嵌入式Linux操作系统的实现及其应用研究

引 言

嵌入式操作系统是嵌入式系统中最重要的组成部分，其设计和安装效果直接决定着嵌入式系统的整体功能和质量。Linux 操作系统是一种具有开放性的嵌入式操作系统，在国外具有广泛的应用。本文介绍了嵌入式系统的设计要求及Linux 操作系统的一些特征，并对其设计及应用提出了一些思考。

1 嵌入式系统

嵌入式系统是一种以应用程序为核心，以计算机技术为支持的对软件及硬件进行裁剪的，具有良好的稳定性、适应性的计算机程序。嵌入式系统包括处理机、支持硬件、嵌入式操作系统等几个部分组成。可以看出，嵌入式系统是计算机技术与电子技术、半导体技术结合的产物，可以实现对软件、硬件的管理和应用，是一类具有综合功能、技术密集、投资较高的技术型系统。

事实上，嵌入式系统在人们的日常生活中已得到了广泛的应用。人们使用的许多电子设备中都包含着嵌入式系统，例如 MP3、pad、智能电器、车载 GPS 等。嵌入式技术在未来将有更广阔的应用前景，很可能成为计算机之后第二大发明。

1.1 嵌入式系统的发展历史及现状

嵌入式系统的发展总共经历了四个阶段：

第一个阶段的嵌入式系统是以单芯片为核心技术的可编程系统。这种系统具有较为完善的监测功能和配置功能，通常被应用于一些专业性要求较高的设备中。在应用时，这种系统不需要操作系统的辅助，而是采用汇编语言对系统进行直接的控制，在运行结束后可以自动清除系统中残留的信息。第一个阶段的嵌入式系统的主要特点是系统的结构较为简单， 功能较为单一，能够处理的数据量较小，存储的容量较小。

第二个阶段嵌入式系统采用了CPU 为核心控制器。由于CPU 的种类较多，在兼容性上有所不足。系统的建设和使用成本较高。系统的使用面较为狭窄，主要用于控制监控系统的运行。

第三个阶段的嵌入式系统是以嵌入式的操作系统为标志。这一阶段的嵌入式操作系统在兼容性上有了明显的提升，在各种设备中都能进行使用，操作系统的运行效率有了极大的提升，并且表现出了良好的模块化。

第四个阶段嵌入式系统的发展以互联网的应用为标志。互联网的应用为嵌入式系统的应用提供更广泛的平台，但当前绝大多数系统还不具备与互联网连接使用的功能。随着互联网技术和嵌入式技术的进一步发展，这一目标将会成为现实。

1.2 嵌入式系统体系结构

嵌入式系统的体系结构由四个部分组成，分别是嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件。嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部分。与一般的处理器相比，嵌入式处理器的优势在于，它通常是专门定制的，因此在专业性上有更好的保障。此外，在运行效率和稳定性上也有更好的表现。嵌入式外围设备包括存储设备、通信设备、调试设备、显示设备等。根据功能划分可以分为存储设备、通信设备和显示设备三大类。存储设备主要用于数据的存储， 分为静态存储器、动态存储器等。嵌入式操作系统集中了存储、处理、调度等功能，能够提高系统的便捷性和综合性。嵌入式应用系统具有一定的专业性，主要用于固定的平台中，从而满足用户的使用需求。用户对系统通常有较高的时间和精确度上的要求，嵌入式应用系统就是为了满足用户的这些需求。与普通的应用程序相比，嵌入式系统在准确性、稳定性、安全性上有更好的表现，并且还具有良好的环保性和经济性。

2 嵌入式操作系统

2.1 嵌入式操作系统的定义

嵌入式操作系统是在嵌入式系统中负责支持嵌入式应用程序运行的操作系统，一般包含驱动软件、系统内核、通信协议、浏览器等部分。与普通的操作系统相比，在系统的时效性、硬件相关性上都有较好的性能。嵌入式操作系统除了具备一般操作系统的基础功能，如任务调度、终端处理、文件传输等外，还具有以下的一些优点 ：第一，可装卸性。由于系统的开放和伸缩性，嵌入式系统具有良好的可装卸性 ；第二， 良好的时效性。嵌入式操作系统可以安装在各种终端控制设备中；第三，操作简单方便，拥有简洁直观的图形界面，便于学习和掌握 ；第四，强稳定性，弱交互性。

2.2 几种典型的嵌入式操作系统

操作系统是计算机中的核心部件，也是嵌入式系统的关键组成成分。嵌入式操作系统的性能直接决定着嵌入式系统的功能和工作效率。

根据嵌入式操作系统的用途，可以将其分为两类，分别是非实时系统和实时系统。非实时系统主要用于消费电子产品中，包括数字助理、移动电话等设备。实时操作系统主要用于控制、通信、医疗等方面。上个世纪末，发达国家就开始将嵌入式系统用于商业化的操作系统开发商，嵌入式操作系统的应用领域更加的广泛。这些系统具有较强的专业性，为嵌入式系统的应用奠定了良好的基础。但在制造成本上较为高昂， 且源代码的开放性不高，在一定程度上限制了其发展。为了解决这一困境，Linux 系统被研发了出来，成为商业系统中应用最为广泛的嵌入式操作系统。Linux 具有许多突出的优点，从而获得了系统开发商的重视和发展。

3 嵌入式 Linux操作系统

3.1 Linux操作系统

Linux 操作系统是出了windows 操作系统外使用最为广泛的操作系统之一。Linux 操作系统与一般的操作系统相比， 主要有三个方面的优势。首先，Linux 操作系统的源代码具有较强的开放性，因此，只要在使用过程中遵循 GPL 条款，用户可以随意下载系统，并自行进行更改和发布；其次，Linux 系统可以有效的实现存储、管理、多处理器等功能 ；最后， Linux 系统具有较强的灵活性和创新性。

Linux 系统是基于现代计算机技术的新型操作系统，其中包含了多种先进的技术手段，能够实现多用户多任务的实时管理，能够支持各种处理软件。再加上 Linux 系统良好的开放性，使得世界各地的用户都能进行下载、使用，还能使更多的专家对其进行调整和完善，为其增添新的功能。Linux 作为一项现代科技的产物，会随着科技的发展不断的进行创新和完善，当前，其功能的完善性和多样性已经处于世界的先列。随着其功能的不断增加、灵活性的提升和开放性的增加，它的应用将会更加的广泛。Linux 系统不仅可以应用于个人电脑中，在嵌入式系统中也能发挥极大的作用。Linux 系统良好的网络功能使得嵌入式系统具有更强的网络亲和力，为互联网的连接和扩展提供了一个良好的平台。

3.2 嵌入式 Linux操作系统

嵌入式 Linux操作系统是根据嵌入式系统自身的特点而设计制造而成的一种小型操作系统。它只含有一个内核和一些必要的系统模块，因此所需的存储空间很小。它具有良好的时效性，还能进行多任务多进程的管理。与一般的操作系统相比，Linux系统最大的特点在于，它的源代码是开放的， 可随意的剪裁其软件系统，在嵌入式系统中具有良好的作用。Linux还具有强大的网络功能，为今后进一步发展奠定了基础。Linux系统经济、简洁、稳定的优点充分满足了嵌入式系统对操作系统的要求，因而在嵌入式系统中得到了广泛的应用。

3.3 Linux操作系统的优点

首先，Linux 系统的稳定性很高，功能十分强大和完善， 可以支持多种硬件和软件的应用，操作简单方便。Linux 是一个功能十分完善的操作系统，可以在多种处理器上进行应用。但它的体积很小，可以将其内核与系统文件放进一个软盘上， 仅靠一台硬件机器运转。Linux 系统还可以实现对网络的启动。

其次，Linux 系统的使用成本很低。传统的操作系统， 如应用十分广泛的 windows 系统都需要付费进行下载，在使用应用软件时还需要支付额外的费用。但Linux 系统是完全免费的，只要用户遵守 GPL 协议，就可以免费下载，还可以获得相应的软件工具开发包。这可以为用户省下一大把支出。

第三，文档完善。Linux 系统支持多种文档类型，并为首次使用Linux 系统的用户提供了详尽的使用帮助。Linux 系统与互联网有着紧密的关联，许多Linux 的文档都可以在互联网上找到。随着越来越多的研究人员和用户参与到Linux 系统文档的收集中，关于Linux 系统的理论研究和翻译书籍正在不断电增加，从而更好的帮助用户使用这一操作系统。

第四，强大的网络功能。Linux 系统最显著的特点就是其强大的网络功能。几乎所有的网络协议都可以在Linux 系统上找到，Linux 的内核也能更好的处理网络协议。

嵌入式Linux 操作系统的设计

嵌入式操作系统的设计目的是实现系统中各个应用程序的功能，并对不同层次的系统结构提供良好的支持。嵌入式Linux 操作系统的设计主要分为四个步骤。

首先，通过智能仓储系统对区域内的温度进行收集，这要求嵌入式操作系统具备良好的时效性。但 Linux 内核的管理模式采用的是分时机制，在时效性上略差，因此在进行Linux系统设计时，应当对其时效性进行提升，并且增强中断处理的能力。

其次，对嵌入式系统的设计需要从网络的检测与控制角度进行，完善设备的采集、监控和维护功能，对设备进行定期的调整与维护，在发现设备故障时及时的进行修复。这要求嵌入式设备在运行的过程中应当适时地对一些关键的信息数据进行保存。这样，即使系统出现故障需要重启，这些数据也不会丢失。嵌入式系统对操作系统的体积有较高的要求， 因此像ide 这样体积较大的存储设备是无法应用到嵌入式系统中的。嵌入式系统常用的存储设备是闪存设备。在供电方式上， 嵌入式系统采用的是电池供电，在电源的稳定性上较差。为了确保系统在突然断电的情况下不会丢失重要的信息，应当充分发挥 Flash 的可擦写能力，通过Flash 来动态的保存数据。

最后，嵌入式系统的应用程序要求显示屏上能够显示出采集的数据信息。这要求嵌入式操作系统具有中文的显示和处理功能。但是Linux 当前的中文显示功能尚未完善，大多数应用程度只能在应用层内进行中文化。嵌入式设备自身的处理和存储能力本身就较为有限，要提高系统的中文读写能力， 就必须从内核上增加中文支持。

最后，嵌入式系统的应用程序应当以开发板作用硬件平台，并为平台上的所有硬件设施提供良好的 Flash 和显示功能。

4 实时操作系统

实时操作系统是指具有一定的时效性，能够支持实时性的控制程序的操作系统类型。实时化的操作系统能够在边界内提供系统服务，并且能够显示出完成服务内容所需要的具体时间。在实时化操作系统上，每一个程序运行所需要的时间都是可以计算的。实时操作系统的使用目的是为了在有限的时间内最大限度的利用系统的资源，实现对系统的控制作用。实时操作系统与分时操作系统有着本质上的区别。分时操作系统对于程序的执行时间并没有严格的要求，在运行时间上的误差也不会引起太大的问题。而实时性的操作系统对程序运行的时间有着极为严格的要求，一旦时间出现误差就会导致程序运行的失效。

5 结 语

在当前的技术环境下，嵌入式技术有着良好的应用前景。随着计算机技术的不断发展，嵌入式系统的功能不断完善， 性能更加优越。嵌入式 Linux 具有内核高效、源码开发、软件种类多样等特点，是嵌入式系统中重要的研究领域。