淺談嵌入式Linux系統(tǒng)

鄭曉霞　趙鵬宇　曹劍英

摘 要：主要分析嵌入式Linux系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)及其開(kāi)發(fā)過(guò)程。

關(guān)鍵詞：嵌入式Linux 操作系統(tǒng)；應(yīng)用前景

近年來(lái)，隨著計(jì)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(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)電子）合一的加速，微型化和專業(yè)化成為發(fā)展的新趨勢(shì)，嵌入式產(chǎn)品成為信息產(chǎn)業(yè)的主流。Linux從1991年問(wèn)世到現(xiàn)在，短短的十幾年時(shí)間已經(jīng)發(fā)展成為功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)完善的操作系統(tǒng)之一；可運(yùn)行在X86、Alpha、Sparc、MIPS、PPC、Motorola、NEC、ARM等多種硬件平臺(tái)，而且開(kāi)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?lái)越多的企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)都轉(zhuǎn)向嵌入式Linux的開(kāi)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(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適用于系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。實(shí)時(shí)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(duì)Linux經(jīng)過(guò)裁剪小型化后，可固化在存儲(chǔ)器或單片機(jī)中，應(yīng)用于特定嵌入式場(chǎng)合的專用Linux操作系統(tǒng)。嵌入式Linux的開(kāi)發(fā)和研究已經(jīng)成為目前操作系統(tǒng)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。與其它嵌入式操作系統(tǒng)相比，Linux的特點(diǎn)如下：

第一，Linux系統(tǒng)是層次結(jié)構(gòu)且內(nèi)核完全開(kāi)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(kāi)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(duì)內(nèi)核進(jìn)行改造，低成本地設(shè)計(jì)和開(kāi)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(shí)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(kāi)發(fā)成為嵌入式的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

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(kāi)發(fā)環(huán)境和交叉運(yùn)行環(huán)境，可以跨越嵌入式系統(tǒng)開(kāi)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(kāi)發(fā)的程序調(diào)試和調(diào)試工具是用在線仿真器（ICE）實(shí)現(xiàn)的。它通過(guò)取代目標(biāo)板的微處理器，給目標(biāo)程序提供一個(gè)完整的仿真環(huán)境，完成監(jiān)視和調(diào)試程序；但一般價(jià)格比較昂貴，只適合做非常底層的調(diào)試。

第四，Linux具有廣泛的硬件支持特性。無(wú)論是RISC還是CISC、32位還是64位等各種處理器，Linux都能運(yùn)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(kāi)發(fā)平臺(tái)

2.1 系統(tǒng)軟件操作平臺(tái)

操作系統(tǒng)是一種在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的軟件。它的主要任務(wù)是管理計(jì)算機(jī)上的系統(tǒng)資源，為用戶提供使用計(jì)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(gè)合適的操作環(huán)境。

Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)是完全可行的。因?yàn)長(zhǎng)inux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(gè)具有內(nèi)存管理、任務(wù)切換和時(shí)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)。

嵌入式Linux系統(tǒng)需要下面三個(gè)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(dòng)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(kāi)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(tái)

在選擇硬件時(shí)，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。現(xiàn)在比較流行的硬件平臺(tái)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(tái)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(jià)比最高的系統(tǒng)。

3 嵌入式Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式

嵌入式系統(tǒng)通常為一個(gè)資源受限的系統(tǒng)。直接在嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)上編寫軟件比較困難，有時(shí)甚至是不可能的。目前，一般采用的辦法是，先在通用計(jì)算機(jī)上編寫程序，然后，通過(guò)交叉編譯，生成目標(biāo)平臺(tái)上可運(yùn)行的二進(jìn)制代碼格式，最后下載到目標(biāo)平臺(tái)上的特定位置上運(yùn)行，具體步驟如下。

第一步，建立嵌入式Linux交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境。目前，常用的交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境主要有開(kāi)放和商業(yè)兩種類型。開(kāi)放的交叉開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(yùn)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。

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(kāi)發(fā)過(guò)程大多是在Intel公司x86系列CPU的通用計(jì)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(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行交叉編譯和鏈接。

第三步，交叉調(diào)試。

① 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(shí)現(xiàn)調(diào)試功能，并通過(guò)在開(kāi)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(guò)程。目前，ARM公司提供的開(kāi)發(fā)板上使用的則是JTAG調(diào)試端口。

② 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(gè)調(diào)試樁（debug stub），用作調(diào)試過(guò)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(guò)調(diào)試器的串口與調(diào)試樁進(jìn)行通信，并通過(guò)調(diào)試器控制目標(biāo)機(jī)上Linux內(nèi)核的運(yùn)行。

第四步，系統(tǒng)測(cè)試。整個(gè)軟件系統(tǒng)編譯過(guò)程，嵌入式系統(tǒng)的硬件一般采用專門的測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)試，而軟件則需要有相關(guān)的測(cè)試技術(shù)和測(cè)試工具的支持，并要采用特定的測(cè)試策略。測(cè)試技術(shù)指的是軟件測(cè)試的專門途徑，以及能夠更加有效地運(yùn)用這些途徑的特定方法。

作者簡(jiǎn)介：

鄭曉霞（1978.5～），女，內(nèi)蒙古烏蘭察布市人，研究生學(xué)歷，單位：集寧師范學(xué)院，研究方向：嵌入式；趙鵬宇，集寧師范學(xué)院，研究生學(xué)歷，講師；曹劍英，集寧師范學(xué)院，研究生學(xué)歷，講師。