現場(chǎng)總線(xiàn)的開(kāi)關(guān)量I/O模塊設計：操作系統移植與驅動(dòng)開(kāi)發(fā)

5.1常用的嵌入式操作系統

當前常見(jiàn)的嵌入式操作系統主要有嵌入式Linux、Windows CE及VxWorks，在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應用，具有各自的特性與優(yōu)勢：

①從系統性能比較

Linux是一個(gè)成熟而穩定的網(wǎng)絡(luò )操作系統，為嵌入式操作系統提供了一個(gè)極有吸引力的選擇，它是個(gè)和Unix相似、以核心為基礎的、完全內存保護、多任務(wù)、多進(jìn)程的操作系統，支持廣泛的計算機硬件，包括X86 ，Alpha、MIPS、PPC、ARM、NEC、MOTOROLA等現有的大部分芯片，可以定制，其系統內核最小只有約134K B，在信息家電、工控等領(lǐng)域有廣泛應用。

WinCE是一個(gè)軟實(shí)時(shí)系統，具有模塊化、結構化和基于Win32應用程序接口和與處理器無(wú)關(guān)等特點(diǎn)，主要用于對實(shí)時(shí)性要求不高，但對界面要求較高的領(lǐng)域，在PDA、手機、顯示儀表等領(lǐng)域得到非常廣泛應用。

VxWorks操作系統是美國WindRiver公司于1983年設計開(kāi)發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)，具有多達1800個(gè)功能強大的應用程序接口(API ) ，它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中。

②從開(kāi)發(fā)角度比較

Linux程序源碼全部公開(kāi)，任何人可以修改并在GNU通用公共許可證下發(fā)行，這樣，開(kāi)發(fā)人員可以對操作系統進(jìn)行定制。同時(shí)由于有GPL (General Public License )的控制，大家開(kāi)發(fā)的東西大都相互兼容。Linux用戶(hù)遇到問(wèn)題時(shí)可以通過(guò)Internet向網(wǎng)上成千上萬(wàn)的Linux開(kāi)發(fā)者請教，這使最困難的問(wèn)題也有辦法解決。Linux帶有Unix用戶(hù)熟悉的完善的開(kāi)發(fā)工具，幾乎所有的Unix系統的應用軟件都已移植到了Linux上。Linux還提供了強大的網(wǎng)絡(luò )功能，有多種可選擇窗口管理(Xwindows )。其強大的語(yǔ)言編譯器gcc、g++等也可以很容易得到。目前正在開(kāi)發(fā)的嵌人式系統中，49%的項目選擇Linux作為嵌入式操作系統。

就VxWorks與Win CE而言，廠(chǎng)商不但提供了穩定可靠方便的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，而且提供了大量針對具體應用的完整解決方案，為具體開(kāi)發(fā)帶來(lái)極大便捷，但系統開(kāi)發(fā)成本較昂貴。

本論文最終采用嵌入式Linux作為系統開(kāi)發(fā)軟件平臺。

5.2 BOOTLOADER移植

引導加載程序Bootloader是系統加電后運行的第一段代碼。Bootloader就是在操作系統內核或應用程序運行之前的一段程序。通過(guò)這段小程序，可以初始化硬件設備、建立內存空間的映射圖，從而將系統的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調用操作系統內核或用戶(hù)應用程序準備好正確的環(huán)境。Bootloader是依賴(lài)于硬件而實(shí)現的，特別是在嵌入式系統中。不同的體系結構需求的Bootloader是不同的;除了體系結構，Bootloader還依賴(lài)于具體的嵌入式板級設備的配置。

5.2.1 U-Boot簡(jiǎn)介

U-Boot全稱(chēng)為Universal Bootloader，是遵循GPL條款的開(kāi)放源碼項目。從FADSROM、8xxROM、PPCBOOT逐步發(fā)展演化而來(lái)。其源碼目錄、編譯形式與Linux內核很相似，事實(shí)上，不少U-Boot源碼就是相應的Linux內核源程序的簡(jiǎn)化，尤其是一些設備的驅動(dòng)程序。

選擇U-Boot的理由：

開(kāi)放源碼;

支持多種嵌入式操作系統內核，如Linux、NetBSD、VxWorks、QNX、RTEMS、ARTOS、LynxOS;

支持多個(gè)處理器系列，如PowerPC、ARM、x86、MIPS、XScale;

較高的可靠性和穩定性;高度靈活的功能設置，適合U-Boot調試、操作系統不同引導要求、產(chǎn)品發(fā)布等;

豐富的設備驅動(dòng)源碼，如串口、以太網(wǎng)、SDRAM、FLASH、LCD、NVRAM、EEPROM、RTC、鍵盤(pán)等;

較為豐富的開(kāi)發(fā)調試文檔與強大的網(wǎng)路技術(shù)支持;

5.2.2 U-Boot運行過(guò)程分析

U-Boot編譯后的代碼定義一般不超過(guò)100 KB，并且這100KB又分為兩個(gè)階段來(lái)執行。第一階段的代碼在start.s中定義，大小不超過(guò)10KB，它包括從系統上電后在0x00000000地址開(kāi)始執行的部分。這部分代碼運行在Flash中，它包括對S3C2440的一些寄存器的初始化和將U-Boot的第二段代碼從Flash復制到SDRAM中。第二段的起始地址是在第一段代碼中指定的，被復制到SDRAM后，就第一段跳到這個(gè)入口地址開(kāi)始執行剩余部分代碼。第二段主要是進(jìn)行一些BSS段的設置、堆棧的初始化等工作，最后會(huì )跳轉到main -loop函數中，接收命令并進(jìn)行命令處理。

5.2.3 U-Boot移植

本系統用到的U-Boot版本為1.3.2.它不僅提供了對ARM-920T內核的支持，而且直接提供了對于S3C2440的板級支持，這使移植工作量相對減少。

(1) U-Boot版本1.3.2，gccversion4.1.2

(2)在Makefile中加入

zq2440_config:u nconfig @$(MKCONFIG ) $(@ ：_config=) arm arm920t zq2440 NULL S3C24x0把板子起名為zq2440

(3)建立board/zq2440目錄，復制board/smdk2410下的文件到board/zq2440目錄，將smdk2410.c更名為zq2440.c.

(4)cp include/configs/smdk2410.h include/configs/zq2440.h

(5 )添加arm-softfloat-linux-gnu-到Makefile的CROSS_COMPILE=

(6)編譯 make zq2440_config

make

(7)通過(guò)JTAG口將U-Boot燒寫(xiě)到Flash中，就可以從Nand Flash啟動(dòng)了。

Uboot在超級終端下運行結果如圖5.1所示：

5.3嵌入式Linux內核的移植

5.3.1嵌入式Linux簡(jiǎn)介

嵌入式Linux是將日益流行的Linux操作系統進(jìn)行裁剪、修改，使之能在嵌入式計算機系統上運行的一種操作系統。

嵌入式系統的軟件和硬件往往只需針對某種特別的應用定制，因此嵌入式操作系統需要量體裁衣，除去冗余，同時(shí)盡可能發(fā)揮系統的潛力。Linux最初目標是一個(gè)通用的操作系統，因此必須對其進(jìn)行面向嵌入式系統和應用環(huán)境的改造，以適應嵌入式系統的特殊要求。

嵌入式Linux系統包括內核和應用程序兩部分。內核為應用程序提供一個(gè)虛擬的硬件平臺，以統一的方式對資源進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，并且透明地支持多任務(wù)。嵌入式Linux內核可以分為六部分：進(jìn)程調度，內存管理，文件系統，進(jìn)程間通信，網(wǎng)絡(luò )，設備驅動(dòng)。應用程序負責系統的部分初始化，基本的人機界面，必要的命令等內容。

從Linux2.6內核版本開(kāi)始了實(shí)時(shí)性革命。Linux內核本身也已經(jīng)特別注重了向嵌入式系統的應用，Linux2.6內核已經(jīng)把uCLinux的大部分并入主流內核功能中，同時(shí)加入提高中斷性能和調度響應時(shí)間的改進(jìn)，有三個(gè)最顯著(zhù)的改進(jìn)：采用可搶占內核、更加有效的調度算法以及同步性的提高。Linux2.6內核在一定程度上是可搶占的，即當有比正在運行的進(jìn)程優(yōu)先級更高的進(jìn)程就緒時(shí)，系統可強行剝奪正在運行進(jìn)程的CPU，提供給具有更高優(yōu)先級的進(jìn)程使用，比Linux2.4內核具備更好的實(shí)時(shí)響應性(不是所有的內核代碼段都可以被搶占)。Linux2.6內核加入了多種微控制器的支持，無(wú)MM U的處理器已經(jīng)整合進(jìn)了新的內核中，而且在無(wú)MM U控制器上仍舊支持多任務(wù)處理，但沒(méi)有內存保護功能。對于WLAN、Bluetooth、GPRS、CDMA和WiFi等最新出現的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和設備，Linux2.6內核重建了驅動(dòng)的體系層次和編程模型，可以方便的適應這些網(wǎng)絡(luò )設備的變化，而且特別提出了NAPI(NewAPI)等模型提高網(wǎng)絡(luò )處理效率。

5.3.2嵌入式Linux的優(yōu)勢

嵌入式Linux的開(kāi)發(fā)和研究是操作系統領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功的嵌入式系統中，大約有一半使用的是Linux.Linux之所以能在嵌入式系統市場(chǎng)上取得如此輝煌的成果，與其自身的優(yōu)良特性是分不開(kāi)的。

(1)開(kāi)放的源碼，豐富的軟件資源

Linux是自由的操作系統，它的開(kāi)放源碼使用戶(hù)獲得了最大的自由度。Linux上的軟件資源十分豐富，每一種通用程序在Linux上都可以找到。

(2)功能強大的內核，性能高效、穩定，多任務(wù)

Linux的內核非常穩定，它的高效和穩定性已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域，尤其在網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器領(lǐng)域，得到了事實(shí)的驗證。Linux內核小巧靈活，易于裁減，這使得它很適合嵌入式系統的應用。

(3)支持多種體系結構，如X86、ARM、MIPS、PowerPC、SPARC等

目前，Linux已經(jīng)被移植到數十種硬件平臺上，幾乎支持所有流行的CPU.

(4)完善的網(wǎng)絡(luò )通訊、圖形、文件管理機制

Linux自產(chǎn)生之日起就與網(wǎng)絡(luò )密不可分，網(wǎng)絡(luò )是Linux的強項。另外，Linux還支持多種文件和圖形系統。

(5)支持大量的周邊硬件設備

Linux上的驅動(dòng)已經(jīng)非常豐富了，它們支持各種主流硬件設備和最新硬件技術(shù)。

(6)大小、功能都可定制

Linux秉承Unix的優(yōu)秀設計思想，非常靈活，各部分的可定制性都很強。

(7)良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境，不斷發(fā)展的開(kāi)發(fā)工具集

Linux有著(zhù)非常優(yōu)秀的完整開(kāi)發(fā)工具鏈，有十幾種集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，其中很多是免費的，大大降低了開(kāi)發(fā)費用。

(8)軟件開(kāi)發(fā)者的廣泛支持

Linux的自由精神吸引了成千上萬(wàn)的程序員投入到Linux的開(kāi)發(fā)和測試中來(lái)，這使得Linux在短時(shí)間內就成為一個(gè)功能強大的操作系統。

(9)價(jià)格低廉

有效降低產(chǎn)品成本，對成本敏感的嵌入式系統來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，Linux恰好具有這一特性。