嵌入式Linux系統(tǒng)在ARM平臺上的構建

【摘要】隨著科學技術的不斷進步，嵌入式系統(tǒng)在人們的日常工作和生活的多個領域都得到了大量的應用。Linux操作系統(tǒng)良好的穩(wěn)定性、高度的可靠性以及免費公開等優(yōu)點，讓其成為嵌入式系統(tǒng)的最佳選擇。文章研究了嵌入式Linux系統(tǒng)在ARM平臺上的構建。

【關鍵詞】嵌入式系統(tǒng)；ARM平臺；構建

當今時代，嵌入式系統(tǒng)相關技術得到了非常迅速的發(fā)展，其應用也涉及了人們的生活和工作的多個領域，目前嵌入式處理器已經(jīng)占到分散處理器市場份額的90%以上。嵌入式操作系統(tǒng)有包括嵌入式Linux操作系統(tǒng)在內的很多種，嵌入式Linux操作系統(tǒng)是其中應用效果最好的一種，不僅具備Linux系統(tǒng)的穩(wěn)定性好、軟件豐富等優(yōu)點，還能夠支持各種處理器和硬件平臺、占用存儲空間少、成本較低。文章探究了嵌入式Linux系統(tǒng)在ARM平臺上的構建。

1、嵌入式Linux操作系統(tǒng)

1.1嵌入式系統(tǒng)

一般來說，嵌入式系統(tǒng)是指圍繞應用這一核心，通過計算機技術構建的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的軟硬件都具有良好的靈活性，可以根據(jù)實際需求進行調整，能夠在應用系統(tǒng)對功耗、體積、成本等多個方面有較高要求時得到很好的應用。除此之外，廣義上的嵌入式系統(tǒng)包括所有不用于通用目的的可編程計算機設備。嵌入式系統(tǒng)主要有三個明顯的特點。第一，嵌入式系統(tǒng)一般都是根據(jù)具體的需求設計的，需要和用戶情況、產(chǎn)品要求以及應用需求聯(lián)系起來，在實際的工作過程中必須考慮這三方面的因素，因此，嵌入式系統(tǒng)的專用性很強。第二，嵌入式系統(tǒng)不僅使用了計算機技術作為設計基礎，還運用了半導體技術和電子技術，同時應用了其他多個領域的知識與技術，是一種覆蓋多種技術、橫跨數(shù)個學科、資金密集的知識集成系統(tǒng)，而且具有很強的發(fā)展性和創(chuàng)新性。第三，嵌入式系統(tǒng)中的硬件和軟件都需要根據(jù)實際的應用需求進行裁剪。

嵌入式系統(tǒng)包括三個主要的組成部分，分別是硬件、應用軟件、實時操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的硬件組成部分有復位及振蕩電路、處理器、定時器、中斷控制、輸入輸出設備接口及驅動電路、ROM、RAM、串行口、并口以及系統(tǒng)專用電路。嵌入式系統(tǒng)的應用軟件是用于實現(xiàn)系統(tǒng)各項功能的主要軟件，應用軟件在運行過程中，既能通過單一任務完成，也能通過并行的多個任務共同完成。嵌入式系統(tǒng)中的實時操作系統(tǒng)的功能是管理各個應用軟件，并為系統(tǒng)的運行提供一種機制，保證處理器能夠在滿足時限要求的同時，分時運行多個任務。

1.2Linux內核

內核是操作系統(tǒng)的內部核心程序，為外部提供對計算機設備的核心管理調用。在之前很長一段時間，操作系統(tǒng)大多采用單一內核，操作系統(tǒng)中的各種系統(tǒng)功能都被存儲于內核中，程序需要通過系統(tǒng)調用的界面來訪問內核結構。現(xiàn)在的操作系統(tǒng)則大多使用微內核結構，這類操作系統(tǒng)的內核的功能非常簡單，只包括最基本的一部分，其他管理程序位于內核之外，能夠獨立運行。Linux系統(tǒng)采用了單一內核結構，其開發(fā)者將代碼執(zhí)行效率置于首位，注重對全局性的優(yōu)化，因此損失了一定的結構精煉。與一般的單一內核系統(tǒng)不同的是，Linux系統(tǒng)內核中的部分代碼并不是固定的，能夠通過人為操作調整裝載狀態(tài)，這樣的代碼段被稱為模塊，Linux系統(tǒng)可以在需要的時候自行載入或卸載模塊。Linux系統(tǒng)的內核是非搶占式的，因此，Linux不能通過改變優(yōu)先權來調整內核當前的執(zhí)行流程。Linux操作系統(tǒng)以獨占的方式執(zhí)行最底層任務，其內核具有很強的穩(wěn)定性和很高的計算效率這使得其他程序能夠保持正常運行的狀態(tài)。

Linux內核包括五個組成部分。其一，進程管理。進程是指在自己的虛擬地址空間中運行的程序，主要包括交互進程、批處理進程以及守護進程三種。交互進程是由shell控制和運行的，同時具有前臺運行和后臺運行的能力；批處理進程并不屬于某一終端，而是被提交到隊列中進行順序執(zhí)行；守護進程一般在Linux啟動時開始執(zhí)行，這類進程在需要時被喚起后臺運行。進程在運行過程中會占用各類系統(tǒng)資源，會調用CPU對進程指令進行處理，調用物理內存保存進程數(shù)據(jù)，有時還會打開各類文件或者使用系統(tǒng)中的各類物理設備。在Linux系統(tǒng)運行過程中，進程管理程序主要實現(xiàn)以下功能，對進程狀態(tài)的控制，在系統(tǒng)有更高的資源需求時，暫時中止進程，在資源空閑時讓進程恢復運行；與資源管理程序相關聯(lián)，完成對資源管理；根據(jù)系統(tǒng)的資源分配機制進行資源的調用等。

其二，內存管理。操作系統(tǒng)的絕大部分任務都需要對內存進行防問，然而內存是有限的，如果不能做好內存資源的分配，就會導致系統(tǒng)運行異常，因此，內存管理系統(tǒng)是非常重要的。內存管理系統(tǒng)包括以下五項功能。大地址空間，系統(tǒng)內存大小是固定的，但在必要時內存管理系統(tǒng)能夠通過一些算法讓程序使用更大虛擬內存；保護，每一個任務進程所使用的內存都是專用的，不會受到其他進程的影響；內存映射，內存管理程序可以將某一文件映射到虛擬內存區(qū)域，然后就能以訪問內存的方式進行該文件的訪問；公平的內存訪問，內存管理程序能夠保證各個進程公平的使用計算機內存資源，從而提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和高效性；共享內存，進程的內存雖然具有專用性，但在內存管理程序的干涉下能夠進行部分共享。

其三，文件系統(tǒng)管理。Linux系統(tǒng)能夠支持多種物理設備，其文件系統(tǒng)可以提供對多個硬件設備的訪問，支持多種不同的邏輯文件系統(tǒng)，支持多種可執(zhí)行文件格式，為系統(tǒng)中所有的邏輯文件系統(tǒng)和硬件設備提供通用接口，而且性能很好，能夠高速的訪問文件，不會導致數(shù)據(jù)信息的丟失或損壞，此外，其保密性也十分良好，可以限制用戶訪問文件的權限和大小。其四，進程間通信。Linux系統(tǒng)具有進程間通信機制，從而讓并發(fā)執(zhí)行的進程能夠共享資源并交換數(shù)據(jù)。其五，網(wǎng)絡接口。嵌入式Linux系統(tǒng)的應用不斷推廣，與因特網(wǎng)的連接也越來越有必要，因此系統(tǒng)必須有TCP/IP協(xié)議的支持。Linux系統(tǒng)原有的TCP/IP協(xié)議在嵌入式系統(tǒng)中并不適用，實現(xiàn)過程過于復雜，依然需要不斷的研究開發(fā)。

2、基于ARM平臺的嵌入式Linux系統(tǒng)

2.1、嵌入式系統(tǒng)平臺

第一，硬件平臺。基于ARM平臺的嵌入式Linux系統(tǒng)采用的HFRK2410開發(fā)板是基于三星公司S3C2410高性能ARM處理器的嵌入開發(fā)平臺，采用S3C2410 ARM920T的CPU，存儲器則采用64M的SDRAM和NAND Flash，集成串口、SD卡控制器、USB Host以及USB device控制器，同時還具有以太網(wǎng)接口、音頻接口等。這一硬件平臺具有良好的可擴展性，軟件和硬件都可以根據(jù)實際的需求進行定制。S3C2410屬于ARM9系列微處理器，可以在無限設備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機頂盒等多種設備中應用。ARM9系列微處理器不僅具有高性能和低功耗的優(yōu)點，還具有良好的指令和數(shù)據(jù)處理能力。

第二，軟件平臺。基于ARM平臺的嵌入式Linux系統(tǒng)的軟件平臺主要有交叉編譯器、系統(tǒng)引導程序、嵌入式Linux操作系統(tǒng)內核以及文件系統(tǒng)四個組成部分。交叉編譯器運行于宿主機，可以編譯生成在目標機上運行的二進制文件。系統(tǒng)引導程序又叫做BootLoader，作用與PC機中的BIOS類似，負責將系統(tǒng)內核固化到flash中以及進行系統(tǒng)初始化，然后把系統(tǒng)的控制權交給操作系統(tǒng)。嵌入式Linux操作系統(tǒng)內核是在系統(tǒng)通電運行之后的管理平臺，負責系統(tǒng)中各類任務的管理。文件系統(tǒng)則存儲了系統(tǒng)配置文件、系統(tǒng)程序、用戶應用程序以及驅動程序，占用了大量的存儲空間，是與用戶開發(fā)關系最為緊密的一部分。

2.2開發(fā)環(huán)境

嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)必須在一定的開發(fā)環(huán)境中進行。在嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)的初始階段，首先要在主機上進行交叉編譯，設計啟動引導代碼和操作系統(tǒng)核心，然后再將主機與目標系統(tǒng)連接起來，兩者同時運行，進行嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)設計。目標系統(tǒng)是需要建立的嵌入式應用系統(tǒng)，文章探究的目標系統(tǒng)構建于ARM平臺，還包括了操作系統(tǒng)、各類工具和系統(tǒng)軟件等。主機系統(tǒng)使用ARM公司開發(fā)的能夠在Windows平臺工作的ADS開發(fā)工具，如果是在Linux系統(tǒng)中進行開發(fā)，則采用自己生成的交叉編譯器。在Linux系統(tǒng)中開發(fā)嵌入式Linux操作系統(tǒng)更加方便，主機系統(tǒng)和目標系統(tǒng)都采用相同的操作系統(tǒng)，這樣在進行內核的編譯時可以在編譯完成后直接在目標系統(tǒng)中運行。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程是這樣的，首先，在Linux系統(tǒng)中設計交叉編譯器，然后在Windows環(huán)境下通過ADS開發(fā)工具設計啟動程序，最后在Linux系統(tǒng)中通過交叉編譯器編譯嵌入式系統(tǒng)的各個軟件部分。如果系統(tǒng)經(jīng)過測試能夠順利運行，就把主機系統(tǒng)轉移到Linux中，建立交叉編譯環(huán)境，根據(jù)開發(fā)需求處理Linux內核，設計相應的根文件系統(tǒng)，最后下載到制定的位置。

2.3 BootLoader

BootLoader是系統(tǒng)啟動運行的第一段軟件代碼，ARM9處理器采用VIVI作為BootLoader，由韓國Mizi公司開發(fā)。BootLoader負責嵌入式系統(tǒng)的加載啟動任務，能夠對硬件設備進行初始化、建立內存空間映射圖，將系統(tǒng)調整到合適的軟硬件狀態(tài)，從而為系統(tǒng)各項功能和操作的實現(xiàn)提供良好的環(huán)境。一般BootLoader具有啟動加載和下載兩種模式。啟動加載模式是將操作系統(tǒng)從某一存儲設備中加載到RAM中，這不需要用戶的干預。下載模式是從主機中下載文件，然后保存到目標機的RAM中，最后被寫入某一FLASH類固態(tài)存儲設備中。這一模式會在第一次安裝內核與根文件時使用，在系統(tǒng)更新中也會得到使用，此模式下BootLoader一般會為用戶提供一個命令行接口。

2.4內核剪裁和根文件系統(tǒng)

在建立嵌入式Linux系統(tǒng)時，還需要進行內核的剪裁以及根文件系統(tǒng)的建立。內核剪裁可以通過Linux自身的配置工具進行，編譯定制的內核，這種方法操作簡單，應用性最強。此外也能通過修改內核源代碼進行內核剪裁，還能夠在系統(tǒng)調用關系的基礎上進行內核剪裁。嵌入式Linux系統(tǒng)內核剪裁是為了讓內核最小化，在保證必要功能的前提下進行內核的優(yōu)化。配置內核有#make config #make menuconfig以及#make xconfig三種命令。嵌入式Linux系統(tǒng)在進行引導系統(tǒng)時，使用的默認文件系統(tǒng)是根文件系統(tǒng)，根文件系統(tǒng)存放著各種工具、應用程序以及模塊等。

文章對嵌入式Linux系統(tǒng)在ARM平臺上的構建進行了初步的探究，分析了嵌入式Linux系統(tǒng)的內核、開發(fā)平臺、開發(fā)環(huán)境等多個方面的內容。Linux系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和高性能，在嵌入式系統(tǒng)中必然會得到更廣泛的應用。

參考文獻：

[1]孟彥君 徐玉斌.TCP/IP協(xié)議應用于嵌入式系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].太原重型機械學院學報，2015，（12）：22-23.

[2]陳艷.引導加載程序vivi的分析和移植研究[J].電子設計應用，2015，（11）：44-45.

[3]李宗海 陳蜀宇 李海偉.嵌入式Linux系統(tǒng)在ARM平臺上的構建[J].計算機系統(tǒng)應用，2014，（10）：30-31.

[4]耿道渠 郭春 李小龍 柴俊.基于ARM9的嵌入式Linux系統(tǒng)移植研究與QoS功能實現(xiàn)[J].四川大學學報（自然科學版），2014，（4）：10-11.

作者簡介：李沙，女，1986年11月，廣東高州人，本科，研究方向：計算機應用。