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转 Linux操作系统  

2014-11-20 17:46:11|  分类: 嵌入式系统 |  标签: |举报 |字号 订阅

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         Linux的出现,最早开始于一位名叫Linus Torvalds的计算机业余爱好者,当时他是芬兰赫尔辛基大学的学生。他的目的是想设计一个代替Minix(是由一位名叫Andrew Tannebaum的计算机教授编写的一个操作系统示教程序)的操作系统,这个操作系统可用于386、486或奔腾处理器的个人计算机上,并且具有Unix操作系统的全部功能,因而开始了Linux雏形的设计。
         嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础、软硬件均可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。其发展已有二十多年的历史,国际上也出现了一些著名的嵌入式操作系统,如VxWorks,Palm OS,Windows CE等等,但这些操作系统均属于商品化产品,价格昂贵且由于源代码不公开导致了诸如对设备的支持,应用软件的移植等一系列的问题。而Linux作为一种优秀的Free OS,近几年在嵌入式领域异军突起,成为了最有潜力的嵌入式操作系统。

Linux介绍
从应用上讲,Linux一般有四个主要部分:内核、Shell、文件结构和实用工具:
1.Linux内核
       内核是系统的心脏,是运行程序和管理像磁盘和打印机等硬件设备的核心程序。它从用户那里接受命令并把命令送给内核去执行。
2.Linux Shell
        Shell是系统的用户界面,提供了用户与内核进行交互操作的一种接口。它接收用户输入的命令并把它送入内核去执行。
         实际上Shell是一个命令解释器,它解释由用户输入的命令并且把它们送到内核。不仅如此,Shell有自己的编程语言用于对命令的编辑,它允许用户编写由shell命令组成的程序。Shell编程语言具有普通编程语言的很多特点,比如它也有循环结构和分支控制结构等,用这种编程语言编写的Shell程序与其他应用程序具有同样的效果。
          Linux提供了像Microsoft Windows那样的可视的命令输入界面--X Window的图形用户界面(GUI)。它提供了很多窗口管理器,其操作就象Windows一样,有窗口、图标和菜单,所有的管理都是通过鼠标控制。现在比较流行的窗口管理器是KDE和GNOME。
每个Linux系统的用户可以拥有他自己的用户界面或Shell,用以满足他们自己专门的Shell需要。
同Linux本身一样,Shell也有多种不同的版本。目前主要有下列版本的Shell:
Bourne Shell:是贝尔实验室开发的。
BASH:是GNU的Bourne Again Shell,是GNU操作系统上默认的shell。
Korn Shell:是对Bourne SHell的发展,在大部分内容上与Bourne Shell兼容。
C Shell:是SUN公司Shell的BSD版本。

3.Linux文件结构
        文件结构是文件存放在磁盘等存储设备上的组织方法。主要体现在对文件和目录的组织上。目录提供了管理文件的一个方便而有效的途径。我们能够从一个目录切换到另一个目录,而且可以设置目录和文件的权限,设置文件的共享程度。
使用Linux,用户可以设置目录和文件的权限,以便允许或拒绝其他人对其进行访问。Linux目录采用多级树形结构,图3.1表示了这种树形等级结构。用户可以浏览整个系统,可以进入任何一个已授权进入的目录,访问那里的文件。
文件结构的相互关联性使共享数据变得容易,几个用户可以访问同一个文件。Linux是一个多用户系统,操作系统本身的驻留程序存放在以根目录开始的专用目录中,有时被指定为系统目录。图4-1中那些根目录下的目录就是系统目录。
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         内核,Shell和文件结构一起形成了基本的操作系统结构。它们使得用户可以运行程序,管理文件以及使用系统。此外,Linux操作系统还有许多被称为实用工具的程序,辅助用户完成一些特定的任务。
4.Linux实用工具
标准的Linux系统都有一套叫做实用工具的程序,它们是专门的程序,例如编辑器、执行标准的计算操作等。用户也可以产生自己的工具。
实用工具可分三类:
?编辑器:用于编辑文件。
?过滤器:用于接收数据并过滤数据。
?交互程序:允许用户发送信息或接收来自其他用户的信息。
Linux的编辑器主要有:Ed、Ex、Vi和Emacs。Ed和Ex是行编辑器,Vi和Emacs是全屏幕编辑器。
Linux的过滤器(Filter)读取从用户文件或其他地方的输入,检查和处理数据,然后输出结果。从这个意义上说,它们过滤了经过它们的数据。Linux有不同类型的过滤器,一些过滤器用行编辑命令输出一个被编辑的文件。另外一些过滤器是按模式寻找文件并以这种模式输出部分数据。还有一些执行字处理操作,检测一个文件中的格式,输出一个格式化的文件。 过滤器的输入可以是一个文件,也可以是用户从键盘键入的数据,还可以是另一个过滤器的输出。过滤器可以相互连接,因此,一个过滤器的输出可能是另一个过滤器的输入。在有些情况下,用户可以编写自己的过滤器程序。
交互程序是用户与机器的信息接口。Linux是一个多用户系统,它必须和所有用户保持联系。信息可以由系统上的不同用户发送或接收。信息的发送有两种方式,一种方式是与其他用户一对一地链接进行对话,另一种是一个用户对多个用户同时链接进行通讯,即所谓广播式通讯。

Linux内核
        Linux内核是整个Linux系统的灵魂,Linux内核负责整个系统的内存管理,进程调度和文件管理。Linux内核的容量并不大,并且大小可以裁减,这个特性对于嵌入式是非常有好处的。一般一个功能比较全面的内核也不会超过1M。合理的配置Linux内核是嵌入式开发中很重要的一步,对内核的充分了解是嵌入式Linux开发的基本功。
简单介绍一下内核功能的划分,Linux内核的功能大致分成如下几个部分:
1.进程调度:精度调度控制系统中的多个进程对CPU的访问使得多个进程能在CPU微观观串行,宏观并行地执行。进程调度处于系统的中心位置,内核中其他的子系统都依赖它,因为每个子系统都需要挂起或恢复进程。
2.内存管理:内存是计算机的主要资源之一,用来管理内存的策略是决定系统性能的一个关键因素。内存管理的主要作用是控制多个进程安全地共享主内存区域。当CPU提供内存管理单元(MMU)时,Linux内存管理完成为每个进程进行虚拟内存到屋里内存的转换。Linux2.6引入了对无MMU CPU的支持进程管理:进程管理功能负责创建和撤销进程以及处理他们和外部世界的连接。不同进程之间的通信是整个系统的基本功能,因此也由内核处理。除此之外,控制进程如何共享CPU资源的调度程序也是进程管理的一部分。概括的说,内核的进程管理活动就是在单个或多个CPU上实现多进程的抽象。
3.虚拟文件系统:Linux在很大程度上依赖于文件系统的概念,Linux中的每个对象几乎都是可以被视为文件的。Linux虚拟文件系统(VFS)隐藏了各种硬件的具体细节,为所有的设备提供了统一的接口。而且,它独立于各个具体的文件系统,是对各种文件系统的一个抽象,它使用超级模块super block存放文件系统相关信息,使用索引节点inode存放文件系统的物理信息,使用目录项dentry存放文件的逻辑信息。
4.网络接口:网络接口提供了对各种网络的标准的存取和各宗网络硬件的支持。网络接口可分为网络协议和网络驱动程序,网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协议,网络设备驱动程序负责与硬件设备进行通信,每一种可能的硬件设备都有相应的设备驱动程序。
5.进程通信:Linux支持进程间多种通信机制,包含信号量、共享内存、管道等,这些机制可协助多个进程、多资源的互斥访问、进程间的同步和消息传递。
Linux2.6内核的特点:
相对Linux2.4有相当大的改进,主要体现在如下几个方面。
1.新的调度器
2.6版本的Linux内核使用了新的进程调度算法,它在高负载的情况下执行得极其出色,
并且当有很多处理器时也可以很好地扩展。
2.内核抢占
在2.6版本的Linux内核中,内核任务可以被抢占,从而提高系统的实时性。这样做最主要的优势在于可以极大地增强系统的用户交互性。
3.改进的线程模型
2.6版本的Linux内核中线程操作速度得以提高,可以处理认识数目的线程,PID最大可以达到2000000000。
4.虚拟内存的变化
从虚拟内存的角度来看,新内核融合了r-map(反向映射)技术,显著改善虚拟内存在一定程度负载下的性能。
5.文件系统
2.6版本的Linux内核增加了对日志文件系统功能的支持,解决了2.4版本的Linux内核在这方面的不足。2.6版本的Linux在文件系统上的关键变化还在于对扩展属性及POSIX标准访问控制的支持。Ext2/Ext3作为大多数Linux系统缺省安装的文件系统,在2.6版本的Linux内核中增加了对扩展属性的支持,可以给指定的文件在文件系统中嵌入元数据。

6.音频
新的Linux音频体系结构ALSA(Advanced Linux Sound Architecture)取代了缺陷很多的旧的OSS(Open Sound System)。新的声音体系结构支持USB音频和MIDI设备,并支持全双工重放等功能。
7.总线
SCSI/IDE子系统经过大幅度的重写,解决和改善了以前的一些问题。比如2.6版本的Linux内核可以直接通过IDE驱动程序来支持IDE CD/RW设备,而不必像以前那样使用一个特别的SCSI模拟驱动程序。
8.电源管理
支持ACPI(高级电源配置管理界面),用于调整CPU在不同的负载下工作于不同的始终频率以降低功耗。
9.联
网和IPSec
2.6版本的Linux内核中加入了对IPSec的支持,删除了原来内核内置的HTTP服务器kttpd,加入了对新的NFSv4(网络文件系统)客户机/服务器的支持,并改进了对IPv6的支持
10.用户界面层
2.6版本的Linux内核重写了帧缓冲/控制台层,人机界面层还加入了对大多数接口设备的支持。
在设备驱动程序的方面,Linux2.6相对于Linux2.4也有较大的改动,这主要表现在内核API中增加了不少新功能(例如内存池)、sysfs文件系统、内核模块从.o变为.ko、驱动模块编译方式、模块使用计数、模块加载和卸载函数的定义等方面。

主流嵌入式Linux
        除了智能数字终端领域以外,Linux在移动计算平台、智能工业控制、金融业终端系统,甚至军事领域都有着广泛的应用前景。这些Linux被统称为“嵌入式Linux”。下面就来看看都有哪些嵌入式Linux在以上领域纵横驰骋吧!
1.RT-Linux
这是由美国墨西哥理工学院开发的嵌入式Linux操作系统。到目前为止,RT-Linux已经成功地应用于航天飞机的空间数据采集、科学仪器测控和电影特技图像处理等广泛领域。RT-Linux开发者并没有针对实时操作系统的特性而重写Linux的内核,因为这样做的工作量非常大,而且要保证兼容性也非常困难。为此,RT-Linux提出了精巧的内核,并把标准的Linux核心作为实时核心的一个进程,同用户的实时进程一起调度。这样对Linux内核的改动非常小,并且充分利用了Linux下现有的丰富的软件资源。
2.uClinux
uCLinux是Lineo公司的主打产品,同时也是开放源码的嵌入式Linux的典范之作。uCLinux主要是针对目标处理器没有存储管理单元MMU(Memory Management Unit)的嵌入式系统而设计的。它已经被成功地移植到了很多平台上。由于没有MMU,其多任务的实现需要一定技巧。uCLinux是一种优秀的嵌入式Linux版本,是micro-Conrol-Linux的缩写。它秉承了标准Linux的优良特性,经过各方面的小型化改造,形成了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式Linux。虽然它的体积很小,却仍然保留了Linux的大多数的优点:稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、对各种文件系统完备的支持和标准丰富的API。它专为嵌入式系统做了许多小型化的工作,目前已支持多款CPU。其编译后目标文件可控制在几百KB数量级,并已经被成功地移植到很多平台上。
3.Embedix
Embedix是由嵌入式Linux行业主要厂商之一Luneo推出的,是根据嵌入式应用系统的特点重新设计的Linux发行版本。Embedix提供了超过25种的Linux系统服务,包括Web服务器等。系统需要最小8MB内存,3MB ROM或快速闪存。Embedix基于Linux 2.2内核,并已经成功地移植到了Intel x86和PowerPC处理器系列上。像其它的Linux版本一样,Embedix可免费获得。Luneo还发布了另一个重要的软件产品,它可以让在Windows CE上运行的程序能够在Embedix上运行。Luneo还将计划推出Embedix的开发调试工具包、基于图形界面的浏览器等。可以说,Embedix是一种完整的嵌入式Linux解决方案。
4.Xlinux
XLinux是由美国网虎公司推出,主要开发者是陈盈豪。他在加盟网虎几个月后便开发出了基于XLinux的、号称是世界上最小的嵌入式Linux系统,内核只有143KB,而且还在不断减小。XLinux核心采用了“超字元集”专利技术,让Linux核心不仅可能与标准字符集相容,还含盖了12个国家和地区的字符集。因此,XLinux在推广Linux的国际应用方面有独特的优势。
5.PoketLinux
PoketLinux由Agenda公司采用、作为其新产品“VR3 PDA”的嵌入式Linux操作系统。它可以提供跨操作系统构造统一的、标准化的和开放的信息通信基础结构,在此结构上实现端到端方案的完整平台。PoketLinux资源框架开放,使普通的软件结构可以为所有用户提供一致的服务。PoketLinux平台使用户的视线从设备、平台和网络上移开,由此引发了信息技术新时代的产生。在PoketLinux中,称之为用户化信息交换(CIE),也就是提供和访问为每个用户需求而定制的“主题”信息的能力,而不管正在使用的设备是什么。
6.MidoriLinux
由Transmeta公司推出的MidoriLinux操作系统代码开放,在GUN普通公共许可(GPL)下发布,可以在http://midori.transmeta.com上立即获得。该公司有个名为“MidoriLinux计划”。“MidoriLinux”这个名字来源于日本的“绿色”——Midori,用来反映其Linux操作系统的环保外观。
7.红旗嵌入式Linux
由北京中科院红旗软件公司推出的嵌入式Linux是国内做得较好的一款嵌入式操作系统。目前,中科院计算所自行开发的开放源码的嵌入式操作系统——Easy Embedded OS(EEOS)也已经开始进入实用阶段了。该款嵌入式操作系统重点支持p-Java。系统目标一方面是小型化,另一方面能重用Linux的驱动和其它模块。由于有中科院计算所的强大科研力量做后盾,EEOS有望发展成为功能完善、稳定、可靠的国产嵌入式操作系统平台。
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