工控機(jī)嵌入式操作系統(tǒng)Linux概述

Linux嵌入式系統(tǒng)操作系統(tǒng)開發(fā)簡(jiǎn)介

　　嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件均可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其發(fā)展已有二十多年的歷史，國(guó)際上也出現(xiàn)了一些著名的嵌入式操作系統(tǒng)，如VxWorks，Palm OS，Windows CE等等，但這些操作系統(tǒng)均屬于商品化產(chǎn)品，價(jià)格昂貴且由于源代碼不公開導(dǎo)致了諸如對(duì)設(shè)備的支持 ，應(yīng)用軟件的移植等一系列的問(wèn)題。而Linux作為一種優(yōu)秀的Free OS，近幾年在嵌入式領(lǐng)域異軍突起，成為了最有潛力的嵌入式操作系統(tǒng)。

　　嵌入式Linux融合了嵌入式和Linux的特點(diǎn)，其開發(fā)與一般的應(yīng)用程序開發(fā)相比有著自己的特點(diǎn)，下面簡(jiǎn)要的介紹一下嵌入式Linux開發(fā)的一般過(guò)程。

　　了解硬件是首要的一步，這是嵌入式開發(fā)的特點(diǎn)決定的。了解硬件指的是了解整個(gè)硬件，判斷硬件對(duì)于當(dāng)前的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是否合適。嵌入式系統(tǒng)中需要使用到CPU和各種外圍設(shè)備，由此需要收集相關(guān)硬件的資料，包括CPU，芯片手冊(cè)和各種外圍設(shè)備的手冊(cè)以及相關(guān)的各種電路圖等，并對(duì)整體系統(tǒng)有較深入的了解。

　　了解硬件后，下一步就該準(zhǔn)備需要使用的Linux工具以及其他工具，這些工具包括：針對(duì)所用CPU的編譯器/匯編器/連接器,相應(yīng)的庫(kù)工具,目標(biāo)文件分析/管理工具,符號(hào)查看器等等。幸運(yùn)的是，由于Linux的開放性，針對(duì)不同目標(biāo)平臺(tái)的Linux工具都可在網(wǎng)上免費(fèi)得到，絕大部分的這些工具都由GNU提供。所需要的其他工具還包括硬件廠商提供給公司的工具，如編程器，下載工具和查錯(cuò)器等等。所有這些工具對(duì)以后的開發(fā)、調(diào)試等都可說(shuō)是必不可少的。

　　做好以上的準(zhǔn)備工作后，就要進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的工作階段了。首先需要安排內(nèi)存地址，如SDRAM的內(nèi)存地址，F(xiàn)lash的內(nèi)存地址等，這需要與實(shí)際應(yīng)用和硬件狀況相結(jié)合來(lái)考慮，要根據(jù)硬件的限制以及實(shí)際應(yīng)用的需要對(duì)內(nèi)存地址進(jìn)行合理的安排，同時(shí)要注意內(nèi)存地址的安排要具有一定的伸縮性，以便于將來(lái)需要改動(dòng)時(shí)所做的變動(dòng)達(dá)到最小。一般來(lái)說(shuō)，嵌入式Linux的內(nèi)存地址安排體現(xiàn)在連接腳本當(dāng)中。

　　接著就該進(jìn)入編寫啟動(dòng)代碼和機(jī)器相關(guān)代碼階段了。各種不同目標(biāo)系統(tǒng)，甚至相同目標(biāo)系統(tǒng)的啟動(dòng)代碼和機(jī)器相關(guān)代碼也是不相同的。啟動(dòng)代碼一般需要完成硬件初始化，裝載內(nèi)核及安裝根文件系統(tǒng)以及開始內(nèi)核執(zhí)行的工作，不同目標(biāo)平臺(tái)的啟動(dòng)代碼一般可通過(guò)參考Linux下已有的啟動(dòng)代碼和相關(guān)CPU的手冊(cè)進(jìn)行編寫。

　　啟動(dòng)代碼和機(jī)器相關(guān)代碼編程完成并可以啟動(dòng)系統(tǒng)后，下一步就可以開始驅(qū)動(dòng)程序的編寫了。Linux編寫驅(qū)動(dòng)程序與一般情況下編寫驅(qū)動(dòng)程序并沒(méi)有太大的區(qū)別，都需要對(duì)相關(guān)的硬件作出了解，同時(shí)需要遵循Linux編寫驅(qū)動(dòng)程序的一些規(guī)則進(jìn)行，編寫完一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序后，一般就寫一個(gè)相應(yīng)的測(cè)試程序已便隨時(shí)進(jìn)行測(cè)試。Linux下各種不同類型的設(shè)備都有相當(dāng)多的驅(qū)動(dòng)程序源碼可以參考，因此實(shí)際編寫時(shí)更多的時(shí)間是花在對(duì)特定硬件特性的熟悉上。

　　除了以上提到的這些步驟外，進(jìn)行實(shí)際開發(fā)時(shí)，很多時(shí)候還要進(jìn)行庫(kù)（這里所提到的庫(kù)均指C庫(kù)），GUI和系統(tǒng)程序的移植。這是因?yàn)榍度胧絃inux中所用的庫(kù)一般不能直接使用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，而需要進(jìn)行精簡(jiǎn)，雖然已有些精簡(jiǎn)的C庫(kù)如uClibc等可供使用，但還是需要經(jīng)常對(duì)其進(jìn)行修改。嵌入式Linux常用的GUI有Microwindows,MiniGUI，QT/Embedded,TinyX等等，各自均有其使用的場(chǎng)合，所針對(duì)的目標(biāo)平臺(tái)和應(yīng)用層次也不一樣，必須根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。系統(tǒng)程序如mount,ls等等有些是應(yīng)用時(shí)所必須的，有些則是進(jìn)行調(diào)試時(shí)所需要的，初始時(shí)則需要一些通用的系統(tǒng)程序即可。

Linux嵌入式系統(tǒng)操作系統(tǒng)開發(fā)簡(jiǎn)介

　　嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件均可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其發(fā)展已有二十多年的歷史，國(guó)際上也出現(xiàn)了一些著名的嵌入式操作系統(tǒng)，如VxWorks，Palm OS，Windows CE等等，但這些操作系統(tǒng)均屬于商品化產(chǎn)品，價(jià)格昂貴且由于源代碼不公開導(dǎo)致了諸如對(duì)設(shè)備的支持 ，應(yīng)用軟件的移植等一系列的問(wèn)題。而Linux作為一種優(yōu)秀的Free OS，近幾年在嵌入式領(lǐng)域異軍突起，成為了最有潛力的嵌入式操作系統(tǒng)。

　　嵌入式Linux融合了嵌入式和Linux的特點(diǎn)，其開發(fā)與一般的應(yīng)用程序開發(fā)相比有著自己的特點(diǎn)，下面簡(jiǎn)要的介紹一下嵌入式Linux開發(fā)的一般過(guò)程。

　　了解硬件是首要的一步，這是嵌入式開發(fā)的特點(diǎn)決定的。了解硬件指的是了解整個(gè)硬件，判斷硬件對(duì)于當(dāng)前的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是否合適。嵌入式系統(tǒng)中需要使用到CPU和各種外圍設(shè)備，由此需要收集相關(guān)硬件的資料，包括CPU，芯片手冊(cè)和各種外圍設(shè)備的手冊(cè)以及相關(guān)的各種電路圖等，并對(duì)整體系統(tǒng)有較深入的了解。

　　了解硬件后，下一步就該準(zhǔn)備需要使用的Linux工具以及其他工具，這些工具包括：針對(duì)所用CPU的編譯器/匯編器/連接器,相應(yīng)的庫(kù)工具,目標(biāo)文件分析/管理工具,符號(hào)查看器等等。幸運(yùn)的是，由于Linux的開放性，針對(duì)不同目標(biāo)平臺(tái)的Linux工具都可在網(wǎng)上免費(fèi)得到，絕大部分的這些工具都由GNU提供。所需要的其他工具還包括硬件廠商提供給公司的工具，如編程器，下載工具和查錯(cuò)器等等。所有這些工具對(duì)以后的開發(fā)、調(diào)試等都可說(shuō)是必不可少的。

　　做好以上的準(zhǔn)備工作后，就要進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的工作階段了。首先需要安排內(nèi)存地址，如SDRAM的內(nèi)存地址，F(xiàn)lash的內(nèi)存地址等，這需要與實(shí)際應(yīng)用和硬件狀況相結(jié)合來(lái)考慮，要根據(jù)硬件的限制以及實(shí)際應(yīng)用的需要對(duì)內(nèi)存地址進(jìn)行合理的安排，同時(shí)要注意內(nèi)存地址的安排要具有一定的伸縮性，以便于將來(lái)需要改動(dòng)時(shí)所做的變動(dòng)達(dá)到最小。一般來(lái)說(shuō)，嵌入式Linux的內(nèi)存地址安排體現(xiàn)在連接腳本當(dāng)中。

　　接著就該進(jìn)入編寫啟動(dòng)代碼和機(jī)器相關(guān)代碼階段了。各種不同目標(biāo)系統(tǒng)，甚至相同目標(biāo)系統(tǒng)的啟動(dòng)代碼和機(jī)器相關(guān)代碼也是不相同的。啟動(dòng)代碼一般需要完成硬件初始化，裝載內(nèi)核及安裝根文件系統(tǒng)以及開始內(nèi)核執(zhí)行的工作，不同目標(biāo)平臺(tái)的啟動(dòng)代碼一般可通過(guò)參考Linux下已有的啟動(dòng)代碼和相關(guān)CPU的手冊(cè)進(jìn)行編寫。

　　啟動(dòng)代碼和機(jī)器相關(guān)代碼編程完成并可以啟動(dòng)系統(tǒng)后，下一步就可以開始驅(qū)動(dòng)程序的編寫了。Linux編寫驅(qū)動(dòng)程序與一般情況下編寫驅(qū)動(dòng)程序并沒(méi)有太大的區(qū)別，都需要對(duì)相關(guān)的硬件作出了解，同時(shí)需要遵循Linux編寫驅(qū)動(dòng)程序的一些規(guī)則進(jìn)行，編寫完一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序后，一般就寫一個(gè)相應(yīng)的測(cè)試程序已便隨時(shí)進(jìn)行測(cè)試。Linux下各種不同類型的設(shè)備都有相當(dāng)多的驅(qū)動(dòng)程序源碼可以參考，因此實(shí)際編寫時(shí)更多的時(shí)間是花在對(duì)特定硬件特性的熟悉上。

　　除了以上提到的這些步驟外，進(jìn)行實(shí)際開發(fā)時(shí)，很多時(shí)候還要進(jìn)行庫(kù)（這里所提到的庫(kù)均指C庫(kù)），GUI和系統(tǒng)程序的移植。這是因?yàn)榍度胧絃inux中所用的庫(kù)一般不能直接使用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，而需要進(jìn)行精簡(jiǎn)，雖然已有些精簡(jiǎn)的C庫(kù)如uClibc等可供使用，但還是需要經(jīng)常對(duì)其進(jìn)行修改。嵌入式Linux常用的GUI有Microwindows,MiniGUI，QT/Embedded,TinyX等等，各自均有其使用的場(chǎng)合，所針對(duì)的目標(biāo)平臺(tái)和應(yīng)用層次也不一樣，必須根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。系統(tǒng)程序如mount,ls等等有些是應(yīng)用時(shí)所必須的，有些則是進(jìn)行調(diào)試時(shí)所需要的，初始時(shí)則需要一些通用的系統(tǒng)程序即可。

　　除了智能數(shù)字終端領(lǐng)域以外，Linux在移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)、智能工業(yè)控制、金融業(yè)終端系統(tǒng)，甚至軍事領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。這些Linux被統(tǒng)稱為“嵌入式Linux”。下面就來(lái)看看都有哪些嵌入式Linux在以上領(lǐng)域縱橫馳騁吧!

　　RT-Linux

　　這是由美國(guó)墨西哥理工學(xué)院開發(fā)的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。到目前為止，RT-Linux已經(jīng)成功地應(yīng)用于航天飛機(jī)的空間數(shù)據(jù)采集、科學(xué)儀器測(cè)控和電影特技圖像處理等廣泛領(lǐng)域。RT-Linux開發(fā)者并沒(méi)有針對(duì)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特性而重寫Linux的內(nèi)核，因?yàn)檫@樣做的工作量非常大，而且要保證兼容性也非常困難。為此，RT-Linux提出了精巧的內(nèi)核，并把標(biāo)準(zhǔn)的Linux核心作為實(shí)時(shí)核心的一個(gè)進(jìn)程，同用戶的實(shí)時(shí)進(jìn)程一起調(diào)度。這樣對(duì)Linux內(nèi)核的改動(dòng)非常小，并且充分利用了Linux下現(xiàn)有的豐富的軟件資源。

　　uClinux

　　uCLinux是Lineo公司的主打產(chǎn)品，同時(shí)也是開放源碼的嵌入式Linux的典范之作。uCLinux主要是針對(duì)目標(biāo)處理器沒(méi)有存儲(chǔ)管理單元MMU(Memory Management Unit)的嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。它已經(jīng)被成功地移植到了很多平臺(tái)上。由于沒(méi)有MMU，其多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)需要一定技巧。uCLinux是一種優(yōu)秀的嵌入式Linux版本，是micro-Conrol-Linux的縮寫。它秉承了標(biāo)準(zhǔn)Linux的優(yōu)良特性， 經(jīng)過(guò)各方面的小型化改造，形成了一個(gè)高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux。雖然它的體積很小，卻仍然保留了Linux的大多數(shù)的優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、對(duì)各種文件系統(tǒng)完備的支持和標(biāo)準(zhǔn)豐富的API。它專為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作，目前已支持多款CPU。 其編譯后目標(biāo)文件可控制在幾百KB數(shù)量級(jí)，并已經(jīng)被成功地移植到很多平臺(tái)上。

　　Embedix

　　Embedix是由嵌入式Linux行業(yè)主要廠商之一Luneo推出的，是根據(jù)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)重新設(shè)計(jì)的Linux發(fā)行版本。Embedix提供了超過(guò)25種的Linux系統(tǒng)服務(wù)，包括Web服務(wù)器等。系統(tǒng)需要最小8MB內(nèi)存，3MB ROM或快速閃存。Embedix基于Linux 2.2內(nèi)核，并已經(jīng)成功地移植到了Intel x86和PowerPC處理器系列上。像其它的Linux版本一樣，Embedix可以免費(fèi)獲得。Luneo還發(fā)布了另一個(gè)重要的軟件產(chǎn)品，它可以讓在Windows CE上運(yùn)行的程序能夠在Embedix上運(yùn)行。Luneo還將計(jì)劃推出Embedix的開發(fā)調(diào)試工具包、基于圖形界面的瀏覽器等。可以說(shuō)，Embedix是一種完整的嵌入式Linux解決方案。

　　XLinux

　XLinux是由美國(guó)網(wǎng)虎公司推出，主要開發(fā)者是陳盈豪。他在加盟網(wǎng)虎幾個(gè)月后便開發(fā)出了基于XLinux的、號(hào)稱是世界上最小的嵌入式Linux系統(tǒng)，內(nèi)核只有143KB，而且還在不斷減小。XLinux核心采用了“超字元集”專利技術(shù)，讓Linux核心不僅可能與標(biāo)準(zhǔn)字符集相容，還含蓋了12個(gè)國(guó)家和地區(qū)的字符集。因此，XLinux在推廣Linux的國(guó)際應(yīng)用方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

　　PoketLinux

　　PoketLinux由Agenda公司采用、作為其新產(chǎn)品“VR3 PDA”的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。它可以提供跨操作系統(tǒng)構(gòu)造統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的和開放的信息通信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)端到端方案的完整平臺(tái)。PoketLinux資源框架開放，使普通的軟件結(jié)構(gòu)可以為所有用戶提供一致的服務(wù)。PoketLinux平臺(tái)使用戶的視線從設(shè)備、平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)上移開，由此引發(fā)了信息技術(shù)新時(shí)代的產(chǎn)生。在PoketLinux中，稱之為用戶化信息交換(CIE)，也就是提供和訪問(wèn)為每個(gè)用戶需求而定制的“主題”信息的能力，而不管正在使用的設(shè)備是什么。

　　MidoriLinux

　　由Transmeta公司推出的MidoriLinux操作系統(tǒng)代碼開放，在GUN普通公共許可(GPL)下發(fā)布，該公司有個(gè)名為“MidoriLinux計(jì)劃”。“MidoriLinux”這個(gè)名字來(lái)源于日本的“綠色”——Midori，用來(lái)反映其Linux操作系統(tǒng)的環(huán)保外觀。

　　紅旗嵌入式Linux

　　由北京中科院紅旗軟件公司推出的嵌入式Linux是國(guó)內(nèi)做得較好的一款嵌入式操作系統(tǒng)。目前，中科院計(jì)算所自行開發(fā)的開放源碼的嵌入式操作系統(tǒng)——Easy Embedded OS(EEOS)也已經(jīng)開始進(jìn)入實(shí)用階段了。該款嵌入式操作系統(tǒng)重點(diǎn)支持p-Java。系統(tǒng)目標(biāo)一方面是小型化，另一方面能重用Linux的驅(qū)動(dòng)和其它模塊。由于有中科院計(jì)算所的強(qiáng)大科研力量做后盾，EEOS有望發(fā)展成為功能完善、穩(wěn)定、可靠的國(guó)產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)。

　　思考與展望

　　以上列舉的眾多嵌入式Linux操作系統(tǒng)中，國(guó)內(nèi)對(duì)于uClinux和RT-Linux研究的較多，很多基于它們的產(chǎn)品已經(jīng)面世，比如華恒公司已經(jīng)把uClinux成功移植，并投放到市場(chǎng)。
　　正是由于Linux開放源代碼的特點(diǎn)，所以全世界的開發(fā)廠商都站在同一個(gè)起跑線上。國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)也正在積極投入人力、物力，力爭(zhēng)在嵌入式操作系統(tǒng)上有所為。但應(yīng)該清醒認(rèn)識(shí)到，絕大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)還掌握在外國(guó)公司的手中。國(guó)產(chǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)在技術(shù)含量、兼容性、市場(chǎng)運(yùn)作模式等方面還有很多工作要做。國(guó)家對(duì)嵌入式領(lǐng)域的發(fā)展也極為重視。信息產(chǎn)業(yè)部《2003年度電子發(fā)展基金項(xiàng)目指南》在軟件類重點(diǎn)產(chǎn)品項(xiàng)目中，第五小類就是關(guān)于嵌入式軟件與系統(tǒng)開發(fā)的，并提出要重點(diǎn)進(jìn)行如下重點(diǎn)項(xiàng)目的研制與開發(fā)：嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、嵌入式軟件集成開發(fā)平臺(tái)和嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件。由于嵌入式系統(tǒng)研發(fā)在國(guó)內(nèi)起步比較晚，我國(guó)目前還基本處于實(shí)驗(yàn)室階段。但是嵌入式操作系統(tǒng)的巨大的商業(yè)價(jià)值和Linux的開放性，為民族軟件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了難得的機(jī)會(huì)。在跟蹤國(guó)外嵌入式操作系統(tǒng)最新技術(shù)的同時(shí)，國(guó)內(nèi)廠商要堅(jiān)持自主產(chǎn)權(quán)，力爭(zhēng)找到自己的突破點(diǎn)，探索出一條適合中國(guó)國(guó)情的嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展道路。