Linux嵌入式系統(tǒng)操作系統(tǒng)開發(fā)簡介

 　　嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件均可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。其發(fā)展已有二十多年的歷史，國際上也出現(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，價格昂貴且由于源代碼不公開導(dǎo)致了諸如對設(shè)備的支持 ，應(yīng)用軟件的移植等一系列的問題。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，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，下面簡要的介紹一下嵌入式Linux開發(fā)的一般過程。

 　　了解硬件是首要的一步，這是嵌入式開發(fā)的特點決定的。了解硬件指的是了解整個硬件，判斷硬件對于當(dāng)前的應(yīng)用來說是否合適。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，芯片手冊和各種外圍設(shè)備的手冊以及相關(guān)的各種電路圖等，并對整體系統(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：針對所用CPU的編譯器/匯編器/連接器,相應(yīng)的庫工具,目標(biāo)文件分析/管理工具,符號查看器等等。幸運的是，由于Linux的開放性，針對不同目標(biāo)平臺的Linux工具都可在網(wǎng)上免費得到，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，下載工具和查錯器等等。所有這些工具對以后的開發(fā)、調(diào)試等都可說是必不可少的。

 　　做好以上的準(zhǔn)備工作后，就要進入實質(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，這需要與實際應(yīng)用和硬件狀況相結(jié)合來考慮，要根據(jù)硬件的限制以及實際應(yīng)用的需要對內(nèi)存地址進行合理的安排，同時要注意內(nèi)存地址的安排要具有一定的伸縮性，以便于將來需要改動時所做的變動達到最小。一般來說，嵌入式Linux的內(nèi)存地址安排體現(xiàn)在連接腳本當(dāng)中。

 　　接著就該進入編寫啟動代碼和機器相關(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)的啟動代碼和機器相關(guān)代碼也是不相同的。啟動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)平臺的啟動代碼一般可通過參考Linux下已有的啟動代碼和相關(guān)CPU的手冊進行編寫。

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

 　　除了以上提到的這些步驟外，進行實際開發(fā)時，很多時候還要進行庫（這里所提到的庫均指C庫），GUI和系統(tǒng)程序的移植。這是因為嵌入式Linux中所用的庫一般不能直接使用標(biāo)準(zhǔn)庫，而需要進行精簡，雖然已有些精簡的C庫如uClibc等可供使用，但還是需要經(jīng)常對其進行修改。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合，所針對的目標(biāo)平臺和應(yīng)用層次也不一樣，必須根據(jù)實際需要進行選擇。系統(tǒng)程序如mount,ls等等有些是應(yīng)用時所必須的，有些則是進行調(diào)試時所需要的，初始時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)簡介

 　　嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件均可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。其發(fā)展已有二十多年的歷史，國際上也出現(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，價格昂貴且由于源代碼不公開導(dǎo)致了諸如對設(shè)備的支持 ，應(yīng)用軟件的移植等一系列的問題。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，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，下面簡要的介紹一下嵌入式Linux開發(fā)的一般過程。

 　　了解硬件是首要的一步，這是嵌入式開發(fā)的特點決定的。了解硬件指的是了解整個硬件，判斷硬件對于當(dāng)前的應(yīng)用來說是否合適。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，芯片手冊和各種外圍設(shè)備的手冊以及相關(guān)的各種電路圖等，并對整體系統(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：針對所用CPU的編譯器/匯編器/連接器,相應(yīng)的庫工具,目標(biāo)文件分析/管理工具,符號查看器等等。幸運的是，由于Linux的開放性，針對不同目標(biāo)平臺的Linux工具都可在網(wǎng)上免費得到，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，下載工具和查錯器等等。所有這些工具對以后的開發(fā)、調(diào)試等都可說是必不可少的。

 　　做好以上的準(zhǔn)備工作后，就要進入實質(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，這需要與實際應(yīng)用和硬件狀況相結(jié)合來考慮，要根據(jù)硬件的限制以及實際應(yīng)用的需要對內(nèi)存地址進行合理的安排，同時要注意內(nèi)存地址的安排要具有一定的伸縮性，以便于將來需要改動時所做的變動達到最小。一般來說，嵌入式Linux的內(nèi)存地址安排體現(xiàn)在連接腳本當(dāng)中。

 　　接著就該進入編寫啟動代碼和機器相關(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)的啟動代碼和機器相關(guān)代碼也是不相同的。啟動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)平臺的啟動代碼一般可通過參考Linux下已有的啟動代碼和相關(guān)CPU的手冊進行編寫。

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

 　　除了以上提到的這些步驟外，進行實際開發(fā)時，很多時候還要進行庫（這里所提到的庫均指C庫），GUI和系統(tǒng)程序的移植。這是因為嵌入式Linux中所用的庫一般不能直接使用標(biāo)準(zhǔn)庫，而需要進行精簡，雖然已有些精簡的C庫如uClibc等可供使用，但還是需要經(jīng)常對其進行修改。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合，所針對的目標(biāo)平臺和應(yīng)用層次也不一樣，必須根據(jù)實際需要進行選擇。系統(tǒng)程序如mount,ls等等有些是應(yīng)用時所必須的，有些則是進行調(diào)試時所需要的，初始時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在移動計算平臺、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)用于航天飛機的空間數(shù)據(jù)采集、科學(xué)儀器測控和電影特技圖像處理等廣泛領(lǐng)域。RT-Linux開發(fā)者并沒有針對實時操作系統(tǒng)的特性而重寫Linux的內(nèi)核，因為這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核心作為實時核心的一個進程，同用戶的實時進程一起調(diào)度。這樣對Linux內(nèi)核的改動非常小，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，同時也是開放源碼的嵌入式Linux的典范之作。uCLinux主要是針對目標(biāo)處理器沒有存儲管理單元MMU(Memory Management Unit)的嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計的。它已經(jīng)被成功地移植到了很多平臺上。由于沒有MMU，其多任務(wù)的實現(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)過各方面的小型化改造，形成了一個高度優(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：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、對各種文件系統(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，并已經(jīng)被成功地移植到很多平臺上。

　　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)的特點重新設(shè)計的Linux發(fā)行版本。Embedix提供了超過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可以免費獲得。Luneo還發(fā)布了另一個重要的軟件產(chǎn)品，它可以讓在Windows CE上運行的程序能夠在Embedix上運行。Luneo還將計劃推出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，Embedix是一種完整的嵌入式Linux解決方案。

　　XLinux

　XLinux是由美國網(wǎng)虎公司推出，主要開發(fā)者是陳盈豪。他在加盟網(wǎng)虎幾個月后便開發(fā)出了基于XLinux的、號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個國家和地區(qū)的字符集。因此，XLinux在推廣Linux的國際應(yīng)用方面有獨特的優(yōu)勢。

　　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)上實現(xiàn)端到端方案的完整平臺。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平臺使用戶的視線從設(shè)備、平臺和網(wǎng)絡(luò)上移開，由此引發(fā)了信息技術(shù)新時代的產(chǎn)生。在PoketLinux中，稱之為用戶化信息交換(CIE)，也就是提供和訪問為每個用戶需求而定制的“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，該公司有個名為“MidoriLinux計劃”。“MidoriLinux”這個名字來源于日本的“綠色”——Midori，用來反映其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是國內(nèi)做得較好的一款嵌入式操作系統(tǒng)。目前，中科院計算所自行開發(fā)的開放源碼的嵌入式操作系統(tǒng)——Easy Embedded OS(EEOS)也已經(jīng)開始進入實用階段了。該款嵌入式操作系統(tǒng)重點支持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)動和其它模塊。由于有中科院計算所的強大科研力量做后盾，EEOS有望發(fā)展成為功能完善、穩(wěn)定、可靠的國產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)平臺。

　　思考與展望

　　以上列舉的眾多嵌入式Linux操作系統(tǒng)中，國內(nèi)對于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。
　　正是由于Linux開放源代碼的特點，所以全世界的開發(fā)廠商都站在同一個起跑線上。國內(nèi)的研究機構(gòu)和企業(yè)也正在積極投入人力、物力，力爭在嵌入式操作系統(tǒng)上有所為。但應(yīng)該清醒認識到，絕大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺還掌握在外國公司的手中。國產(chǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)在技術(shù)含量、兼容性、市場運作模式等方面還有很多工作要做。國家對嵌入式領(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)展基金項目指南》在軟件類重點產(chǎn)品項目中，第五小類就是關(guān)于嵌入式軟件與系統(tǒng)開發(fā)的，并提出要重點進行如下重點項目的研制與開發(fā)：嵌入式實時操作系統(tǒng)、嵌入式軟件集成開發(fā)平臺和嵌入式數(shù)據(jù)庫管理軟件。由于嵌入式系統(tǒng)研發(fā)在國內(nèi)起步比較晚，我國目前還基本處于實驗室階段。但是嵌入式操作系統(tǒng)的巨大的商業(yè)價值和Linux的開放性，為民族軟件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了難得的機會。在跟蹤國外嵌入式操作系統(tǒng)最新技術(shù)的同時，國內(nèi)廠商要堅持自主產(chǎn)權(quán)，力爭找到自己的突破點，探索出一條適合中國國情的嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展道路。