Linux嵌入式实时操作系统开发与应用.pdf_大学文库

Abstract In the fast-changing world of science and technology.Appeared information appliances,handheld and wireless devices.There are many hardware and software design changes taking place.Many devices now feature 32-bit microprocessors from Intel,MIPS and Motorola,as well as larger LCD graphical displays.In order to leverage the significant results gained in the last ten years,many developers are turning to using friendly user interface operating systems with these new embedded designs. One of the most promising emerging areas seems to be running Linux in these environments,for a couple of good reasons:Linux on embedded systems brings with it the entire power of desktop computing,along with many solutions already running.Linux,being open source,allows any aspect of the solution to be fully understood and then customized for a particular application. Linux also supports all the new microprocessors typically included in embedded designs,including StrongARM,MIPS and PowerPC.Finally,Linux is free,with no royalty payments required for its use.So using Linux as operating system,with a GUI system built on,seems to be a good solution. For the handled devices on the market such as PDA,as to the poor hardware in old days,the function was very simple;we could hardly see the GUI and network support.But recently we found that some embedded operating systems such as Windows CE and Palm OS,have supported complete GUI features.With the great performance improvement of the hardware,we think that the need for embedded OS is urgent. I got interest with Linux operating system several years ago. Combination my specialty,Then I did some research for real-time Linux. Based on these facts,this thesis demonstrates architecture and internals of Linux system used on embedded systems. At first,the thesis outlines the history of embedded systems and real-time systems.Chapter 2 describes related research in area of real-time Linux systems.Chapter 3 details the design and implementation of real-time Linux. Chapter 4 contain a discussion of the application model of real-time Linux.The measurements results of real-time Linux performance can be found in Chapter 5.The last chapter gives some conclusion and foresight. Keywords:Real Time System;Embedded System;RTLinux;Linux Ⅲ

III Abstract In the fast-changing world of science and technology. Appeared information appliances, handheld and wireless devices. There are many hardware and software design changes taking place. Many devices now feature 32-bit microprocessors from Intel, MIPS and Motorola, as well as larger LCD graphical displays. In order to leverage the significant results gained in the last ten years, many developers are turning to using friendly user interface operating systems with these new embedded designs. One of the most promising emerging areas seems to be running Linux in these environments, for a couple of good reasons: Linux on embedded systems brings with it the entire power of desktop computing, along with many solutions already running. Linux, being open source, allows any aspect of the solution to be fully understood and then customized for a particular application. Linux also supports all the new microprocessors typically included in embedded designs, including StrongARM, MIPS and PowerPC. Finally, Linux is free, with no royalty payments required for its use. So using Linux as operating system , with a GUI system built on, seems to be a good solution. For the handled devices on the market such as PDA, as to the poor hardware in old days, the function was very simple; we could hardly see the GUI and network support. But recently we found that some embedded operating systems such as Windows CE and Palm OS, have supported complete GUI features. With the great performance improvement of the hardware, we think that the need for embedded OS is urgent. I got interest with Linux operating system several years ago. Combination my specialty, Then I did some research for real-time Linux. Based on these facts, this thesis demonstrates architecture and internals of Linux system used on embedded systems. At first, the thesis outlines the history of embedded systems and real-time systems. Chapter 2 describes related research in area of real-time Linux systems. Chapter 3 details the design and implementation of real-time Linux. Chapter 4 contain a discussion of the application model of real-time Linux. The measurements results of real-time Linux performance can be found in Chapter 5. The last chapter gives some conclusion and foresight. Keywords: Real Time System; Embedded System; RTLinux; Linux

摘要伴随着科技不断的日新月异推陈出新。信息家电，手持设备，无线设备等个性化设备的出现，相应的硬件和软件的迅速发展。许多设备都配有 Intel,MIPS,摩托罗拉等公司生产的32位微处理器。许多开发商也开始为这些设备提供嵌入式操作系统。嵌入式系统与实时系统将会有越来越重要作用。利用Liux搭建嵌入式操作系统是近年来出现的最令人振奋的方案。这有多方面的原因。首先，运行在嵌入式系统上的Liuⅸ能够提供全功能的桌面计算(Desktop Computing),且由于其开放代码，定制变得非常方便。其次，Liux已经支持大多数嵌入式系统上使用的芯片，包括 StrongARM,MIPS和PowerPC。最后，Linux是免费的，使用Linux不需要付出任何费用。现今风行世界的Liux操作系统，本着开放自由的精神，吸引了全世界的目光，越来越多的程序员加入到它的行列中来。所以利用Liux作为底层操作系统，在其上进行实时化改造，建立一个具有实时应用能力的操作系统是现在日益流行的嵌入式操作系统的解决方案。市场上常见的PDA等小型手持式设备上，以前由于硬件条件等的限制，我们看到功能都非常简单，没有网络、GUI等非常实用方便的功能。但最近出现的Palm等手持式电脑或者在Windows CE等面向嵌入式系统的操作系统上，我们已经看到了完整的网络、图形用户界面支持。随着手持式设备的硬件条件的提高，估计嵌入式系统对嵌入式操作系统的需求会越来越迫切。本人长期以来对Liux操作系统比较感兴趣，并结合本专业，对Linuⅸ 应用于嵌入式实时环境进行了一定的研究。本论文基于这些事实，对面向嵌入式实时环境的Liuⅸ系统的体系结构和一些技术内幕做了较深入的探讨。论文首先概述了嵌入式系统及实时系统的发展情况。第二章介绍了在实时Linux领域的相关研究。第三章介绍了典型的实时系统RTLinux的设计与实现，第四章介绍了RTLinux的编程模型和一些应用实例。本文的第五章将对RTLinux的性能进行测试评估。最后是一点感想和展望。关键词： Linux;RTLinux; 实时系统：嵌入式系统。 IV

IV 摘要伴随着科技不断的日新月异推陈出新。信息家电，手持设备，无线设备等个性化设备的出现，相应的硬件和软件的迅速发展。许多设备都配有 Intel，MIPS，摩托罗拉等公司生产的 32 位微处理器。许多开发商也开始为这些设备提供嵌入式操作系统。嵌入式系统与实时系统将会有越来越重要作用。利用 Linux 搭建嵌入式操作系统是近年来出现的最令人振奋的方案。这有多方面的原因。首先，运行在嵌入式系统上的 Linux 能够提供全功能的桌面计算（Desktop Computing），且由于其开放代码，定制变得非常方便。其次，Linux 已经支持大多数嵌入式系统上使用的芯片，包括 StrongARM , MIPS 和 PowerPC。最后，Linux 是免费的，使用 Linux 不需要付出任何费用。现今风行世界的 Linux 操作系统，本着开放自由的精神，吸引了全世界的目光，越来越多的程序员加入到它的行列中来。所以利用 Linux 作为底层操作系统, 在其上进行实时化改造，建立一个具有实时应用能力的操作系统是现在日益流行的嵌入式操作系统的解决方案。市场上常见的 PDA 等小型手持式设备上，以前由于硬件条件等的限制，我们看到功能都非常简单，没有网络、GUI 等非常实用方便的功能。但最近出现的 Palm 等手持式电脑或者在 Windows CE 等面向嵌入式系统的操作系统上，我们已经看到了完整的网络、图形用户界面支持。随着手持式设备的硬件条件的提高，估计嵌入式系统对嵌入式操作系统的需求会越来越迫切。本人长期以来对 Linux 操作系统比较感兴趣，并结合本专业，对 Linux 应用于嵌入式实时环境进行了一定的研究。本论文基于这些事实，对面向嵌入式实时环境的 Linux 系统的体系结构和一些技术内幕做了较深入的探讨。论文首先概述了嵌入式系统及实时系统的发展情况。第二章介绍了在实时 Linux 领域的相关研究。第三章介绍了典型的实时系统 RTLinux 的设计与实现，第四章介绍了 RTLinux 的编程模型和一些应用实例。本文的第五章将对 RTLinux 的性能进行测试评估。最后是一点感想和展望。关键词： Linux； RTLinux；实时系统；嵌入式系统

V 目录 ABSTRACT................................................................................................................ I 摘要........................................................................................................................ II 目录.......................................................................................................................III 图表及程序目录 ........................................................................................................V 缩略语....................................................................................................................... VI 第一章嵌入式实时系统概况.................................................................................1 1.1 嵌入式系统概况..........................................................................................1 1.1.1 嵌入式技术的历史发展 .......................................................................1 1.1.2 嵌入式系统的技术特点和应用前景...................................................2 1.1.3 典型的嵌入式系统................................................................................3 1.2 实时系统概况..............................................................................................4 1.2.1 什么是实时系统....................................................................................4 1.2.2 实时操作系统的特点 ...........................................................................4 第二章实时系统的相关研究.................................................................................6 2.1 LINUX 的分时特性....................................................................................6 2.2 LINUX 的性能测试....................................................................................8 2.2.1 中断延迟测试........................................................................................8 2.2.2 上下文切换测试..................................................................................11 2.3 当前的实时操作系统 ...............................................................................12 第三章嵌入式实时 LINUX 系统 RTLINUX 的设计与实现...........................16 3.1 RTLINUX 的结构.....................................................................................16 3.2 中断模拟....................................................................................................17 3.3 实时任务....................................................................................................19 3.3.1 实时线程数据结构..............................................................................20 3.3.2 创建线程和线程调度 .........................................................................21 3.4 实时调度....................................................................................................21 3.4.1 实现的调度器......................................................................................21 3.4.2 设计用户自己的调度器 .....................................................................22 3.5 计时............................................................................................................22

VI 3.5.1 时间相关函数......................................................................................23 3.6 进程间通信................................................................................................23 3.6.1 FIFO 设备............................................................................................23 3.6.2 共享内存..............................................................................................24 3.6.3 mbuff 驱动程序....................................................................................25 第四章 RTLINUX 应用程序设计........................................................................26 4.1 程序结构....................................................................................................26 4.2 基本 API ....................................................................................................26 4.2.1 POSIX 线程创建函数 .........................................................................26 4.2.2 时间相关函数......................................................................................28 4.2.3 线程调度函数......................................................................................29 4.3 编程示例....................................................................................................30 4.3.1 实时部分..............................................................................................30 4.3.2 非实时部分..........................................................................................34 4.3.3 编译和运行程序..................................................................................35 第五章 RTLINUX 的性能测试............................................................................37 第六章感想与体会 ...............................................................................................38 参考文献....................................................................................................................40 致谢..........................................................................................................................42 附录 A........................................................................................................................43 附录 B ........................................................................................................................59

第一章嵌入式实时系统概况 1.1嵌入式系统概况 1.1.1嵌入式技术的历史发展嵌入式系统的出现至今己经有30多年的历史了，嵌入式技术也历经了几个发展阶段。进入90年代后，以计算机和软件为核心的数字化技术取得了迅猛发展，不仅广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，掀起了一场数字化技术革命。多媒体技术与Internet的应用迅速普及，消费电子(Consumptive electron),计算机(Computer),通信(Communication),3C一体化趋势日趋明显，嵌入式技术再度成为一个研究热点。综观嵌入式技术的发展，大致经历了以下4个阶段[1] ●第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，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。这一阶段系统的主要特点是：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。由于这种嵌入式系统使用简便、价格很低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。 ●第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：CPU种类繁多，通用性比较弱：系统开销小，效率高；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。 ●第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好：操作系统内核精小、效率高，并且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),开发应 yan_joseph@163.net Copyright2002杨立峰

ryan_joseph@163.net Copyright 2002 杨立峰 1 第一章嵌入式实时系统概况 1.1 嵌入式系统概况 1.1.1 嵌入式技术的历史发展嵌入式系统的出现至今已经有 30 多年的历史了，嵌入式技术也历经了几个发展阶段。进入 90 年代后，以计算机和软件为核心的数字化技术取得了迅猛发展，不仅广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，掀起了一场数字化技术革命。多媒体技术与 Internet 的应用迅速普及，消费电子(Consumptive electron),计算机(Computer),通信(Communication),3C 一体化趋势日趋明显，嵌入式技术再度成为一个研究热点。综观嵌入式技术的发展，大致经历了以下 4 个阶段[1]。 z 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，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。这一阶段系统的主要特点是：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。由于这种嵌入式系统使用简便、价格很低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。 z 第二阶段是以嵌入式 CPU 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：CPU 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；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。 z 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、效率高，并且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），开发应

用程序简单：嵌入式应用软件丰富。 ●第四阶段是以基于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Internet技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。 1.1.2嵌入式系统的技术特点和应用前景嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件和嵌入式软件系统组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。嵌入式处理器主要由一个单片机或微控制器MCU)组成。而这些嵌入式CPU目前多是8位和 16位的，与32位或64位的高性能处理器相比，具有很强的经济性和现实性。相关支撑硬件包括显示卡、存储介质(ROM和RAM等)、通讯设备、 IC卡或信用卡的读取设备等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用闪存(Flash Memory) 作为存储介质。嵌入式软件包括与硬件相关的底层软件、操作系统、图形界面、通讯协议、数据库系统、标准化浏览器和应用软件等。总体看来，嵌入式系统具有便利灵活、性能价格比高、嵌入性强等特点，可以嵌入到现有任何信息家电和工业控制系统中。从软件角度来看，嵌入式系统具有不可修改性、系统所需配置要求较低、系统专业性和实时性较强等特点。后P℃时代是一个真实的阶段，而且是一个可以预测的时代。嵌入式系统就是与这一时代紧密相关的产物，它将拉近人与计算机的距离，形成一个人机和谐的工作与生活环境。从某一个角度来看，嵌入式系统可应用于人类工作与生活的各个领域，具有极其广阔的应用前景。嵌入式系统在传统的工业控制和商业管理领域已经具有广泛的应用空间，如智能工控设备、POS/ATM机、IC卡等：在家庭领域更具有广泛的应用潜力，如机顶盒、数字电视、WbTV、网络冰箱、网络空调等众多消费类和医疗保健类电子设备等：此外还有在媒体手机、袖珍电脑、掌上电脑、车载导航器等方面应用，将极大地推动嵌入式技术深入到生活和工作的方方面面。它在娱乐、军事方面的应用潜力也是巨大的，而且是有目共睹的。 yan_joseph@163.net Copyright2002杨立峰 2

ryan_joseph@163.net Copyright 2002 杨立峰 2 用程序简单；嵌入式应用软件丰富。 z 第四阶段是以基于 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 Internet 技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与 Internet 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。 1.1.2 嵌入式系统的技术特点和应用前景嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件和嵌入式软件系统组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。嵌入式处理器主要由一个单片机或微控制器(MCU)组成。而这些嵌入式 CPU 目前多是 8 位和 16 位的，与 32 位或 64 位的高性能处理器相比，具有很强的经济性和现实性。相关支撑硬件包括显示卡、存储介质（ROM 和 RAM 等）、通讯设备、 IC 卡或信用卡的读取设备等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用闪存（Flash Memory）作为存储介质。嵌入式软件包括与硬件相关的底层软件、操作系统、图形界面、通讯协议、数据库系统、标准化浏览器和应用软件等。总体看来，嵌入式系统具有便利灵活、性能价格比高、嵌入性强等特点，可以嵌入到现有任何信息家电和工业控制系统中。从软件角度来看，嵌入式系统具有不可修改性、系统所需配置要求较低、系统专业性和实时性较强等特点。后 PC 时代是一个真实的阶段，而且是一个可以预测的时代。嵌入式系统就是与这一时代紧密相关的产物，它将拉近人与计算机的距离，形成一个人机和谐的工作与生活环境。从某一个角度来看，嵌入式系统可应用于人类工作与生活的各个领域，具有极其广阔的应用前景。嵌入式系统在传统的工业控制和商业管理领域已经具有广泛的应用空间，如智能工控设备、POS/ATM 机、IC 卡等；在家庭领域更具有广泛的应用潜力，如机顶盒、数字电视、WebTV、网络冰箱、网络空调等众多消费类和医疗保健类电子设备等；此外还有在媒体手机、袖珍电脑、掌上电脑、车载导航器等方面应用，将极大地推动嵌入式技术深入到生活和工作的方方面面。它在娱乐、军事方面的应用潜力也是巨大的，而且是有目共睹的

1.1.3典型的嵌入式系统信息家电商机引发全球嵌入式操作系统平台大战，全球4大操作系统阵营WinCE18]、Palm OS[19]、EPOC20]和Linux21]展开规格战，各拥有软件及硬件合作厂商逐鹿信息家电市场的份额。全球手持式信息家电快速增长，据预测，2000年至2004年市场增长率将到达77.4%，个人数字助理器(PDA)、智慧型手机等手持式信息家电操作系统竞争日益激烈。除了为后个人电脑时代的硬件大厂带来新一轮商机外，应用软件厂商包括电子字典、电子地图、游戏开发业者的商机也大量涌现。微软窗口操作系统拥有在个人电脑上的操作系统占有率的优势，使 WinCE拥有强大的窗口资源支援。不过Palm OS操作系统拥有全球PDA 产品70%的市场占有率：同时获得3COM、IBM和索尼等跨国公司的支持。 EPOC是发展自欧洲的操作系统、是由世界上最大的3家移动电话厂商诺基亚、爱立信和摩托罗拉所共同开发、整合组成新公司，开发出来的新操作系统：在3大电话厂商的合作下，EPOC市场潜力很大，且占有率高，但应用功能以手机为主，目前并不开放授权。此外，在3大主流操作系统品牌外，Liuⅸ也将是今后一股强劲的力量：由于Liux开放源码，经过这些年的发展，已经成为一个健壮的可靠的高性能的操作系统。愈来愈多的嵌入式系统设计员发现Liux可以成为一个优秀的嵌入式操作系统。而Liux的最大的优势还在于它是一个开放的操作系统。由于Liuⅸ开放源码，操作系统的一切对用户都是透明的，用户可以最大限度地控制系统开发的进度和造价。在开发过程中遇到的各种各样的硬件设备，可以方便地在网上找到这些设备的驱动程序，得到支持。Liux内置网络支持，用户可以轻松地使自己的嵌入式具有网络功能。 Liuⅸ是模块化的操作系统，提供了优秀的可缩放功能，用户可以方便地删除不需要的模块，大多数嵌入式系统对操作系统的体积非常敏感，Liuⅸ 的可以根据自己的需要，选择特定的功能模块，自主地搭建嵌入式操作系统。Linux支持绝大多数CPU,包括Intel、MPS、ASIC、ALPHA、68K、 POWER PC等。这使Liux几乎可以嵌入到各种硬件设备上。成为各家厂商极力发展的操作系统，加上其核心小，潜力可观。 ryan_joseph@163.net Copyright2002杨立峰 2

ryan_joseph@163.net Copyright 2002 杨立峰 3 1.1.3 典型的嵌入式系统信息家电商机引发全球嵌入式操作系统平台大战，全球 4 大操作系统阵营 WinCE[18]、Palm OS[19]、EPOC[20]和 Linux[21]展开规格战，各拥有软件及硬件合作厂商逐鹿信息家电市场的份额。全球手持式信息家电快速增长，据预测，2000 年至 2004 年市场增长率将到达 77.4％，个人数字助理器（PDA）、智慧型手机等手持式信息家电操作系统竞争日益激烈。除了为后个人电脑时代的硬件大厂带来新一轮商机外，应用软件厂商包括电子字典、电子地图、游戏开发业者的商机也大量涌现。微软窗口操作系统拥有在个人电脑上的操作系统占有率的优势，使 WinCE 拥有强大的窗口资源支援。不过 Palm OS 操作系统拥有全球 PDA 产品 70％的市场占有率；同时获得 3COM、IBM 和索尼等跨国公司的支持。 EPOC 是发展自欧洲的操作系统、是由世界上最大的 3 家移动电话厂商诺基亚、爱立信和摩托罗拉所共同开发、整合组成新公司，开发出来的新操作系统；在 3 大电话厂商的合作下，EPOC 市场潜力很大，且占有率高，但应用功能以手机为主，目前并不开放授权。此外，在 3 大主流操作系统品牌外，Linux 也将是今后一股强劲的力量；由于 Linux 开放源码，经过这些年的发展，已经成为一个健壮的可靠的高性能的操作系统。愈来愈多的嵌入式系统设计员发现 Linux 可以成为一个优秀的嵌入式操作系统。而 Linux 的最大的优势还在于它是一个开放的操作系统。由于 Linux 开放源码，操作系统的一切对用户都是透明的，用户可以最大限度地控制系统开发的进度和造价。在开发过程中遇到的各种各样的硬件设备，可以方便地在网上找到这些设备的驱动程序，得到支持。Linux 内置网络支持，用户可以轻松地使自己的嵌入式具有网络功能。 Linux 是模块化的操作系统，提供了优秀的可缩放功能，用户可以方便地删除不需要的模块，大多数嵌入式系统对操作系统的体积非常敏感，Linux 的可以根据自己的需要，选择特定的功能模块，自主地搭建嵌入式操作系统。Linux 支持绝大多数 CPU，包括 Intel、MIPS、ASIC、ALPHA、68K、 POWER PC 等。这使 Linux 几乎可以嵌入到各种硬件设备上。成为各家厂商极力发展的操作系统，加上其核心小，潜力可观