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隨著技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，而Linux作為一款強大的操作系統(tǒng)，更是成為嵌入式系統(tǒng)常用的操作系統(tǒng)。嵌入式Linux系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來越廣，例如智能家居、智能電視、智能手機等等，而這些設(shè)備中都嵌有Linux系統(tǒng)軟件，其中涉及到的各種信息大多是機密的，如果有人將這些信息盜取，不僅會導(dǎo)致經(jīng)濟損失，同時也會對公司以及客戶的隱私造成極大的威脅，因此在保護Linux軟件安全方面，非常重要。
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那么，如何才能有效地保護嵌入式Linux軟件，抵御盜版呢？以下為了解決這一問題，了幾種有效的方式：
1.加密技術(shù)
使用加密技術(shù)是最基本、最有效的方式，一方面可以保護軟件的安全性，另一方面也可以有效地防范盜版。根據(jù)實際需求，可以使用對稱加密或不對稱加密，或者兩者結(jié)合的方式來保護軟件。但是加密也有它的局限性，在實際的使用中應(yīng)該有靈活、有效的控制方式來監(jiān)控加密算法的運作過程。
2.硬件保護
將嵌入式Linux軟件與硬件密切結(jié)合，采用芯片保護、加密狗等方式來實現(xiàn)硬件保護。這樣，即使黑客盜取了軟件，也無法在沒有硬件設(shè)備的情況下運行軟件。
3.技術(shù)特征碼保護
在軟件制作時，可以將一些特征碼打散分布在軟件代碼中，使得軟件的執(zhí)行部分需要集配特定順序的特征碼才能執(zhí)行。這樣這類特征碼只有在知道軟件代碼的情況下才能得到，并且每個軟件都有不同的特征碼，而且可以對特征碼進行動態(tài)更改，這種方法相對較為安全。
4.增加安全檢測功能
在軟件內(nèi)部建立一些檢測模塊、計時模塊等安全模塊，判斷是否是合法用戶、是否非法運行軟件等情況，可以有效抵御黑客盜版。
5.基于云平臺的保護方案
通過基于云平臺的劍據(jù)記錄和審計功能，可以有效防止黑客和病毒入侵。云平臺可以及時的對軟件的使用情況進行監(jiān)測，能夠快速發(fā)現(xiàn)不合法使用軟件的行為，并及時的采取相關(guān)行動，而且能夠完善的檢測開發(fā)中存在的系統(tǒng)漏洞問題，并及時的進行修補。
當(dāng)然，在保護嵌入式Linux軟件時，還有其他一些常用手段，如：密碼保護、軟件補丁升級等等，這些方法雖然不能強制杜絕黑客盜版，但是可以有效的降低盜版的風(fēng)險，保護軟件的安全性。
針對Linux軟件的安全保護需要綜合運用軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)等多種技術(shù)方案，而且還需要通過完善的管理，不斷的完善和提高系統(tǒng)安全性，才能建立一套有效的保護體系。因此，企業(yè)在安裝和使用Linux系統(tǒng)軟件時，需要對軟件安全性問題有足夠的認識，及時進行提高保障措施，有效的避免黑客的盜版風(fēng)險，保障軟件安全。
相關(guān)問題拓展閱讀：
- 什么是嵌入式操作系統(tǒng)?
- linux操作系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用
什么是嵌入式操作系統(tǒng)?
嵌入式操作系統(tǒng)EOS（Embedded）是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，過去它主要應(yīng)用于工業(yè)控制和國防系統(tǒng)領(lǐng)域。EOS負責(zé)嵌人系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度工作，控制協(xié)調(diào)并發(fā)活動；它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統(tǒng)所要求的功能。目前，已推出一些應(yīng)用比較神隱成功的EOS產(chǎn)品系列。隨著Internet技術(shù)的發(fā)展、信息家電的普及應(yīng)用及EOS的微型化肢禪和專業(yè)化，EOS開始從單一的弱功能向高專業(yè)化的強功能方向發(fā)展。嵌人式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點。EOS是相對于一般操作系統(tǒng)而言的，它除具備了一般操作系統(tǒng)最基本的功能，如任務(wù)調(diào)度、同步機制、中斷處理、文件功能等外，還有以下特點：
(1)可裝卸性。開放性、可伸縮性的體系結(jié)構(gòu)。
(2)強實時性。EOS實時性一般較強，可用于各種設(shè)備控制當(dāng)中。
(3)統(tǒng)一的接口。提供各種設(shè)備驅(qū)動接日.
(4)操作方便、簡單、提供友好的圖形GUI，圖形界面，追求易學(xué)易用.
(5)提供強大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持TCP門P協(xié)議及其它協(xié)議，提供TCP／UDP／IP／PPP協(xié)議支持及統(tǒng)一的MAC訪問層接口，為各種移動計算設(shè)備預(yù)留接口.
(6)強穩(wěn)定性，弱交互性。嵌入式系統(tǒng)一旦開始運行就不需要用戶過多的干預(yù)，這就要負責(zé)系統(tǒng)管理的EOS臭有較強的穩(wěn)定性。嵌入式操作系統(tǒng)的用戶接日一般不提供操作命令，它通過系統(tǒng)調(diào)用命令向用戶程序提供服務(wù)。
(7)固化代碼。在嵌入系統(tǒng)中，嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件被固化在嵌入式系統(tǒng)計算機的ROM中。輔助存儲器在嵌入式系統(tǒng)中很少使用，因此，嵌入式操作系統(tǒng)的文件管理功能應(yīng)該能夠很容易地拆卸，而用各種內(nèi)存文件系統(tǒng).
(8)更好的硬件適應(yīng)性，也就是良好的移植性.
國際上用于信息電器的嵌入式操作系統(tǒng)有40種左右?，F(xiàn)在，市場上非常流行的EOS產(chǎn)品，包括3Corn公司下屬子公司的PalmOS，全球占有份額達50％，MicroS。fi公司的Wind。wsCE不過29％。在美國市場，PalmOS更以80％的占有率遠超WindowsCE。開放源代碼的Linux很適于做信息家電的開發(fā).
比如：中科紅旗軟件技術(shù)有限公司開發(fā)的紅旗嵌入式Linux和美商網(wǎng)虎公司開發(fā)的基于Xlinux的嵌人式操作系統(tǒng)“夸克”?！翱淇恕笔悄壳叭澜缱钚〉腖inux，它有兩個很突出的特點，就是體積小和使用GCS編碼。
常見的嵌入式系統(tǒng)有:Linux、uClinux、WinCE、PalmOS、Symbian、eCos、uCOS-II、VxWorks、pSOS、Nucleus、ThreadX、Rtems、QNX、INTEGRITY、OSE、CExecutive.
嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展
1．引言
嵌入式操作系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)密不可分。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個部分組成，它是集軟硬件于一體的可獨立工作的“器件”。
嵌入式技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了四個階段。
之一階段是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)，同時具有與監(jiān)測、伺服、指示設(shè)備相配合的功能。這種系統(tǒng)大部分應(yīng)用于一些專業(yè)性極強的工業(yè)控制系統(tǒng)中，一般沒有操作系統(tǒng)的支持，通過匯編語言編程對系統(tǒng)進行直接控制，運行結(jié)束后清除內(nèi)存。
第二階段是以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、以簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。這一階段的歷瞎塵操作系統(tǒng)具有一定的兼容性和擴展性，但用戶界面不夠友好。
第三階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。這一階段系統(tǒng)的主要特點是：嵌入式操作系統(tǒng)能運行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好；操作系統(tǒng)內(nèi)核精小、效率高，并且具有高度的模塊化和擴展性；具備文件和目錄管理、設(shè)備支持、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；具有大量的應(yīng)用程序接口（API），開發(fā)應(yīng)用程序簡單；嵌入式應(yīng)用軟件豐富。
第四階段是以基于Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)，這是一個正在迅速發(fā)展的階段。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于Internet之外，但隨著Internet的發(fā)展以及Internet技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等結(jié)合日益密切，嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合將代表著嵌入式技術(shù)的真正未來。
嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展對嵌入式操作系統(tǒng)提出了更高的要求。因此，對嵌入式操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計、用戶界面等諸多方面進行深入研究，將有助于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展。
2．嵌入式操作系統(tǒng)的特點
2.1嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人員對操作系統(tǒng)的依賴性
早期的硬件設(shè)備很簡單，軟件的編程和調(diào)試工具也很原始，與硬件系統(tǒng)配套的軟件都必須從頭編寫。程序大都采用宏匯編語言，調(diào)試是一件很麻煩的事。隨著系統(tǒng)越來越復(fù)雜，操作系統(tǒng)就顯得很必要。
（1）操作系統(tǒng)能有效管理越來越復(fù)雜的系統(tǒng)資源。
（2）操作系統(tǒng)能夠把硬件虛擬化，使得開發(fā)人員從繁忙的驅(qū)動程序移植和維護中解脫出來。
（3）操作系統(tǒng)能夠提供庫函數(shù)、驅(qū)動程序、工具集以及應(yīng)用程序。
在70年代的后期，出現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。在80年代末，市場上出現(xiàn)了幾個著名的商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)，包括Vxwork、Neculeus、QNX和WindowsCE等，這些系統(tǒng)提供性能良好的開發(fā)環(huán)境，提高了應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)效率。
2．2嵌入式操作系統(tǒng)的特點
與其他類型的操作系統(tǒng)相比，嵌入式操作系統(tǒng)具有以下一些特點。
（1）體積小。嵌入式系統(tǒng)有別于一般的計算機處理系統(tǒng)，它不具備像硬盤那樣大容量的存儲介質(zhì)，而大多使用閃存（FlashMemory）作為存儲介質(zhì)。這就要求嵌入式操作系統(tǒng)只能運行在有限的內(nèi)存中，不能使用虛擬內(nèi)存，中斷的使用也受到限制。因此，嵌入式操作系統(tǒng)必須結(jié)構(gòu)緊湊，體積微小。
（2）實時性。大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是實時系統(tǒng)，而且多是強實時多任務(wù)系統(tǒng)，要求相應(yīng)的嵌入式操作系統(tǒng)也必須是實時操作系統(tǒng)(RTOS)。實時操作系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)的一個重要分支已成為研究的一個熱點，主要探討實時多任務(wù)調(diào)度算法和可調(diào)度性、死鎖解除等問題。
（3）特殊的開發(fā)調(diào)試環(huán)境。提供完整的集成開發(fā)環(huán)境是每一個嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員所期待的。一個完整的嵌入式系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境一般需要提供的工具是編譯/連接器、內(nèi)核調(diào)試/跟蹤器和集成圖形界面開發(fā)平臺。其中的集成圖形界面開發(fā)平臺包括編輯器、調(diào)試器、軟件仿真器和監(jiān)視器等。
3．嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r
國外嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)從簡單走向成熟，主要有Vxwork、QNX、PalmOS、WindowsCE等。國內(nèi)的嵌入式操作系統(tǒng)研究開發(fā)有2種類型，一類是基于國外操作系統(tǒng)二次開發(fā)完成的，如海信的基于WindowsCE的機頂盒系統(tǒng)；另一類是中國自主開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，如凱思集團公司自主研制開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)HopenOS（“女媧計劃”）等。
WindowsCE內(nèi)核較小，能作為一種嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用到工業(yè)控制等領(lǐng)域。其優(yōu)點在于便攜性、提供對微處理器的選擇以及非強行的電源管理功能。內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)通信能力使WindowsCE能夠訪問Internet并收發(fā)E_mail或瀏覽Web。除此之外，WindowsCE特有的與Windows類似的用戶界面使最終用戶易于使用。WindowsCE的缺點是速度慢、效率低、價格偏高、開發(fā)應(yīng)用程序相對較難。
3Com公司的PalmOS在掌上電腦和PDA市場上獨占其霸主地位，它有開放的操作系統(tǒng)應(yīng)用程序接口(API)，開發(fā)商可根據(jù)需要自行開發(fā)所需的應(yīng)用程序。
QNX是由加拿大QSSL公司開發(fā)的分布式實時操作系統(tǒng),它由微內(nèi)核和一組共操作的進程組成,具有高度的伸縮性,可靈活地剪裁，最小配置只占用幾十KB內(nèi)存。因此，可以廣泛地嵌入到智能機器、智能儀器儀表、機頂盒、通訊設(shè)備、PDA等應(yīng)用中去。
HopenOS是凱思集團自主研制開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，由一個體積很小的內(nèi)核及一些可以根據(jù)需要進行定制的系統(tǒng)模塊組成。其核心HopenKernel一般為10KB左右大小，占用空間小，并具有實時、多任務(wù)、多線程的系統(tǒng)特征。
在眾多的實時操作系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)產(chǎn)品中，WindRiver公司的VxWorks是較為有特色的一種實時操作系統(tǒng)。VxWorks支持各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括POSIX、ANSIC和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。VxWorks運行系統(tǒng)的核心是一個高效率的微內(nèi)核，該微內(nèi)核支持各種實時功能，包括快速多任務(wù)處理、中斷支持、搶占式和輪轉(zhuǎn)式調(diào)度。微內(nèi)核設(shè)計減輕了系統(tǒng)負載并可快速響應(yīng)外部事件。在美國宇航局的“極地登陸者”號、“深空二號”和火星氣候軌道器等登陸火星探測器上，就采用了VxWorks，負責(zé)火星探測器全部飛行控制，包括飛行糾正、載體自旋和降落時的高度控制等，而且還負責(zé)數(shù)據(jù)收集和與地球的通信工作。目前在全世界裝有VxWorks系統(tǒng)的智能設(shè)備數(shù)以百萬計，其應(yīng)用范圍遍及互聯(lián)網(wǎng)、電信和數(shù)據(jù)通信、數(shù)字影像、網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)學(xué)、計算機外設(shè)、汽車、火控、導(dǎo)航與制導(dǎo)、航空、指揮、控制、通信和情報、聲納與雷達、空間與導(dǎo)彈系統(tǒng)、模擬和測試等眾多領(lǐng)域。
4．Linux
4．1嵌入式Linux的應(yīng)用開發(fā)前景
Linux是個與生俱來的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，成熟而且穩(wěn)定。Linux是源代碼開放軟件，不存在黑箱技術(shù)，任何人都可以修改它，或者用它開發(fā)自己的產(chǎn)品。Linux系統(tǒng)是可以定制的，系統(tǒng)內(nèi)核目前已經(jīng)可以做得很小。一個帶有中文系統(tǒng)及圖形化界面的核心程序也可以做到不足1MB，而且同樣穩(wěn)定。Linux作為一種可裁減的軟件平臺系統(tǒng)，是發(fā)展未來嵌入設(shè)備產(chǎn)品的絕佳資源，遍布全球的眾多Linux愛好者又能給予Linux開發(fā)者強大的技術(shù)支持。因此，Linux作為嵌入式系統(tǒng)新的選擇，是非常有發(fā)展前途的。
（1）與硬件芯片的緊密結(jié)合
后PC時代的智能設(shè)備已經(jīng)逐漸地模糊了硬件與軟件的界限，SOC系統(tǒng)（SystemOnChip）的發(fā)展就是這種軟硬件無縫結(jié)合趨勢的證明。隨著處理器片內(nèi)微碼的發(fā)展，在將來可能出現(xiàn)在處理器片內(nèi)嵌進操作系統(tǒng)的代碼模塊。
嵌入式Linux的一大特點是：與硬件芯片(如SOC等)的緊密結(jié)合。它不是一個純軟件的Linux系統(tǒng)，而比一般操作系統(tǒng)更加接近于硬件。嵌入式Linux的進一步發(fā)展，逐步地具備了嵌入式RTOS的一切特征：實時性及與嵌入式處理器的緊密結(jié)合。
（2）開放的源代碼
嵌入式Linux的另一大特點是：代碼的開放性。代碼的開放性是與后PC時代的智能設(shè)備的多樣性相適應(yīng)的。代碼的開放性主要體現(xiàn)在源代碼可獲得上，Linux代碼開發(fā)就像是“集市式”開發(fā)，任意選擇并按自己的意愿整合出新的產(chǎn)品。
對于嵌入式Linux，事實上是把BIOS層的功能實現(xiàn)在Linux的driver層。目前，在Linux領(lǐng)域，已經(jīng)出現(xiàn)了專門為Linux操作系統(tǒng)定制的自由軟件的BIOS代碼，并在多款主板上實現(xiàn)此類的BIOS層功能。
（3）嵌入式Linux與硬件芯片的緊密結(jié)合
對于許多信息家電的應(yīng)用來說，嵌入的性能指標(biāo)是最難滿足的，只有靠提高芯片的集成度與裝配密度來解決。嵌入式Linux與標(biāo)準(zhǔn)Linux的一個重要區(qū)別是嵌入式Linux與硬件芯片的緊密結(jié)合。這是一個不可逾越的難點，也是嵌入式Linux技術(shù)的關(guān)鍵之處。嵌入式Linux和商用專用RTOS一樣，需要編寫B(tài)SP（BoardSupportPackage），這相當(dāng)于編寫PC的BIOS。這不僅僅是嵌入式Linux的難點，也是使用商用專用RTOS開發(fā)的難點。硬件芯片（SOC芯片或者是嵌入式處理器）的多樣性也決定了代碼開放的嵌入式Linux的成功。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，必然導(dǎo)致軟硬件無縫結(jié)合的趨勢，逐漸地模糊了硬件與軟件的界限，在將來可能出現(xiàn)SOC片內(nèi)的操作系統(tǒng)代碼模塊。
隨著處理器片內(nèi)微碼的發(fā)展，在將來應(yīng)出現(xiàn)在處理器片內(nèi)嵌進操作系統(tǒng)的代碼模塊,很顯然模塊將具有安全性好、健壯性強、代碼執(zhí)行效率高等特點。著眼于未來的嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，我們基于對嵌入式Linux技術(shù)的深入研究，對嵌入式處理器及SOC系統(tǒng)的深刻理解和研究；對EDA技術(shù)的深入研究；對模擬數(shù)字混合集成電路芯片的深入研究；對SOC片內(nèi)進行嵌入式Linux操作系統(tǒng)代碼的植入研究。此類的研究有可能減輕系統(tǒng)開發(fā)者對BSP開發(fā)的難度要求，并使得嵌入式Linux能夠成為普及的嵌入式操作系統(tǒng)，而大大提高嵌入式Linux的易用性，提高其開發(fā)出的高智能設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性，同時也大大提高智能設(shè)備的計算能力、處理能力。
4．2部分嵌入式Linux產(chǎn)品
嵌入式Linux一般是按照嵌入式目標(biāo)系統(tǒng)的要求而設(shè)計，由一個體積很小的內(nèi)核及一些可以根據(jù)需要進行隨意裁減的系統(tǒng)模塊組成。一般來說整個系統(tǒng)所占用的空間不會超過幾M大小。目前，國外不少大學(xué)、研究機構(gòu)和知名公司都加入了嵌入式Linux的開發(fā)工作，較成熟的嵌入式Linux產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。
由美國新墨西哥理工學(xué)院開發(fā)的基于標(biāo)準(zhǔn)Linux的嵌入式操作系統(tǒng)RTLinux，已成功地應(yīng)用于航天飛機的空間數(shù)據(jù)采集、科學(xué)儀器測控、電影特技圖像處理等領(lǐng)域。RTLinux開發(fā)者并沒有針對實時操作系統(tǒng)的特性重寫Linux的內(nèi)核，這樣做工作量會非常大，而且要保證兼容性也非常困難。為此，RTLinux提供了一個精巧的實時內(nèi)核，并把標(biāo)準(zhǔn)的Linux核心作為實時核心的一個進程同用戶的實時進程一起調(diào)度，這樣做的好處是對Linux的改動量最小，充分利用了Linux平臺下現(xiàn)有的豐富的軟件資源。
由嵌入式Linux行業(yè)主要廠商之一Lineo推出的Embedix，是根據(jù)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的特點重新設(shè)計的Linux發(fā)行版本。Embedix提供了超過25種的Linux系統(tǒng)服務(wù)，包括Web服務(wù)器等。系統(tǒng)需要最小8M內(nèi)存，3M只讀內(nèi)存或閃存。Embedix基于Linux2.2核心，并已經(jīng)成功地移植到了IntelX86和PowerPC處理器系列上。
由美國網(wǎng)虎公司推出的XLinux，號稱是世界上最小的嵌入式Linux系統(tǒng)，核心只有143K字節(jié)，而且還在不斷減小。
致力于國產(chǎn)嵌入式Linux操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件開發(fā)的廣州博利思軟件公司推出的嵌入式Linux中文操作系統(tǒng)POCKETIX，基于標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核，并包括一些可以根據(jù)需要進行定制的系統(tǒng)模塊。支持標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和TCP／IP協(xié)議、支持標(biāo)準(zhǔn)的XWindow，中文支持采用國際化標(biāo)準(zhǔn)，提供桌面和窗口管理功能、帶WEB瀏覽器和文件管理器，并支持智能拼音和五筆字型輸入?？蛇m應(yīng)個人PDA、WAP手機、機頂盒等廣泛的智能信息產(chǎn)品。
4．3開發(fā)嵌入式Linux的幾個問題
（1）Linux的移植。如果Linux不支持選用的平臺，就需要把Linux內(nèi)核中與硬件平臺相關(guān)的部分改寫，使之支持所選用的平臺。
（2）內(nèi)核的裁剪。嵌入式產(chǎn)品的可用資源比較少，所以它的內(nèi)核相對嵌入式系統(tǒng)來說就顯得有點大，需要進行剪裁到可利用的大小。
（3）桌面系統(tǒng)?，F(xiàn)代的操作系統(tǒng)如果沒有一個友好的界面是沒有說服力的。現(xiàn)在的臺式機Linux系統(tǒng)使用了傳統(tǒng)的XWindow系統(tǒng)的模式—Client/Server結(jié)構(gòu)。和硬件有關(guān)的部分即是Server端，實現(xiàn)一個標(biāo)準(zhǔn)的顯示接口；應(yīng)用程序通過對Server的服務(wù)請求，實現(xiàn)程序的顯示。在此之上，實現(xiàn)窗口的管理功能。但XWindow對于嵌入式系統(tǒng)來說顯得很龐大?，F(xiàn)在國內(nèi)有MiniGUI，國外有MicroWindow，都在致力于嵌入式LinuxGUI的開發(fā)。適用于嵌入式Linux上的XWindow的工作也在進行。
（4）驅(qū)動程序的開發(fā)。Linux內(nèi)核更新的很快，許多最新的硬件驅(qū)動很快就被支持。但嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域是多種多樣的，所選用的硬件設(shè)備也不同，并且不可能都有Linux的驅(qū)動程序，因此，設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)也是重要的工作。
（5）應(yīng)用軟件的開發(fā)。
（6）中文的支持。
5．結(jié)束語
linux操作系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用
知道已經(jīng)淪為做作業(yè)的了么
摘要：針對嵌入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的應(yīng)用特點，介紹了嵌入式linux的主要技術(shù)及在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用方法。結(jié)合硬件平臺詳細說明了嵌入式linux系統(tǒng)的主要實現(xiàn)方法?同時也簡要介紹了該嵌入式系統(tǒng)的實時內(nèi)核、內(nèi)存機制和文件系統(tǒng)的設(shè)計等內(nèi)容。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；嵌入式linux；工業(yè)控制
1 前言
隨著Internet的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用越來越廣泛，對各種工業(yè)控制設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能要求也越來越高。當(dāng)前的要求是希望工業(yè)控制設(shè)備能夠支持TCP／IP以及其它Internet協(xié)議，從而能夠通過用戶熟悉的瀏覽器查看設(shè)備狀態(tài)、設(shè)置設(shè)備參數(shù)，或者將設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到Windows或Unix／Linux服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫中。這就要求工控系統(tǒng)必須具備兩方面的功能：一是要在現(xiàn)場完成復(fù)雜的測控任務(wù)，因為通常一些任務(wù)都具有一定的實時性要求；二是要求測控系統(tǒng)能夠與某一類型的控制網(wǎng)相連，以實現(xiàn)遠程監(jiān)控。在目前應(yīng)用的大多數(shù)測控系統(tǒng)中，嵌入式系統(tǒng)的硬件采用的是8／16位單片機；軟件多采用匯編語言編程，由于這些程序僅包含一些簡單的循環(huán)處理控制流程。因此，單片機與單片機或上位機之間的通信通常通過RS232、RS485來組網(wǎng)。前差這些網(wǎng)絡(luò)存在通信速度慢、聯(lián)網(wǎng)功能差、開發(fā)困難等問題。工業(yè)以太網(wǎng)已逐步完善，在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得越來越多的應(yīng)用。工業(yè)以太網(wǎng)使用的是TCP／IP協(xié)議，因而便于聯(lián)網(wǎng)，并具有高速控制網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點。
現(xiàn)在旅悔銷，32位嵌入式CPU價格的下降和性能指標(biāo)的提高，為嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供了可能。那么，限制嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸就突出地表現(xiàn)在軟件方面。盡管從上世紀(jì)八十年代末開始，已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了一些嵌入式操作系統(tǒng)（比較著名的有Vxwork、pSOS、Neculeus和Windows CE等），但這些專用操作系統(tǒng)都是商業(yè)化產(chǎn)品，其高昂的價格使許多生產(chǎn)低端產(chǎn)品的小公司望而卻步；而且，源代碼的封閉性也大大限制了開發(fā)者的積極性。嵌入式系統(tǒng)需要的是一套高度簡練、界面友善、質(zhì)量可靠、應(yīng)用廣泛、拆游易開發(fā)、多任務(wù)，并且價格低廉的操作系統(tǒng)。如今，業(yè)界已經(jīng)達成共識：即嵌入式linux是大勢所趨。 嵌入式Linux操作系統(tǒng)以價格低廉、功能強大、易于移植等特點而正在被廣泛采用，并已成為一種新興力量。
2 嵌入式linux技術(shù)
嵌入式Linux是按照嵌入式操作系統(tǒng)的要求而設(shè)計的一種小型操作系統(tǒng)，它由一個Kernel（內(nèi)核）及一些根據(jù)需要進行定制的系統(tǒng)模塊組成。Kernel一般只有幾百kB左右，即使加上其它必須的模塊和應(yīng)用程序，所需的存儲空間也很小。它具有多任務(wù)、多進程的系統(tǒng)特征，有些還具有實時性。一個小型的嵌入式Linux系統(tǒng)只需要引導(dǎo)程序、Linux微內(nèi)核、初始化進程3個基本元素。運行嵌入式Linux的CPU可以是x86、Alpha、Sparc、MIPS、PPC等。與這些芯片搭配的主板都很小，通常只有一張PCI卡大小，有的甚至更小。嵌入式Linux所需的存儲器不是軟磁盤、硬盤、Zip盤、CD－ROM、DVD這些眾所周知的常規(guī)存儲器，它主要使用Rom、CompactFlash、M－Systems的DiskOnChip、Sony的MemoryStick、IBM的MicroDrive等體積極小（與主板上的BIOS大小相近），且存儲容量不太大的存儲器。它的內(nèi)存可以使用普通的內(nèi)存，也可以使用專用的RAM。
與其它嵌入式操作系統(tǒng)相比，Linux的源代碼是開放的，不存在黑箱技術(shù)。Linux作為一種可裁剪的軟件平臺系統(tǒng)，很可能發(fā)展成為未來嵌入式設(shè)備產(chǎn)品的絕佳資源。Linux與生俱來的優(yōu)秀網(wǎng)絡(luò)血統(tǒng)更為今后的發(fā)展鋪平了一條寬廣平坦的大路。因此，在保持Linux內(nèi)核系統(tǒng)更小、更穩(wěn)定、更具價格競爭力等優(yōu)勢的同時，對系統(tǒng)內(nèi)核進行實時性優(yōu)化，更加使之能夠適應(yīng)對工業(yè)控制領(lǐng)域高實時性的要求。這也正是嵌入式linux操作系統(tǒng)在嵌入式工控系統(tǒng)中的發(fā)展所在。同時也使Linux成為嵌入式操作系統(tǒng)中的新貴。
標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核通常駐留在內(nèi)存中，每一個應(yīng)用程序都是從磁盤運到內(nèi)存上執(zhí)行。當(dāng)程序結(jié)束后，它所占用的內(nèi)存就被釋放，程序就被下載了。而在一個嵌入式系統(tǒng)里，可能沒有磁盤。有兩種途徑可以消除對磁盤的依賴，一是在一個簡單的系統(tǒng)里，當(dāng)系統(tǒng)啟動后，內(nèi)核和所有的應(yīng)用程序都存在內(nèi)存里。這是大多數(shù)傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的工作模式，同樣Linux。第二種就是linux所特有的功能，因為Linux已經(jīng)有能力“加載”和“卸載”程序，因此，一個嵌入式系統(tǒng)就可以利用它來節(jié)省內(nèi)存。一個比較典型的系統(tǒng)有大約8MB到16MB的閃存和8MB RAM?而閃存可以被用作文件系統(tǒng)。用閃存驅(qū)動程序作為從閃存到文件系統(tǒng)的界面就是一種選擇。當(dāng)然，也可以用一個閃存磁盤。用閃存來擺脫系統(tǒng)對一個磁盤的需求(依賴)具有DiskOnChip技術(shù)以及CmopactFlash卡等方式。
用來連接Flash Memory和文件系統(tǒng)的程序都以文件形式存儲在Flash文件中，需要時可以裝入內(nèi)存，這種動態(tài)的、根據(jù)需要加載的能力是支持其它一系列功能的重要特征。它能使初始化代碼在系統(tǒng)引導(dǎo)后被釋放。實際上，Linux同樣還有很多內(nèi)核外運行的公用程序，這些程序通常在初始化時運行一次，以后就不再運行。而且，這些公用程序可以用它們相互共有的方式一個接一個地按順序運行。這樣，相同內(nèi)存空間可以被反復(fù)使用以“召入”每一個程序，就象系統(tǒng)引導(dǎo)一樣。這樣可以節(jié)省內(nèi)存，特別是那些配置一次以后就不再更改的網(wǎng)絡(luò)堆棧。如果將Linux可加載模塊的功能包括在內(nèi)核里，驅(qū)動程序和應(yīng)用程序就都可以被加載。由于它可以檢查硬件環(huán)境并且為硬件裝上相應(yīng)的軟件，從而消除了用一個程序占用許多Flash Memory來處理多種硬件的復(fù)雜性。另外，軟件的升級更加模塊化，可以在系統(tǒng)運行時在Flash上升級應(yīng)用程序和加載驅(qū)動程序，其配置信息和運行時間參數(shù)可以作為數(shù)據(jù)文件儲存在Flash中。
3 嵌入式工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)方案
基于嵌入式linux的工控系統(tǒng)以嵌入式微處理器為核心來運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)。應(yīng)用程序可通過網(wǎng)絡(luò)進行更新，并可通過鍵盤進行人機對話，數(shù)據(jù)可通過LCD現(xiàn)場顯示，重要數(shù)據(jù)可用文件形式保存在Flash等閃存存儲器中；數(shù)據(jù)和報警信息可通過串口向上位機傳輸，也可以通過以太網(wǎng)向工業(yè)以太網(wǎng)或Inernet發(fā)布，用戶還可通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程監(jiān)控和遠程維護。更為關(guān)鍵的是，可充分利用Internet上已有的軟件和協(xié)議（如：ftp，http以及Apache?PHP?MySQL等應(yīng)用程序）迅速搭建前臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以實現(xiàn)測控系統(tǒng)和后臺管理系統(tǒng)的通訊。圖1所示是這種實現(xiàn)方案的系統(tǒng)框圖。這種方式的優(yōu)點有：
（1）不需專用的通信線路即可用現(xiàn)成的INTER-NET網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到任何地方。
（2）不僅能夠傳遞數(shù)據(jù)信號，也可以傳遞音頻和圖像信號。
（3） 由于目前的INTERNET協(xié)議是現(xiàn)成和公開的，因此，利用大到幾十兆的 Microsoft IE瀏覽器，或小到只有600kB的Mosaic瀏覽器都可以對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行讀取。
4 系統(tǒng)設(shè)計
4．1 硬件設(shè)計
嵌入式系統(tǒng)的硬件運行平臺是開發(fā)應(yīng)用程序的基礎(chǔ)，整個開發(fā)板可基于IntelR SA－1110 微處理器架構(gòu)。
圖2所示是一個嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。該硬件針對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的應(yīng)用選擇了Intel系列中的strongARM MCU。StrongARM SA－1110是一款高性能、低價位、高集成度微處理器。SA－1110芯片內(nèi)部集成有能以206MHz運行的32－bit IntelR Stron-gARM＊ RISC處理器，以及速度可達100 MHz 的存儲器總線和靈活的存儲器控制器，可支持SDRAM、 ROM 以及variable－latency I／O 設(shè)備，并可為系統(tǒng)設(shè)計提供較高的存儲帶寬。由于SA－1110可以適應(yīng)較大流量的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，因而可為運行Linux提供硬件上的支持。此外，SA－1110還在開發(fā)板上集成有32MB的SDRAM、8 MB的FLASH、10 baseT以太網(wǎng)接口、RS232／RS485串口、I／O接口以及擴展FLASH卡存儲器等。有關(guān)SA－1110更詳細的資料可參考有關(guān)資料。
4．2 軟件設(shè)計
嵌入式操作系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心。如前面所述，嵌入式系統(tǒng)在內(nèi)存容量和存儲容量不足的情況下，必須對linux進行裁減設(shè)計。在裁剪過程中，所涉及的主要技術(shù)有下面幾種。
（1）內(nèi)核的精簡
標(biāo)準(zhǔn)Linux是面向PC的，它集成了許多PC所需要而嵌入式系統(tǒng)并不需要的功能。因此，對一些可獨立加上或卸下的功能塊，可在編譯內(nèi)核時，僅保留嵌入式系統(tǒng)所需的功能模塊，而刪除不需要的功能塊。這樣，重新編譯過的內(nèi)核就會顯著減小。
（2）虛擬內(nèi)存機制的屏蔽
經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，虛擬內(nèi)存是導(dǎo)致Linux實時性不強的原因之一。在工業(yè)控制中，一些任務(wù)要滿足一定的實時性要求，屏蔽內(nèi)核的虛擬內(nèi)存管理機制可以增強Linux的實時性。當(dāng)要更改內(nèi)核的某項機制時，一般不必大規(guī)模地寫代碼，可采用條件編譯的方法。同時由于linux系統(tǒng)對應(yīng)用進程采用的是公平的時間分配調(diào)度算法，但這一算法也不能保證系統(tǒng)的實時性要求，因此要求對其進行更改。更改途徑有兩種：一是通過POSIX，二是通過底層編程。筆者是通過linux的實時有名管道（FIFO）的特殊隊列來處理實時任務(wù)的先后順序。實際上，實時有名管道就象實時任務(wù)一樣從不換頁，因而可以大大減少由于內(nèi)存翻頁而造成的不確定延時。
圖3給出了Linux的工作原理框圖。
（3）設(shè)備驅(qū)動程序的編寫
確定了內(nèi)核的基本功能后，就要為特定的設(shè)備編寫驅(qū)動程序，可按照在Linux下編寫驅(qū)動程序的規(guī)則進行編寫。編寫的設(shè)備驅(qū)動程序應(yīng)當(dāng)具有以下功能：
●對設(shè)備進行初始化和釋放；
●完成數(shù)據(jù)從內(nèi)核到硬件設(shè)備的傳送和從硬件讀取數(shù)據(jù)兩項功能；
●讀取應(yīng)用程序傳遞給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)以及回送應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù)；
●檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯誤。
（4）開發(fā)基于閃存的文件系統(tǒng)JFFS
應(yīng)用程序和重要數(shù)據(jù)通常以文件的形式被存放在閃存文件系統(tǒng)中。JFFS2 文件系統(tǒng)是日志結(jié)構(gòu)化的，這意味著它基本上是一長列節(jié)點。每個節(jié)點包含著有關(guān)文件的部分信息。JFFS2 是專門為象閃存芯片那樣的嵌入式設(shè)備創(chuàng)建的，所以它的整個設(shè)計提供了更好的閃存管理，因而具有其它文件系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點。具體如下：
●JFFS2 在扇區(qū)級別上執(zhí)行閃存擦除／寫／讀操作要比 Ext2 文件系統(tǒng)好。
●JFFS2 提供了比 Ext2fs 更好的崩潰／掉電安全保護。當(dāng)需要更改少量數(shù)據(jù)時，Ext2 文件系統(tǒng)會將整個扇區(qū)復(fù)制到內(nèi)存（DRAM）中，并在內(nèi)存中合并成新數(shù)據(jù)再寫回整個扇區(qū)。而JFFS2則可以隨時更改需要的（不是重寫）整個扇區(qū)，同時還具有崩潰／掉電安全保護功能。
實現(xiàn)上述幾個步驟后，一個小型的Linux操作系統(tǒng)就構(gòu)造完成了。構(gòu)造后的Linux包括進程管理、內(nèi)存管理和文件管理等三部分。它支持多任務(wù)并行，有完整的TCP／IP協(xié)議，同時Linux內(nèi)建有對以太網(wǎng)控制器的支持，可以通過以太網(wǎng)口連到以太網(wǎng)上，以實現(xiàn)遠程配置與監(jiān)控。
將裁剪好的內(nèi)核移植到所用的目標(biāo)板上時，首先應(yīng)將內(nèi)核編譯成針對該處理器的目標(biāo)代碼。由于不同硬件體系的移植啟動代碼會有所不同，因此，一些內(nèi)核程序可能要改寫。涉及到編寫Linux的引導(dǎo)代碼和修改與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)部分的代碼主要是啟動引導(dǎo)、內(nèi)存管理和中斷處理部分。將M－System公司的DOC2023作為系統(tǒng)的啟動設(shè)備時，引導(dǎo)代碼可以放在DOC上。這樣?系統(tǒng)加電后，引導(dǎo)代碼即可進行基本的硬件初始化，然后把內(nèi)核映象裝入內(nèi)存并運行,最后，再將調(diào)試好的內(nèi)核和應(yīng)用程序燒錄到閃存中。由于此時裁剪后的Linux已成功移植到目標(biāo)平臺上,因此,在啟動可運行的開發(fā)系統(tǒng)時,就可以根據(jù)具體的應(yīng)用來開發(fā)應(yīng)用程序。如數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信和數(shù)據(jù)發(fā)布模塊等等。
5 結(jié)束語
如今，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用正在轉(zhuǎn)到以嵌入式設(shè)備為中心，因此,用工控系統(tǒng)與Internet相結(jié)合來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化已是一種必然的趨勢。而把嵌入式linux微處理器內(nèi)核嵌入到基于StrongARM SA1110 的32位MCU系統(tǒng)中，然后通過構(gòu)造TCP／IP多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和基本網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，再利用嵌入式操作系統(tǒng)對底層硬件和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持，以及對工控系統(tǒng)實時性要求的lin-ux內(nèi)核和虛擬內(nèi)存機制進行改造，即可保證測控任務(wù)完成的實時性和可靠性?？梢灶A(yù)見，這種方案在工業(yè)控制領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，而且具有開發(fā)周期短、系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、適應(yīng)性強等特點。
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