ί

嵌入式Linux开发系列之一: 走进嵌入式Linux的世界！

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、通信设备和显示设备三类。

存储设备主要用于各类数据的存储，常用的有静态易失型存储器（RAM、SRAM）、动态存储器（DRAM）和非易失型存储器（ROM、EPROM、EEPROM、FLASH）三种，其中FLASH凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。

目前存在的绝大多数通信设备都可以直接在嵌入式系统中应用，包括RS-232接口（串行通信接口）、SPI（串行外围设备接口）、IrDA（红外线接口）、I2C（现场总线）、USB（通用串行总线接口）、Ethernet（以太网接口）等。

由于嵌入式应用场合的特殊性，通常使用的是阴极射线管（CRT）、液晶显示器（LCD）和触摸板（Touch Panel）等外围显示设备。

嵌入式操作系统 

为了使嵌入式系统的开发更加方便和快捷，需要有专门负责管理存储器分配、中断处理、任务调度等功能的软件模块，这就是嵌入式操作系统。嵌入式操作系统是用来支持嵌入式应用的系统软件，是嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动程序、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形用户界面（GUI）等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理复杂的系统资源，能够对硬件进行抽象，能够提供库函数、驱动程序、开发工具集等。但与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时性、硬件依赖性、软件固化性以及应用专用性等方面，具有更加鲜明的特点。

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，如WindRiver公司的VxWorks、QNX系统软件公司的QNX等。实时系统（Real Time System）是一种能够在指定或者确定时间内完成系统功能，并且对外部和内部事件在同步或者异步时间内能做出及时响应的系统。在实时系统中，操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度，而且与这些操作进行的时间有关，也就是说，实时系统对逻辑和时序的要求非常严格，如果逻辑和时序控制出现偏差将会产生严重后果。

实时系统主要通过三个性能指标来衡量系统的实时性，即响应时间（Response Time）、生存时间（Survival Time）和吞吐量（Throughput）：

响应时间　　是实时系统从识别出一个外部事件到做出响应的时间； 
生存时间　是数据的有效等待时间，数据只有在这段时间内才是有效的； 
吞吐量　　　是在给定的时间内系统能够处理的事件总数，吞吐量通常比平均响应时间的倒数要小一点。 
实时系统根据响应时间可以分为弱实时系统、一般实时系统和强实时系统三种。弱实时系统在设计时的宗旨是使各个任务运行得越快越好，但没有严格限定某一任务必须在多长时间内完成，弱实时系统更多关注的是程序运行结果的正确与否，以及系统安全性能等其他方面，对任务执行时间的要求相对来讲较为宽松，一般响应时间可以是数十秒或者更长。一般实时系统是弱实时系统和强实时系统的一种折衷，它的响应时间可以在秒的数量级上，广泛应用于消费电子设备中。强实时系统则要求各个任务不仅要保证执行过程和结果的正确性，同时还要保证在限定的时间内完成任务，响应时间通常要求在毫秒甚至微秒的数量级上，这对涉及到医疗、安全、军事的软硬件系统来说是至关重要的。

时限（deadline）是实时系统中的一个重要概念，指的是对任务截止时间的要求，根据时限对系统性能的影响程度，实时系统又可以分为软实时系统（soft real-time-system）和硬实时系统（hard real-time-system）。软实时指的是虽然对系统响应时间有所限定，但如果系统响应时间不能满足要求，并不会导致系统产生致命的错误或者崩溃；硬实时则指的是对系统响应时间有严格的限定，如果系统响应时间不能满足要求，就会引起系统产生致命的错误或者崩溃。如果一个任务在时限到达之时尚未完成，对软实时系统来说还是可以容忍的，最多只会降低系统性能，但对硬实时系统来说则是无法接受的，因为这样带来的后果根本无法预测，甚至可能是灾难性的。在目前实际运用的实时系统中，通常允许软硬两种实时性同时存在，其中一些事件没有时限要求，另外一些事件的时限要求是软实时的，而对系统产生关键影响的那些事件的时限要求则是硬实时的。

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。

1.3 关键问题 

嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与特定行业的具体应用相结合的产物，因此必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统，嵌入式系统的开发充满了竞争、机遇与创新，需要解决好如下一些关键问题：

内核精巧　　嵌入式系统的应用领域一般都是小型电子装置，系统资源相对有限，因此对内核的要求相当高，较之传统的操作系统来讲要小得多，例如ENEA公司推出的OSE分布式嵌入式系统，整个内核只有5KB。 
面向应用　　嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的。嵌入式系统中的CPU大多工作在为特定用户群定制的环境中，具有低耗、体积小、集成度高等特点，在进行软硬件设计时必须突出效率、去除冗余，针对用户的具体需求对系统进行合理的配置，方能达到理想的性能。 
系统精简　　嵌入式系统中的系统软件和应用软件通常没有明显的区别，不要求其功能及实现上过于复杂，这样一方面有利于控制系统成本，另一方面也有利于保证系统安全。 
性能优化　　嵌入式系统通常都要求有一定的实时性保障，为了提高执行速度和系统性能，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储芯片或者处理器的内部存储器件当中，而不是存贮在磁盘等外部载体中。由于嵌入式系统的运算速度和存储容量存在一定程度上的限制，而且大部分系统都必须有较高的实时性保证，因此对软件质量（特别是可靠性方面）有着较高的要求。 
专业开发　　嵌入式系统本身并不具备自主开发能力，用户不能直接在其上进行二次开发。当系统完成之后，用户如果需要修改其中某个程序的功能，必须借助一套完整的开发工具和环境。嵌入式系统中专用的开发工具和环境通常是基于通用计算机上的软硬件设备，以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。 


 


 回页首 
 



二、嵌入式Linux

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Linux（Embedded Linux）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。

2.1 优势 

嵌入式Linux的开发和研究是操作系统领域中的一个热点，目前已经开发成功的嵌入式系统中，大约有一半使用的是Linux。Linux之所以能在嵌入式系统市场上取得如此辉煌的成果，与其自身的优良特性是分不开的。

广泛的硬件支持 

Linux能够支持x86、ARM、MIPS、ALPHA、PowerPC等多种体系结构，目前已经成功移植到数十种硬件平台，几乎能够运行在所有流行的CPU上。Linux有着异常丰富的驱动程序资源，支持各种主流硬件设备和最新硬件技术，甚至可以在没有存储管理单元（MMU）的处理器上运行，这些都进一步促进了Linux在嵌入式系统中的应用。

内核高效稳定 

Linux内核的高效和稳定已经在各个领域内得到了大量事实的验证，Linux的内核设计非常精巧，分成进程调度、内存管理、进程间通信、虚拟文件系统和网络接口五大部分，其独特的模块机制可以根据用户的需要，实时地将某些模块插入到内核或从内核中移走。这些特性使得Linux系统内核可以裁剪得非常小巧，很适合于嵌入式系统的需要。

开放源码，软件丰富 

Linux是开放源代码的自由操作系统，它为用户提供了最大限度的自由度，由于嵌入式系统千差万别，往往需要针对具体的应用进行修改和优化，因而获得源代码就变得至关重要了。Linux的软件资源十分丰富，每一种通用程序在Linux上几乎都可以找到，并且数量还在不断增加。在Linux上开发嵌入式应用软件一般不用从头做起，而是可以选择一个类似的自由软件做为原型，在其上进行二次开发。

优秀的开发工具 

开发嵌入式系统的关键是需要有一套完善的开发和调试工具。传统的嵌入式开发调试工具是在线仿真器（In-