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嵌入式操作系统移植(在Microblaze处理器上进行uclinux移植)
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2011-03-10
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介绍了嵌入式操作系统相关知识后,以Microblaze处理器上进行uclinux移植为例,详细地展示了整个实验的开发流程。
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第五章 嵌入式操作系统
5.1 嵌入式操作系统简介
5.1.1 产生与发展
嵌入式系统是计算机系统的一种,因而嵌入式系统也可以分为软硬件两部
分 , 和 桌 面 计 算 机 系 统 一 样 , 嵌 入 式 操 作 系 统 ( Embedded Operating
System,EOS)是嵌入式软件系统的核心部分。在一个完整的嵌入式系统中,
嵌入式操作系统介于底层硬件和上层应用程序之间,它是整个系统中不可缺少的
重要组成部分。嵌入式操作系统与传统操作系统的基本功能是一致的,即:首
先嵌入式操作系统必须能正确、高效地访问和管理底层的各种硬件资源,很好
地处理资源管理中的冲突;其次嵌入式操作系统要能为应用程序提供功能完备、
使用方便、与底层硬件细节无关的系统调用接口。
嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展经历了几个比较明显的的阶段:
第一阶段:无操作系统,以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统,具
有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。应用于一些专业性极强的工业控制
系统中,通过汇编语言编程对系统进行直接控制,运行结束后清除内存。系统
结构和功能都相对单一,处理效率较低,存储容量较小,几乎没有用户接口。
第二阶段:以嵌入式 CPU 为基础、简单操作系统为核心的嵌入式系统。其
种类繁多,通用性比较差;系统开销小,效率高;一般配备系统仿真器,操作
系统具有一定的兼容性和扩展性;应用软件较专业,用户界面不够友好;系统
主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。
第三阶段:通用的嵌入式实时操作系统阶段,以嵌入式操作系统为核心的
嵌入式系统。能运行于各种类型的微处理器上,兼容性好;内核精小、效率高,
具有高度的模块化和扩展性;具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络
支持、图形窗口以及用户界面等功能;具有大量的应用程序接口( API);嵌
入式应用软件丰富。
第四阶段:以基于 Internet 为标志的嵌入式系统,这是一个正在迅速发展的
阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于 Internet 之外,但随着 Internet 的发展以
及互联网络技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切,基于 Internet 的嵌
入式操作系统必将成为主要发展趋势。
5.1.2 常见嵌入式操作系统
嵌入式操作系统与嵌入式设备的应用有密切关系,嵌入式软件由于受体积
和功耗的限制一般都经过裁减确保以最小的状态实现必要的功能,因而理论上
针对每一种嵌入式应用都可以定制一套包含操作系统的嵌入式应用软件。事实
上早期的嵌入式软件系统就是由应用程序添加必要的控制指令形成的。当系统
变得较为复杂后,对系统中断的处理以及多个功能模块之间的协调也变得越来
越复杂,为了保证中断相关处理的正确性和完整性,保证不同模块之间对硬件
资源的共享和互斥,保证系统能定期执行各种任务,嵌入式软件开发小组不得
不编写和维护一个复杂的专用操作系统和应用程序的结合体,这样做使得系统
的开发和维护成本加大,也不利于系统的升级。而硬件资源的增加使得嵌入式
系统容纳较为庞大的操作系统成为可能。所以发展成熟而功能较为全面的嵌入
式操作系统成为更好的解决方案,目前主要有两种类型的商用嵌入式操作系统,
一类是专为嵌入式系统设计发展的实时操作系统,如 VxWorks,eCos,Palm OS
和 uC/OS II 等,第二类为由传统操作系统根据嵌入式系统特性改进而得到的操
作系统,例如微软的 WinCE 以及各种嵌入式 Linux 系统。
1.VxWorks
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),是 Tornado 嵌入式开发环境的关键组成部分。良
好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境,在嵌入式实时操
作系统领域逐渐占据一席之地。
VxWorks 具有可裁剪微内核结构、高效的任务管理、灵活任务间通讯、微
秒级的中断处理、支持 POSIX1003.1b 实时扩展标准、支持多种物理介质及标准
的、完整的 TCP/IP 网络协议等。
然而其价格昂贵。由于操作系统本身以及开发环境都是专有的,价格一般
都比较高,通常需花费 10 万元人民币以上才能建起一个可用的开发环境,对每
一个应用一般还要另外收取版税。一般不通供源代码,只提供二进制代码。
2.WinCE
Windows CE 与 Windows 系列有较好的兼容性无疑是 Windows CE 推广的一
大优势。其中 WinCE3.0 是一种针对小容量、移动式、智能化、32 位的模块化
实时嵌入式操作系统。为建立针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务
提供了一种功能丰富的操作系统平台,它能在多种处理器体系结构上运行。它
是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。
它的模块化设计允许它对从掌上电脑到专用的工业控制器的各种电子设备进行
定制。操 科系统 的 基本内核 需要至 少 200 K B 的 ROM 。从 技术角度 上 讲
Windows CE 作为嵌入式操作系统有很多缺陷:没有开放源代码,使应用开发人
员很难实现产品的定制,在效率、功耗方而的表现并不出色,而且和 Windows
一样占用大量系统内存,运行的应用程序版权许可费也是不得不考虑的因素。
3.uC/OS II
uC/OS II 是著名的源代码公开的实时内核,是专为嵌入式应用设计的,可
用于 8 位,16 位和 ,32 位单片机或数字信号处理器。它是在原版本的基础上做
了重大改进与升级,并有了近十年的使用实践,有许多成功应用该实时内核的
实例。它的主要特点如下:
公开源代码:很容易就能把操作系统移植到各个不同的硬件平台上;
可移植性:绝大部分源代码是用 C 语言写的,便于移植到其他微处理器上;
可裁剪性:有选择的使用需要的系统服务,以减少所需的存储空间;
占先式:完全是占先式的实时内核,即总是运行就绪条件下优先级最高的
任务;
多任务:可管理 64 个任务,任务的优先级必须是不同的,不支持时间片轮
转调度法;
可确定性:函数调用与服务的执行时间具有其可确定性,不依赖于任务的
多少;
实用性和可靠性:成功应用该实时内核的实例,是其实用性和可靠性的最
好证据。
4.嵌入式 Linux 系统
嵌入式 Linux 是日益庞大的 Linux 家族中一个新成员,目前发展十分迅速,
根据简单统计,目前正在开发的嵌入式项目约有一半选用嵌入式 Linux 作为其
操作系统。嵌入式 Linux 秉承了 Linux 家族的最大特点:开放性,因而其开发成
本和可订制性非常出色,但是传统的 Linux 不是一个实时操作系统,不太适合
嵌入式应用,因此许多产商和爱好者开发了多种具有实时性的嵌入式 Linux 系
统,例如:RTLinux、RTAI、EL 和 Linux-SRT 等。
RTLinux 是 一 个 最 初 在 新 墨 西 哥 理 工 学 院 开 发 的 硬 实 时 Linux
API。RTAI(DIAPM)是由 Polytechnic Politecnico di Milano(DIAPM)航天工
程部的程序员们开发的 RTLinux 实时 API 的副产品。EL/IX 是一个计划中的基
于 POSIX 硬实时 Linux API,由 Red Hat 发起。Linux-SRT 是个实时 API 的软实
时替代品,它可以使所有的 Linux 程序无需修改或者重新编译即可增强性能。
图 5.1.1 各种嵌入式操作系统及应用领域
5.1.3 系统选用原则
嵌入式操作系统所具有的实时、高可靠、低功耗等特性也是嵌入式开发选
用操作系统的一些基本要求,除此之外,嵌入式操作系统的选取还有另外一些
需要考虑的因素。
1.可移植性和兼容性:
某些嵌入式系统具有较为广泛的应用场合,需要考虑在不同硬件平台之间的
可移植性以及应用软件的兼容性,很难想象为某个掌上电脑开发的操作系统不
支持常用的网络浏览器或即时通讯工具。嵌入式 Linux 和 WinCE 在应用程序资
源方面无疑比 VxWorks 等产品来的丰富,前者的可移植性更是远好于 WinCE,
可以应用于包括 ARM,PPC,68000 等一系列处理器平台。
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资源评论
- youweiaaa2013-07-10我按照文档里的方法试过了,成功的在microblaze上移植了linux,赞一个!
- dickwzz2012-09-13相当的全面、详细,正好最近研究!
bailf
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