嵌入式Linux操作系統(tǒng)的研究

摘 要：隨著當(dāng)前計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，尤其是Linux操作系統(tǒng)在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中起著舉足輕重的作用。Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核具備進(jìn)程管理、文件管理、儲存管理以及內(nèi)核調(diào)度等功能，同時基于Linux應(yīng)用環(huán)境前提下，在不同系統(tǒng)芯片硬件平臺上，嵌入式Linux操作系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)行，通過進(jìn)程調(diào)度以及文件設(shè)計等模塊滿足不同開發(fā)板與應(yīng)用需求。本文主要通過介紹嵌入式Linux操作系統(tǒng)的基本功能，從而具體闡述嵌入式Linux操作系統(tǒng)的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；Linux；嵌入式操作系統(tǒng)

中圖分類號：TP316

嵌入式操作系統(tǒng)作為嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵內(nèi)容，通過控制系統(tǒng)資源，提供開發(fā)應(yīng)用程序，體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的外在功能。筆者綜合自身多年來的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合嵌入式Linux操作系統(tǒng)的功能以及機(jī)理，詳細(xì)研究與分析其在嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用的完善方法。

1 嵌入式Linux操作系統(tǒng)概述

1.1 嵌入式系統(tǒng)內(nèi)涵。嵌入式系統(tǒng)在發(fā)展初期主要是以微處理器的形式而存在的，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透到了人們的工作、生活以及娛樂等方方面面。從本質(zhì)上來講，嵌入式系統(tǒng)將復(fù)雜的軟件與硬件進(jìn)行緊密耦合，從而形成一個全新的計算機(jī)系統(tǒng)?！扒度胧健奔丛诟鱾€完整的系統(tǒng)中吸納一部分優(yōu)越系統(tǒng)，將這些系統(tǒng)進(jìn)行整合。而就這些嵌入的系統(tǒng)本身而言，一般存在多種嵌入式系統(tǒng)。在現(xiàn)階段，隨著微處理器制造技術(shù)的深入發(fā)展，嵌入式處理器制造取得了巨大的發(fā)展。在系統(tǒng)硬件上，主要考慮價格、性能以及能耗等因素，其關(guān)鍵部分是應(yīng)用軟件與系統(tǒng)軟件。但是由于儲存空間存在局限性，因此嵌入式系統(tǒng)對實(shí)時性要求越來越嚴(yán)格。

1.2 嵌入式Linux操作系統(tǒng)。Linux主要是指開放源代碼，一般包括四個方面：一是內(nèi)核，二是系統(tǒng)工具，三是開發(fā)環(huán)境，四是Unix類操作系統(tǒng)。Linux作為一個現(xiàn)代操作系統(tǒng)，其性能可靠、穩(wěn)定，主要具備七個特征：第一，滿足國際通用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；第二，具有可移植性，靈活性強(qiáng)；第三，整個系統(tǒng)性能卓越；第四，在某種程度上動態(tài)鏈接能力強(qiáng)；第五，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)特征鮮明；第六，兼容性強(qiáng)大；第七，系統(tǒng)能夠包容大容量用戶，任務(wù)能力優(yōu)越。從整體上來看，嵌入式Linux操作系統(tǒng)的開放源代碼在一定程度上使用戶自由限度得到了進(jìn)一步的拓展，由于軟件資源豐富，因此開發(fā)工作量少、開發(fā)時間短，同時網(wǎng)絡(luò)支持功能強(qiáng)大、使用成本低。

2 嵌入式Linux操作系統(tǒng)設(shè)計

2.1 進(jìn)程管理分析。在進(jìn)程管理過程中，主要可以從兩個方面來進(jìn)行：一是創(chuàng)建新進(jìn)程，主要利用Fork系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)調(diào)用，根據(jù)硬件環(huán)境，定義語義，進(jìn)而創(chuàng)建子進(jìn)程。由于硬件沒有內(nèi)存管理單元，缺乏數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制以及地址映射機(jī)制，因此在同一地址空間，父子進(jìn)程同時運(yùn)行，嵌入式應(yīng)用可移植性高；二是調(diào)度進(jìn)程運(yùn)行，通過schedule函數(shù)與調(diào)度時機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

2.2 文件管理分析。嵌入式系統(tǒng)利用核心線程加載任務(wù)，理論上不需要設(shè)置文件系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)常用存儲設(shè)備主要以Flash存儲設(shè)備為主，主要有兩種，即NORF lash設(shè)備與NAND Flash設(shè)備。從實(shí)際角度出發(fā)，這兩種設(shè)備不能適應(yīng)Flash設(shè)備發(fā)展要求，因此基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)下，開發(fā)了嵌入式文件系統(tǒng)。這種嵌入式文件系統(tǒng)，可以對文件信息進(jìn)行整理，實(shí)時性強(qiáng)。比如采用Unix實(shí)時文件系統(tǒng)設(shè)計，安全性高。同時，為了保證其他同類系統(tǒng)用戶訪問秘密數(shù)據(jù)的使用特權(quán)，一般采用加密文件系統(tǒng)，利用loop設(shè)備實(shí)現(xiàn)保密性，尤其是在移動設(shè)備中，其使用簡易性能好。

2.3 內(nèi)存管理分析。在內(nèi)存管理過程中，主要依據(jù)其硬件是否存在內(nèi)存管理單元來進(jìn)行具體管理。如MCF5272處理器，主要采用存儲器來實(shí)現(xiàn)分頁管理。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，將應(yīng)用程序進(jìn)行分頁加載，但在實(shí)際應(yīng)用中缺乏內(nèi)存管理單元管理，基于嵌入式系統(tǒng)外存容量較小的情況，實(shí)行實(shí)存儲器管理策略可靠性低，因此要綜合考慮外存設(shè)備特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)改良。如利用Flash設(shè)備，將只讀數(shù)據(jù)存入內(nèi)存中，在設(shè)備上進(jìn)行直接訪問Flash作為只讀數(shù)據(jù)塊與代碼的直接內(nèi)存設(shè)置，有助于節(jié)省內(nèi)存空間，改變內(nèi)存布局，提高操作系統(tǒng)文件處理能力。

2.4 網(wǎng)絡(luò)模塊分析。網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計目的是為了滿足兩個方面的需求，即嵌入式系統(tǒng)中有限計算要求以及內(nèi)存資源要求，運(yùn)用拷貝技術(shù)，最大程度地促進(jìn)TCP中層與層之間數(shù)據(jù)拷貝次數(shù)的減少，節(jié)省系統(tǒng)資源。其次，采用緊急緩沖區(qū)預(yù)留技術(shù)，實(shí)現(xiàn)緊急數(shù)據(jù)的處理。在應(yīng)用這種處理技術(shù)的過程中，要注意將緊急數(shù)據(jù)與其它數(shù)據(jù)區(qū)分開來，提高操作的便捷性。

2.5 bootloader固件分析。bootloader固件作為嵌入式Linux操作系統(tǒng)硬件運(yùn)行程序，對系統(tǒng)任務(wù)的完成起著重要的促進(jìn)作用。bootloader固件通過固化目標(biāo)板ROM，啟動RAM嵌入式軟件程序或ROM嵌入式軟件程序，基于CPU支持的情況下，實(shí)現(xiàn)其在RAM中的正常運(yùn)行。在嵌入式Linux操作系統(tǒng)開發(fā)中，實(shí)現(xiàn)bootloader程序的開發(fā)，主要有四個方面的任務(wù)：第一，初始化處理器結(jié)合了bootloader程序中MMU等配置寄存器；第二，初始化必備硬件的設(shè)置主要運(yùn)用bootloader初始化上的必備硬件，如硬件板使用以嵌入式系統(tǒng)映像文件，bootloader使用客戶端程序通訊，完成下載工作；第三，bootloade提供系統(tǒng)映像下載，通過提供命令并接收映像服務(wù)端程序，明確內(nèi)核映像、文件系統(tǒng)映像下載位置，發(fā)送數(shù)據(jù)包動作，成功下載映像；第四，初始化操作系統(tǒng)執(zhí)行使用bootloader，提供具體啟動地址，從而下載完成系統(tǒng)。

2.6 嵌入式圖像處理系統(tǒng)硬件設(shè)計。嵌入式圖像處理系統(tǒng)硬件設(shè)計主要目的是處理、分析圖像信息任務(wù)。通常情況下，嵌入式數(shù)字圖像處理系統(tǒng)主要包括五個方面的內(nèi)容：一是圖像輸入設(shè)備，二是微處理器，三是輸出設(shè)備，四是圖像數(shù)據(jù)庫，五是圖像處理程序庫。在平臺總體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計中，嵌入式圖像處理系統(tǒng)的核心主要是S3C2410處理器。在圖像采集模塊上，圖像采集媒介是網(wǎng)眼PC350攝像頭。USB圖像采集主要由三部分構(gòu)成，即CMOS圖像傳感器、256K RAM以及USB Camera控制器OV511。OV511將數(shù)字圖像數(shù)據(jù)傳輸給ARM處理板，ARM板結(jié)合USB實(shí)現(xiàn)OV511的配置，而OV511配置圖像傳感器控制字。在嵌入式圖形處理系統(tǒng)中，采用圖像采集以及處理多線程設(shè)計來實(shí)現(xiàn)同步線程，通過建立互斥鎖圖像緩存區(qū)，結(jié)合條件變量，形成圖像數(shù)據(jù)交換公共緩沖區(qū)，圖像采集速度與圖像處理速度快。

2.7 基于TI達(dá)芬奇系列的軟硬件設(shè)計。TI達(dá)芬奇軟硬件設(shè)計作為嵌入式Linux操作系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，表明設(shè)計接口為應(yīng)用程序與算法庫間的API，其目標(biāo)主要包括三個方面：第一，進(jìn)行ARM端應(yīng)用開發(fā)；第二，開發(fā)DSP端的自主知識產(chǎn)權(quán)算法；第三，實(shí)現(xiàn)ARM與DSP雙核間集成開發(fā)等。從本質(zhì)上來講，基于TI達(dá)芬奇系列的軟硬件設(shè)計屏蔽了應(yīng)用與算法間的交互數(shù)據(jù)。在同一處理器內(nèi)核上，由于不同軟件模塊之間存在大容量數(shù)據(jù)傳輸問題，因而TI達(dá)芬奇系列的軟硬件設(shè)計無法滿足該要求?；谶@種情形，數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)一定程度上彌補(bǔ) TI 達(dá)芬奇平臺軟硬件設(shè)計的缺陷，這種軟件框架技術(shù)主要通過整合底層算法，從而實(shí)現(xiàn)其與應(yīng)用程序之間的對接。由于算法接口采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，因而開發(fā)者不需要思考算法，以標(biāo)準(zhǔn)算法接口為媒介，就能調(diào)用算法庫。

3 結(jié)論

綜上所述，隨著微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式Linux操作系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，作為一個嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)信息平臺，能夠運(yùn)用于多種硬件平臺，實(shí)時處理能力強(qiáng)大。Linux作為嵌入式系統(tǒng)軟件部分，為嵌入式軟件的開發(fā)提供了更為便捷的途徑，應(yīng)用前景廣闊。

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作者單位：中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所，河南洛陽 471000