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(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(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(diǎn)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(yùn)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(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(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)合來考慮，要根據(jù)硬件的限制以及實(shí)際應(yīng)用的需要對內(nèi)存地址進(jìn)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(dá)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(jìn)入編寫啟動代碼和機(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)的啟動代碼和機(jī)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(jìn)行編寫,。
啟動代碼和機(jī)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(jìn)行實(shí)際開發(fā)時,，很多時候還要進(jìn)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?yàn)榍度胧絃inux中所用的庫一般不能直接使用標(biāo)準(zhǔn)庫,，而需要進(jìn)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(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(shí)際需要進(jìn)行選擇。系統(tǒng)程序如mount,ls等等有些是應(yīng)用時所必須的,，有些則是進(jìn)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(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(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(diǎn)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(yùn)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(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(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)合來考慮，要根據(jù)硬件的限制以及實(shí)際應(yīng)用的需要對內(nèi)存地址進(jìn)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(dá)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(jìn)入編寫啟動代碼和機(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)的啟動代碼和機(jī)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(jìn)行編寫,。
啟動代碼和機(jī)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(jìn)行實(shí)際開發(fā)時,，很多時候還要進(jìn)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?yàn)榍度胧絃inux中所用的庫一般不能直接使用標(biāo)準(zhǔn)庫,，而需要進(jìn)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(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(shí)際需要進(jìn)行選擇,。系統(tǒng)程序如mount,ls等等有些是應(yīng)用時所必須的，有些則是進(jìn)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(jì)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(jī)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(shí)時操作系統(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)時核心的一個進(jìn)程，同用戶的實(shí)時進(jìn)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(jì)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(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(diǎn)：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(diǎn)重新設(shè)計(jì)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(fèi)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(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,，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(dú)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(shí)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(jì)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(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(diǎn),，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(jī)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(rèn)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(yùn)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(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(shí)驗(yàn)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(jī)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(jiān)持自主產(chǎn)權(quán)，力爭找到自己的突破點(diǎn),，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,。