16-嵌入式Linux操作系统

#make dep
更新配置文件
#make bzImage
(如果内核不大则执行#make zImage),执行该命令后，将在 /usr/src/linux/arch/i386/boot目录下生成内核文件bzImage(或 zImage)。 若配置中加入了模块的支持(选项为M)，还需要执行#make modules 和#make modules_install。
中断1的中断延时 中断2的中断延时
t2
中断1的服务程序
中断2产生 中断1产生
t3
中断2的服务程序
t1
某任务
中断禁止区
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Linux内核与实时性 内核与实时性
对比项目 Linux 2.4（s） Linux 2.6（s）
内核在无负载时中断延时最大值
8.5
31.0
内核在重负载时中断延时最大值
113.5
49.5
系统购买费 使用费 技术支持 网络协议栈 软件移植 产品开发周期 实时性能 稳定性
非常昂贵 每件产品需都需缴纳 开发商一家支持 需要额外购买 难，因为系统封闭 长，因为参考代码有限 好 好
商业版本需要一定服务费 免费 商业版厂商和Linux社团 免费且性能优异 易，因为代码开放 短，应用和参考丰富 可用RTLinux等模块弥补 较好，高性能系统待验证
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网络可选择资源－实时扩展版
RTLinux：http://www.rtlinux.com RTAI：http://www.rtai.org/ EL/IX： http://www.sourceware.cygus.com/elix/ SRT-Linux： http://www.cl.cam.ac.uk/~dmi1000/linuxsrt/index.html
非实时进程1 非实时进程2
原Linux内核
实时任务
实时内核
硬件中断
RTLinux任务处理流程 任务处理流程
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主要内容
嵌入式Linux系统基本概念 Linux嵌入式Linux系统裁减与移植 嵌入式Linux软件开发
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从何处开始？
需要考虑的问题
是否支持自己的硬件平台 有多少可选软件、文件定制能力如何 是否有完整文档、新版本升级是否方便等等一系列 问题。
内核在无负载时中断任务响应延时最大值
104
412
内核在强负载时中断任务响应延时最大值
4446
578
20
嵌入式Linux实时化技术 实时化技术 嵌入式
非实时化通用内核 实时化内核 硬件平台 实时任务 非实时任务
RTlinux双内核实时化结构 双内核实时化结构
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嵌入式Linux实时化技术 实时化技术 嵌入式
17
嵌入式Linux操作系统实时性 操作系统实时性 嵌入式
影响中断处理时间的因素
处理器硬件电路的延迟时间，通常这个时间可 以忽略。 操作系统处理中断并将控制权转移给中断处理 程序所需要的时间。 操作系统的中断禁止时间，这是操作系统为了 保护重要的系统程序代码暂停接受中断需要的 时间。
18
嵌入式Linux操作系统实时性 操作系统实时性 嵌入式
6
冯诺依曼体系结构模型
存储器
指令寄存器 控制器
程序 指令0 指令0 指令1 指令1 指令2 指令2 指令3 指令3 指令4 指令4
数据通道 输入 中央处理器
输出
数据 数据0 数据0 数据1 数据1 数据2 数据2
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哈佛体系结构
地址 程序存储器 指令0 指令 指令1 指令 指令2 指令
指令寄存器 控制器
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嵌入式Linux系统构建流程
1. 2. 3. 4.
裁减编译内核 建立root文件系统 制作系统映像 安装引导
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第1步：裁减和编译内核
获得内核源代码
根据硬件平台获得对应的Linux系统源代码 从一个通用系统，如redhat系统获得源代 redhat 码
裁减编译内核的步骤
1. 配置内核 2. 更新编译文件 3. 编译内核
1. 建立目录系统
/proc、/mnt和/usr在此情况下都是空的，只需要 用mkdir创建它们即可。 /dev：设备文件需要用mknod产生。如果简单起 见用cp -dpR 参数开关来复制原系统的设备文件节 点也可以，例如cp -dpR /dev/mem /mnt/dev 。 至少需要console、kmem、mem、null、ram、 tty*等文件。 /etc：一般可以包含rc.d/* (系统启动脚本)、 fstab(列出要登录的文件系统)、inittab(包含启动 过程参数) 。
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第1步：裁减编译内核
1. 2. 3. 4. 以root超级用户登录，进入目录/usr/src/linux。
如果目标系统和主机系统不是同一硬件平台需要先建立交叉编译环 境并获得目标系统的内核源代码
#make menuconfig
对内核模块进行配置（也可以在X Window中运行make xconfig）。
16.1.1 嵌入式系统的定义
电源 模块 时钟 复位
外围电路 微处理器 MPU
Flash RAM ROM
外设
USB LCD Keyboard Other
嵌入式系统硬件组成
4
嵌入式系统设备常见接口
I/O A/D、D/A 、 键盘 LCD 存储器接口 网络设备接口
5
CISC和RISC指令集
CISC：复杂指令集（ Computer） CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer） 具有大量的指令和寻址方式 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令 原则 的程序只使用20% 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。 X86系列或者兼容的低功耗芯片 如Intel X86系列或者兼容的低功耗芯片 RISC：精简指令集（ RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer) 在通道中只包含最有用的指令 确保数据通道快速执行每一条指令 CPU硬件结构设计变得更为简单 使CPU硬件结构设计变得更为简单 如PowerPC, MIPS, ARM/XScale
指令
地址 数据通道 输入 中央处理器 输出 数据
数据存储器 数据0 数据 数据1 数据 数据2 数据
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16.1.2 嵌入式操作系统的特点
“嵌入计算机系统的专用操作系统”。
嵌入性：物理环境（小型）、电气环境（可靠）、 成本（价廉）等要求。 专用性 ：满足对象要求的最小软、硬件配置等。 性能要求：多任务调度、实时性能 功能要求：接口与通信能力
建立root文件系统的步骤 文件系统的步骤 建立
1. 在主机中建立目标系统的root文件系统目录结构 2. 从代码库中挑选并裁减出适用的各种文件 3. 将root文件系统目录中的所有内容打包制作成映像
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第2步：建立root文件系统
root文件系统的内容 文件系统的内容
基本文件系统结构，至少含有目录/dev、/proc、/bin、 /etc、/lib、/usr、/tmp ； 最基本的系统应用程序，如sh、ls、cp、mv等； 最低限度的配置文件，如rc、inittab、fstab等； 基本设备，如/dev/mem、/dev/ tty*、/dev/console； 基本程序运行所需的C函数库。
5.
生成内核
/usr/src/linux/arch/i386/boot/bzImage文件为内核文件 改名为MiniKernel备用
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第2步：建立root文件系统
什么是root文件系统？ 文件系统？ 什么是 文件系统
一个完整的Linux系统除了内核外，还必须有一个 由C库和系统应用程序构成的root文件系统。 一个root文件系统包括支持完整Linux系统运行的 全部东西。
VTRX，Palm OS，ucos etc
多线程、完整优先权、多任务的操作系统。 图形界面好，开发工具友好
Montavist Linx, RTlinux;
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16.1.3 嵌入式Linux发展与应用
专用嵌入式实时操作系统 vs 嵌入式Linux 操作系统
专用嵌入式实时操作系统 嵌入式Linux操作系统
9
常见嵌入式操作系统
VxWorຫໍສະໝຸດ Baidus
市场占有率最高的系统。它支持多种处理器 ，高性能。
PSOSystem
模块化好，在中低端系统中应用广。pSOS已属于WindRiver。
QNX
小巧灵活，在航空航天和工业控制中广泛应用
Windows CE LinuxLinux-derived RTOS Other OS
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编译内核原则
Linux内核拥有灵活方便的配置功能，菜单分 为，芯片组支持，外设支持，文件支持，网络 等，每类只将需要的内容编译进内核。
根据目标系统的硬件配置选择模块 根据应用目标选择其他功能模块 应当保证内核只支持一种或是两种必要的文件系统， 如ext2和minix； 为支持内存虚拟磁盘启动，需要编译内核支持ram disk和initrd
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如何选择合适的linux版本
标准的Linux 版本。 小型化的嵌入式版本。 具有实时扩展功能的Linux 版本。 Linux 特殊应用版本。例如有许多针对不同 的如“瘦服务器”或“防火墙”应用的小型 化、实时特性增强的版本。
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网络可选择资源－标准版本
Debian：http://www.debian.org.com/ Red Hat：http://www.redhat.com/ Slackware：http://www.slackware.com/ Turbo Linux：http://www.turbolinux.com/
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第2步：建立root文件系统
1. 建立目录系统
以root用户登录开发主机，在合适的目录下（如根目录下）， 用mkdir rootfs命令建立一个工作目录rootfs。 在rootfs/目录下的内容就是今后目标系统根目录（/）下的内容。 在当前目录下执行cd rootfs进入到rootfs目录中，然后用mkdir 命令分别在rootfs目录下建立以下目录：
操作系统
第16章 嵌入式 章 嵌入式Linux系统 系统
陆松年 snlu@sjtu.edu.cn
1
主要内容
嵌入式Linux系统基本概念 嵌入式Linux系统裁减与移植 嵌入式LINUX软件开发
2
主要内容
嵌入式Linux系统基本概念 Linux嵌入式Linux系统裁减与移植 嵌入式Linux应用
3
可以选择的方法
基于面向特定应用的嵌入式Linux版本 基于通用嵌入式Linux版本 基于某通用Linux系统和Linux源代码库
24
Linux系统的软件分层
直接访问 内核的 应用程序
内核 硬件 内核 C库 库
使用C库的应用程序 使用C
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内核,C库,Shell和实用程序
典型的Linux系统包括3个主要的软件层：Linux内核、C库 和应用程序； 内核主要的功能包括内存管理、进程调度、设备驱动、 文件系统、网络协议栈和模块管理等； 内核之上是C库，这一层负责把符合POSIX标准的API转换 成内核可以识别的形式； 离硬件最远的是应用程序层，细分包含两部分： 系统程序，一般指运行系统所不可缺少的程序； 用户程序，给用户提供各种功能；
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网络可选择资源－小型化版本
ETLinux： http://www.prosa.it/embedded/etlinux/ Linux Router Project： http://www.linuxrouter.org/ LOAF：http://loaf.ecks.org/ ucLinux：http://www.uclinux.org/
/etc 放置系统配置文件； /sbin 放置重要的系统程序； /bin 放置系统基本应用程序； /dev 设备文件的目录； /proc proc文件系统所需目录； /lib 准备存放共享函数库； /mnt 准备挂载其他设备的目录节点 /usr 准备放置用户应用程序。
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第2步：建立root文件系统
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嵌入式linux构建与应用的关键技术
对linux 的裁减达到小型化的目的； 对不同嵌入式微处理器的linux 内核代码移植， 驱动程序的研究； 专业应用开发： 移植应用程序，开发面向特 定应用的控制软件。
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嵌入式Linux操作系统实时性 操作系统实时性 嵌入式
常用衡量实时性标准
确定性（Determinism）：系统的行为表现应该是确 定的，每个系统调用执行的时间是可预测的。 中断延迟时间（Interrupt Latency Time）：从接收 到中断信号到操作系统作出响应，并进入中断服务程 序的时间； 上下文切换时间（Context-Switching Time），就是 操作系统将控制权从执行中取回，然后交给另一个任 务所需的时间。