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嵌入式Linux系統(tǒng)及其應(yīng)用前景
摘要：主要分析嵌入式Linux系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的特點；概述其開發(fā)過程和所面臨的挑戰(zhàn)；闡述嵌入式Linux的發(fā)展和應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：嵌入式Linux 操作系統(tǒng) 應(yīng)用前景
引 言
??近年來，隨著計算技術(shù)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是互聯(lián)網(wǎng)的迅速普及和3C（計算機(jī)、通信、消費電子）合一的加速，微型化和專業(yè)化成為發(fā)展的新趨勢，(范文先生網(wǎng)m.panasonaic.com收集整理)嵌入式產(chǎn)品成為信息產(chǎn)業(yè)的主流。Linux從1991年問世到現(xiàn)在，短短的十幾年時間已經(jīng)發(fā)展成為功能強(qiáng)大、設(shè)計完善的操作系統(tǒng)之一；可運行在X86、Alpha、Sparc、MIPS、PPC、Motorola、NEC、ARM等多種硬件平臺，而且開放源代碼，可以定制；可與各種傳統(tǒng)的商業(yè)操作系統(tǒng)分庭抗?fàn)帯Ｔ絹碓蕉嗟钠髽I(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)都轉(zhuǎn)向嵌入式Linux的開發(fā)和研究上，在新興的嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)也獲得了飛速發(fā)展。
1 嵌入式Linux的特點
嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適用于系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。實時性是嵌入式系統(tǒng)的基本要求，其次，還要求代碼小，速度快，可靠性高。嵌入式Linux（Embedded Linux）是指對Linux經(jīng)過裁剪小型化后，可固化在存儲器或單片機(jī)中，應(yīng)用于特定嵌入式場合的專用Linux操作系統(tǒng)。嵌入式Linux的開發(fā)和研究已經(jīng)成為目前操作系統(tǒng)領(lǐng)域的一個熱點。與其它嵌入式操作系統(tǒng)相比（詳見表1），Linux的特點如下。
表1 專用嵌入式實時操作系統(tǒng)與嵌入式Linux的比較
第一，Linux系統(tǒng)是層次結(jié)構(gòu)且內(nèi)核完全開放。Linux是由很多體積小且性能高的微內(nèi)核系統(tǒng)組成。在內(nèi)核代碼完全開放的前提下，不同領(lǐng)域和不同層次的用戶可以根據(jù)自己的應(yīng)用需要方便地對內(nèi)核進(jìn)行改造，低成本地設(shè)計和開發(fā)出滿足自己需要的嵌入式系統(tǒng)。
第二，強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能。Linux誕生于因特網(wǎng)時代并具有Unix的特性，保證了它支持所有標(biāo)準(zhǔn)因特網(wǎng)協(xié)議，并且可以利用Linux的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧將其開發(fā)成為嵌入式的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。 此外，Linux還支持ext2、fat16、fat32、romfs等文件系統(tǒng)，為開發(fā)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用打下了很好的基礎(chǔ)。
第三，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)境和交叉運行環(huán)境，可以跨越嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中仿真工具的障礙。Linux也符合IEEE POSIX.1標(biāo)準(zhǔn)，使應(yīng)用程序具有較好的可移植性。
傳統(tǒng)的嵌入式開發(fā)的程序調(diào)試和調(diào)試工具是用在線仿真器（ICE）實現(xiàn)的。它通過取代目標(biāo)板的微處理器，給目標(biāo)程序提供一個完整的仿真環(huán)境，完成監(jiān)視和調(diào)試程序；但一般價格比較昂貴，只適合做非常底層的調(diào)試。使用嵌入式Linux，一旦軟硬件能夠支持正常的串口功能，即使不用仿真器，也可以很好地進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試工作，從而節(jié)省一筆不小的開發(fā)費用。嵌入式Linux為開發(fā)者提供了一套完整的工具鏈（tool chain）。它利用GNU的gcc做編譯器，用gdb、kgdb、xgdb做調(diào)試工具，能夠很方便地實現(xiàn)從操作系統(tǒng)到應(yīng)用軟件各個級別的調(diào)試。
第四，Linux具有廣泛的硬件支持特性。無論是RISC還是CISC、32位還是64位等各種處理器，Linux都能運行。Linux通常使用的微處理器是Intel X86芯片家族，但它同樣能運行于Motorola公司的68K系列CPU和IBM、Apple、Motorola公司的PowerPC CPU以及Intel公司的StrongARM CPU等處理器。Linux支持各種主流硬件設(shè)備和最新硬件技術(shù)，甚至可以在沒有存儲管理單元（MMU）的處理器上運行。這意味著嵌入式Linux將具有更廣泛的應(yīng)用前景。
2 Linux嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺
2.1 系統(tǒng)軟件操作平臺
操作系統(tǒng)是一種在計算機(jī)上運行的軟件。它的主要任務(wù)是管理計算機(jī)上的系統(tǒng)資源，為用戶提供使用計算機(jī)及其外部設(shè)備的接口。它存在的目的是為了管理所有硬件資源，并且提供應(yīng)用軟件一個合適的操作環(huán)境。嵌入式系統(tǒng)由于硬件的限制，通常只具有極稀少的硬件資源，如主頻較低的CPU、較小的內(nèi)存、小容量的固態(tài)電子盤芯片DoC（Disk on Chip）或DoM（Disk on Module）替代磁盤等。在使用電池的系統(tǒng)中，它還要實現(xiàn)低功耗，延長電池使用時間的功能。
Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)是完全可行的。因為Linux提供了完成嵌入功能的基本內(nèi)核和所需要的所有用戶界面，能處理嵌入式任務(wù)和用戶界面。將Linux看作是連續(xù)的統(tǒng)一體，從一個具有內(nèi)存管理、任務(wù)切換和時間服務(wù)及其它分拆的微內(nèi)核到完整的服務(wù)器，支持所有的文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。Linux作為嵌入式系統(tǒng)，是一個帶有很多優(yōu)勢的新成員。它對許多CPU和硬件平臺都是易移植、穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、易于開發(fā)的。
嵌入式Linux系統(tǒng)需要下面三個基本元素：系統(tǒng)引導(dǎo)工具（用于機(jī)器加電后的系統(tǒng)定位引導(dǎo)）、Linux微內(nèi)核（內(nèi)存管理、 程序管理）、初始化進(jìn)程。但如果要它成為完整的操作系統(tǒng)并且繼續(xù)保持小型化，還必須加上硬件驅(qū)動程序、硬件接口程序和應(yīng)用程序組。
Linux是基于GNU的C編譯器，作為GNU工具鏈的一部分，與gdb源調(diào)試器一起工作的。它提供了開發(fā)嵌入式Linux系統(tǒng)的所有軟件工具。
2.2 系統(tǒng)硬件平臺
在選擇硬件時，常由于缺乏完整或精確的信息而使硬件選擇成為復(fù)雜且困難的工作。硬件開發(fā)成本常是我們很關(guān)心的。當(dāng)考慮硬件成本時，須要考慮產(chǎn)品的整個成本而不僅是CPU的成本。因為合適的CPU，一旦加上總線邏輯和延時電路使之與外設(shè)一起工作，硬件系統(tǒng)就可能變得非常昂貴。如果要尋找嵌入式軟件系統(tǒng)，那么，應(yīng)首先確定硬件平臺，即確定微處理器CPU的型號。
現(xiàn)在比較流行的硬件平臺有Intel公司的StrongARM 系列，Motorola公司的DragonBall系列，NEC公司的VR系列，Hitachi公司的SH3、SH4系列等等。選定硬件平臺前，首先要確定系統(tǒng)的應(yīng)用功能和所需要的速度，并制定好外接設(shè)備和接口標(biāo)準(zhǔn)。這樣才能準(zhǔn)確地定位所需要的硬件方案，得到性價比最高的系統(tǒng)。
3 嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)模式
嵌入式系統(tǒng)通常為一個資源受限的系統(tǒng)。直接在嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺上編寫軟件比較困難，有時甚至是不可能的。一般流程見圖2。目前，一般采用的辦法是，先在通用計算機(jī)上編寫程序，然后，通過交叉編譯，生成目標(biāo)平臺上可運行的二進(jìn)制代碼格式，最后下載到目標(biāo)平臺上的特定位置上運行，具體步驟如下�！ �
第一步，建立嵌入式Linux交叉開發(fā)環(huán)境。目前，常用的交叉開發(fā)環(huán)境主要有開放和商業(yè)兩種類型。開放的交叉開發(fā)環(huán)境的典型代表是GNU工具鏈，目前已經(jīng)能夠支持x86、ARM、MIPS、PowerPC等多種處理器。商業(yè)的交叉開發(fā)環(huán)境主要有Metrowerks CodeWarrior、ARM Software Development Toolkit、SDS Cross compiler、WindRiver Tornado、Microsoft Embedded Visual C++等。交叉開發(fā)環(huán)境是指編譯、鏈接和調(diào)試嵌入式應(yīng)用軟件的環(huán)境。它與運行嵌入式應(yīng)用軟件的環(huán)境有所不同，通常采用宿主機(jī)/目標(biāo)機(jī)模式，見圖3。
第二步，交叉編譯和鏈接。在完成嵌入式軟件的編碼之后，就是進(jìn)行編譯和鏈接，以生成可執(zhí)行代碼。由于開發(fā)過程大多是在Intel公司x86系列CPU的通用計算機(jī)上進(jìn)行的，而目標(biāo)環(huán)境的處理器芯片卻大多為ARM、MIPS、PowerPC、DragonBall等系列的微處理器，這就要求在建立好的交叉開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行交叉編譯和鏈接。
例如，在基于ARM體系結(jié)構(gòu)的gcc交叉開發(fā)環(huán)境中，arm-linux-gcc是交叉編譯器，arm-linux-ld是交叉鏈接器。通常情況下，并不是每一種體系結(jié)構(gòu)的嵌入式微處理器都只對應(yīng)于一種交叉編譯器和交叉鏈接器。如對于M68K體系結(jié)構(gòu)的gcc交叉開發(fā)環(huán)境而言，就對應(yīng)于多種不同的編譯器和鏈接器。如果使用的是COFF格式的可執(zhí)行文件，那么在編譯Linux內(nèi)核時，需要使用m68k-coff-gcc和m68k-coff-ld，而在編譯應(yīng)用程序時則需要使用m68k-coff-pic-gcc和m68k-coff-pic-ld。編寫好的嵌入式軟件經(jīng)過交叉編譯和交叉鏈接后，通常會生成兩種類型的可執(zhí)行文件：用于調(diào)試的可執(zhí)行文件和用于固化的可執(zhí)行文件。
第三步，交叉調(diào)試。
�、� 硬件調(diào)試。如果不采用在線仿真器，可以讓CPU直接在其內(nèi)部實現(xiàn)調(diào)試功能，并通過在開發(fā)板上引出的調(diào)試端口，發(fā)送調(diào)試命令和接收調(diào)試信息，完成調(diào)試過程。目前，Motorola公司提供的開發(fā)板上使用的是DBM調(diào)試端口，而ARM公司提供的開發(fā)板上使用的則是JTAG調(diào)試端口。使用合適的軟件工具與這些調(diào)試端口進(jìn)行連接，可以獲得與ICE類似的調(diào)試效果。
�、� 軟件調(diào)試。在嵌入式Linux系統(tǒng)中，Linux系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)試，可以先在Linux內(nèi)核中設(shè)置一個調(diào)試樁（debug stub），用作調(diào)試過程中和宿主機(jī)之間的通信服務(wù)器。然后，可以在宿主機(jī)中通過調(diào)試器的串口與調(diào)試樁進(jìn)行通信，并通過調(diào)試器控制目標(biāo)機(jī)上Linux內(nèi)核的運行。
嵌入式上層應(yīng)用軟件的調(diào)試可以使用本地調(diào)試和遠(yuǎn)程調(diào)試兩種方法。如果采用的是本地調(diào)試，首先要將所需的調(diào)試器移植到目標(biāo)系統(tǒng)中，然后就可以直接在目標(biāo)機(jī)上運行調(diào)試器來調(diào)試應(yīng)用程序了；如果采用的是遠(yuǎn)程調(diào)試，則需要移植一個調(diào)試服務(wù)器到目標(biāo)系統(tǒng)中，并通過它與宿主機(jī)上的調(diào)試器共同完成應(yīng)用程序的調(diào)試。在嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)中，遠(yuǎn)程調(diào)試時目標(biāo)機(jī)上使用的調(diào)試服務(wù)器通常是gdbserver，而宿主機(jī)上使用的調(diào)試器則是gdb。兩者相互配合共同完成調(diào)試過程。
第四步，系統(tǒng)測試。整個軟件系統(tǒng)編譯過程，嵌入式系統(tǒng)的硬件一般采用專門的測試儀器進(jìn)行測試，而軟件則需要有相關(guān)的測試技術(shù)和測試工具的支持，并要采用特定的測試策略。測試技術(shù)指的是軟件測試的專門途徑，以及能夠更加有效地運用這些途徑的特定方法。在嵌入式軟件測試中，常常要在基于目標(biāo)機(jī)的測試和基于宿主機(jī)的測試之間做出折衷。基于目標(biāo)機(jī)的測試需要消耗較多的時間和經(jīng)費，而基于宿主機(jī)的測試雖然代價較小，但畢竟是在仿真環(huán)境中進(jìn)行的，因此難以完全反映軟件運行時的實際情況。這兩種環(huán)境下的測試可以發(fā)現(xiàn)不同的軟件缺陷，關(guān)鍵是要對目標(biāo)機(jī)環(huán)境和宿主機(jī)環(huán)境下的測試內(nèi)容進(jìn)行合理取舍。嵌入式軟件測試中經(jīng)常用到的測試工具主要有：內(nèi)存分析工具、性能分析工具、覆蓋分析工具、缺陷跟蹤工具等，在這里不加詳述。嵌入式Linux系統(tǒng)的典型構(gòu)成見圖4。
以下即為一個典型開發(fā)工具的使用流程：
① 寫入或植入引導(dǎo)碼；
② 向串口打印字符串的編碼；
③ 將gdb目標(biāo)碼移植工作串口，可與另一臺運行g(shù)db程序的Linux主機(jī)系統(tǒng)對話；
④ 利用gdb讓硬件和軟件初始化碼在Linux內(nèi)核啟動時工作；
⑤ Linux內(nèi)核啟動，串口成為Linux控制口并可用于后續(xù)開發(fā)；
⑥ 如果在目標(biāo)硬件上已運行了完整的Linux內(nèi)核，即可調(diào)試用戶的應(yīng)用進(jìn)程。
4 嵌入式Linux面臨的挑戰(zhàn)
目前，對嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)正在蓬勃興起，并已形成了很大的市場。除了一些傳統(tǒng)的Linux公司，像RedHat、VA Linux等，正在從事嵌入式Linux的研究之外，一批新公司（如Lineo、TimeSys等）和一些傳統(tǒng)的大公司（如IBM、SGI、Motorola、Intel等）以及一些開發(fā)專用嵌入式操作系統(tǒng)的公司（如Lynx）也都在進(jìn)行嵌入式Linux的研究和開發(fā)。但就目前的技術(shù)而言，嵌入式Linux的研究成果與市場的真正需求還有一些距離，因此，嵌入式Linux走向成熟還需要在以下幾個方面有所發(fā)展。
(1)Linux的實時性擴(kuò)充
實時性是嵌入式操作系統(tǒng)的基本要求。由于Linux還不是一個真正的實時操作系統(tǒng)，內(nèi)核不支持事件優(yōu)先級和搶占實時特性，所以在開發(fā)嵌入式Linux的過程中，首要問題是擴(kuò)展Linux的實時性能。對Linux實時性的擴(kuò)展可以從兩方面進(jìn)行：向外擴(kuò)展和向上擴(kuò)展。向外擴(kuò)展即從范圍上擴(kuò)展，讓實時系統(tǒng)支持的范圍更廣，支持的設(shè)備更多。目前的開發(fā)所面向的設(shè)備僅限于較簡單的有實時要求的串/并口數(shù)據(jù)采集、浮點數(shù)據(jù)計算等，而像實時網(wǎng)絡(luò)這樣實時系統(tǒng)的高級應(yīng)用還需進(jìn)一步發(fā)展。向上擴(kuò)展是擴(kuò)充Linux內(nèi)核，從功能上擴(kuò)充Linux的實時處理和控制系統(tǒng)。如嵌入式系統(tǒng)RT-Linux，它的基本原理是將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)，而實時任務(wù)作為優(yōu)先級最高的任務(wù)，即在實時任務(wù)存在的情況下運行實時任務(wù)，否則就運行Linux本身的任務(wù)。實時任務(wù)不同于Linux普通進(jìn)程。它是以Linux的可裝載的內(nèi)核模塊(Loadable Kernel Module，LKM)的形式存在的，需要運行實時任務(wù)的時候，將這個實時任務(wù)的內(nèi)核模塊插入到內(nèi)核中去，實時任務(wù)和Linux一般進(jìn)程之間的通信通過共享內(nèi)存或者FIFO通道來實現(xiàn)。
(2)改變Linux內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)
Linux的內(nèi)核體系采用的是Monolithic。在這種體系結(jié)構(gòu)中，內(nèi)核的所有部分都集中在一起，而且所有的部件在一起編譯連接。這樣雖然能使系統(tǒng)的各部分直接溝通，有效地縮短任務(wù)之間的切換時間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和CPU的利用率，且實時性好；但在系統(tǒng)比較大時體積也比較大，與嵌入式系統(tǒng)容量小、資源有限的特點不符。而另外一種內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)MicroKernel， 在內(nèi)核中只包括了一些基本的內(nèi)核功能，如創(chuàng)建和刪除任務(wù)、任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理和中斷處理等部分，而文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等部分都是在用戶內(nèi)存空間運行。這種結(jié)構(gòu)雖然執(zhí)行效率不如Monolithic內(nèi)核，但大大減小了內(nèi)核的體積，同時也方便了整個系統(tǒng)的升級、維護(hù)和移植，更能滿足嵌入式系統(tǒng)的特點需要。為此，要使嵌入式Linux的應(yīng)用更加廣泛，若將Linux目前的Monolithic內(nèi)核結(jié)構(gòu)中的部分結(jié)構(gòu)改造成MicroKernel體系結(jié)構(gòu)，可使得到的Linux既具有很好的實時性，又能滿足嵌入式系統(tǒng)體積小的要求。
另外，Linux是一個需要占用存儲器的操作系統(tǒng)。雖然這可以通過減少一些不必要的功能來彌補(bǔ)，但可能會浪費很多時間，而且容易帶來很大的麻煩。許多Linux的應(yīng)用程序都要用到虛擬內(nèi)存，這在許多嵌入式系統(tǒng)中是沒有價值的。所以，并不是一個沒有磁盤的Linux嵌入式系統(tǒng)就可以運行任何Linux應(yīng)用程序。
(3)完善Linux的集成開發(fā)環(huán)境
提供完整的集成開發(fā)環(huán)境是每一個嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員所期待的。一個完整的嵌入式系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境一般需要提供的工具是：編譯/連接器、內(nèi)核調(diào)試/跟蹤器和集成圖形界面開發(fā)平臺。其中的集成圖形界面開發(fā)平臺包括編輯器、調(diào)試器、軟件仿真器和監(jiān)視器等。在Linux系統(tǒng)中，具有功能強(qiáng)大的gcc編譯器工具鏈，使用了基于GNU的調(diào)試器gdb的遠(yuǎn)程調(diào)試功能，一般由一臺客戶機(jī)運行調(diào)試程序調(diào)試宿主機(jī)運行的操作系統(tǒng)內(nèi)核; 在使用遠(yuǎn)程開發(fā)時還可以使用交叉平臺的方式，如在Windows平臺下的調(diào)試跟蹤器對Linux的宿主系統(tǒng)做調(diào)試。但是，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。因此，要使嵌入式Linux在嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域中的優(yōu)勢更加明顯，整體集成開發(fā)環(huán)境還有待提高和完善。
5 嵌入式Linux的發(fā)展及應(yīng)用前景
綜上，由于Linux具有對各種設(shè)備的廣泛支持性，因此，能方便地應(yīng)用于機(jī)頂盒、IA設(shè)備、PDA、掌上電腦、WAP手機(jī)、尋呼機(jī)、車載盒以及工業(yè)控制等智能信息產(chǎn)品中。與PC相比，手持設(shè)備、IA設(shè)備以及信息家電的市場容量要高得多，而Linux嵌入式系統(tǒng)的強(qiáng)大的生命力和利用價值，使越來越多的企業(yè)和高校表現(xiàn)出對它極大的研發(fā)熱情。藍(lán)點軟件公司、博利思公司、共創(chuàng)軟件聯(lián)盟、中科紅旗等公司都已將嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)作為自己的主要發(fā)展方向之一。
在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中，Linux嵌入式操作系統(tǒng)所具有的技術(shù)優(yōu)勢和獨特的開發(fā)模式給業(yè)界以新異。有理由相信，它能成為Internet時代嵌入式操作系統(tǒng)中的最強(qiáng)音。
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