嵌入式Linux操作系统的研究

2019-09-28 版权声明 举报文章

嵌入式Linux操作系统的研究

摘 要:随着当前计算机技术的不断发展,嵌入式系统应用领域越来越广泛,尤其是Linux操作系统在产业发展中起着举足轻重的作用。Linux操作系统内核具备进程管理、文件管理、储存管理以及内核调度等功能,同时基于Linux应用环境前提下,在不同系统芯片硬件平台上,嵌入式Linux操作系统能够实现运行,通过进程调度以及文件设计等模块满足不同开发板与应用需求。本文主要通过介绍嵌入式Linux操作系统的基本功能,从而具体阐述嵌入式Linux操作系统的设计。

关键词:操作系统;Linux;嵌入式操作系统

中图分类号:TP316

嵌入式操作系统作为嵌入式系统的关键内容,通过控制系统资源,提供开发应用程序,体现了嵌入式系统的外在功能。笔者综合自身多年来的实践经验,结合嵌入式Linux操作系统的功能以及机理,详细研究与分析其在嵌入式领域应用的完善方法。

1 嵌入式Linux操作系统概述

1.1 嵌入式系统内涵。嵌入式系统在发展初期主要是以微处理器的形式而存在的,随着科学技术的不断发展,嵌入式系统已经渗透到了人们的工作、生活以及娱乐等方方面面。从本质上来讲,嵌入式系统将复杂的软件与硬件进行紧密耦合,从而形成一个全新的计算机系统。“嵌入式”即在各个完整的系统中吸纳一部分优越系统,将这些系统进行整合。而就这些嵌入的系统本身而言,一般存在多种嵌入式系统。在现阶段,随着微处理器制造技术的深入发展,嵌入式处理器制造取得了巨大的发展。在系统硬件上,主要考虑价格、性能以及能耗等因素,其关键部分是应用软件与系统软件。但是由于储存空间存在局限性,因此嵌入式系统对实时性要求越来越严格。

1.2 嵌入式Linux操作系统。Linux主要是指开放源代码,一般包括四个方面:一是内核,二是系统工具,三是开发环境,四是Unix类操作系统。Linux作为一个现代操作系统,其性能可靠、稳定,主要具备七个特征:第一,满足国际通用标准规范;第二,具有可移植性,灵活性强;第三,整个系统性能卓越;第四,在某种程度上动态链接能力强;第五,系统网络特征鲜明;第六,兼容性强大;第七,系统能够包容大容量用户,任务能力优越。从整体上来看,嵌入式Linux操作系统的开放源代码在一定程度上使用户自由限度得到了进一步的拓展,由于软件资源丰富,因此开发工作量少、开发时间短,同时网络支持功能强大、使用成本低。

2 嵌入式Linux操作系统设计

2.1 进程管理分析。在进程管理过程中,主要可以从两个方面来进行:一是创建新进程,主要利用Fork系统来实现调用,根据硬件环境,定义语义,进而创建子进程。由于硬件没有内存管理单元,缺乏数据保护机制以及地址映射机制,因此在同一地址空间,父子进程同时运行,嵌入式应用可移植性高;二是调度进程运行,通过schedule函数与调度时机来实现。

2.2 文件管理分析。嵌入式系统利用核心线程加载任务,理论上不需要设置文件系统。嵌入式系统常用存储设备主要以Flash存储设备为主,主要有两种,即NORF lash设备与NAND Flash设备。从实际角度出发,这两种设备不能适应Flash设备发展要求,因此基于嵌入式Linux操作系统下,开发了嵌入式文件系统。这种嵌入式文件系统,可以对文件信息进行整理,实时性强。比如采用Unix实时文件系统设计,安全性高。同时,为了保证其他同类系统用户访问秘密数据的使用特权,一般采用加密文件系统,利用loop设备实现保密性,尤其是在移动设备中,其使用简易性能好。

2.3 内存管理分析。在内存管理过程中,主要依据其硬件是否存在内存管理单元来进行具体管理。如MCF5272处理器,主要采用存储器来实现分页管理。当系统启动时,将应用程序进行分页加载,但在实际应用中缺乏内存管理单元管理,基于嵌入式系统外存容量较小的情况,实行实存储器管理策略可靠性低,因此要综合考虑外存设备特点,实现改良。如利用Flash设备,将只读数据存入内存中,在设备上进行直接访问Flash作为只读数据块与代码的直接内存设置,有助于节省内存空间,改变内存布局,提高操作系统文件处理能力。

2.4 网络模块分析。网络模块设计目的是为了满足两个方面的需求,即嵌入式系统中有限计算要求以及内存资源要求,运用拷贝技术,最大程度地促进TCP中层与层之间数据拷贝次数的减少,节省系统资源。其次,采用紧急缓冲区预留技术,实现紧急数据的处理。在应用这种处理技术的过程中,要注意将紧急数据与其它数据区分开来,提高操作的便捷性。

2.5 bootloader固件分析。bootloader固件作为嵌入式Linux操作系统硬件运行程序,对系统任务的完成起着重要的促进作用。bootloader固件通过固化目标板ROM,启动RAM嵌入式软件程序或ROM嵌入式软件程序,基于CPU支持的情况下,实现其在RAM中的正常运行。在嵌入式Linux操作系统开发中,实现bootloader程序的开发,主要有四个方面的任务:第一,初始化处理器结合了bootloader程序中MMU等配置寄存器;第二,初始化必备硬件的设置主要运用bootloader初始化上的必备硬件,如硬件板使用以嵌入式系统映像文件,bootloader使用客户端程序通讯,完成下载工作;第三,bootloade提供系统映像下载,通过提供命令并接收映像服务端程序,明确内核映像、文件系统映像下载位置,发送数据包动作,成功下载映像;第四,初始化操作系统执行使用bootloader,提供具体启动地址,从而下载完成系统。

2.6 嵌入式图像处理系统硬件设计。嵌入式图像处理系统硬件设计主要目的是处理、分析图像信息任务。通常情况下,嵌入式数字图像处理系统主要包括五个方面的内容:一是图像输入设备,二是微处理器,三是输出设备,四是图像数据库,五是图像处理程序库。在平台总体硬件结构设计中,嵌入式图像处理系统的核心主要是S3C2410处理器。在图像采集模块上,图像采集媒介是网眼PC350摄像头。USB图像采集主要由三部分构成,即CMOS图像传感器、256K RAM以及USB Camera控制器OV511。OV511将数字图像数据传输给ARM处理板,ARM板结合USB实现OV511的配置,而OV511配置图像传感器控制字。在嵌入式图形处理系统中,采用图像采集以及处理多线程设计来实现同步线程,通过建立互斥锁图像缓存区,结合条件变量,形成图像数据交换公共缓冲区,图像采集速度与图像处理速度快。

2.7 基于TI达芬奇系列的软硬件设计。TI达芬奇软硬件设计作为嵌入式Linux操作系统中的关键部分,表明设计接口为应用程序与算法库间的API,其目标主要包括三个方面:第一,进行ARM端应用开发;第二,开发DSP端的自主知识产权算法;第三,实现ARM与DSP双核间集成开发等。从本质上来讲,基于TI达芬奇系列的软硬件设计屏蔽了应用与算法间的交互数据。在同一处理器内核上,由于不同软件模块之间存在大容量数据传输问题,因而TI达芬奇系列的软硬件设计无法满足该要求。基于这种情形,数据传输技术一定程度上弥补 TI 达芬奇平台软硬件设计的缺陷,这种软件框架技术主要通过整合底层算法,从而实现其与应用程序之间的对接。由于算法接口采用标准化设计,因而开发者不需要思考算法,以标准算法接口为媒介,就能调用算法库。

3 结论

综上所述,随着微处理器技术的不断发展,嵌入式Linux操作系统应用领域越来越广泛,作为一个嵌入式应用软件开发信息平台,能够运用于多种硬件平台,实时处理能力强大。Linux作为嵌入式系统软件部分,为嵌入式软件的开发提供了更为便捷的途径,应用前景广阔。

参考文献:

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[3]杨建武.国内外数控技术的发展现状与趋势[J].制造技术与机床,2008(12).

[4]杨占玺,韩秋实.智能数控系统发展现状及其关键技术[J].制造技术与机床,2008(12).

[5]苏蕊.基于ARM芯片的嵌入式运动控制系统设计[J].微计算机信息,2008(11).

作者单位:中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所,河南洛阳 471000

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