1 嵌入式linux系統的結構

1.1 嵌入式系統的硬件架構

    如圖5-1所示，為嵌入式系統硬件模型結構，此系統主要由微處理器MPU、外圍電路，以及外設組成，微處理器為ARM嵌入式處理芯片，如ARM7TMDI系列及ARM9系列微處理器，MPU為整個嵌入式系統硬件的核心，決定了整個系統功能和應用領域。外圍電路根據微處理器不同而略有不同，主要由電源管理模型、時鐘模塊、閃存FIASH、隨機存儲器RAM，以及只讀存儲器ROM組成。這些設備是一個微處理器正常工作所必須的設備。外部設備將根據需要而各不相同，如通用通信接口USB、RS-232、RJ-45等，輸入輸出設備，如鍵盤、LCD等。外部設備將根據需要定制。

嵌入式處理系統主要包括嵌入式微處理器、存儲設備、模擬電路及電源電路、通信接口，以及外設電路。

典型嵌入式系統硬件結構

2008-06-10 23:56

1.2嵌入式系統的軟件結構

    嵌入式系統與傳統的單片機在軟件方面最大的不同就是可以移植操作系統，從而使軟件設計層次化，傳統的單片機在軟件設計時將應用程序與系統、驅動等全部混在一起編譯，系統的可擴展性，可維護性不高，上升到操作系統后，這一切變得很簡單可行。

    嵌入式操作系統在軟件上呈現明顯的層次化，從與硬件相關的BSP到實時操作系統內核RTOS，到上層文件系統、GUI界面，以及用戶層的應用軟件。各部分可以清晰地劃分開來，如圖5-2所示。當然，在某些時候這種劃分也不完全符合應用要求。需要程序設計人員根據特定的需要來設計自己的軟件。

嵌入式軟件基本架構

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板級支持包(Board Support Packet)主要用來完成底層硬件相關的信息，如驅動程序，加載實時操作系統等功能;

實時操作系統層主要就是常見的嵌入式操作系統，設計者根據自己特定的需要來設計移植自己的操作系統，即添加刪除部分組件，添加相應的硬件驅動程序，為上層應用提供系統調用；

文件系統、GUI，以及系統管理主要應對需要，即如果需要文件系統及圖形界面支持才需要設計，主要是為了應用程序員開發應用程序提供更多更便捷更豐富的API接口；

應用軟件層即用戶設計的針對特定應用的應用軟件，在開發該應用軟件時，可以用到底層提供的大量函數。

采用分層結構的軟件設計使系統清晰明了，各個部分設計工作分工明確，從而避免整個系統過分龐大。

2 嵌入式開發的模式及流程

2.1 嵌入式系統開發模式

嵌入式系統開發分為軟件開發部分和硬件開發部分。嵌入式系統在開發過程一般都采用如圖5-3所示的“宿主機/目標板”開發模式，即利用宿主機(PC機)上豐富的軟硬件資源及良好的開發環境和調試工具來開發目標板上的軟件，然后通過交叉編譯環境生成目標代碼和可執行文件，通過串口/USB/以太網等方式下載到目標板上，利用交叉調試器在監控程序運行，實時分析，最后，將程序下載固化到目標機上，完成整個開發過程。

"宿主機/目標板"開發模式

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在軟件設計上，如圖5-4所示為結合ARM硬件環境及ADS軟件開發環境所設計的嵌入式系統開發流程圖。整個開發過程基本包括以下幾個步驟。
(1)源代碼編寫：編寫源C/C++及匯編程序；
(2)程序編譯：通過專用編譯器編譯程序；
(3)軟件仿真調試：在SDK中仿真軟件運行情況；
(4)程序下載：通過JTAG、USB、UART方式下載到目標板上；
(5)軟硬件測試、調試：通過JTAG等方式聯合調試程序；
(6)下載固化：程序無誤，下載到產品上生產。

嵌入式系統軟件開發流程

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2.2嵌入式系統開發流程

    當前，嵌入式開發已經逐步規范化，在遵循一般工程開發流程的基礎上，嵌入式開發有其自身的一些特點，如圖5-5所示為嵌入式系統開發的一般流程。主要包括系統需求分析(要求有嚴格規范的技術要求)、體系結構設計、軟硬件及機械系統設計、系統集成、系統測試，最終得到最終產品。

嵌入式開發流程

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(1)系統需求分析。確定設計任務和設計目標，并提煉出設計規格說明書，作為正式設計指導和驗收的標準。系統的需求一般分功能性需求和非功能性需求兩方面。功能性需求是系統的基本功能，如輸入輸出信號、操作方式等；非功能需求包括系統性能、成本、功耗、體積、重量等因素。

(2)體系結構設計。描述系統如何實現所述的功能和非功能需求，包括對硬件、軟件和執行裝置的功能劃分，以及系統的軟件、硬件選型等。一個好的體系結構是設計成功與否的關鍵。

(3)硬件/軟件協同設計。基于體系結構，對系統的軟件、硬件進行詳細設計。為了縮短產品開發周期，設計往往是并行的。嵌入式系統設計的工作大部分都集中在軟件設計上，采用面向對象技術、軟件組件技術、模塊化設計是現代軟件工程經常采用的方法。

(4)系統集成。把系統的軟件、硬件和執行裝置集成在一起，進行調試，發現并改進單元設計過程中的錯誤。

(5)系統測試。對設計好的系統進行測試，看其是否滿足規格說明書中給定的功能要求。

嵌入式系統開發模式最大特點是軟件、硬件綜合開發。這是因為嵌入式產品是軟硬件的結合體，軟件針對硬件開發、固化、不可修改。

如果在一個嵌入式系統中使用Linux技術開發，根據應用需求的不同有不同的配置開發方法，但是，一般情況下都需要經過如下的過程。

(1)建立開發環境，操作系統一般使用Redhat Linux，選擇定制安裝或全部安裝，通過網絡下載相應的GCC交叉編譯器進行安裝(比如，arm-1inux-gcc、arnl-uclibc-gcc)，或者安裝產品廠家提供的相關交叉編譯器；

(2)配置開發主機，配置MINICOM，一般的參數為波特率115200 Baud/s，數據位8位，停止位為1，9，無奇偶校驗，軟件硬件流控設為無。在Windows下的超級終端的配置也是這樣。MINICOM軟件的作用是作為調試嵌入式開發板的信息輸出的監視器和鍵盤輸入的工具。配置網絡主要是配置NFS網絡文件系統，需要關閉防火墻，簡化嵌入式網絡調試環境設置過程。

(3)建立引導裝載程序BOOTLOADER，從網絡上下載一些公開源代碼的BOOTLOADER，如U．BOOT、BLOB、VIVI、LILO、ARM-BOOT、RED-BOOT等，根據具體芯片進行移植修改。有些芯片沒有內置引導裝載程序，比如，三星的ARV17、ARM9系列芯片，這樣就需要編寫開發板上FLASH的燒寫程序，讀者可以在網上下載相應的燒寫程序，也有Linux下的公開源代碼的J-FLASH程序。如果不能燒寫自己的開發板，就需要根據自己的具體電路進行源代碼修改。這是讓系統可以正常運行的第一步。如果用戶購買了廠家的仿真器比較容易燒寫FLASH，雖然無法了解其中的核心技術，但對于需要迅速開發自己的應用的人來說可以極大提高開發速度。

(4)下載已經移植好的Linux操作系統，如MCLiunx、ARM-Linux、PPC-Linux等，如果有專門針對所使用的CPU移植好的Linux操作系統那是再好不過，下載后再添加特定硬件的驅動程序，然后進行調試修改，對于帶MMU的CPU可以使用模塊方式調試驅動，而對于MCLiunx這樣的系統只能編譯內核進行調試。

(5)建立根文件系統，可以從http：//www.busy.box.net下載使用BUSYBOX軟件進行功能裁減，產生一個最基本的根文件系統，再根據自己的應用需要添加其他的程序。由于默認的啟動腳本一般都不會符合應用的需要，所以就要修改根文件系統中的啟動腳本，它的存放位置位于/etc目錄下，包括：/etc/init.d/rc.S、/etc/profile、/etc/.profile等，自動掛裝文件系統的配置文件/etc/fstab，具體情況會隨系統不同而不同。根文件系統在嵌入式系統中一般設為只讀，需要使用mkcramfs genromfs等工具產生燒寫映像文件。

(6)建立應用程序的FLASH磁盤分區，一般使用JFFS2或YAFFS文件系統，這需要在內核中提供這些文件系統的驅動，有的系統使用一個線性FLASH(NOR型)512KB～32MB，有的系統使用非線性FLASH(NAND型)8MB～512MB，有的兩個同時使用，需要根據應用規劃FLASH的分區方案。

(7)開發應用程序，可以放入根文件系統中，也可以放入YAFFS、JFFS2文件系統中，有的應用不使用根文件系統，直接將應用程序和內核設計在一起，這有點類似于μC/OS-II的方式。

(8 ) 燒寫內核、根文件系統和應用程序，發布產品。

看完上面文章，想必廣大讀者都對嵌入式系統開發的模式與流程有了一定的了解，希望以后能對嵌入式linux系統開發有進一步研究。

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