現場總線的開關量I/O模塊設計：操作系統移植與驅動開發

5.1常用的嵌入式操作系統

當前常見的嵌入式操作系統主要有嵌入式Linux、Windows CE及VxWorks，在各個領域得到廣泛應用，具有各自的特性與優勢：

①從系統性能比較

Linux是一個成熟而穩定的網絡操作系統，為嵌入式操作系統提供了一個極有吸引力的選擇，它是個和Unix相似、以核心為基礎的、完全內存保護、多任務、多進程的操作系統，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、工控等領域有廣泛應用。

WinCE是一個軟實時系統，具有模塊化、結構化和基于Win32應用程序接口和與處理器無關等特點，主要用于對實時性要求不高，但對界面要求較高的領域，在PDA、手機、顯示儀表等領域得到非常廣泛應用。

VxWorks操作系統是美國WindRiver公司于1983年設計開發的一種嵌入式實時操作系統(RTOS)，具有多達1800個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時性被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域中。

②從開發角度比較

Linux程序源碼全部公開，任何人可以修改并在GNU通用公共許可證下發行，這樣，開發人員可以對操作系統進行定制。同時由于有GPL (General Public License )的控制，大家開發的東西大都相互兼容。Linux用戶遇到問題時可以通過Internet向網上成千上萬的Linux開發者請教，這使最困難的問題也有辦法解決。Linux帶有Unix用戶熟悉的完善的開發工具，幾乎所有的Unix系統的應用軟件都已移植到了Linux上。Linux還提供了強大的網絡功能，有多種可選擇窗口管理(Xwindows )。其強大的語言編譯器gcc、g++等也可以很容易得到。目前正在開發的嵌人式系統中，49%的項目選擇Linux作為嵌入式操作系統。

就VxWorks與Win CE而言，廠商不但提供了穩定可靠方便的集成開發環境，而且提供了大量針對具體應用的完整解決方案，為具體開發帶來極大便捷，但系統開發成本較昂貴。

本論文最終采用嵌入式Linux作為系統開發軟件平臺。

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境帶到一個合適的狀態，以便為最終調用操作系統內核或用戶應用程序準備好正確的環境。Bootloader是依賴于硬件而實現的，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還依賴于具體的嵌入式板級設備的配置。

5.2.1 U-Boot簡介

U-Boot全稱為Universal Bootloader，是遵循GPL條款的開放源碼項目。從FADSROM、8xxROM、PPCBOOT逐步發展演化而來。其源碼目錄、編譯形式與Linux內核很相似，事實上，不少U-Boot源碼就是相應的Linux內核源程序的簡化，尤其是一些設備的驅動程序。

選擇U-Boot的理由：

開放源碼;

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、產品發布等;

豐富的設備驅動源碼，如串口、以太網、SDRAM、FLASH、LCD、NVRAM、EEPROM、RTC、鍵盤等;

較為豐富的開發調試文檔與強大的網路技術支持;

5.2.2 U-Boot運行過程分析

U-Boot編譯后的代碼定義一般不超過100 KB，并且這100KB又分為兩個階段來執行。第一階段的代碼在start.s中定義，大小不超過10KB，它包括從系統上電后在0x00000000地址開始執行的部分。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，就第一段跳到這個入口地址開始執行剩余部分代碼。第二段主要是進行一些BSS段的設置、堆棧的初始化等工作，最后會跳轉到main -loop函數中，接收命令并進行命令處理。

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JTAG口將U-Boot燒寫到Flash中，就可以從Nand Flash啟動了。

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簡介

嵌入式Linux是將日益流行的Linux操作系統進行裁剪、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，同時盡可能發揮系統的潛力。Linux最初目標是一個通用的操作系統，因此必須對其進行面向嵌入式系統和應用環境的改造，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虛擬的硬件平臺，以統一的方式對資源進行訪問，并且透明地支持多任務。嵌入式Linux內核可以分為六部分：進程調度，內存管理，文件系統，進程間通信，網絡，設備驅動。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內核版本開始了實時性革命。Linux內核本身也已經特別注重了向嵌入式系統的應用，Linux2.6內核已經把uCLinux的大部分并入主流內核功能中，同時加入提高中斷性能和調度響應時間的改進，有三個最顯著的改進：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程優先級更高的進程就緒時，系統可強行剝奪正在運行進程的CPU，提供給具有更高優先級的進程使用，比Linux2.4內核具備更好的實時響應性(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MM U的處理器已經整合進了新的內核中，而且在無MM U控制器上仍舊支持多任務處理，但沒有內存保護功能。對于WLAN、Bluetooth、GPRS、CDMA和WiFi等最新出現的無線網絡協議和設備，Linux2.6內核重建了驅動的體系層次和編程模型，可以方便的適應這些網絡設備的變化，而且特別提出了NAPI(NewAPI)等模型提高網絡處理效率。

5.3.2嵌入式Linux的優勢

嵌入式Linux的開發和研究是操作系統領域中的一個熱點，目前已經開發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上取得如此輝煌的成果，與其自身的優良特性是分不開的。

(1)開放的源碼，豐富的軟件資源

Linux是自由的操作系統，它的開放源碼使用戶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

Linux的內核非常穩定，它的高效和穩定性已經在各個領域，尤其在網絡服務器領域，得到了事實的驗證。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)完善的網絡通訊、圖形、文件管理機制

Linux自產生之日起就與網絡密不可分，網絡是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上的驅動已經非常豐富了，它們支持各種主流硬件設備和最新硬件技術。

(6)大小、功能都可定制

Linux秉承Unix的優秀設計思想，非常靈活，各部分的可定制性都很強。

(7)良好的開發環境，不斷發展的開發工具集

Linux有著非常優秀的完整開發工具鏈，有十幾種集成開發環境，其中很多是免費的，大大降低了開發費用。

(8)軟件開發者的廣泛支持

Linux的自由精神吸引了成千上萬的程序員投入到Linux的開發和測試中來，這使得Linux在短時間內就成為一個功能強大的操作系統。

(9)價格低廉

有效降低產品成本，對成本敏感的嵌入式系統來說至關重要，Linux恰好具有這一特性。