linux課程設計論文

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　　linux課程設計論文

　　摘要：隨著(zhù)嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展以及以嵌入式Linux為操作系統的應用領(lǐng)域的增多，嵌入式Linux設計課程的教學(xué)也在各大院校開(kāi)展起來(lái)。介紹了嵌入式Linux設計概念、系統架構、設計內容及發(fā)展方向，設置了嵌入式Linux設計課程內容，包括嵌入式Linux系統體系結構、引導程序、內核、設備驅動(dòng)程序、文件系統及圖形界面三部分內容，對培養適應社會(huì )需求的嵌入式技術(shù)人才具有重要意義。

　　關(guān)鍵詞：嵌入式Linux；體系結構；課程研究

　　近年來(lái)嵌入式Linux系統發(fā)展較快，在中國，以L(fǎng)inux為基礎的嵌入式操作系統也很活躍，其中中軟Linux、紅旗Linux、東方Linux是業(yè)界的代表。嵌入式Linux系統的應用范圍很廣，尤其隨著(zhù)智能手機及物聯(lián)網(wǎng)系統的發(fā)展，基于嵌入式Linux系統的電子產(chǎn)品已進(jìn)入人們的生活，如基于Linux的Android系統，基于Linux的智能家居系統、物聯(lián)網(wǎng)系統，3G行業(yè)應用如移動(dòng)視頻監控-車(chē)輛應急指揮調度、遠程的區域監測、安防領(lǐng)域、移動(dòng)電子商務(wù)等。嵌入式Linux是把Linux內核移植到一個(gè)專(zhuān)用嵌入式設備的CPU和主板上。嵌入式Linux和桌面Linux提供的API函數與內核源代碼都是相同的，嵌入式Linux開(kāi)發(fā)主要通過(guò)在桌面Linux利用源碼編輯器如vi編寫(xiě)源代碼，通過(guò)交叉編譯器編譯出能在嵌入式開(kāi)發(fā)平臺如手機、機頂盒或智能家居等產(chǎn)品上運行的可執行文件。嵌入式Linux開(kāi)發(fā)的工具還包括調試器、CVS等項目管理軟件等。

　　一、嵌入式Linux設計課程概述

　　嵌入式Linux設計是電子信息專(zhuān)業(yè)及相近專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)課，其目的是使學(xué)生了解主流嵌入式系統開(kāi)發(fā)軟件嵌入式Linux驅動(dòng)程序的設計和開(kāi)發(fā)過(guò)程。學(xué)生熟悉掌握嵌入式系統常用的硬件接口時(shí)序、電氣特性；掌握針對硬件的Linux驅動(dòng)程序實(shí)現方法，包括I/O口、CAN總線(xiàn)、觸摸屏、IIC、異步串口、音頻、顯示、USB、以太網(wǎng)及Flash的使用及驅動(dòng)程序的編寫(xiě)。[1]熟悉嵌入式Linux的中斷處理、Boot Loader和內核電啟動(dòng)過(guò)程。

　　二、嵌入式Linux設計課程研究

　　1.嵌入式Linux系統體系結構

　�。�1）嵌入式Linux系統硬件組成。核心板：采用高性能嵌入式處理器、Mobile DDR、NAND Flash、NOR Flash；外圍電路：帶觸摸屏真彩色寬屏LCD、USB HOST、UART，RS232端口、立體聲語(yǔ)音輸出、耳機、自適應10/100M網(wǎng)卡、板載GSM/GPRS模塊、步進(jìn)電機電路模塊，搭載射頻模塊；擴展模塊：主/從藍牙模塊、Zigbee模塊、傳感器部分。

　�。�2）軟件組成。操作系統：Linux2.6.21，Linux2.6.38。引導程序：U-boot.1.1.6。圖形界面：QT 4.6。嵌入式Linux系統的開(kāi)發(fā)流程。元器件選型：根據要實(shí)現的系統功能及目前市場(chǎng)上可選用的元器件來(lái)設計電路。原理圖編制：用Protel等相關(guān)電子CAD工具將設計好的電路圖在電腦中繪制出來(lái)。印制板設計：在Protel等工具中畫(huà)好芯片及電阻、電容等封裝，將原理圖轉換成PCB板圖，并完成布線(xiàn)。樣板試制：把PCB板圖進(jìn)行制板，并焊接好相應元器件。硬件功能測試：在焊接元器件時(shí)要按功能模塊順序焊接，焊接好一個(gè)模塊后接著(zhù)測試其功能，發(fā)現問(wèn)題及時(shí)解決。如通過(guò)USB供電模塊對應的USB接口及降壓芯片、電阻、電容等焊接完后，將USB接口插到電腦USB接口處，并通過(guò)萬(wàn)用表測量USB接口引腳電壓，如果顯示5V即為正確電壓，說(shuō)明電路設計及焊接都成功。如果以后其他部分出現問(wèn)題時(shí)可以排除這部分芯片的嫌疑。編寫(xiě)引導程序：分匯編語(yǔ)言部分和C語(yǔ)言部分，實(shí)現硬件初始化和引導操作系統的功能。操作系統移植：在官網(wǎng)下載最新Linux版本，根據本設備硬件配置裁剪Linux源代碼并修改。文件系統：沒(méi)有文件系統，內核不完整，最后內核啟動(dòng)后要找文件系統，如果沒(méi)有文件系統會(huì )提示失敗。通過(guò)文件系統管理硬盤(pán)，下載應用程序。驅動(dòng)程序編寫(xiě)：用戶(hù)程序無(wú)法直接操作用戶(hù)態(tài)，要用中間層軟件―設備驅動(dòng)程序。用戶(hù)程序必須通過(guò)系統調用，間接調用驅動(dòng)程序訪(fǎng)問(wèn)硬件。API設計與開(kāi)發(fā)：API設計是為了讓?xiě)�用程序員在開(kāi)發(fā)時(shí)更方便，提供了繪圖接口函數、文件接口函數及控件函數等。應用程序設計：根據功能需求設計如手機游戲、PDA基本管理功能、機頂盒信號處理等。[2]系統聯(lián)調：產(chǎn)品所有功能設計好后，整體加載到硬件設備中，調試其功能穩定性。樣機支付：加工外殼，封裝好設備，可以投入市場(chǎng)。

　　該部分要在課程講解的基礎上帶領(lǐng)學(xué)生通過(guò)實(shí)踐課或課程設計完成一項電子產(chǎn)品的整體設計，讓學(xué)生真正體會(huì )到嵌入式產(chǎn)品是什么，怎么移植嵌入式Linux系統。

　　2.引導程序

　　引導程序Bootloader是系統加電后運行的第一段代碼，也就是在內核啟動(dòng)前運行的第一段程序。引導程序的功能：初始化硬件設備、建立內存空間的映射圖。將操作系統內核映像從Flash內拷貝到RAM中，然后跳轉到內核的入口點(diǎn)去運行，即啟動(dòng)操作系統。常見(jiàn)的Bootloader有Vivi、Blob、Redboot和U-Boot。下面介紹U-Boot的啟動(dòng)流程：

　�。�1）第一階段。依賴(lài)于CPU體系結構的代碼，用匯編來(lái)實(shí)現：系統上電后進(jìn)入svc模式；關(guān)閉看門(mén)狗禁止所有中斷；進(jìn)行初級硬件初始化后將自身代碼拷貝到SDRAM中；設置堆棧、清空bss段，最后跳轉到C語(yǔ)言實(shí)現的第二階段中。

　�。�2）第二階段。設置參數引導內核，并跳轉到內核入口處。通常用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現，可以實(shí)現復雜的功能，并具有很好的可讀性和可移植性。

　　該部分的.源代碼量比較少，涉及到ARM匯編和C語(yǔ)言編程，是整個(gè)系統中的第一段代碼，很重要，需要帶著(zhù)學(xué)生從第一行代碼開(kāi)始逐行剖析。   3.嵌入式Linux內核

　　分析內核源碼：包括初始化Cache、Mum等設置；內核解壓函數；非壓縮內核啟動(dòng)匯編段。內核移植：修改與具體的硬件構架和開(kāi)發(fā)板類(lèi)型相關(guān)的文件代碼，如.config文件。選擇相近的demo板，可以最大實(shí)現代碼重用，在此基礎上進(jìn)行必要的修改。對不同類(lèi)型的NAND Flash、網(wǎng)卡、YAFFS FLASH進(jìn)行移植修改。Linux代碼量很大，該部分的學(xué)習重點(diǎn)是如何移植Linux到嵌入式平臺上，如何裁剪代碼。

　　4.設備驅動(dòng)程序

　　上層應用程序是通過(guò)驅動(dòng)程序使用底層硬件。應用程序使用標準庫調用，用戶(hù)程序必須通過(guò)系統調用，間接調用驅動(dòng)程序訪(fǎng)問(wèn)硬件。每個(gè)硬件接口不一樣，由內核提供黑匣子接口屏蔽用戶(hù)。設備驅動(dòng)程序分為字符設備驅動(dòng)程序（包括各種串行接口、并行接口等）、塊設備驅動(dòng)程序（包括磁盤(pán)設備等）、網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)程序（包括網(wǎng)卡等）及雜項設備驅動(dòng)程序（如SCSI、時(shí)鐘等）。[3]驅動(dòng)程序代碼也是以移植修改為主，根據新增加接口及設備型號修改廠(chǎng)商支持的原有程序代碼。

　　5.文件系統

　　Linux中一切皆文件，所有的設備、內存都模擬成文件。Linux的文件系統包括四種：命名空間、API（用來(lái)便利和操作對象的一套系統調用）、安全模型（用來(lái)保護、隱藏和共享事物的方案）和實(shí)現（把邏輯模型同實(shí)際硬件聯(lián)系到一起的軟件）。建立在Flash上的文件系統包括EXT2、Jffs2、yaffs、CRAMFS、proc等文件類(lèi)型。Linux下的文件分成五種文件類(lèi)型：字符設備、塊設備、連接、普通文件和目錄。

　　構建嵌入式文件系統先構建根文件目錄，文件系統通過(guò)busybox工具集來(lái)制作目錄和根文件系統，通過(guò)mk命令做成crmafs只讀根文件系統鏡像，最后燒寫(xiě)根文件系統。

　　6.圖形界面

　　QT是現在流行的跨平臺的C++圖形用戶(hù)界面（GUI）工具包。通過(guò)QT能設計2D、3D等多種界面圖形。在QT程序中，利用信號和插槽機制進(jìn)行對象間的通信。QT有Windows版本，可以在Windows操作系統中開(kāi)發(fā)后通過(guò)交叉編譯后移植到嵌入式Linux環(huán)境中。[4]在設計嵌入式Linux界面時(shí)使用Windows QT4.0在Windows環(huán)境下開(kāi)發(fā)，屬于可視化界面，不用通過(guò)代碼創(chuàng )建控件，通過(guò)工具可以直接拖拉控件到窗口中，簡(jiǎn)單方便。

　　三、嵌入式Linux的發(fā)展方向

　　嵌入式Linux發(fā)展的前景非常好，但是人才的缺乏已經(jīng)成為當前制約嵌入式Linux發(fā)展的瓶頸。一方面，因為嵌入式人才領(lǐng)域門(mén)檻較高，從事嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的工作人員不僅要熟練掌握C/C++、匯編語(yǔ)言等基礎，而且對Linux內核和底層驅動(dòng)程序及硬件都要熟悉。另一方面，因為這一領(lǐng)域較新，目前發(fā)展太快，很多軟硬件技術(shù)出現時(shí)間不長(cháng)，如ARM11/A8處理器、嵌入式Linux操作系統、無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議、移動(dòng)USB3.0高速傳輸等，目前國內乃至國際上能夠掌握這些新技術(shù)的人才相當匱乏。所以近幾年包括未來(lái)幾年，市場(chǎng)對嵌入式Linux人才的需求都非常旺盛。

　　四、總結

　　嵌入式Linux設計課程涉及嵌入式Linux系統構建、驅動(dòng)開(kāi)發(fā)、內核移植、根文件構建、應用及圖形開(kāi)發(fā)。嵌入式Linux設計還可以增加系統管理部分內容，如服務(wù)器管理、數據庫管理、網(wǎng)絡(luò )配置、防火墻配置與管理、日志管理及維護等。隨著(zhù)Linux操作系統的完善和發(fā)展，以嵌入式Linux為內核的嵌入f系統也已無(wú)處不在。數字化、智能化使傳統設備電子化，具有這些功能的嵌入式Linux操作系統的應用前景會(huì )越來(lái)越廣，學(xué)好該課程對發(fā)展嵌入式系統、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有重要意義。

　　參考文獻：

　　[1]王小妮.基于嵌入式系列課程的教學(xué)改革與探索[J].教育理論與教學(xué)研究，2013，（5）.

　　[2]冼進(jìn).嵌入式Linux應用開(kāi)發(fā)詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

　　[3]劉淼.嵌入式系統接口設計與Linux驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

　　[4]韓少云.基于嵌入式Linux的Qt圖形程序實(shí)戰開(kāi)發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

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