陳 斌

（鐵嶺師范高等?？茖W(xué)校 遼寧鐵嶺 112008）

基于ARM9的嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)的分析與實(shí)現(xiàn)

陳 斌

（鐵嶺師范高等專科學(xué)校 遼寧鐵嶺 112008）

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，IT行業(yè)取得了較大程度上的進(jìn)步，為我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人民生活水平的提高做出重要貢獻(xiàn)。尤其是近幾年來，信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，IT領(lǐng)域不斷發(fā)展與升級(jí)，在這種環(huán)境之下，嵌入式系統(tǒng)成為IT領(lǐng)域的重要焦點(diǎn)之一。目前狀況下，行業(yè)內(nèi)存在著諸多的嵌入式系統(tǒng)，而在這些嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中，Linux最為受到青睞，這主要是因?yàn)長inux具有自身的強(qiáng)大優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面，分別是元代碼開放、功能強(qiáng)大一級(jí)級(jí)易于移植等。就目前市場狀況而言，ARM9系列的嵌入式微處理器已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)首選的處理器產(chǎn)品，本文就在此基礎(chǔ)之上針對(duì)基于ARM9的嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)的分析與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行有益探討。

嵌入式系統(tǒng)；ARM9；Linux應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)；文件系統(tǒng)

一、嵌入式系統(tǒng)

1.嵌入式系統(tǒng)模型

圖1顯示的主要是嵌入式系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)：

如果從物理層面的角度對(duì)其進(jìn)行一定程度上的分析，可以將嵌入式計(jì)算系統(tǒng)理解成一個(gè)專用的電子系統(tǒng)，一般情況下，這一專用的電子系統(tǒng)都處于一個(gè)非電子系統(tǒng)環(huán)境之下，且這一系統(tǒng)環(huán)境具有一定的復(fù)雜性。至于這兩種系統(tǒng)的關(guān)系，可以對(duì)其進(jìn)行一定程度的抽象化處理，即具有復(fù)雜性的非電子系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的外部環(huán)境，我們將其稱為被嵌入的系統(tǒng)。就一般狀況而言，整個(gè)系統(tǒng)之中所包含的嵌入式系統(tǒng)為多個(gè)，同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)能夠與外界進(jìn)行直接的通信。

對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言，它能夠提供一個(gè)專門的服務(wù)給被嵌入系統(tǒng)，這一服務(wù)主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一方面，這一服務(wù)可以表現(xiàn)為對(duì)外界輸入的響應(yīng)；另一方面，這一服務(wù)也可以是對(duì)被嵌入系統(tǒng)或者與之相鄰的嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)的響應(yīng)。就如現(xiàn)代機(jī)電控制系統(tǒng)，對(duì)于這一系統(tǒng)而言，它是一種分布式的系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)環(huán)境之下，各個(gè)處理單元都是通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一定程度上的連接的。圖2顯示的主要是基于網(wǎng)絡(luò)的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

圖2：基于網(wǎng)絡(luò)的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3：基于ARM9的嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)的硬件體系結(jié)構(gòu)

2.嵌入式系統(tǒng)的可重構(gòu)功能

對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言，其中央處理單元一般都是對(duì)精簡指令集計(jì)算技術(shù)進(jìn)行一定程度上的采用，通過對(duì)專用芯片方法以及微處理機(jī)方法進(jìn)行一定程度上的對(duì)比分析，人們更希望探索出一套針對(duì)性較強(qiáng)且行之有效的新路線與新方法，使其兼?zhèn)鋵Ｓ眯酒椒ㄒ约拔⑻幚頇C(jī)方法的優(yōu)點(diǎn)，即既能夠表現(xiàn)出專用芯片的高性能、高速度以及高可靠性，同時(shí)又具備微處理機(jī)的強(qiáng)大編成功能。

對(duì)于可重構(gòu)而言，它主要指的是在軟件控制的環(huán)境之下，通過對(duì)可重用資源進(jìn)行一定程度上的利用，并由此來對(duì)計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行有效的重構(gòu)與重組，這樣一來，就能夠?qū)Ω鞣N不同的需求進(jìn)行有效的實(shí)現(xiàn)?？芍赜觅Y源在可重構(gòu)之中有著基礎(chǔ)性的地位與作用，較早的可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)采用的主要是重組的方式，在這一系統(tǒng)環(huán)境之下，重用資源主要擔(dān)當(dāng)?shù)氖枪δ懿考慕巧?；但是，?dāng)FPGA出現(xiàn)之后，重用資源的身份發(fā)生了一定程度上的改變，重用資源由原先的功能部件變成最為基本的門和線，通過對(duì)文件進(jìn)行一定程度上的配置，就可以對(duì)每個(gè)門的性質(zhì)以及線的連接進(jìn)行有效的定義，由此來實(shí)現(xiàn)對(duì)于硬件功能的改變。從廣義的范圍來看，這種功能包含了硬件軟件的可重構(gòu)。而對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言，它具有可重構(gòu)功能，除此之外，其硬軟件又具有一定程度的可剪裁特點(diǎn)，這樣一來，就為網(wǎng)絡(luò)數(shù)字控制技術(shù)與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了便利。

二、嵌入式操作系統(tǒng)

一般情況下，對(duì)于操作系統(tǒng)而言，起作用主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，操作系統(tǒng)能夠?qū)ο嚓P(guān)的硬件資源進(jìn)行一定程度上的管理；另一方面，操作系統(tǒng)還負(fù)責(zé)對(duì)程序的運(yùn)行進(jìn)行有效的控制。在嵌入式系統(tǒng)之中，嵌入式操作系統(tǒng)是其中一個(gè)不可或缺的部分，對(duì)于嵌入式操作系統(tǒng)而言，它不僅包含有通用操作系統(tǒng)所具備的一般功能，同時(shí)還具備自身的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、硬件依賴性強(qiáng)、應(yīng)用專用性強(qiáng)等。如果將嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用場合作為分類標(biāo)準(zhǔn)，主要可以將其分為兩類，分別是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有代表性與典型性的實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)主要有WindRiver公司的Vxwork，而常見的非實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)主要有Linux、windows CE等。

本文重點(diǎn)介紹Linux操作系統(tǒng)，Linux操作系統(tǒng)的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在三個(gè)方面。首先這一操作系統(tǒng)是基于內(nèi)核之上的；其次，Linux操作系統(tǒng)采用的是一種完全內(nèi)存保護(hù)方式；除此之外，它還具有多任務(wù)多進(jìn)程的特點(diǎn)。目前狀況下，絕大部分的嵌入式系統(tǒng)都會(huì)選擇Linux作為其操作系統(tǒng)，究其原因，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：①對(duì)于Linux操作系統(tǒng)而言，它具有十分便捷的可裁剪性，正是因?yàn)槿绱?，用戶在使用Linux操作系統(tǒng)的過程之中，可以根據(jù)自身的需求對(duì)Linux內(nèi)核行為以及特征進(jìn)行有效的定制；②Linux操作系統(tǒng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，它能夠在多種硬件平臺(tái)之中進(jìn)行有效的應(yīng)用。除此之外，對(duì)于Linux操作系統(tǒng)而言，可以首先在標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)之上對(duì)其進(jìn)行一定程度上的開發(fā)，然后再將之向具體的硬件上進(jìn)行移植，這樣一來，軟件與硬件的開發(fā)效率就能夠得到有效的提高；③Linux操作系統(tǒng)的配置性較強(qiáng)，可以隨意對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的配置，并不需要許可證等；④運(yùn)用Linux操作系統(tǒng)能夠大大的減少開發(fā)成本，這主要是因?yàn)長inux操作系統(tǒng)的源代碼是可以免費(fèi)獲取的，Linux操作系統(tǒng)的這一特點(diǎn)使其成為最受開發(fā)商青睞的操作系統(tǒng)；⑤一般情況下，對(duì)于很多操作系統(tǒng)而言，在開發(fā)與運(yùn)用的過程之中需要相應(yīng)的外掛TCP/IP協(xié)議包，不同于這些操作系統(tǒng)，Linux的微內(nèi)核能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)支持進(jìn)行直接提供。

三、基于ARM9的嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)

1.硬件體系結(jié)構(gòu)

基于ARM9的嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)的硬件體系結(jié)構(gòu)主要包含了如下模塊：

①顯示及輸入裝置：通過對(duì)顯示及輸入裝置進(jìn)行一定程度上的使用，能夠?qū)ΜF(xiàn)場人機(jī)交互、輸入操作命令、手搖脈沖輸入、加工狀態(tài)顯示等功能進(jìn)行有效的實(shí)現(xiàn)。

②嵌入式數(shù)控單元：嵌入式數(shù)控單元在整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)之中有著十分重要的地位與作用，因?yàn)樗钦麄€(gè)數(shù)控系統(tǒng)的中央控制單元，能夠?qū)θ缦鹿δ苓M(jìn)行有效實(shí)現(xiàn)：顯示裝置與輸入裝置的連接、完成人機(jī)交互、編輯并獲取相關(guān)的加工代碼等。

③嵌入式PLC：這一部分的主要作用是對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的邏輯控制進(jìn)行有效實(shí)現(xiàn)。這一模塊通過異步串行總線與中央數(shù)控單元進(jìn)行一定程度上的連接，并對(duì)MODBUS協(xié)議進(jìn)行運(yùn)用，并由此來接受控制命令。

④以太網(wǎng)。對(duì)于以太網(wǎng)而言，它在系統(tǒng)之中的主要作用是對(duì)同車間網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)乃至是互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有效連接。通過對(duì)以太網(wǎng)接口進(jìn)行一定程度上的使用，可以進(jìn)行加工程序的傳送、遠(yuǎn)程操作、狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷等。

2.軟件體系結(jié)構(gòu)

基于ARM9的嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)的硬件體系結(jié)構(gòu)見圖3所示：

①組態(tài)軟件模塊：之所以要對(duì)這一模塊進(jìn)行一定程度上的設(shè)計(jì)，主要是為了滿足一些特定的功能。在這設(shè)計(jì)的過程之中，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)接口以及約束開發(fā)的通用性設(shè)計(jì)進(jìn)行了參考。主要包含如下幾個(gè)模塊：加工代碼編譯模塊、插補(bǔ)計(jì)算模塊、人／機(jī)交互模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊等。

②輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)：對(duì)于輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)而言，其主要作用是數(shù)控單元、PLC單元和伺服控制單元軟件、代碼的輔助開發(fā)以及代碼的自動(dòng)生成。

③控制仿真系統(tǒng)：控制仿真系統(tǒng)能夠提供一個(gè)仿真環(huán)境，即通過將嵌入式硬件嵌入到軟件仿真環(huán)境或軟、硬件仿真混合環(huán)境進(jìn)行一定程度上的仿真。

四、結(jié)束語

本文主要針對(duì)基于ARM9的嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)的分析與實(shí)現(xiàn)。首先從嵌入式操作系統(tǒng)的模型以及嵌入式系統(tǒng)的可重構(gòu)功能兩個(gè)方面闡述了嵌入式操作系統(tǒng)，然后在這一基礎(chǔ)之上介紹了嵌入式操作系統(tǒng)，并重點(diǎn)對(duì)Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行了重點(diǎn)分析，指出Linux操作系統(tǒng)是當(dāng)前狀況下應(yīng)用最為廣泛的操作系統(tǒng)，并給出了五個(gè)方面的原因。最后文章從系統(tǒng)平臺(tái)的軟件模塊設(shè)計(jì)與硬件模塊設(shè)計(jì)兩個(gè)方面探討了基于ARM9的嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)。希望我們的研究能夠給讀者提供參考并帶來幫助。

[1]劉森.嵌入式系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)與Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)[J].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[2]賴于樹.ARM微處理器與應(yīng)用開發(fā)[J].北京:電子業(yè)出版社,2007.

[3]李慶誠,劉嘉欣，張金.嵌入式系統(tǒng)原理[J].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[4]怯肇乾.嵌入式系統(tǒng)硬件體系設(shè)計(jì)[J].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[5]華清遠(yuǎn)見嵌入式培訓(xùn)中心.嵌入式Linux C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[J].北京:人民郵電出版社, 2007.

Analysis and realization of embedded Linux application development platform based on ARM9

Chen Bin

(Tieling Normal College, Tieling Liaoning, 112008, China)

With the rapid development of economy and the improvement of science and technology, IT industry has made greatly progress, make an important contribution to the development of our national economy and improvement of people's living. Especially in recent years, the rapid development of information technology and network technology, IT has been developing and upgrading, and in these circumstances, the embedded system becomes one of the important focuses in the field of IT. Under the current situation, there are many embedded systems in the industry, but in the embedded system, Linux is the most popular, this is mainly because the Linux has its own advantages, mainly in three aspects, which are element code open, powerful level is easy to transplant. On the current market conditions, the embedded microprocessor of ARM9 series has become the preferred processor embedded system, this paper is based on the analysis of embedded Linux application development platform and implementation of ARM9 based on the beneficial discussion.

embedded system; ARM9; Linux application development platform; file system

TN711

A

1000-9795（2014）05-0001-02

［責(zé)任編輯：董 維］

2014-03-10

陳 斌（1970-），男，遼寧開原人，副教授，從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用方向的研究。