(东南大学集成电路课程)嵌入式Linux体系结构
入门必备嵌入式Linux带你掌握物联网技术
入门必备嵌入式Linux带你掌握物联网技术物联网技术是近年来快速发展的领域，嵌入式Linux系统成为物联网项目中的重要组成部分。
本文将带您入门必备的嵌入式Linux技术，为您掌握物联网技术奠定基础。
第一节：嵌入式Linux的基本概念及应用领域嵌入式Linux是以Linux操作系统为核心，针对嵌入式设备进行优化和定制的版本。
相比传统Linux系统，嵌入式Linux本身具有体积小、性能高、稳定性强等特点，成为了物联网设备的首选。
嵌入式Linux广泛应用于各个领域，包括智能家居、智能交通、工业自动化等。
例如，在智能家居领域，通过使用嵌入式Linux系统，我们可以实现家居设备的互联互通，实现家庭智能化。
第二节：嵌入式Linux系统的构成和原理嵌入式Linux系统由内核、驱动程序、文件系统以及应用程序等组成。
内核是整个系统的核心，负责控制硬件设备和提供系统调用接口。
驱动程序是用于管理和控制外部设备的软件模块。
文件系统是嵌入式Linux系统中存储数据和程序的组织结构。
应用程序则是实现具体功能的软件模块。
嵌入式Linux系统的原理是通过将内核、驱动程序、文件系统和应用程序等组合在一起，实现对硬件设备的控制和功能的实现。
开发者可以根据不同的需求进行定制和优化，以适应不同的物联网设备。
第三节：嵌入式Linux的开发工具和环境进行嵌入式Linux开发需要使用相应的工具和环境。
以下是一些常用的开发工具和环境：1. 交叉编译工具链：用于将源代码编译成在目标硬件架构上运行的可执行文件。
2. 调试工具：用于调试和分析程序运行过程中的错误和异常。
3. 仿真器或调试器：用于在PC机上模拟目标硬件设备的运行环境，方便程序的开发和调试。
4. 开发板：用于进行软件的验证和硬件的调试，提供一种实际操作硬件的环境。
第四节：嵌入式Linux的应用案例嵌入式Linux在物联网领域有着广泛的应用。
以下是一些常见的嵌入式Linux应用案例：1. 智能家居系统：通过使用嵌入式Linux系统，可以实现家庭智能化，控制家居设备的开关、温度等。
嵌入式Linux体系结构
国家ASIC系统工程技术研究中心
什么是嵌入式Linux ：Linux简介
GNU/Linux发行套件
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什么是嵌入式Linux ：嵌入式Linux
内核的定制：嵌入式Linux 内核 – 为特殊的硬件配置、或为了支持特别的应用而 经过特别的裁剪的修改过的Linux 内核 系统的定制：嵌入式Linux 系统 – 为了在嵌入式系统中使用而剪裁过的Linux系统 软件 发行套件的定制：嵌入式Linux 发行套件 – 为了在嵌入式系统中使用而剪裁过的Linux应用 软件
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什么是嵌入式Linux
uClinux (Micro-Control-Linux)：专门针对无MMU 的微控制器领域而设计的嵌入式Linux 系统 ARM Linux：专门针对无ARM处理器（有MMU） 的嵌入式Linux 系统 RTLinux：硬实时微内核的实时操作系统，将普 通Linux系统作为一个低优先级的任务来运行，其 他的实时任务优先级比普通Linux 系统要高。 RATI（RealTime Application Interface）：嵌入 式Linux 系统的硬实时补丁，类同RTLinux，但通 过实时硬件抽象层实现实时任务和Linux的交互。
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嵌入式Linux的特点
标准Linux的特点（1） – 单体内核（ monolithic ）
• 借鉴了微内核的特性，具有动态调入模块的观念， 比传统的单体内核操作系统可移植性更强。
– 多任务
• 采用时间片轮转优先级抢占的算法，实现多任务并 行。
– 多用户
嵌入式系统硬件体系结构设计
一、嵌入式计算机系统体系结构体系主要组成包括：1。
硬件层硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM 、ROM 、Flash 等）、通用设备接口和I/O 接口(A/D 、D/A、I/O 等）.在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块.其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM 中.2. 中间层硬件层与软件层之间为中间层,也称为硬件抽象层（Hardware Abstract Layer ，HAL ）或板级支持包(Board Support Package ，BSP ），它将系统上层软件与底层硬件分离开来，使系统的底层驱动程序与硬件无关,上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据BSP 层提供的接口即可进行开发。
该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。
软件层功能层3。
系统软件层系统软件层由实时多任务操作系统（Real-time Operation System，RTOS)、文件系统、图形用户接口（Graphic User Interface，GUI）、网络系统及通用组件模块组成。
RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。
4. 功能层功能层主要由实现某种或某几项任务而被开发运行于操作系统上的程序组成。
一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，而嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。
执行装置也称为被控对象,它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。
硬件的设计本网关硬件环境以单片机S3C2440芯片和DM9000以太网控制芯片为主，实现RJ45接口和RS232接口的数据传输。
内容包括硬件环境的初始化，数据的收发控制，封包解包设计，操作系统的移植等。
硬件框图硬件框图是简单的将每个功能模块列出，也是一个基本的模块组合，可以简洁的每个模块的功能体现出来。
(东南大学集成电路课程)嵌入式Linux开发资料模板
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1. 嵌入式Linux开发环境
GNU工具链
– 包括了构建Linux开发环境所需的编译、链接、调试、软 件工程等工具，和其他一些优秀的开源软件共同构建 Linux的开发环境
• • • • • • • GCC——GNU 编译器集 Binutils——辅助GCC 的主要软件 Gdb——调试器 make——软件工程工具 diff, patch——补丁工具 CVS——版本控制系统 …
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（一）GNU工具链
GCC（GNU Compiler Collection） – GCC下的工具：
• cpp —预处理器，GNU C 编译器在编译前自动使用 cpp 对代码进行预处理 • gcc —符合ISO 等标准的C 编译器 • g++ —基本符合ISO 标准的C++ 编译器 • gcj —GCC 的java 前端 • gnat —GCC 的GNU ADA 95 前端
（一）GNU工具链
GCC的高级选项 – 编译优化：
• • • • • -O0：缺省情况，不优化 -O1：基本性能优化，编译速度较快 -O2：尺寸和性能平衡优化，编译速度适中 -O3：极限性能优化，编译速度慢 -Os：极限尺寸优化，编译速度适中
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（一）GNU工具链
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（一）GNU工具链
GNU binutils使用举例 – objcopy使用实例：
• 将ELF格式文件转换为srec格式 • 使用file 命令查看文件信息
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（一）GNU工具链
第17章：嵌入式Linux移植与引导
嵌入式Linux的引导
stage2内存映射 – 如下数据结构用来描述RAM 地址空间中的一段连续的 地址范围：
type struct memory_area_struct { u32 start; //内存区域的起始地址 u32 size; //内存区域的大小（字节数） int used; //内存区域的状态 } memory_area_t; used=0|1 • 1=这段地址范围已被实现，也即真正地被映射到RAM 单元上 • 0=这段地址范围并未被系统所实现，处于未使用状态。
• R0＝0； • R1＝机器类型ID； • R2＝传递给内核的启动参数起始地址；
– 2. CPU 模式：
• 必须禁止中断（IRQs和FIQs）； • CPU必须处于SVC 模式；
– 3. Cache 和MMU 的设置：
• MMU 必须关闭； • 指令Cache 可以打开也可以关闭； • 数据Cache 必须关闭；
东南大学集成电路学院
嵌入式操作系统
第十七章 嵌入式Linux移植与引导
戚隆宁 longn_qi@
国家ASIC系统工程技术研究中心
主要内容
嵌入式Linux的引导 嵌入式Linux的移植
嵌入式linux组成结构
嵌入式linux组成结构以嵌入式Linux组成结构为标题，我们将从以下几个方面来探讨。
一、嵌入式系统概述嵌入式系统是一种特定目的计算机系统，通常用于控制、监测和管理设备或系统。
嵌入式系统需要满足对功耗、体积和成本的严格要求，因此嵌入式Linux成为了最常用的操作系统之一。
二、嵌入式Linux的组成结构嵌入式Linux的组成结构可以分为以下几个部分：1. Linux内核：嵌入式Linux系统的核心部分是Linux内核。
Linux 内核是一个开源的、免费的操作系统内核，具有稳定性和安全性。
它提供了硬件驱动程序、进程管理、内存管理、文件系统等基本功能。
2. Bootloader引导程序：Bootloader是嵌入式系统的第一个启动程序，负责将系统从闪存或存储器中加载到内存中，并将控制权交给Linux内核。
常用的嵌入式Linux系统引导程序有U-Boot和GRUB等。
3. 文件系统：嵌入式系统需要使用一个文件系统来管理存储设备中的文件和目录。
常见的嵌入式Linux文件系统有YAFFS、JFFS2、UBIFS等。
4. 库和驱动程序：嵌入式Linux系统还需要一些库和驱动程序来支持硬件设备的操作。
这些库和驱动程序可以是开源的，也可以是厂商提供的。
5. 应用程序：嵌入式Linux系统的应用程序根据具体的应用需求而定。
例如，嵌入式Linux系统可以用于智能家居、工业自动化、车载系统等领域。
三、嵌入式Linux的特点嵌入式Linux相比传统的桌面Linux有一些特点：1. 轻量级：嵌入式Linux需要在资源有限的嵌入式设备上运行，因此需要尽量减少内存和存储器的占用。
嵌入式Linux可以根据实际需求进行裁剪，只保留必要的功能和驱动程序。
2. 可定制性：嵌入式Linux可以根据具体的需求进行定制。
开发人员可以根据设备的特点和功能需求，选择合适的内核、驱动程序和应用程序。
3. 可靠性：嵌入式Linux系统需要长时间运行，因此对系统的稳定性和可靠性有很高的要求。
嵌入式Linux的体系结构及其内核分析
嵌入式Linux的体系结构及其内核分析1 嵌入式Linux系统的体系结构1.1 嵌入式硬件1.2 嵌入式软件2 Linux操作系统内核2.1 Linux内核的组成2.2 Linux内核进程状态分析2.3 嵌入式Linux系统内核的裁减和移植1 嵌入式Linux系统的体系结构由于Linux的独特优势，使越来越多的企业和科研机构把目光转向嵌入式Linux的开发和研究上。
嵌入式Linux(Embeded Linux)是指对Linux经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几十万字节或几十亿字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用Linux操作系统。
嵌入式系统主要分为两大部分:嵌入式硬件和嵌入式软件。
嵌入式硬件部分主要由嵌入式处理器、储存器、I/O端口和外围设备构成,嵌入式软件部分主要由嵌入式操作系统、设备驱动和嵌入式应用软件构成。
嵌入式Linux系统有两层含义,狭义的嵌入式Linux系统指的是嵌入式Linux操作系统，广义的嵌入式Linux系统指的是基于嵌入式Linux操作系统构建的嵌入式系统。
嵌入式的体系结构如图1所示:图 11.1 嵌入式硬件嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器,嵌入式处理器与通用处理器相比,具有很高的效率和可靠性,嵌入式系统趋于小型化。
嵌入式处理器可以分为以下几类:●嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMU)。
嵌入式微处理器目前主要有ARM, Power PC, MIPS,Am 186/88,386EX, 68000等系列,嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。
将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。
●嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)。
嵌入式微控制器目前主要有8051, P51XA, MCS-96/196/296, C166/167,MC68HC05/11/12/16等系列。
第18章：嵌入式Linux驱动开发
（二）Linux驱动的架构
块设备驱动的接口 – block_device_operations数据结构 struct block_device_operations { int (*open) (struct inode *, struct file *);/*打开*/ int (*release) (struct inode *, struct file *);/*释放*/ int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned, unsigned long); long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned, unsigned long); long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned, unsigned long); int (*direct_access) (struct block_device *, sector_t, unsigned long *); int (*media_changed) (struct gendisk *);/*介质被改变?*/ int (*revalidate_disk) (struct gendisk *);/*使介质改变*/ int (*getgeo)(struct block_device *, struct hd_geometry *);/*填充驱动器 信息*/ struct module *owner;/*模块拥有者,一般初始化为THIS_MODULE*/ };
static struct file_operations my_fops = { 对文件操作结构体成员定义初始值… }
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嵌入式系统体系结构
嵌入式系统体系结构1、硬件层：嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和I/O接口。
嵌入式核心模块=微处理器+电源电路+时钟电路+存储器Cache：位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。
它的主要目标是减小存储器给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快。
2、中间层(也称为硬件抽象层HAL或者板级支持包BSP).它将系统上层软件和底层硬件分离开来，使系统上层软件开发人员无需关系底层硬件的具体情况，根据BSP层提供的接口开发即可。
BSP有两个特点：硬件相关性和操作系统相关性。
设计一个完整的BSP需要完成两部分工作：A、嵌入式系统的硬件初始化和BSP功能。
片级初始化：纯硬件的初始化过程，把嵌入式微处理器从上电的默认状态逐步设置成系统所要求的工作状态。
板级初始化：包含软硬件两部分在内的初始化过程，为随后的系统初始化和应用程序建立硬件和软件的运行环境。
系统级初始化：以软件为主的初始化过程，进行操作系统的初始化。
B、设计硬件相关的设备驱动。
3、系统软件层：由RTOS、文件系统、GUI、网络系统及通用组件模块组成。
RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。
4、应用软件：由基于实时系统开发的应用程序组成。
嵌入式芯片体系结构介绍1.嵌入式微处理器(Micro Processor Unit，MPU)嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。
它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。
但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。
和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。
目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。
《嵌入式Linux操作系统》教学大纲
《嵌入式Linux操作系统》教学大纲一、课程的性质、目的与任务本课程是计算机科学与技术与软件工程专业的选修课，主要讲授Linux嵌入式操作系统的内核结构、引导程序、图形库、内核构建和移植技术，讲授在嵌入式开发环境下设计开发设备驱动程序、嵌入式应用程序的基本技术，培养学生进行嵌入式设计和开发的应用能力和实践技能，增强就业能力，为学生今后学习和从事嵌入式系统研究与开发积累初步的经验。
二、课程教学基本要求及基本内容第1章LINUX概述（一）基本教学内容1. Linux的特点2．Linux的结构3．Linux内核版本4．Linux发行版本5．Linux软件资源及发展方向（二）基本要求教学目的：掌握LINUX的内核版本号规则、LINUX的发行商、GNU/GPL的含义等；理解LINUX与其他操作系统的优缺点；了解LINUX的发展历程；教学重点：Linux的发展历史，Linux内核的概念及内核版本编号的涵义，Linux常见的发行套件。
教学难点：Linux套件的涵义，Linux内核版本与Linux套件的区别与联系。
第2章LINUX的安装与启动（一）基本教学内容1．安装的基本知识2．安装的过程3．GRUB引导4．引导过程（二）基本要求教学目的：掌握LINUX的安装与启动、虚拟机的安装；理解LINUX的引导过程；了解LINUX 的工作原理；教学重点：虚拟机安装与设置，Linux操作系统的安装。
教学难点：GRUB引导的过程，Linux的启动过程。
第3章图形界面（一）基本教学内容1．X WINDOW2．KDE桌面环境3．GNOME桌面环境4.桌面环境的使用（二）基本要求教学目的：掌握GUI界面环境设置方法、KDE工作环境及工作组件；教学重点：KDE桌面环境与GNOME桌面环境的概念以及两者的安装与使用的异同，桌面环境常用功能的使用。
教学难点：X WINDOW服务器与客户端的理解。
第4章LINUX基础（一）基本教学内容1.使用LINUX2．用户界面3．基础命令4．文件系统5．文件属性6．文件备份与压缩7．进程管理（二）基本要求教学目的：掌握linux的启动与登陆、Linux系统的目录结构与几种文件类型、文件属性的含义并掌握设置方法等；理解LINUX的权限与权限的表示方法；教学重点：常用Linux命令的使用，文件系统的目录结构以及每个目录的具体作用，文件属性的含义与设置。
描述嵌入式系统的几个组成部分的层次结构
描述嵌入式系统的几个组成部分的层次结构描述嵌入式系统的几个组成部分的层次结构,并总结她们与开发过程的关系。
_百度知道底层(硬件层):需要您自己对于硬件相当的了解,能够独立绘制PCB 并进行焊接,之后调试板子,做好电路板。
比如sc2410,您需要绘制至少四层PCB电路板,其中ARM核心板就是最难掌握的部分,外围电路要注意各种走线技巧等等。
绘制完PCB 之后就需要您的焊接功夫。
将元器件焊接在PCB上。
最后调试电路板,这就是这一层设计中的收尾工作,也就是最具有挑战性的工作。
调试电路需要大量的经验,对于初学者来说,需要很强的电路知识,对于硬件的性能以及应用要非常了解才行。
中间层(驱动层):电路板已经有现成的。
您需要编程使一个死的板子,活起来,就就是把程序下载进去,能叫板子跑起来。
这里需要您对于ARM芯片的结构有很好的掌握,要会读芯片资料(datasheet)通常都就是英文的。
了解其内部资源我们就可以进行驱动编程了。
我们平时所使用单片机,一般都就是写好的程序,各个管脚在什么时序下输出什么信号(1或0),来操作实现相应借口的外围设备,比如液晶屏、LED灯等。
单片机也可以叫做简单的嵌入式。
原理相同。
ARM也可以向单片机一样使用,但我们更多的就是要对ARM加入操作系统的,这才就是我们最常说的嵌入式。
加入操作系统了以后,芯片对于个个资源的调度有了更系统的统筹规划,可以更充分的利用ARM芯片的系统资源,提高性能,使资源合理分配。
而通常的驱动就是在操作系统下工作的。
比如基于LINUX或WINCE等等下的驱动程序。
驱动程序就是链接硬件平台与操作系统的纽带,当然编写驱动要同时兼顾操作系统特点与硬件接口的特点。
做驱动的开发,需要对于软硬件都要有所了解,其中更偏重操作系统的理解。
这部分工作也就是最难做的。
上层(应用层):应用层,即我们所说的软件编程了。
就相我们手机里QQ与飞信一样,我们需要根据我们手机的操作系统来编写应用程序。
嵌入式系统基本架构
嵌入式系统基本架构嵌入式系统是指被集成在各种设备中的特定用途的计算机系统。
它们通常是为了实现特定的功能而设计，并且往往需要在有限的资源、空间和功率消耗条件下运行。
嵌入式系统的基本架构通常包括处理器、内存和输入输出接口。
1. 处理器处理器是嵌入式系统的核心部件。
处理器通常是单核或多核的中央处理器（CPU），它们执行指令进行计算和控制系统的各个方面。
在选择处理器时，需要考虑性能、功率消耗、芯片大小和成本等因素。
2. 内存内存是存储程序和数据的地方。
嵌入式系统通常通过闪存、SRAM、SDRAM和EEPROM等非易失性和易失性存储器来存储程序和数据。
内存大小、速度和类型是根据嵌入式系统的需求而选择的。
3. 输入输出接口输入输出接口是嵌入式系统与外部环境交互的途径。
输入接口可以包括键盘、鼠标、触摸屏和传感器等。
输出接口可以包括显示器、LED、喇叭和电机等。
输入和输出接口通常采用标准的接口标准和协议，如UART、USB、I2C和SPI等。
除了以上的基本架构，嵌入式系统还具有其他特定的组成部分，例如：1. 操作系统嵌入式系统常常需要使用各种操作系统，包括裸机、实时操作系统（RTOS）和Linux 等。
这些操作系统提供了处理器和外设之间的接口，并且管理程序执行和资源分配。
2. 驱动程序驱动程序是将设备接口程序化的软件模块。
它们允许操作系统或应用程序与硬件进行通信，并提供可执行的抽象接口。
3. 应用程序应用程序是嵌入式系统的添头，用于实现特定的功能并与用户交互。
这些应用程序可以是预先安装的软件，也可以是用户自定义的程序。
在所有情况下，应用程序必须与硬件交互，并且有效地利用处理器、存储器和输入输出接口等资源。
嵌入式系统架构
嵌入式系統架構南台科大電子系2005/5/10 1-1前言S3C4510B是一高性能、低功耗的32位元進階RISC處理器(Advanced RISC machine,簡稱ARM)。
以ARM為中央處理器所發展出來的低價位高效能Linux 平台，可以充分利用Linux的豐富資源，在平台上發展各種應用，目前已支援乙太網路(Ethernet)。
Linux提供多種系統功能供應用程式使用，加上Linux跨平台的特性，發展applications可以在一般桌上PC(x86)的Linux C來發展，經編譯連結產生執行檔之後，再下載至本ARM開發平台上執行即可。
圖1-1與圖1-2分別為S3C4510B的功能方塊圖及接腳圖。
圖1-1S3C4510B的功能方塊圖圖1-2S3C4510B的功能方塊圖S3C4510B能外接記憶體，並且安裝具有uCLinux作業系統的核心程式於bank0Flash記憶體內，所以稱之為嵌入式系統(Embedded System)。
目前來說嵌入式作業系統中包含有VxWORKs、Palm OS、Windows CE、Linux等，但成長最快的非微軟Windows CE作業系統而首推Linux，其原因如下：⏹ 開放原始碼、模組化設計Linux除了把原始碼公開以外，任何人都可以自由使用、修改、散佈，而Linux核心本身採模組化設計，讓人很容易增減功能，例如我的平台並不需要藍芽的功能，我只要不把這項功能加入，有需要就加入，不需要就刪除，由於這樣的高的彈性，我們可以調校出最適合我們硬體平台的核心出來。
⏹ 穩定性夠Linux不屬於任何一家公司，但是它的開發人員卻是全世界最多的，每天在全球都有無數的人參與Linux Kernel的改進、除錯、測試，這樣嚴苛的條件造就了穩定度高的Linux。
網路功能強大Linux的架構是參考UNIX系統而來，因此Linux也承襲了UNIX強大的網路功能。
⏹ 跨平台Linux一開始是基於Intel386機器而設計，但是隨著網路的散佈，各式各樣的需求湧現，因此就有許多工程師致力於各式平台的移植，造成了Linux可以在x86、MIPS、ARM/StrongARM、PowerPC、Motorola68k等平台上運作。
嵌入式系统组成结构简介
应用初始化
•基于多任务操作系统的嵌入 式软件的主要运行流程
•该运行流程主要分为5个阶段
嵌入式软件运行流程
1）上电复位、板级初始化阶段
上电复位后完成板级初始化工作。 板级初始化程序具有完全的硬件特性，一般采用汇编
多任务应用
语言实现。不同的嵌入式系统，板级初始化要完成的 工作不同，但以下工作一般是必须完成的：
ARM RISC
（ARM）
TMS320 DSP（TI）
Trimedia （Philips）
StrongARM （Intel） Xscale （Intel）
MIPS RISC （MIPS）
DragonBall（Motorola）
（1）嵌入式微控制器(MCU)
典型的嵌入式处理器
1. ARM处理器
这个特点使它与其它工程对象有着明显的差异。人们可以把它 软件没有明显的制造过程。 记录在纸上、内存、和磁盘、光盘上，但却无法看到软件本身 能、性能等特性。 软件的质量控制，必须着重在软件开发方面下工夫。 软件在生存周期后期不会因为磨损而老化，但会为了适应硬件 软件对硬件和环境有着不同程度的依赖性。这导致了 、环境以及需求的变化而进行修改，而这些修改有不可避免的 软件移植的问题。 引入错误，导致软件失效率升高，从而使的软件退化。当修改 的成本变得难以接受时，软件就被抛弃。 软件的开发至今尚未完全摆脱手工作坊式的开发方式 ，生产效率低。
依存的另一部分，它包括程序 (program) 、相关数据 (data)及其说明文档(document)。 其中：
程序 是按照事先设计的功能和性能要求执行的指令
序列；
数据是程序能正常操纵信息的数据结构；
嵌入式系统的体系结构
《嵌入式系统》----嵌入式系统的体系结构班级：通信071501姓名：薛丽娟学号： 2007150301292010.12嵌入式系统的体系结构随着信息化技术的发展和数字化产品的普及，以计算机技术、芯片技术和软件技术为核心的嵌入式系统再度成为当前研究和应用的热点，通信、计算机、消费电子技术（3C）合一的趋势正在逐步形成，无所不在的网络和无所不在的计算（everything connecting, everywhere computing）正在将人类带入一个崭新的信息社会。
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件是可裁剪的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。
嵌入式系统最典型的特点是与人们的日常生活紧密相关，任何一个普通人都可能拥有各类形形色色运用了嵌入式技术的电子产品，小到MP3、PDA等微型数字化设备，大到信息家电、智能电器、车载GIS，各种新型嵌入式设备在数量上已经远远超过了通用计算机。
这也难怪美国著名未来学家尼葛洛庞帝在1999年1月访华时就预言，4-5年后嵌入式智能工具将成为继PC机和Internet之后计算机工业最伟大的发明。
虽然嵌入式系统是近几年才开始真正风靡起来的，但事实上嵌入式这个概念却很早就已经存在了，从上个世纪70年代单片机的出现到今天各种嵌入式微处理器、微控制器的广泛应用，嵌入式系统少说也有了近30年的历史。
纵观嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下四个阶段：嵌入式系统最初的应用是基于单片机的，大多以可编程控制器的形式出现，具有监测、伺服、设备指示等功能，通常应用于各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中，一般没有操作系统的支持，只能通过汇编语言对系统进行直接控制，运行结束后再清除内存。
这些装置虽然已经初步具备了嵌入式的应用特点，但仅仅只是使用8位的CPU芯片来执行一些单线程的程序，因此严格地说还谈不上"系统"的概念。
嵌入式Linux系统基础知识
嵌入式Linux系统基础知识关于嵌入式Linux系统基础知识由于嵌入式系统只针对一项特殊的任务，设计人员能够对它进行优化，减小尺寸降低成本。
下面是店铺收集的嵌入式Linux系统基础知识，希望大家认真阅读!一、嵌入式Linux系统的构成1、硬件2、内核3、应用程序(形成根文件系统)二、构建嵌入式Linux系统的主要任务1、内核部分2、应用程序部分嵌入式Linux的开发大致可分为三个层次：引导装载内核、构造文件系统和图形用户界面。
作为操作系统重要组成部分的文件系统，决定了操作系统本身的信息和用户的数据在存储设备上的组织形式。
对嵌入式文件系统的研究、设计和开发也逐渐成为嵌入式系统研究领域的一个方向。
三、内核精简在精简内核在编译内核之前，首先要明确需要那些驱动和模块，然后只选择需要的驱动和模块，例如，如果系统不需要网络支持，则可以去掉网络模块。
内核一般是以压缩方式存放的，在系统启动时会自行解压。
内核都是常驻内存的，当需要调用应用程序时，再把需要的程序从磁盘调入内存运行。
构建嵌入式Linux系统-构建内核常用的命令包括：◆ make config：内核配置，调用./scripts/Configure 按照arch/i386/config.in 来进行配置。
◆ make dep：寻找依赖关系。
◆ make clean：清除以前构建内核所产生的所有目标文件、模块文件、以及一些临时文件等。
◆ make rmproper：删除所有因构建内核过程中产生的所有文件，把内核恢复到最原始的状态。
◆ make：构核，通过各目录的Makefile 文件将会在各个目录下产生许多目标文件。
如果内核没有错误，将产生文件vmlinux，这就是构建的内核。
◆ make zImage：在make 的基础上产生压缩的内核映象文件./arch/$(ARCH)/boot/zImage 以及在 ./arch/$(ARCH)/boot/compresed/目录下产生临时文件。
南航嵌入式实时操作系统课件第2章嵌入式硬件系统
精品资料
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(2) 哈佛体系结构
哈佛(Harvard)结构则是不同于冯·诺依曼结构的一种并 行体系结构。
第2章 嵌入式硬件(yìnɡ jiàn)系统
精品资料
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主要(zhǔyào)内容
基本组成(zǔ chénɡ) 嵌入式微处理器 总线 存储器
精品资料
2
2.1 基本(jīběn)组成
嵌入式系统(xìtǒng)的硬件是以嵌入式微处理 器为核心，主要由嵌入式微处理器、总线、存储器 、输入/输出接口和设备组成。 嵌入式微处理器 总线 存储器 输入/输出接口和设备
储器的特点是速度快，一般采用ROM、EPROM、Nor Flash、SRAM、DRAM等存储器件。
精品资料
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3. 存储器
目前有些(yǒuxiē)嵌入式系统除了主存外，还有外存。 外存是处理器不能直接访问的存储器，用来存放各种信 息，相对主存而言具有价格低、容量大的特点。
在嵌入式系统中一般不采用硬盘而采用电子盘做外存 ，电子盘的主要种类有DOC（Disk On Chip）、 NandFlash、CompactFlash、SmartMedia、 Memory Stick、MultiMediaCard、SD（Secure Digital）卡等。
现代的CPU往往采用CISC的外围，内部加入了RISC的特 性，如超长指令集CPU就是融合了 RISC和CISC的优势， 成为未来的CPU发展方向之一。
在PC和服务器领域，以X86为代表的CISC体系结构是市 场的主流。
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– 支持内核虚拟机（KVM）
• 允许在宿主 Linux 内核的用户空间中运行其他客户操作 系统。
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嵌入式Linux的特点
标准Linux的特点 – 规范性和可移植性
• 支持POSIX（ Portable Operating System Interface ） 标准 • GNU工具的支持：GCC、GDB、GNU make、GNU ld
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嵌入式Linux系统结构：Bootloader
在嵌入式Linux系统中，需要由BootLoader设置的 参数有： – 内核参数，如页面大小、根设备 – 内存映射情况 – 命令行参数 – initrd映像参数
• 起始地址，大小
– Ramdisk参数
• 解压后的大小 国家ASIC系统工程技术研究中心
嵌入式Linux的特点
标准Linux的特点（2） – 支持多种处理器体系结构
• X86、ARM、MIPS、M68K、PowerPC、SH、 SPARC… • 支持MMU和non-MMU的处理器 • 支持32位和64位的处理器
– 支持多处理器（SMP）
• 支持32个CPU并行工作
– 支持多种总线接口和外部设备
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嵌入式Linux系统结构：Kernel
内核：实际上仅仅是一个资源管理器。不管被管理的 资源是进程、内存还是硬件设备，内核负责管理并裁 定多个竞争用户对资源的访问（既包括内核空间也包 括用户空间）。 内核构成 – 体系结构层 – 设备驱动 – 内存管理 – 进程管理 – 虚拟文件系统 – 网络协议 – 系统调用接口
东南大学集成电路学院
嵌入式操作系统
第六章 嵌入式Linux体系结构
戚隆宁 longn_qi@
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主要内容
什么是嵌入式Linux 嵌入式Linux的特点 嵌入式Linux系统结构
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什么是嵌入式Linux
嵌入式Linux一般是指对标准Linux进行裁剪、定制乃 至改造处理之后，适合于特定嵌入式应用场合的专用 Linux操作系统。 – uCLinux – RTLinux – RTAI – MontaVista Linux (Hard Hat Linux) – MobiLinux – Embedix – Blue Cat Linux – Android Linux
0.00（1991年2～4月）：两个进程分别显示AAA BBB。 1.0（1993年3月）：在一批高水平黑客的参与下，诞生第一个正式版 本。 2.0（1996年6月）：可支持多个处理器SMP 。 2.2（1999年1月）：增加了对进程的POSIX能力的支持。 2.4（2001年1月）：进一步提升SMP系统的扩展性，集成了很多用 于支持桌面系统的特性，如对USB、PCMCIA的支持，内置的即插即 用等功能。 2.6（2003年12月）：更好地支持大型多处理服务器；更好地支持嵌 入式设备，如手机、网络路由器或者视频录像机等；对鼠标和键盘指 令等用户行为反应更加迅速；块设备驱动程序做了彻底更新，如与硬 盘和CD光驱通信的软件模块。 3.0（2011年5月）：改变版本命令规则
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嵌入式Linux系统结构：Kernel
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嵌入式Linux系统结构：Kernel
进程
– 在Linux内核中，进程代表了单独的处理器虚拟化（线 程代码、数据、堆栈和 CPU 寄存器）。 – 系统资源分配的基本单位。由正文段(text)、用户数据 段(user segment)和系统数据段(system segment)组成 的动态实体。
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什么是嵌入式Linux
uClinux (Micro-Control-Linux)：专门针对无MMU 的微控制器领域而设计的嵌入式Linux 系统 ARM Linux：专门针对无ARM处理器（有MMU） 的嵌入式Linux 系统 RTLinux：硬实时微内核的实时操作系统，将普 通Linux系统作为一个低优先级的任务来运行，其 他的实时任务优先级比普通Linux 系统要高。 RATI（RealTime Application Interface）：嵌入 式Linux 系统的硬实时补丁，类同RTLinux，但通 过实时硬件抽象层实现实时任务和Linux的交互。
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什么是嵌入式Linux：Linux简介
Linux 还是 GNU/Linux？ – Linux：开源的类UNIX操作系统内核 – GNU/Linux：集成GNU (GNU‘s Not Unix) 软件 （窗口系统、编译器、各种 shell、应用程序和 开发工具等）和Linux内核的操作系统。
• 遵循GPL许可证协议，开放源代码，全世界的开发 者共同使用和维护 • 无授权费用 • 开源社区的支持，快速的技术更新
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嵌入式Linux的特点
Linux没有的 – 强迫性的软件升级 – 私有的文件格式 – 产品注册登记 – 高昂的软件价格
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嵌入式Linux系统结构
引导系统（Bootloader） 系统内核（Kernel） 文件系统（File System）
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嵌入式Linux系统结构：Bootloader
BootLoader回顾 – Boot Loader 是在操作系统内核运行之前首先运行 的第一段小程序：初始化硬件设备；建立内存空间 的映射图；加载操作系统内核镜像到RAM中，并 将系统的控制权传递给它。 – BootLoader依赖于CPU体系结构和板级硬件配置 – BootLoader通常预先划分好固态存储设备的空间 ，用于存放镜像。 – BootLoader通常支持启动加载和下载两种模式。 – BootLoader的操作通常分为两个阶段。
嵌入式Linux的特点
Linux 2.6内核针对嵌入式系统的改进 – 实时性显著提高
• 允许抢占以内核态运行的任务（包括通过系统调用进入内核模 式的用户任务）。 • 更加有效的调度算法。算法复杂度为O(1)。 • 同步性的提高。
– 增加对嵌入式处理器的支持
• 增加了对无MMU系统的支持。
– 面向嵌入式应用
嵌入式Linux系统结构：Bootloader
嵌入式Linux系统常用BootLoader： – UBoot – RedBoot – Blob
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嵌入式Linux系统结构
GNU/Linux系统构成 – 应用程序 –库 – 系统内核
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嵌入式Linux系统结构
– 实时性
• 支持内核线程（守护进程），2.6版本以后内核线程可抢 占。 • 有效的延迟机制：下半部分，软中断，tasklet和工作列 队等。可以针对任务的轻重缓急，更细粒度的选择执行 时机。保证了系统运行时尽量在安全时间（不关中断） 。
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嵌入式Linux的特点
标准Linux的特点 – 开放性
1.0版本前
1.0 ~ 2.6.0版本 A.B.C
2.6.0~3.0版本
A.B.C.D
3.0版本以后
A.B.C
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什么是嵌入式Linux ：Linux简介
GNU/Linux发行套件
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什么是嵌入式Linux ：嵌入式Linux
内核的定制：嵌入式Linux 内核 – 为特殊的硬件配置、或为了支持特别的应用而 经过特别的裁剪的修改过的Linux 内核 系统的定制：嵌入式Linux 系统 – 为了在嵌入式系统中使用而剪裁过的Linux系统 软件 发行套件的定制：嵌入式Linux 发行套件 – 为了在嵌入式系统中使用而剪裁过的Linux应用 软件
嵌入式Linux应用程序 – 程序文件采用ELF格式或AOUT格式 – 运行在用户空间，必须通过Linux内核访问资源 – 支持图形用户界面，需要第三方GUI软件
• • • • X11 Window QT Micro Window MiniGUI
库：通常为共享库（.so），需要链接到应用程序 运行。
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嵌入式Linux系统结构：Bootloader
第一阶段操作 1. 屏蔽所有的中断 2. 设置CPU 的速度和时钟频率 3. RAM 初始化 4. 初始化硬件调试端口（LED/UART）。 5. 关闭CPU 内部指令／数据cache 6. 为第二阶段准备RAM 空间 7. 拷贝第二阶段代码到RAM 中 8. 设置堆栈指针sp 9. 跳转到第二阶段的入口点
国家ASIC系统工程技术研究中心源自嵌入式Linux的特点
标准Linux的特点（3） – 支持虚拟内存
• 4GB虚拟地址空间，用户空间3GB。
– 支持多种文件系统
• 通过虚拟文件系统（VFS）屏蔽了各种不同文件系统的 内在差别，使得用户可以使用同样的方式访问各种不同 格式的文件系统：EXT、FAT、YAFFS。 • 通过逻辑卷管理（LVM）可以在运行时动态伸缩文件系 统的大小，或增加文件系统。 • 支持网络文件系统（NFS）
1991年，Linux之父，芬兰赫尔辛基大学的学生： Linus Torvalds，发布第一个Linux版本