东南大学硕士学位论文
ｉ ｎｕｘ 第一章嵌入式技术及嵌入式Ｌ
１．１嵌入式技术的概念及组成
嵌入式系统，一般指非Ｐｃ系统，通用的描述为：以应用为中心，软硬件可裁减，适应应用系统 对功能，可靠性，成本。体积，功耗等综合性严格要求的专用计算机系统：这种定义也影响了计算 机工业的分类。以往我们都是按照计算机的体系结构，规模等将其分为大，中，小，微型等四类， 但是在８０年代开始个人计算ＰＣ的迅速发展．到目前己占据了整个计算机工业９０％的市场。这种变 化使得以应用为中心的分类方更符合实际，也就是按照计算机的嵌入式应用与非嵌入式应用分为嵌 入式计算机和通用计算机：
既然是计算机系统．必然有广义的计算机基本组成，即包括硬件和软件。硬件上包括处理器／ 微处理器，存储器及外设器件和Ｉ／ｏ端口，图形控制器等。软件上一般包括操作系统软件和应用程
序。
１．２嵌入式处理器／微控制器
硬件组成中的嵌入式处理器／微控制器是整个嵌入式系统的核心和基石，决定了系统所能实现的 功能和大致的应用方向。不完全统计，目前世界上的嵌入式处理器／微控制器品种总量已经超过１０００ 多种，流行的体系结构有３０几个系列，其中以８０５１体系结构占去多半，特别是在国内，更是占有 绝对份额。而生产８０５１单片机的厂家有２０多个，超过３５０多种衍生产品，仅Ｐｈｉｌｉｐｓ就有近１００ 多种！以目前的格局，我们可以把嵌入式计算机分为以下三类：
一、嵌入式处理器（ＥｍｂｅｄｄｅｄＭｉｃｒ叩ｒｏｃｅｓｓｏｒＵｎｉｔ，脚ＰＵ）：这是引入嵌入式操作系统后讨论
和应用最多的一类，这也是嵌入式技术在硬件基础上的发展趋势。这一类处理器全部是ＲＩＳｃ 指令集的处理器，按照体系结构分类，即不涉及具体的处理器芯片而从内核角度看有以下 几种：ＭＩＰＳ，美国公司设计的内核；Ａ脚，英国Ａ蹦公司设计的内核；ＰａｗｒＰｃ，为Ｉ删和Ｍｏｔｏｒ０１ａ 公司所共有的内核：６８Ｋ／ｃ０ＬＤＦＩＲＥ：Ｍ０ｔｏｒｏｌａ公司独有的内核。ＭＩＰＳ内核的特点是高速。 多内核的集成，可以讲是跨入了６４位时代，它的最重要的芯片厂商是ＰＭｃ和Ｉ册，前者做高 端，其芯片被ＣＩｓｃｏ公司大量用在路由器上。后者做低端，芯片用于低端通讯产品上。Ａ跚 内核的特点是低功耗，目前常用的有Ａ跚７，Ａ肌９，Ａ跚１０及ＳｔｒｏｎｇＡ跚四个版本，其设计技 术被授权给数百家的半导体厂商，制造出了种类繁多的芯片，在当今最活跃的无线局域网，
３Ｇ，手机终端，手持设备中被广泛应用。韩国三星公司在其面向手持设备和网络设备的处 理器上都全面采用Ａ脚内核，甚至Ｍｏｔｏｒ０１ａ公司在其手持设备处理器方面也从其独有的６８Ｋ 内核改成了Ａ脚内核，所以在手持设备领域已经成了Ａ脚内核的天下。国内目前也有６家单位 购买了Ａ脚内核技术授权（其中包括东南大学）。Ｐ０ｗｅｒＰＣ内核在高速和低功耗之间作了妥协，
并集成极度丰富的外围电路接口．由Ｍ０ｔｏｒｏｌ确４造的该内核芯片已形成了一个巨大的嵌入
式处理器家族，在通信领域应用得最为广泛，国内的中兴通信，华为科技等在其通信产品 中都大量采用该家族的处理器，其中ＭＰｃ８６０和肝ｃ８２６０是最为经典的两款。６８Ｉ【／ＣＯＬＤＦＩＲＥ
是在业界中最早也是目前最被广泛应用的内核，且在不停更新换代和发展。其中最为著名 的代表芯片是６８３６０。ＣＯＬＤＦＩＲＥ继承了６８Ｋ的特点并继续兼容。
二、嵌入式微控制器（Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｕｎｉｔ，Ｍｃｕ）：就是我们通常所说的单片机，即芯片内部
除了微处理内核外，还集成了ＲｏＭ，Ｒ埘，总线，总线逻辑及许多必要的功能和外设。为了 适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，即内核处理器是一样，
２
第一章嵌入式技术及嵌入式工ｊｍ 不同的是存储器和外设的配置及
封装，这样可以是芯片最大限度地和需求相匹配，从而减 少功耗和成本。嵌入式控制器目
前的品种和数量最多，比较通用的系列包括８０５１，Ｐ５１）（Ａ， Ｍｃｓ一２５１，Ｍｃｓ一９６／１９６／２９６，眦６８Ｈｃ０５／１１／１２／１６，最新出来的ＡｖＲ和ＰＩｃ系列由其本身的特 点在８位单片机中赢得了众多用户的青睐。目前，由于８０５１系列在业界占据了长期的主导地 位，使得嵌入式控制器在嵌入式系统约７０％的市场份额。特别值得注意的是近年来Ａ仰公司
将ＡＭｌ８６ＣＣ／ｃＨ／ｃＵ等嵌入式处理器称为Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒ０１１ｅｒ，㈣ＯＬＡ公司把以ＰＯ瓶Ｒ推广。
Ｐｃ为基
础的ＰＰＰＣ５０５和ＰＰｃ５５５也列入单片机行列。ＴＩ公司亦将其１粥３２０ｃ２ｘ）（】【系列ＤＳＰ做为ＭｃＵ进行 三、嵌入式ＤｓＰ处理器（ＥｍｂｅｄｄｅｄＤｉｇｎａｌ Ｐｉｇｉｔａｌ Ｓｒｏｃｅｓｓｏｒ，ＥＤＳＰ）：ＤＳＰ处理器对系统结构和指 令进行了特殊设计，使其适合于执行ＤｓＰ算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数
字滤波，ＦＦＴ，谱分析等方面ＤｓＰ算法正大量进入嵌入式领域，Ｄｓ啦用正从在通用单片机中
以普通指令实现ＤｓＰ功能，过度到采用嵌入式ＤＳＰ处理器。嵌入式ＤＳＰ处理器有两个发展来源． 一是ＤＳＰ处理器经过单片化，翻Ｃ改造，增加片上外设成为嵌入式ＤｓＰ处理器，ＴＩ的 ＴＭｓ３２０ｃ２０００／ｃ５０００等属于此范畴：二是在通用单片机或ｓｏｃ中增加ＤＳＰ协处理器。例如Ｉｎｔｅｌ 的ＭｃＳ一２９６和Ｓｉｅｍｅｎｓ的Ｔｒｉｃｏｒｅ。推动嵌入式ＤｓＰ处理器发展的另一个因素是嵌入式系统的 智能化，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，ＡＤｓＬ接入，实时语音 压解系统等，这类智能化算法一般运算量大，特别是向量运算，指针线形寻址等较多，而 这正是ＤｓＰ处理器的长处所在。嵌入式ＤＳＰ处理器比较有代表性的产品是ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒⅧｅｎｔｓ
的１粥３２０系列和Ｍｏｔｏｒ０１ａ的ＤｓＰ５６０００系列。１弼３２０系列处理器包括用于控制的∞０００系列，
移动通信的ｃ５０００系列，以及性能更高的ｃ６０００和ｃ８０００系列。ＤｓＰ５６０００目前已经发展成为 ＤｓＰ５６０００，ＤｓＰ５６１００，ＤｓＰ５６２００和ＤＳＰ５６３００等几个不同系列的处理器。
Ｌ３嵌入式操作系统
完成简单功能的嵌入式系统一般不需要操作系统，如５１系列的单片机系统，我们开发应用程序
的传统模式就是，一个大的循环（Ｗｈｉｌｅ（１））加上中断控制。但是随着所谓后Ｐｃ时代的来ｌ临，应 用环境在功能和性能上的要求不断地提高，这种传统的模式越来越显得力不从心。这时，嵌入式操 作系统就有了其应用平台。
从严格意义上讲，我们可以把嵌入式操作系统分为以下两类：一类是面向控制、通信等领域的 实时操作系统，如耳ｉｎｄＲｉｖｅｒ公司的ｖｘ№ｒｋｓ、ＩｓＩ的ｐｓ０Ｓ、ＱＮｘ系统软件公司的ＱⅫ、ＡＴＩ的№ｃｌｅｕｓ 等。另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统，这类产品包括个人数字助理（ＰＤＡ）、移动电话、 机顶盒、电子书、ＷｅｂＰｈｏｎｅ等。而所谓“实时”，是要求能够在“规定的时间”内响应随机发生的 事件并进行处理。这里强调的是“在规定时间内”而非快速，这样就使得系统具有可预测性。但只 有在对实时过程控制或实时信息处理能力有严格要求的系统中。才会强调这样的“实时”性，而在 我们通常的应用中，或则说是对实时要求不高的情况下，也就不会深究系统的是否实时了！
事实上，嵌入式操作系统并不是一个新生的事物，从八十年代起，国际上就有一些ＩＴ组织、公 司，开始进行商用嵌入式操作系统和专用操作系统的研发。这其中涌现了一些著名的嵌入式操作系
统：
（１）ｗｉｎｄ∞ｓ ＣＥ：大名鼎鼎的Ⅵｉｃｒｏｓｏｆｔ的产品。Ｗｉｎｄ０ＷｓＣＥ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于从掌上电脑到专用的 工业控制器的用户电子设备进行定制。操作系统的基本内核需要至少２００Ｋ的ＲＯＭ。展近，Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ 宣布准备公开ｗｉｎｄｗｓｃＥ的源码，这对走“大公司路线”的用户来说又是个好消息。
（２）Ｖｘ％ｒｋｓ：ｗｉｎｄＲｉｖｅｒ公司开发的，是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最
Ｍｃ６８ｘｘｘ、ＭＩＰｓｌ｛）（０００、ＰＯＷ职 高的系统。它支持多种处理器，如ｘ８６、ｉ９６０、ｓｕｎｓｐａｒｃ、Ｍｏｔｏｒ０１ａＰｃ等等。大多数的ｖｘｗｏｒｋｓＡＰＩ是专有的。采用ＧＮＵ的编译和调试器。
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（３）Ｄｓ０Ｓ：ＩＳＩ公司已经被ｗｉｎＲｉｖｅｒ公司兼并，现在ｐＳＯＳ属于ｗｉｎｄＲｉｖｅｒ公司的产品。这个 系统是一个模块化、高性能的实时操作系统，专为嵌入式微处理器设计，提供一个完全多任务环境， 在定制的或是商业化的硬件上提供高性能和高可靠性。可以让开发者根据操作系统的功能和内存需 求定制成每一个应用所需的系统。开发者可以利用它来实现从简单的单个独立设各到复杂的、网络
化的多处理器系统。
（４）ＱＮ）【：ＱＮ）（是一个实时的、可扩充的操作系统，它部分遵循Ｐ０ｓＩＸ相关标准，如：ＰＯＳＩｘ．１ｂ 实时扩展。它提供了一个很小的微内核以及一些可选的配合进程。其内核仅提供４种服务：进程调 度、进程间通信、底层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间运行。所有其它ｏＳ服务，都 实现为协作的用户进程，因此ＱＮ）【内核非常小巧（ＱＮ）（４．ｘ大约为１２ｌ（ｂ）而且运行速度极快。这个灵活 的结构可以使用户根据实际的需求，将系统配置成微小的嵌入式操作系统或是包括几百个处理器的 超级虚拟机操作系统。
（５）Ｐａｌｍ０Ｓ：３Ｃ∞公司的ＰａｌⅢ０Ｓ在ＰＤＡ市场上占有很大的市场份额，它有开放的操作系统 应用程序接口（ＡＰＩ），开发商可以根据需要自行开发所需要的应用程序。
（６）ＨＯＰＥＮ：这是国内比较成熟的嵌入式操作系统。由凯思公司开发。Ｈ０班Ｎ随着女娲计划 的推出而引起人们的注意，最近联想集团推出了采用ＨＯＰＥＮ操作系统的ＰＤＡ，使这一操作系统开始 走向市场。
（７）Ｕｃ／０ｓ：美国人Ｊｅ∞Ｌａｂｒｏｓｓｅ在１９９２年完成，适合小型控制系统，具有执行效率高， 占用空间小，实时性能优良和可扩展性（可裁剪）等特点，最小内核可编译至２Ｋ．因为是开放源码 且对学校是免费的，所以在网上讨论的很多；
（８）嵌入式Ｌｉｎｕｘ：继承了ＩＩＮｌＩＸ的优良特性（稳定性，强大的阿络和出色的文件系统）， 具有内嵌网络协议，支持多种文件系统，其编译后目标文件可控制在几百Ｋ量级！关于嵌入式Ｌｉｎｕｘ 将在下节着重讨论。
１．４嵌入式Ｌｉｎｕ】【
在介绍嵌入式Ｌｉｎｕｘ之前，先提一下Ｌｉｎｕｘ操作系统。Ｌｉｎｕｘ是在９０年代初出现，近几年渐受 欢迎的操作系统，其最大特点是开放源代码。它原本被设计为桌面系统，但现在广泛应用于服务器 领域。而随着嵌入式技术在信息产业中不断增长的应用，１ｉｎｕｘ以其独特的魅力迅速成为这一领域 的新热点，所谓嵌入式Ｌｉｎｕｘ也就应运而生。虽然嵌入式Ｌｉｎｕｘ的实用化开发是近来才出现的，而到 目前为止，尚未出现完全成熟的嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统，但毋庸置疑，这一领域开发的热潮已经到来， 市场上已经出现多个嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统的版本及成功应用了嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统的产品１
１．４．１嵌入式Ｌｉｎｕｘ的分类
ｉｎｕｘ ⅢｂｅｄｄｅｄＬｉｎｕｘＳ按照《ＢｕｉｌｄｉｎｇＥｙｓｔｅｍｓ》一书的作者ＫａｒｉｍＹａｇＩｌｍｏｕｒ的观点，勘ｂｅｄｅｄ１可以有以下几种分类：第一种是按大小来分，可分为小中大三类，小型类适用于低档ＣＰＵ加上不超
ｉｎｕｘ不仅仅只能在３２位ＣＰＵ上运行，还可 过２船的Ｒ伽和４船的ＲＡＭ的系统，事实上ＥｍｂｅｄｄｅｄＬ
以在低级的ＭｃＵ（１６位）上运行，只是随着技术的发展这种做法不被推荐：中型类适用于中档ＣＵ Ｐ
加上不超过３２船的ＲｏＭ和６４鼢的Ｒ删的系统，许多消费类的电子产品都可以归属于这类，常见的 有ＰＤＡ，ＭＰ３的播放器等；大型类适用于功能强大的ＣＰｕ加上大容量的Ｒ叫和ＲＡＭ的系统！第二种是 按实时性来分，即可分为实时和非实时两类，关于实时性的概念前面有论述！第三种是按照是否具
备网络功能来分！
以上几种是比较正统，很书面的分类方法。既然市场有了嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统，我们不妨直 接从市场角度来讨论！嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统的巨大市场已经吸引了一批新型的公司参加这方面的竞争， 他们利用自己掌握的用Ｌｉｎｕｘ达到嵌入式的方法，吸引投资，开发出成型的产品，如Ｌｉｎｅｏ、ＴｉｍｅＳｙｓ、
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第一章嵌入式技术及嵌入式ＩｊＭｘ ＦｓｍＬａｂｓ等：也有一些传统的Ｌｉｎｕｘ公司开辟了这方面的研究．如Ｒｅ
ｉｎｕｘ等；更值得重 视的是，一些传统的大公司如ＩｄＩＩａｔ、ＶＡＬ删、ＳＧＩ、Ｍ０ｔｏｒ０１ａ、Ｉｎｔｅｌ等也进
彳亍了Ｌｉｎｕｘ的嵌入式方面的研究 ｙＩｌｘ公司从专有操作系统方向转型到 和开发： 另外还有一些开发专有嵌入式操作系统的公司，如Ｌ
嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统，并且更名为ＬｙｎｕｘＷｏｒｋｓ。国内的中科红旗软件技术有限公司开发的红旗嵌入式
Ｌｉｎｕｘ正在成为许多嵌入式设各厂商的首选。红旗公司先后推出了ＰＤ“机顶盒、瘦客户机、交换机 用的嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统，并且投入了实际应用。 这些公司的产品主要分为三类。第一类是专门为Ｌｉｎｕｘ的嵌入式方向而做的，如何让Ｌｉｎｕｘ更
小、更容易嵌入到体积要求和功能、性能要求更高的硬件中去是他们的产品开发方向，如Ｍｏｎｔ“ｉｓｔａ 的Ｈａ州ＨａｔＬｉｎｕｘ等；第二类是专门为Ｌｉｎｕｘ的实时特性设计的产品，将Ｌｉｎｕｘ开发成实时系统尤 其是硬实时系统，应用于一些关键的控制场合（不仅仅是信息电器），如ＦｓⅢ１ａｂｓ公司，开发出来的 ＲＴ—Ｌｉｎｕｘ产品已经用在工业控制的很多方面，如葡萄牙的ｃｏｉⅢｂｒａ大学已经利用ＲＴ—Ｌｉｎｕｘ实现了 化工生产控制厂里用来控制反应和程序控制的系统：第三类的产品就是将实时性和嵌入式方案结合起来的方案，很多公司都这么做，并且提供集成化的开发方案，如Ｌｉｎｅｏ、ＴｉｍｅＳｙｓ等等。
下面简单介绍几个嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统： （１） ＲＴ—Ｌｉｎｕｘ：由Ｆ§ｌＩｌｌａｂｓ公司开发的，其最新版本是３．ｏｂｅ诅版（针对Ｌｊｎｕｘ－２．４．Ｏ－ｐ∞版本 内核）。础■Ｌｊｎ“是利用ＩｊＩＩｕｘ进行实时系统开发比较早的尝试，其原理是将【ｊｎⅡ的 内核代码做一些修改，将Ｕｎｌｌ】【本身的任务以及Ｉ血ｕ内核本身作为一个优先级最低的 任务，而实时任务作为优先级最高的任务，即在实时任务存在的情况下运行实时任务， 否则才运行ⅡｎⅡ本身的任务。
（２）ｈ曲ｅｄｉＩ：Ｅｆｎｂｃｄｉ】【和基于ＥＩⅡｂｅｄｉｘ的一整套嵌入式ｎｎｌｌｘ开发环境是由ｕｎ∞公司开发的。Ｅ卫出。ｄ诜是基于Ｐ０ｗｅｒＰｃ和ｘ８６平台开发的，它提供了Ｌ抽ｕｘ的强大功能，还可以对需要功能进行剪裁，对嵌入式设备进行支持。通过使用ＥＩ曲ｅｄｉｘ可以为自己的嵌入式应用创建一个个性化的内核。ＥＩｎｂｅｄｉｘ的设计使用了模块化的设计方案，方便剪裁系统，从而可以生成最合适需求的勘曲ｅｄｉｘ内核，达到体积和功能的最优化。 （３） ＢｌｕｅｃａｔＬｊｎⅡ：由【．Ⅷ“ｗｂｒｌ【ｓ公司提供的。ＢＩ∞ｃａｔ是基于开放源码的模式进行开发的。它基于ＲｅｄＨａｔ６．１和Ｌｊｍ２．２．１２－２０内核，允许使用运行ＲｅｄＨａｔＬｉｍ的交叉平 台机器开发嵌入式应用系统。目前Ｂｌ∞ｃ札也支持３２位的Ｐｏｗｆｐｃ和Ｐｅｎｔｈｌｍ两种微
处理芯片。同时Ｉ扣ｕ蚋灿８公司提供了ｍ∞ｃａｔ开发工具，包括ｃ和ｃ＋＋编译器和针
对目标芯片的汇编器。并且现在的开发工具正在准备做Ｍｉ∞ｓｏｎ、万目ｌａＩ ｓ
锄ｉ０上的移植。
（４）
ＨａｆｄＨａｔＩｊｎＨ：Ｍｏｎ忸１胁公司的Ｈａｒｄ王置ａｔＵｎｌｌｘ是专门为将Ｉｊ¨ｘ做成嵌入的系统而
推出的。可以根据ＨａｒｄＨ砒Ｉｊｎｌｌｘ为系统启动和运行环境做出合适于嵌入式硬件系统环
境的配置，以获得最好的性能和最小的体积。
（５）
ｕｃＬｉｎｕｘ：可以从其官方网站（ｈｔｔｐ：／／ｗｗ．ｕｃｌｉｎｕｘ．ｏｒｇ）上免费下载，主要是针对没
有内存管理单元的处理器设计的，将在下面着重讨论。
从上述各类嵌入式Ｌｉｎｕｘ的特点看，对嵌入式Ｌｉ叫ｘ的开发主要集中在两个方向：
１．裁减：嵌入式设备资源有限，对软件的体积有比较苛刻的要求。由于Ｌｉｎｕ】【是单一模块结构， 体积较大，不适合直接在嵌入式设备中应用。许多厂商致力于开发符合原Ｌｉｎｕｘ接口标准的小体积的
Ｌｉｎｕ ｘ内核。并加强其可裁减性和可配置性。
２
．实时性：在数据采集、控制、音／视频等设备中，对操作系统的实时性有比较高的要求。Ｌｉｎｕ并不是一个实时操作系统，因而必须提高其实时性以满足这些设备的要求。
１．４．２嵌入式Ｌｉ叫ｘ的特点
与其他各类嵌入式操作系统相比，后者大多属于商业化产品，价格昂贵，而且由于它们各自的 源代码不公开。使得每个系统上的应用软件与其它系统都无法兼容。并且，由于这种封闭性还导致
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了商业嵌入式系统在对各种设备的支持方面存在很大的问题，使得对它们的软件移植变得很困难。 而嵌入式Ｌｉｎｕｘ在以下几个方面体现了其优势和价值，吸引了许多开发商的目光，成为嵌入式操作
系统的新宠：
◆可应用于多种硬件平台。嵌入式Ｌｉｎｕｘ已经被移植到多种硬件平台，这对受开销、时间限制 的研究与开发项目是很有吸引力的。原型可以在标准平台上开发然后移植到具体的硬件上，
加快了软件与硬件的开发过程。
◆嵌入式Ｌｉｎｕｘ可以随意地配置，不需要任何的许可证或商家的合作关系。
◆它是免费的，源代码可以得到。这是最吸引人的。毫无疑问，这会节省大量的开发费用。
◆它本身内置网络支持。 ◆嵌入式Ｌｉｎｕｘ的高度模块化使添加部件非常容易。 在本课题中采用的嵌入式Ｌｉｎｕｘ是ｕｃＬｉｎｕｘ．下章将详细讨论。
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