Linux嵌入式系統與硬件平臺的關係

一、 Linux嵌入式系統
操作系統是一種在計算機上運行的軟件，它的主要任務是管理計算機上的系統資源，爲用戶提供使用計算機及其外部設備的接口。它存在的目的是爲了管理所有硬件資源，並且提供應用軟件一個合適的操作環境。嵌入式系統由於硬件的先天限制，經常只具有極稀少的硬件資源，如 時脈較少的 CPU、較少的內存、常不具有磁盤而用小容量的DiskOnChip或DiskOnModule。而在使用電池的系統中，它還要實現節省電池消耗，延長電池使用時間的功能。
   Linux 作爲嵌入式操作系統是完全可行的，因爲Linux提供了完成嵌入功能的基本的內核和你所需要的所有用戶界面，它是多面的。它能處理嵌入式任務和用戶界面。將Linux看作是連續的統一體，從一個具有內存管理、任務切換和時間服務及其他的分拆的微內核到完整的服務器，支持所有的文件系統和網絡服務。Linux作爲嵌入式系統是一個帶有很多優勢的新成員,它對許多CPU和硬件平臺都是易移植的、穩定、功能強大、易於開發。
        Application program
        API 　
        X-server Java virtual machine
        Device driver 　
        Linux Kernel 　
        Boot load 　
   嵌入式Linux系統需要下面三個基本元素：
       1． 引導工具
       2． Linux微內核：內存管理、 程序管理
       3． 初始化進程
   如果要它成爲完整的操作系統且繼續保持小型化，還得加上：
       1．硬件驅動程序
       2．硬件接口程序
       3．應用程序組
   談到操作系統就一定要說一說它的開發環境，Linux是基於GNU的C編譯器，作爲GNU工具鏈的一部分，與gdb源調試器一起工作。它提供了開發嵌入式Linux系統的所有軟件工具。以下是一個典型的開發工具的使用流程：
       1.寫入或植入引導碼
       2.向串口打印字符串的編碼
       3.將gdb目標碼移植工作串口，這可與另一臺運行gdb程序的Linux  主機系統對話
       4.利用gdb讓硬件和軟件初始化碼在Linux內核啓動時工作
       5.Linux內核啓動，串口成爲Linux控制口並可用於後續開發
      6.如果在你的目標硬件上運行了完整的Linux內核，你可以調試你的應用進程
   更詳細的內容可參見網站[url]http://www.emlinux.com[/url]
二、硬件平臺
   研發人員在選擇最好的硬件時，往往由於缺乏完整或精確的信息而使選擇硬件成爲複雜且困難的工作。硬件成本經常是關鍵的議題，當考慮成本時、需要確信你在考慮產品的整個成本而不僅是CPU的成本；因爲好的CPU一旦加上總線邏輯和延時電路使之與外設一起工作，硬件系統可能變成非常昂貴的產品。如果你正在尋找嵌入式軟件系統，那麼應首先確定了硬件平臺即確定了微處理器CPU的型號。
   現在比較流行的硬件平臺有Intel公司的Strong Arm 系列,Motorola公司的DragonBall系列，NEC公司的VR系列，Hitachi公司SH3,SH4系列等等，都可選爲硬件平臺。但最好在選定前先要確定所做系統的應用功能和所需的速度，並且制定好外接設備和接口標準。這樣可準確的定位所需要的硬件方案，得到性價比最高的系統。 下圖是以Intel公司的StrongArm爲例來說明硬件平臺：
三、Linux嵌入式系統與硬件的關係
   對初學者而言，可以將內核與任務分開，標準的Linux內核通常駐留在內存中，每一個應用程序程序都是從磁盤運到內存上執行。當程序結束後，它所佔用的內存就被釋放，程序就被下載了。在一個嵌入式系統裏，可能沒有磁盤。有兩種途徑可以消除對磁盤的依賴，這要看系統的複雜性和硬件的設計。在一個簡單的系統裏，當系統啓動後，內核和所有的應用程序都在內存裏。這就是大多數傳統的嵌入式系統工作模式，它同樣可以被Linux支持。有了Linux，就有了第二種可能性。因爲Linux已經有能力"加載"和"卸載"程序，一個嵌入式系統就可以利用它來節省內存。試想一個典型的包括一個大概8MB到16MB的Flash Memory和8MB內存的系統。Flash Memory可以作爲一個文件系統。Flash Memory驅動程序用來連接Flash Memory和文件系統。作爲替代也可使用Flash Disk，用工具軟件可把Flash Memory仿真爲磁盤或部分。其中一個例子是Intel 公司可提供Flash Memory 管理軟件IPSM -Intel Persistent Storage Manager, 詳情見[url]http://developer.intel.com/design/builder/flbldr/swb/swb.htm[/url]
   所有的程序都以文件形式存儲在Flash文件中，需要時可以裝入內存。這種動態的、"根據需要加載"的能力是支持其它一系列功能的重要特徵：
   1. 它使初始化代碼在系統引導後被釋放。Linux同樣有很多內核外運行的公用程序。這些通常程序在初始化時運行一次，以後就不再運行。而且，這些公用程序可以用它們相互共有的方式，一個接一個按順序運行。這樣，相同內存空間可以被反覆使用以"調入"每一個程序，就象系統引導一樣。這的確可以節省內存，特別是那些配置一次以後就不再更改的網絡堆棧。如果Linux可加載模塊的功能包括在內核裏，驅動程序和應用程序就都可以被加載。它可以檢查硬件環境並且爲硬件裝上相應的軟件。這就消除了用一個程序佔用許多Flash Memory來處理多種硬件的複雜性。
   2. 軟件的升級更模塊化。你可以在系統運行的時候在Flash上升級應用程序和可加載驅動程序。
   3. 配置信息和運行時間參數可以作爲數據文件儲存在Flash上。
虛擬內存
   標準Linux的另一個特徵是虛擬內存的能力。正是這種神奇的特徵使應用程序員可以狂熱的編寫代碼而不計後果，不管程序有多大。在嵌入式系統裏不需要這種強大的功能。實際上，因爲它會帶來無法控制的時間因素，你可能不希望它在實時的系統裏。這個軟件必須設計得更加精悍，以適合硬件平臺上的物理內存，就象其它嵌入式系統一樣。注意由於CPU的原因，通常在Linux中保存虛擬內存代碼是明智的，因爲將它清除很費事；而且還有另外一個原因--它支持共享文本，這樣就可以使許多程序共享一個軟件。
   虛擬內存的調入功能可以被關掉，只要將交換空間的大小設置爲零。如果你寫的程序比實際的內存大，系統就會當作你的運行用盡了交換空間來處理；這個程序將不會運行，或者malloc將會失靈。在許多CPU上，虛擬內存提供的內存管理可以將不同程序分開，防止它們寫到其它地址的空間上。這在嵌入式系統上通常不可能，因爲它只支持一個簡單、扁平的地址空間。Linux的這種功能有助於其發展。它減少了胡亂的編寫程序造成系統崩潰的可能性。許多嵌入式系統基於效率方面的原因有意識使用程序間可以共享的"全局"數據。這也可以通過Linux共享內存功能來支持，共享的只是指定的內存部分。
文件系統
  許多嵌入式系統沒有磁盤或者文件系統。Linux不需要它們也能運行。實際上，許多商業性嵌入式系統提供文件系統作爲選項。Linux提供   MS-DOS-Compatible文件系統，同時還有其它多種選擇。之所以提供其它選擇是因爲它們更加強大而且具有容錯功能。Linux還具有檢查和維護的功能，商業性供應商往往不提供這些。這對於Flash系統來說尤其重要，因爲它是通過網絡更新的。如果系統在升級過程中失去了能力，那它就沒有用了。維護的功能通常可以解決這類問題。
   文件系統可以被放在傳統的磁盤驅動器、Flash Memory或其它這類的介質上。而且，用於暫時保存文件，一個小RAM盤就足夠了。Flash Memories被分割成塊。這些塊中也許包括一個含有當CPU啓動時運行的最初的軟件的引導塊。這可能包括Linux 引導代碼。剩餘的Flash可以用作文件系統。Linux的內核可以通過引導代碼從Flash複製到RAM，或者還有一個選擇，內核可以被存儲在Flash的一個獨立部分，並且直接從那裏執行。另外對於一些系統來說還有一個有趣的選擇，那就是將一個便宜的CD-ROM包含在內。這比Flash Memory 便宜，而且通過交換CD-ROM支持簡單的升級。有了這個，Linux 只要從 CD-ROM上引導，類似從硬盤上一樣從CD-ROM上獲得所有的程序。
最後，對於聯網的嵌入式系統來說，Linux 支持NFS（Network File system）。這爲實現聯網系統的許多增值功能打開了大門。第一，它允許通過網絡上加載應用程序。這是控制軟件修改的基礎，因爲每一個嵌入式系統的軟件都可以在一個普通的服務器上加載。它在運行的時候也可以用來輸入或輸出大量的數據、配置和狀態信息。這對用戶監督和控制來說是一個非常強大的功能。舉例來說，嵌入式系統可以建立一個小的RAM磁盤，包含的文件中有與當前狀態信息同步的內容。其它系統可以簡單的把這個RAM磁盤設置爲基於網絡的遠程磁盤，並且空中存取狀態文件。這就允許另一個機器上的Web服務器通過簡單的CGI Script存取狀態信息。在其它電腦上運行的其它應用程序包可以很容易的存取數據。
引導--LILO和BIOS在哪裏
   當一個微處理器第一次啓動的時候，它開始在預先設置的地址上執行指令。通常在那裏有一些只讀內存，包括初始化或引導代碼。類似於在PC上的BIOS。它執行了一些低水平的CPU初始化和其它硬件的配置文件。BIOS繼續辨認哪個磁盤裏有操作系統，把操作系統複製到RAM並且轉向它。實際上，這非常複雜，但對我們的目標來說也非常重要。在PC上運行的Linux依靠PC的BIOS來提供這些配置和OS加載功能。
   在一個嵌入式系統裏經常沒有這種BIOS。這樣你就要提供同等的啓動代碼。幸運的是，嵌入式系統並不需要象PC機上的 BIOS引導程序那樣的靈活性，因爲它通常只需要處理一個硬件的配置。這個代碼更簡單也更枯燥。它只是個指令清單，將固定的數字塞到硬件寄存器中去。然而，這是關鍵的代碼，因爲這些數值要與你的硬件相符而且要按照特定的順序進行。所以在大多數情況下，一個最小的通電自檢模塊，可以檢查內存的正常運行、讓LED閃爍，並且驅動其它必須的硬件以使主Linux OS啓動和運行。這些啓動代碼完全根據硬件決定，不可隨意移動。幸運的是，許多系統都有爲核心微處理器和內存所定製的菜單式硬件設計。典型的是，芯片製造商有一個樣本主板，可以用來作爲設計的參考--或多或少與新設計相同。通常這些菜單式設計的啓動代碼是可以獲得的，它可以根據你的需要輕易的修改。在少數情況下，啓動代碼需要重新編寫.爲了測試這些代碼，你可以使用一個包含模擬內存的電路內置模擬器，它可以代替目標內存。你把代碼裝到模擬器上並通過模擬器調試。如果這樣不行，你可以跳過這一步，但這樣就要一個更長的調試周期。這個代碼最終要在較爲穩定的內存上運行，通常是Flash或EPROM芯片。你需要使用一些方法將代碼放在芯片上。怎麼做，要根據"目標"硬件和工具來定。
   一種流行的方法是把Flash或EPROM芯片插入EPROM或Flash燒製器。這將把你的程序"燒"（存）入芯片。然後，把芯片插入你的目標板的插座，打開電源。這個方法需要板上配有插座，但有些設備是不能配插座的。
另一個方法是通過一個JTAG界面。一些芯片有JTAG界面可以用來對芯片進行編程。這是最方便的方法。芯片可以永遠被焊在主板上，一個小電纜從板上的JTAG連接器，通常是一個PC卡，聯到JTAG界面。下面是PC運行JTAG界面所需的一些慣用程序。這個設備還可以用來小量生產。
穩定性
   對大多數微處理器來說，Linux非常好。移植到新微處理器家族的Linux內核運行起來與原來的微處理器一樣穩定。它經常被移植到一個或多個特定的主板上。這些板包括特定的外圍設備和CPU。幸運的是，許多代碼是與處理器的特性不相關的，所以移植集中在處理器的差異上，其中大多數是在內存管理和中斷控制領域。一旦成功移植，它們就非常穩定。
引導策略廣泛依賴於硬件要求，而且你必須有計劃地做一些定製的工作。設備驅動程序更加混亂：有些穩定有些不穩定。而且選擇很有限；一旦你離開了通用的PC平臺，你需要自己編寫。幸運的是，周圍有許多驅動程序，你可能可以找到一個與你的需求相近的修改一下。這種驅動程序界面已定義好。許多類似的驅動程序都非常相近，所以把磁盤、網絡或一系列的端口驅動程序從一個設備移植到另一個設備上通常並不難。你可能發現許多驅動程序都寫得很好，很容易理解，但你還是要準備一本關於內核結構的書在手頭。
   總之，這些操作系統和Linux的問題在於對工作過程微小之處的誤解，而不在於代碼的難度或基本的設計錯誤。任何操作系統都有很多爭論不休的故事，這裏不需要重複。Linux的優勢在於源代碼是公開、註釋清晰和文檔齊全的。這樣，你就可以控制和處理所出現的任何問題。
三、嵌入式Linux操作系統將如何發展
   嵌入式Linux的確有它的缺陷。比如，雖然它並不比某些競爭對手差多少，但它的確是個需要佔用存儲器的操作系統。這可以通過減少一些不必要的功能來彌補，但這可能會花很長的時間，而且如果不仔細的話，還可能帶來很大的困擾。許多Linux的應用程序都要用到虛擬內存，在許多嵌入式系統中，是沒有價值的，所以不要以爲一個沒有磁盤的Linux嵌入式系統可以運行任何Linux應用程序。
   綜上所述，Linux嵌入式操作系統在嵌入式系統中的應用纔剛剛開始，但它所具有的技術優勢和獨特的運開發模式給業界以新異，有理由相信在不久的將來Linux嵌入式操作系統一定會成爲綻放在操作系統中美麗的奇葩。