11.1嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介11.1.1嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。

Linux提供了完成嵌入功能的基本的內(nèi)核和所需要的所有用戶界面，它是多面的。它能處理嵌入式任務(wù)和用戶界面。將Linux看作是連續(xù)的統(tǒng)一體，從一個(gè)具有內(nèi)存管理、任務(wù)切換和時(shí)間服務(wù)及其他的分拆的、微內(nèi)核到完整的服務(wù)器，支持所有的文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

11.1.2嵌入式系統(tǒng)的特征嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，如果獨(dú)立于應(yīng)用自行發(fā)展，則會(huì)失去市場(chǎng)。嵌入式處理器的功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面均受到應(yīng)用要求的制約，這些也是各個(gè)半導(dǎo)體廠商之間競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。

11.2嵌入式Linux基礎(chǔ)11.2.1嵌入式Linux的應(yīng)用信息家電：PDA，機(jī)頂盒，DigitalTelephone，AnsweringMachine，ScreenPhone；數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)：EthernetSwitches，Router，Bridge，Hub，Remoteaccessservers，ATM，F(xiàn)ramerelay；遠(yuǎn)程通信；醫(yī)療電子；交通運(yùn)輸；計(jì)算機(jī)外設(shè)；工業(yè)控制；航空航天領(lǐng)域

11.2.2Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)1．免許可證費(fèi)用嵌入式Linux的版權(quán)費(fèi)是免費(fèi)的，其購(gòu)買費(fèi)用僅為媒介成本。大多數(shù)的商業(yè)操作系統(tǒng)，例如Windows,WindowsCE對(duì)每套操作系統(tǒng)收取一定的許可證費(fèi)用。相對(duì)地，Linux是一個(gè)免費(fèi)軟件，并且公開源代碼。只要不違反GPL（GeneralPublicLicense，通用版權(quán)許可協(xié)議），就可以自由應(yīng)用和發(fā)布Linux。

2．有很高的穩(wěn)定性在PC硬件上運(yùn)行時(shí)，Linux是非常可靠和穩(wěn)定的，特別是和現(xiàn)在流行的一些操作系統(tǒng)相比。有兩個(gè)因素會(huì)影響穩(wěn)定性，一是使用了混亂的驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序的選擇很有限，有些穩(wěn)定有些不穩(wěn)定。一旦離開了通用的PC平臺(tái)，需要自己編寫。二是使用了硬盤。

3．強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能

Linux天生就是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)防議和網(wǎng)絡(luò)接口都已經(jīng)被定制在Linux中。Linux內(nèi)核在處理網(wǎng)絡(luò)防議方面比標(biāo)準(zhǔn)的Unix更具執(zhí)行效率，在每一個(gè)端口上有更高的吞吐量。

4．豐富的開發(fā)工具

Linux提供C,C++,JAVA以及其他很多的開發(fā)工具。更重要的是，愛好者可以免費(fèi)獲得，技術(shù)上由全世界的自由軟件開發(fā)者提供支持。

Linux基于GNU的工具包，此工具包提供了完整與無縫交叉平臺(tái)開發(fā)工具，從編輯器到底層調(diào)試。其C編譯器產(chǎn)生更有效率的執(zhí)行代碼。

5．實(shí)時(shí)性在實(shí)時(shí)性能方面，RT_Linux，HardhatLinux等嵌入式Linux支持實(shí)時(shí)性能；穩(wěn)定性好，安全性好。

11.3LinuxI/O端口編程11.3.1如何在C語言下使用I/O端口１．一般方法在存取任何I/O端口之前，必須讓程序有如此做的權(quán)限。要完成這個(gè)目的，可以在程序一開始的地方（但是，要在任何I/O端口存取動(dòng)作之前）調(diào)用ioperm()這個(gè)函數(shù)（該函數(shù)在文件unistd.h中，并且被定義在內(nèi)核中）。

使用語法是：ioperm(from，num，turn_on)

其中from是第一個(gè)允許存取的I/O端口地址，num是接著連續(xù)存取I/O端口地址的數(shù)目。

函數(shù)ioperm()只能取得端口地址0x000到0x3ff的存取權(quán)限；至于較高地址的端口，需要使用函數(shù)iopl()（該函數(shù)可以一次存取所有的端口地址）。將權(quán)限等級(jí)參數(shù)值設(shè)為3（例如，iopl(3)），以便程序能夠存取所有的I/O端口（如果存取到錯(cuò)誤的端口地址將對(duì)計(jì)算機(jī)造成各種不可預(yù)期的損害。同樣地，調(diào)用函數(shù)iopl()必需要擁有root的權(quán)限。

接著來實(shí)際地存取I/O端口。要從某個(gè)端口地址輸入一個(gè)字節(jié)(8位)的信息，調(diào)用函數(shù)inb(port)，該函數(shù)會(huì)傳回所取得的一個(gè)字節(jié)的信息。要輸出一個(gè)字節(jié)的信息，調(diào)用函數(shù)outb(value，port)。要從某兩個(gè)端口地址x和x+1（兩個(gè)字節(jié)組成一個(gè)字，故使用組合語言指令inw）輸入一個(gè)字(16個(gè)bit)的信息，需要調(diào)用函數(shù)inw(x)；要輸出一個(gè)字的信息到兩個(gè)端口地址，需要調(diào)用函數(shù)outw(value，x)。

2．替代方法：/dev/port

另一個(gè)存取I/O端口的方法是以函數(shù)open()打開文件/dev/port（一個(gè)字符設(shè)備，主設(shè)備編號(hào)為1，次設(shè)備編號(hào)為4），以便執(zhí)行讀與（或）寫的動(dòng)作（注意標(biāo)準(zhǔn)輸出入函數(shù)f*()有內(nèi)部的緩沖，所以要避免使用）。

11.3.2硬件中斷與DMA存取用戶程序如果在用戶模式下執(zhí)行，不可以直接使用硬件中斷(IRQ)或DMA。用戶必須編寫一個(gè)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序。也就是說，在用戶模式中所寫的程序無法控制硬件中斷的產(chǎn)生。

11.3.3延遲時(shí)間在用戶模式中執(zhí)行的進(jìn)程不能精確地控制時(shí)間，因?yàn)長(zhǎng)inux是個(gè)多用戶的操作環(huán)境，在執(zhí)行中的進(jìn)程隨時(shí)會(huì)因?yàn)楦鞣N原因被暫停大約10ms到數(shù)秒（在系統(tǒng)負(fù)荷非常高的時(shí)候）。然而對(duì)于大多數(shù)使用I/O端口的應(yīng)用程序而言，這個(gè)延遲時(shí)間實(shí)際上算不了什么。要縮短延遲時(shí)間，需要使用函數(shù)nice將你在執(zhí)行中的進(jìn)程設(shè)定成高優(yōu)先權(quán)，或使用即時(shí)調(diào)度法(real-timescheduling)。

11.4嵌入式Linux開發(fā)11.4.1構(gòu)造嵌入式Linux前先要了解的幾個(gè)關(guān)鍵問題1．如何引導(dǎo)?在PC上運(yùn)行的Linux依靠PC的BIOS來提供這些配置和OS加載功能。在一個(gè)嵌入式系統(tǒng)里經(jīng)常沒有這種BIOS。這樣就要提供同等的啟動(dòng)代碼。在大多數(shù)情況下，一個(gè)最小的通電自檢模塊，可以檢查內(nèi)存的正常運(yùn)行、讓LED閃爍，并目驅(qū)動(dòng)其它必須的硬件以使主LinuxOS啟動(dòng)和運(yùn)行。

2．需要虛擬內(nèi)存嗎?由于CPU的原因，在嵌入式Linux中保存虛擬內(nèi)存代碼是明智的，因?yàn)閷⑺宄苜M(fèi)事。而且還有另外一個(gè)原因——它支持共享文本，這樣就可以使許多程序共享一個(gè)軟件。虛擬內(nèi)存的調(diào)入功能可以被關(guān)掉，只要將交換空間的大小設(shè)置為零。然后，如果用戶寫的程序比實(shí)際的內(nèi)存大，系統(tǒng)就會(huì)當(dāng)作用戶的運(yùn)行用盡了交換空間來處理，這個(gè)程序?qū)⒉粫?huì)運(yùn)行。

3．選用什么樣的文件系統(tǒng)?實(shí)際上，許多商業(yè)性嵌入式系統(tǒng)，提供文件系統(tǒng)作為選項(xiàng)。許多或者是專用的文件系統(tǒng)或者是MS-DOS-Compatible文件系統(tǒng)。Linux提供MS-DOS-Compatible文件系統(tǒng)，同時(shí)還有其它多種選擇。文件系統(tǒng)可以被放在傳統(tǒng)的磁盤驅(qū)動(dòng)器、FlashMemory或其它這類的介質(zhì)上。而且，用于暫時(shí)保存文件，一個(gè)小RAM盤就足夠了。

4．如何消除嵌入式Linux系統(tǒng)對(duì)磁盤的依賴？在一個(gè)嵌入式系統(tǒng)里，可能沒有磁盤。有兩種途徑可以消除對(duì)磁盤的依賴，這要看系統(tǒng)的復(fù)雜性和硬件的設(shè)計(jì)。在一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)里，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，內(nèi)核和所有的應(yīng)用程序都在內(nèi)存里。這就是大多數(shù)傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)工作模式，它同樣可以被Linux支持。有了Linux，就有了第二種可能性。因?yàn)長(zhǎng)inux已經(jīng)有能力“加載”和“卸載”程序，一個(gè)嵌入式系統(tǒng)就可以利用它來節(jié)省內(nèi)存。

5．嵌入式Linux達(dá)到怎樣的實(shí)時(shí)性?在嵌入式領(lǐng)域中，實(shí)時(shí)并非是最重要的。嵌入式系統(tǒng)常常被錯(cuò)誤地分為實(shí)時(shí)系統(tǒng)，盡管多數(shù)系統(tǒng)一般并不要求實(shí)時(shí)功能。實(shí)時(shí)是一個(gè)相對(duì)的詞，常常被嚴(yán)格地定義實(shí)時(shí)為對(duì)一事件以預(yù)定的方式在極短的時(shí)間如微秒作出響應(yīng)，漸漸地，在如此短暫時(shí)間間隔內(nèi)的嚴(yán)格實(shí)時(shí)功能在專用DSP芯片或ASIC上實(shí)現(xiàn)了。只有在設(shè)計(jì)低層硬件FIFO、分散/聚集DMA引擎和定制硬件時(shí)才會(huì)有這樣的要求。

11.4.2嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境

嵌入式Linux開發(fā)流程

11.4.3開發(fā)嵌入式Linux的步驟1．精簡(jiǎn)內(nèi)核構(gòu)造內(nèi)核常用命令包括：makeconfig，dep，clean，mrproper，zImage，bzImage，modules，modulesinstall。（1）makeconfig核心配置，（2）makedep尋找依存關(guān)系。（3）makeclean清除以前構(gòu)核所產(chǎn)生的所有目標(biāo)文件、模塊文件、核心以及一些臨時(shí)文件等，不產(chǎn)生任何文件。（4）makermproper刪除所有因構(gòu)核過程中產(chǎn)生的所有文件。

（5）make,makezImage,makebzImagemake：構(gòu)核。makezImage：在make的基礎(chǔ)上產(chǎn)生壓縮的核心映象文件./arch/$(ARCH)/boot/zImage以及在./arch/$(ARCH)/boot/compresed/目錄下產(chǎn)生一些臨時(shí)文件。makebzImage：在make的基礎(chǔ)上產(chǎn)生壓縮比例更大的核心映象文件./arch/$(ARCH)/boot/bzImage以及在./arch/$(ARCH)/boot/compresed/目錄下產(chǎn)生一些臨時(shí)文件。在核心太大時(shí)進(jìn)行。（6）makemodules編譯模塊文件。（7）makemodulesinstall

2．系統(tǒng)啟動(dòng)bootsect是第一個(gè)被讀入內(nèi)存中并執(zhí)行的程序。bootsect的啟動(dòng)程序如下：第一步，bootsect將它從被ROMBIOS載入的絕對(duì)地址0x7C00處搬到0x90000處，然后利用一個(gè)jmpi（jumpindirectly）的指令，跳到新位置的jmpi的下一行去執(zhí)行。第二步，將其他segmentregisters包括DS,ES,SS都指向0x9000這個(gè)位置，與CS看齊。另外將SP及DX指向一任意位移地址（offset），這個(gè)地址等一下會(huì)用來存放磁盤參數(shù)表（diskpara-metertable）。第三步，接著利用BIOS中斷服務(wù)int13h的第0號(hào)功能，重置磁盤控制器，使得剛才的設(shè)定發(fā)揮功能。

第四步，完成重置磁盤控制器之后，bootsect就從磁盤上讀入緊鄰著bootsect的setup程序，也就是setup.S，此讀入動(dòng)作是利用BIOS中斷服務(wù)int13h的第2號(hào)功能。Setup的image將會(huì)讀入至程序所指定的內(nèi)存絕對(duì)地址0x90200處，也就是在內(nèi)存中緊鄰著bootsect所在的位置。待setup的image讀入內(nèi)存后，利用BIOS中斷服務(wù)int13h的第8號(hào)功能讀取目前磁盤的參數(shù)。第五步，讀入Linux的kernel。在讀入前，將會(huì)先呼叫BIOS中斷服務(wù)intl0h的第3號(hào)功能，讀取游標(biāo)位置，之后再呼叫BIOS中斷服務(wù)intl0h的第13h號(hào)功能，在屏幕上輸出字串“Loading…”，這個(gè)字串在bootlinux時(shí)都會(huì)首先被看到。第六步，接下來做的事是檢查rootdevice

3．驅(qū)動(dòng)程序在Linux系統(tǒng)里，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序所提供的這組入口點(diǎn)由一個(gè)結(jié)構(gòu)來向系統(tǒng)進(jìn)行說明，此結(jié)構(gòu)定義為：#include<linux/fs.h>structfile_operations{int(*lseek)(structinode*inode,structfile*filp,off_toff,intpos);int(*read)(structinode*inode,structfile*filp,char*buf,intcount);int(*write)(structinode*inode,structfile*filp,char*buf,intcount);

int(*readdir)(structinode*inode,structfile*filp,structdirent*dirent,intcount