Microsoft PowerPoint - 嵌入式系统设计课件第五讲.ppt

Size: px

Start display at page:

Download "Microsoft PowerPoint - 嵌入式系统设计课件第五讲.ppt"

孟邰
5 years ago
Views:

1 嵌入式软件系统嵌入式软件系统的开发形式嵌入式系统软件的组成嵌入式系统开发常用协议嵌入式系统的引导代码嵌入式系统的内核 Linux 设备驱动程序开发

2 嵌入式软件系统的开发形式基于裸机的开发无须操作系统的支持, 软件的每个代码都需要软件程序员进行开发, 一般采用汇编语言, 大多开发简单系统, 如家用电器的简单控制, 适用嵌入式微控制器基于嵌入式操作系统的开发小型嵌入式系统应用, 不需要复杂文件系统, 人机接口也较简单基于嵌入式系统软件的整体结构的开发嵌入式系统的复杂应用, 包括文件系统图形化的任机界面设备驱动程序, 使用完整的嵌入式操作系统进行开发, 且各个组成部分也是模块化的, 可以裁减

3 嵌入式系统软件的组成嵌入式系统软件通常包括以下部分 : 初始化引导代码板级支持包嵌入式操作系统网络协议栈图形用户界面应用软件

4 用户应用软件高层用户应用软件低层 GUI 协议设备驱动文件系统操作系统层板级支持层基于嵌入式操作系统的嵌入式系统软件结构图

5 初始化引导代码初始化引导代码是任何嵌入式系统上电复位后执行的代码复位后, 首先进入复位向量, 执行复位向量处的第一条指令, 系统的其他代码必须在复位后执行不同的体系结构的系统复位引导代码功能有所差异板级支持包通用计算机操作系统的运行平台是标准的, 但嵌入式系统不同, 嵌入式处理器多种多样, 即使使用同一体系结构的嵌入式处理器设计的嵌入式系统, 它们的配置也仍不同操作系统的提供商把操作系统的共性部分用标准 C 语言实现, 把依赖硬件的部分给用户进行代码编写, 操作系统提供一个标准规范用户编写的这些代码为用户的定制硬件和操作系统之间提供一个接口和支持平台, 这部分代码称为板级支持包

6 嵌入式操作系统应用软件的开发调用操作系统的功能, 操作系统的功能以应用程序接口 (API) 的形式提供网络协议栈网络协议栈对于具有网络功能的嵌入式系统产品是必要的, 目前有两种方式, 一种是独立的第三方协议栈产品, 一种是嵌入式操作系统提供商提供的协议栈产品协议栈产品必须基于嵌入式操作系统的平台支持, 但并不意味着协议栈必须依赖于嵌入式操作系统的 API, 两者之间可以独立, 通过集成运行图形用户界面对于大多数嵌入式系统, 图形用户界面接口是必要的应用软件嵌入式系统应用软件需自主开发, 应用软件各具特色

7 嵌入式系统开发常用协议 Bootp 协议是 DHCP 协议的前身, 用于在目标机启动时配置 IP 地址网关等信息 TFTP 主要用于提供下载镜像 NFS 主要用于提供目标机操作系统所需的文件系统

8 Bootp 协议 bootp 服务的全称是 BOOTSTRAP PROTOCOL, 是一种比较早出现的远程启动协议, 我们常用到的 DHCP 服务就是从 bootp 服务扩展而来的 bootp 协议使用 TCP/IP 协议中的 UDP 67/68 两个通讯端口 bootp 的主要用于无磁盘客户机从服务器得到自己的 IP 地址服务器的 IP 地址启动映像文件名网关 IP 等等这个过程如下 : 第一步在目标板由 bootloader 启动 bootp, 此时目标板还没有 IP 地址, 它就用广播形式以 IP 地址向网络中发出 IP 地址查询请求, 这个请求中包含了客户机的网卡 MAC 地址第二步主机平台运行 bootp 服务的服务器接受到这个请求帧, 根据这帧中的 MAC 地址, 在 bootptab 启动数据库中查找 MAC 的记录, 如果没有此 MAC 的记录则不响应这个请求, 如果有就将 FOUND 帧发送回目标板目标板帧中包含的主要信息有目标板的 IP 地址服务器的 IP 地址硬件类型网关 IP 地址目标板 MAC 地址和启动映像文件名第三步目标板就根据 FOUND 帧中的信息通过 TFTP 服务器下载启动映像文件

9 TFTP 协议 TFTP 服务的全称是 Trivial File Transfer Protocol, 可以翻译为简单文件传输协议 TFTP 可以看成是一个简化了的 FTP, 主要的区别是没有用户权限管理的功能, 也就是说 TFTP 不需要认证客户端的权限, 这样远程启动的目标板在启动一个完整的操作系统之前就可以通过 TFTP 下载启动映像文件, 而不需要证明自己是合法的用户这样 TFTP 服务也就存在着比较大的安全隐患, 现在黑客和网络病毒也经常用 TFTP 服务来传输文件, 所以 TFTP 在安装时一定要设立一个单独的目录作为 TFTP 服务的根目录, 比如 c:\tftpboot, 作为下载启动映像文件的目录, 这样除了这个目录以外 TFTP 服务就不能访问, 并且可以设置 TFTP 服务只能下载, 不能上传等等, 以减少安全隐患

10 NFS 协议在 Linux 系统中通过网络文件系统 (NFS) 通过存取远程主机上的文件来共享文件夹, 其实现方法类似于 Windows 2000 Server 的分布式文件系统 NFS 的工作原理是基于客户 / 服务器模式的 NFS 服务器是输出一组文件的计算机,/etc/dfs/dfstab 文件内可登记 nfs server 的共享 list, 这个 list 在系统启动时自动共享到网络中, 而客户是访问文件的计算机, 通过 mount 来使用远程系统共享的网络资源客户和服务器通过远程过程调用 (RPC,Remote Procedure Call) 通信, 当客户主机上的应用程序访问远程文件时, 客户主机内核向远程服务器发送一个请求, 客户进程被阻塞, 等待服务器应答, 而服务器一直处于等待状态, 如果接收到客户请求, 就处理请求并将结果返回客户机 NFS 服务器上的目录如果可被远程用户访问, 就称为导出 (export); 客户主机访问服务器导出目录的过程称为安装 (mount), 有时也称挂接或导入 NFS 服务器的配置步骤如下 : (1) 安装 NFS 软件包 (2) 在 /etc/exports 文件中配置 NFS 服务器上要导出的文件系统或目录 (3) 启动 NFS 服务 (4) 导出 /etc/exports 中配置的文件系统或目录

11 嵌入式系统的引导代码嵌入式系统的引导代码 Bootloader 是系统加电后运行的第一段代码在基于 ARM 的嵌入式系统中, 系统上电或复位时通常从地址 0x 处开始执行 Bootloader 引导代码 Bootloader 的作用 : 初始化硬件设备建立内存空间的映射图, 从而将系统的软硬环境带到一个合适的状态, 以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境 ( Bootloader 是严重依赖硬件而实现的 ) 启动参数内核根文件系统 Bootloader 典型固态存储设备的空间分配结构示意图

12 Bootloader 的两种不同的操作模式 : 1 启动加载模式 Bootloader 从目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到 RAM 中运行, 整个过程并没有用户的介入这是 Bootloader 的正常工作模式, 因此, 在嵌入式产品发布时, Bootloader 必须工作在这种模式下 2 下载模式目标机上的 Bootloader 将通过串口或网络等通信手段从开发主机上下载内核映像文件和根文件系统映像到 RAM 中, 然后, 再被 Bootloader 写到目标机上的固态存储媒质上

13 Linux 的内核 Linux 的内核代码结构主要有 5 个子系统组成 : 进程调度内存管理虚拟文件系统网络接口进程间通信内核原代码在 /usr/src/linux-*.*.* 目录下可以找到 drivers fs arch net include init kernel mm ipc Linux 内核代码分布

14 Linux 内核的移植 Linux 系统支持如此多平台的一个原因是因为内核把源程序代码清晰地划分为与体系结构有关和与体系结构无关两部分 arch 目录包含了与体系结构相关部分的内核代码故移植的重点是移植 arch 目录下的文件 arch 目录对于任何平台, 都包含以下几个目录 : boot: 启动内核所需平台特有的代码 Kernel: 存放支持体系结构特有 ( 信号处理等 ) 特征的实现 lib: 存放高速体系结构特有 (strlen 和 memcpy 等 ) 通用函数 mm: 存放支持体系结构特有的内存管理程序 math-emu: 模拟 FPU 的代码对于 ARM 处理器来说, 此目录用 mach-xxx 代替

15 Linux 内核的配置在 Linux 内核编译之前, 需要先配置内核, 配置内核的命令包括以下几个 : make config make oldconfig make menuconfig make xconfig 在现有的实验中, 采用 make menuconfig 这个配置工具

16 Linux 内核的编译编译内核需要 3 个步骤 : 创建内核依赖关系创建内核镜像文件和创建内核模块执行 make dep 命令, 创建内核依赖关系执行 make zimage 命令, 创建内核镜像文件

17 Linux 设备驱动程序开发驱动程序的基本概念设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口设备驱动为应用程序屏蔽了硬件的细节, 在应用程序看来, 硬件设备只是一个设备文件应用程序就可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作驱动程序是内核的一部分, 故运行在内核态 ( 用户的应用程序是运行在用户态 ), 是和内核连接在一起的程序应用程序是通过设备文件来和驱动程序建立联系, 即通过对设备文件的读写从而对驱动程序发送命令

18 设备类型的分类 Linux 支持三类硬件设备 : 字符设备块设备和网络设备字符设备指无需缓冲直接读写的设备, 而且只能顺序读写, 如串口设备 /dev/cua0 块设备只能以块为单位进行读写, 典型块大小 512 字节或 1024 字节块设备通过 buffer 或 cache 进行随机存取, 只有块设备才能支持可安装文件系统网络设备可以通过 BSD 套接口访问字符设备和块设备的区别 : 在对字符设备发出读 / 写请求时, 实际的硬件 I/O 一般就紧接着发生了, 块设备则不然, 它利用一块内存作为缓冲区, 当用户进程对设备请求能满足用户要求时, 就返回请求的数据, 如果不能就调用请求函数来进行实际 I/O 操作块设备主要针对磁盘等慢速设备设计的, 以免耗费过多的 CPU 时间

19 Linux 操作系统设备驱动程序的架构 1 驱动程序与操作系统内核的接口通过 include/linux/fs.h 中的 fiel_operations 数据结构来识别设备, 并提供文件系统的入口点函数, 也就是访问设备驱动的函数这个结构中的每一个成员的名字都对应一个系统调用 2 inode 数据结构包含了文件系统处理的文件所需要的信息在 inode( 索引节点 ) 数据结构中, 提供了关于特别设备文件 /dev/drivername( 如 hda0) 的信息 3 file 数据结构主要用于与文件系统对应的设备驱动程序的使用, 它提供有关被打开的文件的信息 4 驱动程序与系统引导的接口这部分利用驱动程序对设备进行初始化 5 驱动程序与设备的接口描述驱动程序如何与设备进行交互

20 驱动程序的设备号 Linux 系统通过设备号来区分不同的设备设备号由两部分组成 : 主设备号和次设备号主设备号指明对应哪些设备驱动, 这种对应关系是固定不变并作为内核资源的一部分存在需要注意的是, 同一个主设备号可以对应两个不同的设备, 一个字符设备, 一个块设备主设备号可以在 Linux 的内核资源文档 (/usr/src/linuxkernel/documentation/devices.txt) 里面找到帮助信息, 说明的是标准设备所对应的主设备号通过 cat /proc/devices 命令查看系统中列出的处于活动状态设备 ( 设备驱动已被装载 ) 的主设备号次设备号区分被一个设备驱动控制下的某个独立的设备例如 USB 设备可以有多个, 通过次设备号加以区分, 而设备驱动只对应一个

21 设备驱动的模块化编程完成内核的挂接卸载和调用用户空间内核空间 Init_module( ) insmod 系统调用Register_xxx( ) 设备驱动内核模块 rmmod Cleanup_module( ) Unregister_xxx( )

22 int init_module(void){ int res = register_chrdev(device_major,devname,&fops);; if(res < 0) { printk("<1> My device register failed.\n"); return res; } returen 0; } void cleanup_module(void) { unregister_chrdev(device_major,devname); }

23 int my_open(struct inode *inode,struct file *filp){return 0;} int my_release(struct inode *inode,struct file *filp){ return 0;} ssize_t my_read(struct file *filp,char *buf,size_t count,loff_t *offp){ return 0;} ssize_t my_write(struct file *filp,char *buf,size_t count,loff_t *offp) { return 0;} int my_ioctl (struct inode *inode,struct file *filp,unsigned int cmd,unsigned long arg){ return 0;} struct file_operations fops = { read : my_read, write: my_write, ioctl: my_ioctl, open : my_open, release: my_release, };

华恒家庭网关方案

华恒家庭网关方案 LINUX V1.5 1 2 1 2 LINUX WINDOWS PC VC LINUX WINDOWS LINUX 90% GUI LINUX C 3 REDHAT 9 LINUX PC TFTP/NFS http://www.hhcn.com/chinese/embedlinux-res.html minicom NFS mount C HHARM9-EDU 1 LINUX HHARM9-EDU