畢業(yè)設計（論文）-基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)研究.doc

基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)研究1摘要在以計算機技術、通訊技術相結合的信息時代的快速發(fā)展和互聯(lián)網的廣泛應用的形勢下，3C（Computer、Communication、Consumer）合一的趨勢已經形成，其結果必然就是將計算機工業(yè)的中心從計算產品轉移到信息產品，從而出現信息電器的概念。在信息電器的應用開發(fā)領域，由于需要的功能不斷的增加，嵌入式系統(tǒng)也就將成為軟件業(yè)的新寵兒。同時在計算機本身的領域里面，微型化和專業(yè)化成為了發(fā)展的新趨勢，同樣也需要嵌入式系統(tǒng)的支持。因此，研究與嵌入式系統(tǒng)有關的關鍵技術嵌入式操作系統(tǒng)有著相當重要的實際意義。本論文詳細論述了作者在學士學位論文工作期間在基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)研究工作領域里所做的研究和實踐，主要圍繞著論證使用Linux改造成符合嵌入式操作系統(tǒng)條件的幾點要求展開討論。首先，我對嵌入式系統(tǒng)的概念和信息電器的概念做出表述，并且說明Linux的特點、發(fā)展狀況河開發(fā)環(huán)境。緊接著，分三個方面論述使用Linux進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的便利，包括Linux的實時變種RTLinux的原理、實現方案和編程方法；Linux網絡設備驅動程序的分析和利用到嵌入式系統(tǒng)中的方案；實現Linux和RTLinux的內核在線調試環(huán)境的途徑。其中還講到了如何利用現有的工作設計出一個嵌入式Linux系統(tǒng)。最后，針對現有的工作，提出進一步開發(fā)出完整的、具有市場競爭力的產品提出開發(fā)展望。關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)，Linux，信息電器，RTOS，RTLinux，Linux網絡驅動程序，在線調試環(huán)境基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)研究2AbstractWiththedevelopmentofComputertechnologyandCommunicationtechnologyinInformationtimesandtheboardapplicationofInternet,itisclearthat3C(Computer,CommunicationandConsumer)willconvergeinthenearfuturewhichwillleadthefocusofComputerIndustryfromtheComputeproducttoInformationproduct.ItistheconceptofInformationAppliance.IntheapplicationanddevelopmentfieldofInformationAppliance,EmbeddedOperatingSystemwillbethemostfavoritethinginSoftwareDevelopmentfield.Atthesametime,inthefieldofcomputerscienceitself,themicromationandspecializationisthenewdirectionofthecomputerworld.ItalsowantthesupportofEmbeddedSystem.So,theresearchofthekeytechniqueofembeddedsystemEmbeddedOperatingSystemisthemostimportantthing.ThisthesispresentstheauthorsworkinresearchoftheLinux-basedEmbeddedOperatingSystemforhisbachelordegree.MostofthethesisfocustherequirementoftransformingLinuxtoEmbeddedSystem.Firstly,itdescribestheconceptsofembeddedsystemandInformationAppliance,andpresentsthecharacteristicanddevelopmentenvironmentofLinux.ThendescribethreeaspectsofthekeytechniquesofusingLinuxasthedevelopmenttoolsofEmbeddedsystemIncludingthereal-timevariantofLinuxRTLinuxanditsprinciple,implementationandtheprogramming；thenetworkcodinginLinuxkernelandtheanalysisofLinuxnetworkdevicedriversandtheonlinedebugenvironmentofLinuxKernelandRTLinuxKernel.IhavealsoinvolvedtheimplementationofembedLinux/RTLinuxinafloppytosimulatetheembeddedenvironment.Inthelastpartofthisthesis,IgivethesuggestionsandprospectofthedevelopmentofamatureembeddedsystemwhichhavethemostcompetitionabilityinChinamarketbaseonthecurrentwork.Keyword:EmbeddedOperatingSystem,Linux,InformationAppliance,RTOS,RTLinux,LinuxNetworkDeviceDrivers,OnlineKerneldebugenvironment基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)研究3目錄摘要_1Abstract_2目錄_3第一章緒論_61.1嵌入式系統(tǒng)的歷史、現在和未來_61.2信息電器的概念_71.3國內外嵌入式系統(tǒng)的相關產品、水平、現狀和技術發(fā)展趨勢_81.3.1國際上相關產品、水平、現狀和技術發(fā)展趨勢。_81.3.2國內相關產品、水平、現狀和技術發(fā)展趨勢。_101.4Linux的歷史和現狀_121.5論文的組織介紹_14第二章嵌入式系統(tǒng)的特點_162.1嵌入式處理器的要求_162.2RTOS的要求_172.2.1RTOS的概念_172.2.2RTOS的分類方法_182.2.3RTOS的體系結構_182.2.4RTOS的衡量標準_202.3網絡要求_202.4用戶交互環(huán)境界面_202.5小結_21第三章采用Linux作為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的原因_223.1嵌入式處理器支持_223.2實時支持_223.3網絡支持_233.4GUI開發(fā)支持_243.4.1利用XWindows的便利_243.4.2利用SVGALib和pThread函數庫_253.5小結_26第四章實時Linux_274.1實時Linux（RTLinux）介紹_27基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)研究44.2RTLinux特征_284.2.1小而精巧的實時內核_284.2.2模塊化的設計方案_284.2.3和Linux內核的結合_2利用Linux內核的好處_2和Linux進行通信的方法_294.3RTLinux的實現機理_304.4RTLinux的編程接口（API）_314.5RTLinux的編程方法示例_324.5.1需要用到的API函數：_3任務生成和調度函數_3時間控制函數_3FIFO控制函數_334.5.2程序原理_344.5.3程序實現_3實時部分代碼_3非實時部分_3公用頭文件_384.5.4程序執(zhí)行結果_394.6嵌入式RTLinux的設計_404.6.1將RTLinux嵌入EPROM中。_404.6.2通過網絡啟動的方法設計嵌入式RTLinux。_424.7小結_42第五章Linux對TCP/IP網絡支持_435.1Linux網絡概述_435.2Linux網絡設備驅動程序的分析_445.2.1Linux中網絡驅動程序介紹_455.2.2網絡驅動程序中需要用到的重要的數據結構_4structdevice_465.2.3重要的驅動過程_4模塊驅動方法_4內核啟動的驅動方法_4網卡初始化函數分析_495.3在嵌入式系統(tǒng)中實現網絡協(xié)議棧_515.3.1重用Linux網絡協(xié)議棧代碼_515.3.2重寫網絡協(xié)議棧_525.3.3網絡驅動程序的編寫_525.4小結_53第六章調試環(huán)境的搭建和定制_546.1遠程調試環(huán)境的搭建原理_55基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)研究56.1.1GDB介紹_556.1.2GDB遠程調試功能介紹_556.1.3GDB遠程調試建立的條件_5遠程主機上stub要實現的函數接口_5調試雙方數據包的傳送格式_5調試步驟的介紹_586.2Linux的內核調試環(huán)境的搭建_586.2.1串口驅動程序模塊和數據包傳送函數_596.2.2stub程序的函數接口_606.2.3內核進入調試狀態(tài)的路徑_6系統(tǒng)啟動的時候向內核傳遞參數_6使用gdbstart將系統(tǒng)控制權交出_636.2.4Linux內核調試過程示例_646.3RTLinux的調試環(huán)境的開發(fā)設想_656.4小結_66第七章總結與展望_67參考文獻_69基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)研究6第一章緒論1.1嵌入式系統(tǒng)的歷史、現在和未來在當前的數字信息技術和網絡技術高速發(fā)展的后PC（Post-PC）時代，嵌入式系統(tǒng)已經廣泛的滲透到科學研究、工程設計、軍事技術、各類產業(yè)和商業(yè)文化藝術、娛樂業(yè)以及人們的日常生活等方方面面中。隨著國內外嵌入式產品如車載電腦、機頂盒等等的進一步開發(fā)和推廣，嵌入式技術越來越和人們的生活緊密結合。在PC時代，可能有人從來沒有接觸過計算機；但是在Post-PC時代，他就不可能會接觸不到嵌入式系統(tǒng)，因為嵌入式系統(tǒng)可能存在于生活的方方面面中，從家里的洗衣機、電冰箱，到作為交通工具的自行車、小汽車，到辦公室里的遠程會議系統(tǒng)等等，都屬于可以使用嵌入式技術開發(fā)和改造的產品。實際上嵌入式系統(tǒng)這個概念很早以前就已經存在了。在通訊方面，嵌入式系統(tǒng)在1960年就被用于對電子機械電話交換的控制，當時被稱為“存儲式程序控制系統(tǒng)”（StoredProgramControl）。那個時候，計算機一詞卻還不是很普遍，而存儲式程序主要是指用于存儲程序及日常訊息的內存部分。存儲這些邏輯數據，而不是將其寫入硬盤，這個概念的確具有突破性的意義。這個時候還沒有出現操作系統(tǒng)的概念，對每一個應用都需要提供一整個計算機的設計。后來微處理器的出現，它用來提供一個中央計算引擎。利用微處理器，組成了一個基于由總線連接起來的計算機硬件體系結構，并且提供了一個通用功能的編程模型，從而簡化了編程。嵌入式系統(tǒng)的概念是在1970年左右出現的。不過在當時，大部分都是由匯編語言完成的，而且這些匯編程序只能用于某一種固定的微處理器。當這種微處理器過時之后，這種嵌入式系統(tǒng)就沒有用了；并且還要開始對新的微處理器寫新的嵌入式系統(tǒng)。這個時候的嵌入式系統(tǒng)很多都不是操作系統(tǒng)，他們只是為了實現某個控制功能，使用一個簡單的循環(huán)控制對外界的控制請求進行處理。不可否認，這對一些簡單的系統(tǒng)而言是足夠的。但是當我們的系統(tǒng)越來越復雜，利用的范圍越來越廣泛的時候，沒有操作系統(tǒng)就成為了一個最大的缺點了，因為需要添加一項新功能都可能需要從頭開始設計，否則只能增加開發(fā)成本和系統(tǒng)復雜度。C語言的出現使得我們的操作系統(tǒng)開發(fā)變得越來越簡單。我們可以利用C語言很快的寫出一個小型的、穩(wěn)定的操作系統(tǒng)。眾所知之，C語言的作者DennisM.Ritchie和BrianW.Kernighan利用它寫出了著名的UNIX操作系統(tǒng)，直接影基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)研究7響了這三十年計算機業(yè)的發(fā)展。同時，對開發(fā)嵌入式系統(tǒng)來說，在效率和速度上都提高了很多。從上世紀八十年代開始，開始出現各種各樣的商業(yè)用嵌入式操作系統(tǒng)，這些操作系統(tǒng)大部分都是為專有系統(tǒng)而開發(fā)，從而形成了現在多種形式的商用嵌入式操作系統(tǒng)百家爭鳴的局面。如VxWorks，pSOS，Neculeus和WindowsCE等等?，F在，網絡在人們生活中的應用越來越廣泛，自然而然，在嵌入式系統(tǒng)中使用網絡系統(tǒng)也成為了一項基本的要求。把網絡協(xié)議棧實現在嵌入式系統(tǒng)中，對日常生活中的需要極有意義。利用嵌入式系統(tǒng)中的網絡功能，可以實現下面我將要描述的信息電器這一即將取代PC在后PC時代占據市場主體的商品。我們知道，如果在上面所說的那種采用循環(huán)控制的嵌入式系統(tǒng)中加入網絡協(xié)議棧，復雜度會呈指數級增長。這種情況下，在嵌入式操作系統(tǒng)中增加網絡協(xié)議模塊要方便得多，并且還能方便各種網絡應用程序的不同平臺移植。在未來的社會里面，使用嵌入式系統(tǒng)的情形會越來越多，人可以不接觸電腦，但是不接觸嵌入式系統(tǒng)的情況是不存在的。嵌入式系統(tǒng)可能存在于您生活的各個角落：您家里可能就是通過一個嵌入式系統(tǒng)控制的中心