tǒng)的啟動。LILO的功能實(shí)際上是有幾個程序共同實(shí)現(xiàn)的，它們是：（1）MapInstaller這是LILO用于管理啟動文件的程序。它將bootloader寫入引導(dǎo)分區(qū)，創(chuàng)建紀(jì)錄文件以映射內(nèi)核的啟動。（2）Thebootloader它負(fù)責(zé)把Linux內(nèi)核或其他操作系統(tǒng)的引導(dǎo)分區(qū)讀入內(nèi)存。還提供命令行接口，讓用戶選擇從哪個操作系統(tǒng)啟動和加入啟動參數(shù)。（3）其他文件：主要包括用于存放MapInstaller記錄的map文件和存放LILO配置信息的配置文件。第二十九頁，共63頁。4進(jìn)入操作系統(tǒng)BootLoader做了這么多工作，一言以蔽之，只是把操作系統(tǒng)的代碼調(diào)入內(nèi)存，所以當(dāng)它執(zhí)行完后，自然該把控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)的啟動程序來完成剩下的工作。第三十頁，共63頁。4進(jìn)入操作系統(tǒng)把控制權(quán)交給Setup.S這段程序進(jìn)入保護(hù)模式，同時把控制權(quán)交給Head.SHead.S調(diào)用/init/main.C中的start_kernel函數(shù),啟動程序從start_kernel()函數(shù)繼續(xù)執(zhí)行第三十一頁，共63頁。4進(jìn)入操作系統(tǒng)

（1）Setup.S首先，Setup.S對已經(jīng)調(diào)入內(nèi)存的操作系統(tǒng)代碼進(jìn)行檢查，如果沒錯，它會通過BIOS中斷獲取內(nèi)存容量，硬盤等信息（實(shí)模式）準(zhǔn)備讓CPU進(jìn)入保護(hù)模式a.先屏蔽中斷信號b.調(diào)用指令lidt和lgdtc.對8259中斷控制器進(jìn)行編程d.協(xié)處理器重新定位完成這幾件事后，Setup.S設(shè)置保護(hù)模式的標(biāo)志，重取指令，再用一條跳轉(zhuǎn)指令jmpi0x100000,KERNEL_CS。進(jìn)入保護(hù)模式下的啟動階段，控制權(quán)交給Head.S.第三十二頁，共63頁。4進(jìn)入操作系統(tǒng)

（2）Head.S也要先做屏蔽中斷一類的工作然后對中斷向量表做一定的處理BootLoader讀入內(nèi)存的啟動參數(shù)和命令行參數(shù)，Head.S把它們保存在empty_zero_page頁中檢查CPU類型對協(xié)處理器進(jìn)行檢查

頁初始化,調(diào)用setup_paging這個子函數(shù)

因?yàn)橐堰M(jìn)入保護(hù)模式，段機(jī)制的多任務(wù)屬性體現(xiàn)

第三十三頁，共63頁。4進(jìn)入操作系統(tǒng)

（3）main.c中的初始化Head.S調(diào)用/init/main.c中的start_kernel函數(shù)，把控制權(quán)交給它，這個函數(shù)是整個操作系統(tǒng)初始化的最重要的函數(shù)，一旦它執(zhí)行完，整個操作系統(tǒng)的初始化也就完成了。第三十四頁，共63頁。4進(jìn)入操作系統(tǒng)

（3）main.c中的初始化計(jì)算機(jī)在執(zhí)行start_kernel前以進(jìn)入了保護(hù)模式，使處理器完全進(jìn)入了全面執(zhí)行操作系統(tǒng)代碼的狀態(tài)。但直到目前為止，這都是針對處理器的。而一旦start_kernel開始執(zhí)行，Linux內(nèi)核就一步步展現(xiàn)。Start_kernel執(zhí)行后，就可以以一個用戶的身份登陸和使用Linux了第三十五頁，共63頁。4進(jìn)入操作系統(tǒng)

（3）main.c中的初始化較為重要的函數(shù)如下Setup_arch()最基本硬件的初始化Paging_init()線性地址空間映射Trap_init()中斷向量表初始化Int_IRQ與中斷有關(guān)的初始化Sched_init()進(jìn)程調(diào)度初始化Console_init()對中斷的初始化第三十六頁，共63頁。4進(jìn)入操作系統(tǒng)

（3）main.c中的初始化對文件系統(tǒng)的初始化Inode_init()i節(jié)點(diǎn)管理機(jī)制初始化Name_cache_init()目錄緩存機(jī)制初始化Buffer_init()塊緩存機(jī)制初始化第三十七頁，共63頁。4進(jìn)入操作系統(tǒng)

（3）main.c中的初始化啟動到了目前這種狀態(tài)，只剩下運(yùn)行/etc下的啟動配置文件。這時初始化程序并沒有完成操作系統(tǒng)各個部分的初始化，更關(guān)鍵的文件系統(tǒng)的安裝還沒有涉及，這是在init進(jìn)程建立后完成的。就是start_kernel()最后部分內(nèi)容。第三十八頁，共63頁。4進(jìn)入操作系統(tǒng)

（4）建立init進(jìn)程Linux要建立的第一個進(jìn)程是init進(jìn)程啟動所需的Shell腳本文件a.Linux系統(tǒng)啟動所必須的b.用戶登陸后自己設(shè)定的系統(tǒng)啟動所必須的腳本存放在系統(tǒng)默認(rèn)的配置文件目錄/etc下。首先調(diào)用的是/etc/inittab.第三十九頁，共63頁。四、Linux系統(tǒng)移植的兩大部分內(nèi)核部分和系統(tǒng)部分(1)內(nèi)核部分初始化和控制所有硬件設(shè)備（嚴(yán)格說不是所有，而是絕大部分），為內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、設(shè)備讀寫等工作做好一切準(zhǔn)備。(2)系統(tǒng)部分加載必需的設(shè)備，配置各種環(huán)境以便用戶可以使用整個系統(tǒng)。

第四十頁，共63頁。(1)內(nèi)核移植Linux內(nèi)核可以視為由五個功能部分組成：進(jìn)程管理（包括調(diào)度和通信）、內(nèi)存管理、設(shè)備管理、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)需要改動的就是進(jìn)程管理、內(nèi)存管理和設(shè)備管理中被獨(dú)立出來的那部分即硬件相關(guān)部分的代碼第四十一頁，共63頁。修改的代碼進(jìn)程管理底層代碼BIOS接口代碼時鐘、中斷等板上設(shè)備支持代碼特殊結(jié)構(gòu)代碼：SMP內(nèi)存管理第四十二頁，共63頁。(2)系統(tǒng)移植一個最小系統(tǒng)的重建過程類似Linux系統(tǒng)應(yīng)急盤DiskOnChip包括：init、libc庫、驅(qū)動模塊、必需的應(yīng)用程序和系統(tǒng)配置腳本。第四十三頁，共63頁。五、一些Real-TimeLinux簡介NMTRT-LinuxMontaVistaLinuxucLinuxBlueCat

LinuxOpenWRT，DD-WRTGoogleAndroid第四十四頁，共63頁。1、NMTRT-LinuxNMT是新墨西哥科技大學(xué)(NewMexicoTechnology)的縮寫Real-timeLinux的鼻祖硬實(shí)時一個實(shí)時內(nèi)核負(fù)責(zé)處理硬件消息，接管中斷，實(shí)時任務(wù)可在該內(nèi)核上直接運(yùn)行第四十五頁，共63頁。可載入式核心模組(loadablekernelmodule)。

第四十六頁，共63頁。RTAIReal-TimeApplicationInterfaceLKM在Linux上定義了一組RTHAL(Real-TimeHardwareAbstractionLayer)RTAI只使用RTHAL和Linux溝通第四十七頁，共63頁。LXRTRTAI無法直接使用Linux的系統(tǒng)調(diào)用解決的方法：使用RT-FIFO將一個RTAIreal-timekernelmodule和真正的Linux進(jìn)程連接在一起代理：LXRTproxy第四十八頁，共63頁。第四十九頁，共63頁。2、MontaVista

LinuxMontaVista軟件公司全球三大嵌入式Linux操作系統(tǒng)及解決方案供應(yīng)商之一MontaVista

Linux支持6種體系結(jié)構(gòu)的20款處理器，x86/IA-32、PowerPC、StrongARM、XScale、ARM、MIPSMontaVista

Linux包括KDevelop

IDE、目標(biāo)配置工具（Target

Configuration

Tool）、庫優(yōu)化工具（Library

Optimizer

tool）。另外，它還提供超過215個應(yīng)用軟件包。第五十頁，共63頁?；贚inux

2.4.X穩(wěn)定內(nèi)核，提供支持x86、MIPS、SH以及PowerPC體系結(jié)構(gòu)的實(shí)時搶占式內(nèi)核?？缙脚_開發(fā)，支持14個主機(jī)開發(fā)環(huán)境，包括Red

Hat、Yellow

Dog

Linux、SuSE、Mandrake、Solaris以及VMWare

on

Windows

NT/2000該版本提供了215多個主機(jī)配套工具和嵌入式目標(biāo)平臺開發(fā)組件軟件包，包括thttpd嵌入式服務(wù)器和802.11b無線通信標(biāo)準(zhǔn)附加包。第五十一頁，共63頁。擴(kuò)展了針對嵌入式跨平臺開發(fā)的各類開放源代碼工具的支持，提供了首個基于KDevelop的MontaVista開發(fā)環(huán)境；支持x86和PowerPC平臺的Linux跟蹤工具（包括內(nèi)核性能和執(zhí)行分析器）；ext3日志文件系統(tǒng)。

第五十二頁，共63頁。3、uClinux專為無（MMU）的微控制器打造的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。uClinux已移植支持的微控制器和微處理器摩托羅拉DragonBall

(M68EZ328),

M68328,

M68EN322,

ColdFire,

QUICC

(Quad

Integrated

Communications

Controller)

Motorola

MC68328:

DragonBall集成微處理器

ARM7TDMI

MC68EN302

Axis

ETRAX

Intel

i960

PRISMA

Atari

68k

ETRAX

第五十三頁，共63頁。特點(diǎn)UClinux的內(nèi)核要比原Linux內(nèi)核小的多1.

內(nèi)存管理不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)分頁管理對于內(nèi)存的訪問是直接的，所有程序中訪問的地址都是實(shí)際的物理地址。對內(nèi)存空間沒有保護(hù)，各個進(jìn)程實(shí)際上共享一個運(yùn)行空間。一個進(jìn)程在執(zhí)行前，系統(tǒng)必須為進(jìn)程分配足夠的連續(xù)地址空間，然后全部載入主存儲器的連續(xù)空間中。第五十四頁，共63頁。2.uCLinux兩種可選的的內(nèi)核加載方式Flash運(yùn)行方式：把內(nèi)核的可執(zhí)行映像文件燒到flash上，系統(tǒng)啟動時從flash的某個地址開始逐句執(zhí)行。內(nèi)核加載方式：把內(nèi)核的壓縮文件存放在flash上，系統(tǒng)啟動時讀取壓縮文件在內(nèi)存里解壓，然后開始執(zhí)行，運(yùn)行速度更快第五十五頁，共63頁。3.uCLinux的romfs文件文件系統(tǒng)內(nèi)核支持romfs文件系統(tǒng)比支持ext2文件系統(tǒng)需要更少的代碼超級塊（superblock）需要更少的存儲空間。4.uCLinux的應(yīng)用程序庫uClibc對libc做了精簡靜態(tài)鏈接第五十六頁，共63頁。uClinu