嵌入式Linux操作系統的實現及其應用研究

楊昊天

摘 要：隨著計算機、通信、消費設備的不斷融合與發展，計算機的微型化和綜合化已經成為不可避免的一項趨勢。這一發展趨勢促使了嵌入式系統的出現和應用。隨著應用的不斷推廣和科技的進一步發展，嵌入式系統的復雜性也在不斷增加，其功能的完整性也有所提升。為此，本文對嵌入式Linux操作系統的設計及應用進行了分析。

關鍵詞：嵌入式系統；Linux操作系統；應用

中圖分類號：TP316 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）12-0-02

0 引 言

嵌入式操作系統是嵌入式系統中最重要的組成部分，其設計和安裝效果直接決定著嵌入式系統的整體功能和質量。Linux操作系統是一種具有開放性的嵌入式操作系統，在國外具有廣泛的應用。本文介紹了嵌入式系統的設計要求及Linux操作系統的一些特征，并對其設計及應用提出了一些思考。

1 嵌入式系統

嵌入式系統是一種以應用程序為核心，以計算機技術為支持的對軟件及硬件進行裁剪的，具有良好的穩定性、適應性的計算機程序。嵌入式系統包括處理機、支持硬件、嵌入式操作系統等幾個部分組成。可以看出，嵌入式系統是計算機技術與電子技術、半導體技術結合的產物，可以實現對軟件、硬件的管理和應用，是一類具有綜合功能、技術密集、投資較高的技術型系統。

事實上，嵌入式系統在人們的日常生活中已得到了廣泛的應用。人們使用的許多電子設備中都包含著嵌入式系統，例如MP3、pad、智能電器、車載GPS等。嵌入式技術在未來將有更廣闊的應用前景，很可能成為計算機之后第二大發明。

1.1 嵌入式系統的發展歷史及現狀

嵌入式系統的發展總共經歷了四個階段：

第一個階段的嵌入式系統是以單芯片為核心技術的可編程系統。這種系統具有較為完善的監測功能和配置功能，通常被應用于一些專業性要求較高的設備中。在應用時，這種系統不需要操作系統的輔助，而是采用匯編語言對系統進行直接的控制，在運行結束后可以自動清除系統中殘留的信息。第一個階段的嵌入式系統的主要特點是系統的結構較為簡單，功能較為單一，能夠處理的數據量較小，存儲的容量較小。

第二個階段嵌入式系統采用了CPU為核心控制器。由于CPU的種類較多，在兼容性上有所不足。系統的建設和使用成本較高。系統的使用面較為狹窄，主要用于控制監控系統的運行。

第三個階段的嵌入式系統是以嵌入式的操作系統為標志。這一階段的嵌入式操作系統在兼容性上有了明顯的提升，在各種設備中都能進行使用，操作系統的運行效率有了極大的提升，并且表現出了良好的模塊化。

第四個階段嵌入式系統的發展以互聯網的應用為標志。互聯網的應用為嵌入式系統的應用提供更廣泛的平臺，但當前絕大多數系統還不具備與互聯網連接使用的功能。隨著互聯網技術和嵌入式技術的進一步發展，這一目標將會成為現實。

1.2 嵌入式系統體系結構

嵌入式系統的體系結構由四個部分組成，分別是嵌入式處理器、嵌入式外圍設備、嵌入式操作系統和嵌入式應用軟件。嵌入式處理器是嵌入式系統的核心部分。與一般的處理器相比，嵌入式處理器的優勢在于，它通常是專門定制的，因此在專業性上有更好的保障。此外，在運行效率和穩定性上也有更好的表現。嵌入式外圍設備包括存儲設備、通信設備、調試設備、顯示設備等。根據功能劃分可以分為存儲設備、通信設備和顯示設備三大類。存儲設備主要用于數據的存儲，分為靜態存儲器、動態存儲器等。嵌入式操作系統集中了存儲、處理、調度等功能，能夠提高系統的便捷性和綜合性。嵌入式應用系統具有一定的專業性，主要用于固定的平臺中，從而滿足用戶的使用需求。用戶對系統通常有較高的時間和精確度上的要求，嵌入式應用系統就是為了滿足用戶的這些需求。與普通的應用程序相比，嵌入式系統在準確性、穩定性、安全性上有更好的表現，并且還具有良好的環保性和經濟性。

2 嵌入式操作系統

2.1 嵌入式操作系統的定義

嵌入式操作系統是在嵌入式系統中負責支持嵌入式應用程序運行的操作系統，一般包含驅動軟件、系統內核、通信協議、瀏覽器等部分。與普通的操作系統相比，在系統的時效性、硬件相關性上都有較好的性能。嵌入式操作系統除了具備一般操作系統的基礎功能，如任務調度、終端處理、文件傳輸等外，還具有以下的一些優點：第一，可裝卸性。由于系統的開放和伸縮性，嵌入式系統具有良好的可裝卸性；第二，良好的時效性。嵌入式操作系統可以安裝在各種終端控制設備中；第三，操作簡單方便，擁有簡潔直觀的圖形界面，便于學習和掌握；第四，強穩定性，弱交互性。

2.2 幾種典型的嵌入式操作系統

操作系統是計算機中的核心部件，也是嵌入式系統的關鍵組成成分。嵌入式操作系統的性能直接決定著嵌入式系統的功能和工作效率。

根據嵌入式操作系統的用途，可以將其分為兩類，分別是非實時系統和實時系統。非實時系統主要用于消費電子產品中，包括數字助理、移動電話等設備。實時操作系統主要用于控制、通信、醫療等方面。上個世紀末，發達國家就開始將嵌入式系統用于商業化的操作系統開發商，嵌入式操作系統的應用領域更加的廣泛。這些系統具有較強的專業性，為嵌入式系統的應用奠定了良好的基礎。但在制造成本上較為高昂，且源代碼的開放性不高，在一定程度上限制了其發展。為了解決這一困境，Linux系統被研發了出來，成為商業系統中應用最為廣泛的嵌入式操作系統。Linux具有許多突出的優點，從而獲得了系統開發商的重視和發展。

3 嵌入式Linux操作系統

3.1 Linux操作系統

Linux操作系統是出了windows操作系統外使用最為廣泛的操作系統之一。Linux操作系統與一般的操作系統相比，主要有三個方面的優勢。首先，Linux操作系統的源代碼具有較強的開放性，因此，只要在使用過程中遵循GPL條款，用戶可以隨意下載系統，并自行進行更改和發布；其次，Linux系統可以有效的實現存儲、管理、多處理器等功能；最后，Linux系統具有較強的靈活性和創新性。

Linux系統是基于現代計算機技術的新型操作系統，其中包含了多種先進的技術手段，能夠實現多用戶多任務的實時管理，能夠支持各種處理軟件。再加上Linux系統良好的開放性，使得世界各地的用戶都能進行下載、使用，還能使更多的專家對其進行調整和完善，為其增添新的功能。Linux作為一項現代科技的產物，會隨著科技的發展不斷的進行創新和完善，當前，其功能的完善性和多樣性已經處于世界的先列。隨著其功能的不斷增加、靈活性的提升和開放性的增加，它的應用將會更加的廣泛。Linux系統不僅可以應用于個人電腦中，在嵌入式系統中也能發揮極大的作用。Linux系統良好的網絡功能使得嵌入式系統具有更強的網絡親和力，為互聯網的連接和擴展提供了一個良好的平臺。

3.2 嵌入式Linux操作系統

嵌入式Linux操作系統是根據嵌入式系統自身的特點而設計制造而成的一種小型操作系統。它只含有一個內核和一些必要的系統模塊，因此所需的存儲空間很小。它具有良好的時效性，還能進行多任務多進程的管理。與一般的操作系統相比，Linux系統最大的特點在于，它的源代碼是開放的，可隨意的剪裁其軟件系統，在嵌入式系統中具有良好的作用。Linux還具有強大的網絡功能，為今后進一步發展奠定了基礎。Linux系統經濟、簡潔、穩定的優點充分滿足了嵌入式系統對操作系統的要求，因而在嵌入式系統中得到了廣泛的應用。

3.3 Linux操作系統的優點

首先，Linux系統的穩定性很高，功能十分強大和完善，可以支持多種硬件和軟件的應用，操作簡單方便。Linux是一個功能十分完善的操作系統，可以在多種處理器上進行應用。但它的體積很小，可以將其內核與系統文件放進一個軟盤上，僅靠一臺硬件機器運轉。Linux系統還可以實現對網絡的啟動。

其次，Linux系統的使用成本很低。傳統的操作系統，如應用十分廣泛的windows系統都需要付費進行下載，在使用應用軟件時還需要支付額外的費用。但Linux系統是完全免費的，只要用戶遵守GPL協議，就可以免費下載，還可以獲得相應的軟件工具開發包。這可以為用戶省下一大把支出。

第三，文檔完善。Linux系統支持多種文檔類型，并為首次使用Linux系統的用戶提供了詳盡的使用幫助。Linux系統與互聯網有著緊密的關聯，許多Linux的文檔都可以在互聯網上找到。隨著越來越多的研究人員和用戶參與到Linux系統文檔的收集中，關于Linux系統的理論研究和翻譯書籍正在不斷電增加，從而更好的幫助用戶使用這一操作系統。

第四，強大的網絡功能。Linux系統最顯著的特點就是其強大的網絡功能。幾乎所有的網絡協議都可以在Linux系統上找到，Linux的內核也能更好的處理網絡協議。

嵌入式Linux操作系統的設計

嵌入式操作系統的設計目的是實現系統中各個應用程序的功能，并對不同層次的系統結構提供良好的支持。嵌入式Linux操作系統的設計主要分為四個步驟。

首先，通過智能倉儲系統對區域內的溫度進行收集，這要求嵌入式操作系統具備良好的時效性。但Linux內核的管理模式采用的是分時機制，在時效性上略差，因此在進行Linux系統設計時，應當對其時效性進行提升，并且增強中斷處理的能力。

其次，對嵌入式系統的設計需要從網絡的檢測與控制角度進行，完善設備的采集、監控和維護功能，對設備進行定期的調整與維護，在發現設備故障時及時的進行修復。這要求嵌入式設備在運行的過程中應當適時地對一些關鍵的信息數據進行保存。這樣，即使系統出現故障需要重啟，這些數據也不會丟失。嵌入式系統對操作系統的體積有較高的要求，因此像ide這樣體積較大的存儲設備是無法應用到嵌入式系統中的。嵌入式系統常用的存儲設備是閃存設備。在供電方式上，嵌入式系統采用的是電池供電，在電源的穩定性上較差。為了確保系統在突然斷電的情況下不會丟失重要的信息，應當充分發揮Flash的可擦寫能力，通過Flash來動態的保存數據。

最后，嵌入式系統的應用程序要求顯示屏上能夠顯示出采集的數據信息。這要求嵌入式操作系統具有中文的顯示和處理功能。但是Linux當前的中文顯示功能尚未完善，大多數應用程度只能在應用層內進行中文化。嵌入式設備自身的處理和存儲能力本身就較為有限，要提高系統的中文讀寫能力，就必須從內核上增加中文支持。

最后，嵌入式系統的應用程序應當以開發板作用硬件平臺，并為平臺上的所有硬件設施提供良好的Flash和顯示功能。

4 實時操作系統

實時操作系統是指具有一定的時效性，能夠支持實時性的控制程序的操作系統類型。實時化的操作系統能夠在邊界內提供系統服務，并且能夠顯示出完成服務內容所需要的具體時間。在實時化操作系統上，每一個程序運行所需要的時間都是可以計算的。實時操作系統的使用目的是為了在有限的時間內最大限度的利用系統的資源，實現對系統的控制作用。實時操作系統與分時操作系統有著本質上的區別。分時操作系統對于程序的執行時間并沒有嚴格的要求，在運行時間上的誤差也不會引起太大的問題。而實時性的操作系統對程序運行的時間有著極為嚴格的要求，一旦時間出現誤差就會導致程序運行的失效。

5 結 語

在當前的技術環境下，嵌入式技術有著良好的應用前景。隨著計算機技術的不斷發展，嵌入式系統的功能不斷完善，性能更加優越。嵌入式Linux具有內核高效、源碼開發、軟件種類多樣等特點，是嵌入式系統中重要的研究領域。

參考文獻

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