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标题: 基于现场总线的开关量 I/O 模块的设计----操作系统移植与驱动开发 (一) [打印本页]

作者: admin 时间: 2015-4-27 23:34
标题: 基于现场总线的开关量 I/O 模块的设计----操作系统移植与驱动开发 (一)
5.1常用的嵌入式操作系统当前常见的嵌入式操作系统主要有嵌入式Linux、Windows CE及VxWorks，在各个领域得到广泛应用，具有各自的特性与优势：

    ①从系统性能比较
    Linux是一个成熟而稳定的网络操作系统，为嵌入式操作系统提供了一个极有吸引力的选择，它是个和Unix相似、以核心为基础的、完全内存保护、多任务、多进程的操作系统，支持广泛的计算机硬件，包括X86 ，Alpha、MIPS、PPC、ARM、NEC、MOTOROLA等现有的大部分芯片，可以定制，其系统内核最小只有约134K B，在信息家电、工控等领域有广泛应用。

WinCE是一个软实时系统，具有模块化、结构化和基于Win32应用程序接口和与处理器无关等特点，主要用于对实时性要求不高，但对界面要求较高的领域，在PDA、手机、显示仪表等领域得到非常广泛应用。

VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），具有多达1800个功能强大的应用程序接口（API ），它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中。

②从开发角度比较
    Linux程序源码全部公开，任何人可以修改并在GNU通用公共许可证下发行，这样，开发人员可以对操作系统进行定制。同时由于有GPL （General Public License ）的控制，大家开发的东西大都相互兼容。Linux用户遇到问题时可以通过Internet向网上成千上万的Linux开发者请教，这使最困难的问题也有办法解决。Linux带有Unix用户熟悉的完善的开发工具，几乎所有的Unix系统的应用软件都已移植到了Linux上。Linux还提供了强大的网络功能，有多种可选择窗口管理（Xwindows ）。其强大的语言编译器gcc、g++等也可以很容易得到。目前正在开发的嵌人式系统中，49％的项目选择Linux作为嵌入式操作系统。

就VxWorks与Win CE而言，厂商不但提供了稳定可靠方便的集成开发环境，而且提供了大量针对具体应用的完整解决方案，为具体开发带来极大便捷，但系统开发成本较昂贵。

本论文最终采用嵌入式Linux作为系统开发软件平台。
    5.2 BOOTLOADER移植
    引导加载程序Bootloader是系统加电后运行的第一段代码。Bootloader就是在操作系统内核或应用程序运行之前的一段程序。通过这段小程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核或用户应用程序准备好正确的环境。Bootloader是依赖于硬件而实现的，特别是在嵌入式系统中。不同的体系结构需求的Bootloader是不同的；除了体系结构，Bootloader还依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。

5.2.1 U-Boot简介
    U-Boot全称为Universal Bootloader，是遵循GPL条款的开放源码项目。从FADSROM、8xxROM、PPCBOOT逐步发展演化而来。其源码目录、编译形式与Linux内核很相似，事实上，不少U-Boot源码就是相应的Linux内核源程序的简化，尤其是一些设备的驱动程序。

选择U-Boot的理由：

    开放源码；
    支持多种嵌入式操作系统内核，如Linux、NetBSD、VxWorks、QNX、RTEMS、ARTOS、LynxOS；
    支持多个处理器系列，如PowerPC、ARM、x86、MIPS、XScale；
    较高的可靠性和稳定性；高度灵活的功能设置，适合U-Boot调试、操作系统不同引导要求、产品发布等；
    丰富的设备驱动源码，如串口、以太网、SDRAM、FLASH、LCD、NVRAM、EEPROM、RTC、键盘等；
    较为丰富的开发调试文档与强大的网路技术支持；

    5.2.2 U-Boot运行过程分析
    U-Boot编译后的代码定义一般不超过100 KB，并且这100KB又分为两个阶段来执行。第一阶段的代码在start.s中定义，大小不超过10KB，它包括从系统上电后在0x00000000地址开始执行的部分。这部分代码运行在Flash中，它包括对S3C2440的一些寄存器的初始化和将U-Boot的第二段代码从Flash复制到SDRAM中。第二段的起始地址是在第一段代码中指定的，被复制到SDRAM后，就第一段跳到这个入口地址开始执行剩余部分代码。第二段主要是进行一些BSS段的设置、堆栈的初始化等工作，最后会跳转到main -loop函数中，接收命令并进行命令处理。

    5.2.3 U-Boot移植
    本系统用到的U-Boot版本为1.3.2.它不仅提供了对ARM-920T内核的支持，而且直接提供了对于S3C2440的板级支持，这使移植工作量相对减少。


（1） U-Boot版本1.3.2，gccversion4.1.2
    （2）在Makefile中加入
    zq2440_config:u nconfig @$（MKCONFIG ） $（@ ：_config=） arm arm920t zq2440 NULL S3C24x0把板子起名为zq2440
    （3）建立board/zq2440目录，复制board/smdk2410下的文件到board/zq2440目录，将smdk2410.c更名为zq2440.c.
    （4）cp include/configs/smdk2410.h include/configs/zq2440.h
    （5 ）添加arm-softfloat-linux-gnu-到Makefile的CROSS_COMPILE=
    （6）编译 make zq2440_config
                make
    （7）通过JTAG口将U-Boot烧写到Flash中，就可以从Nand Flash启动了。


Uboot在超级终端下运行结果如图5.1所示：

5.3嵌入式Linux内核的移植

    5.3.1嵌入式Linux简介
    嵌入式Linux是将日益流行的Linux操作系统进行裁剪、修改，使之能在嵌入式计算机系统上运行的一种操作系统。

嵌入式系统的软件和硬件往往只需针对某种特别的应用定制，因此嵌入式操作系统需要量体裁衣，除去冗余，同时尽可能发挥系统的潜力。Linux最初目标是一个通用的操作系统，因此必须对其进行面向嵌入式系统和应用环境的改造，以适应嵌入式系统的特殊要求。

嵌入式Linux系统包括内核和应用程序两部分。内核为应用程序提供一个虚拟的硬件平台，以统一的方式对资源进行访问，并且透明地支持多任务。嵌入式Linux内核可以分为六部分：进程调度，内存管理，文件系统，进程间通信，网络，设备驱动。应用程序负责系统的部分初始化，基本的人机界面，必要的命令等内容。

从Linux2.6内核版本开始了实时性革命。Linux内核本身也已经特别注重了向嵌入式系统的应用，Linux2.6内核已经把uCLinux的大部分并入主流内核功能中，同时加入提高中断性能和调度响应时间的改进，有三个最显著的改进：采用可抢占内核、更加有效的调度算法以及同步性的提高。Linux2.6内核在一定程度上是可抢占的，即当有比正在运行的进程优先级更高的进程就绪时，系统可强行剥夺正在运行进程的CPU，提供给具有更高优先级的进程使用，比Linux2.4内核具备更好的实时响应性（不是所有的内核代码段都可以被抢占）。Linux2.6内核加入了多种微控制器的支持，无MM U的处理器已经整合进了新的内核中，而且在无MM U控制器上仍旧支持多任务处理，但没有内存保护功能。对于WLAN、Bluetooth、GPRS、CDMA和WiFi等最新出现的无线网络协议和设备，Linux2.6内核重建了驱动的体系层次和编程模型，可以方便的适应这些网络设备的变化，而且特别提出了NAPI（NewAPI）等模型提高网络处理效率。

5.3.2嵌入式Linux的优势
    嵌入式Linux的开发和研究是操作系统领域中的一个热点，目前已经开发成功的嵌入式系统中，大约有一半使用的是Linux.Linux之所以能在嵌入式系统市场上取得如此辉煌的成果，与其自身的优良特性是分不开的。

（1）开放的源码，丰富的软件资源
    Linux是自由的操作系统，它的开放源码使用户获得了最大的自由度。Linux上的软件资源十分丰富，每一种通用程序在Linux上都可以找到。

（2）功能强大的内核，性能高效、稳定，多任务
    Linux的内核非常稳定，它的高效和稳定性已经在各个领域，尤其在网络服务器领域，得到了事实的验证。Linux内核小巧灵活，易于裁减，这使得它很适合嵌入式系统的应用。


（3）支持多种体系结构，如X86、ARM、MIPS、PowerPC、SPARC等
    目前，Linux已经被移植到数十种硬件平台上，几乎支持所有流行的CPU.

    （4）完善的网络通讯、图形、文件管理机制
    Linux自产生之日起就与网络密不可分，网络是Linux的强项。另外，Linux还支持多种文件和图形系统。

（5）支持大量的周边硬件设备
    Linux上的驱动已经非常丰富了，它们支持各种主流硬件设备和最新硬件技术。

（6）大小、功能都可定制
    Linux秉承Unix的优秀设计思想，非常灵活，各部分的可定制性都很强。

（7）良好的开发环境，不断发展的开发工具集
    Linux有着非常优秀的完整开发工具链，有十几种集成开发环境，其中很多是免费的，大大降低了开发费用。

（8）软件开发者的广泛支持
    Linux的自由精神吸引了成千上万的程序员投入到Linux的开发和测试中来，这使得Linux在短时间内就成为一个功能强大的操作系统。

（9）价格低廉
    有效降低产品成本，对成本敏感的嵌入式系统来说至关重要，Linux恰好具有这一特性。

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