嵌入式Linux系统开发模式

嵌入式系统通常为一个资源受限的系统。直接在嵌入式系统的硬件平台上编写软件比较困难，有时甚至是不可能的。目前，一般采用的办法是，先在通用计算机上编写程序，然后，通过交叉编译，生成目标平台上可运行的二进制代码格式，最后下载到目标平台上的特定位置上运行，下面就由福州卓跃教育做具体步骤介绍。　

第一步，建立嵌入式Linux应用开发环境。目前，常用的交叉开发环境主要有开放和商业两种类型。开放的交叉开发环境的典型代表是GNU工具链，目前已经能够支持x86、ARM、MIPS、PowerPC等多种处理器。商业的交叉开发环境主要有Metrowerks CodeWarrior、ARM Software Development Toolkit、SDS Cross compiler、WindRiver Tornado、Microsoft Embedded Visual C++等。交叉开发环境是指编译、链接和调试嵌入式应用软件的环境。它与运行嵌入式应用软件的环境有所不同，通常采用宿主机/目标机模式。

第二步，交叉编译和链接。在完成嵌入式软件的编码之后，就是进行编译和链接，以生成可执行代码。由于开发过程大多是在Intel公司x86系列CPU的通用计算机上进行的，而目标环境的处理器芯片却大多为ARM、MIPS、PowerPC、DragonBall等系列的微处理器，这就要求在建立好的交叉开发环境中进行交叉编译和链接。

第三步，交叉调试。

①硬件调试。如果不采用在线仿真器，可以让CPU直接在其内部实现调试功能，并通过在开发板上引出的调试端口，发送调试命令和接收调试信息，完成调试过程。目前，Motorola公司提供的开发板上使用的是DBM调试端口，而ARM公司提供的开发板上使用的则是JTAG调试端口。使用合适的软件工具与这些调试端口进行连接，可以获得与ICE类似的调试效果。

②软件调试。在嵌入式Linux应用开发系统中，Linux系统内核调试，可以先在Linux内核中设置一个调试桩（debug stub），用作调试过程中和宿主机之间的通信服务器。然后，可以在宿主机中通过调试器的串口与调试桩进行通信，并通过调试器控制目标机上Linux内核的运行。

在linux中，对于一次读取IO请求（不仅仅是磁盘，还有网络）的 *** 作，数据并不会直接拷贝到用户程序的用户空间缓冲区。它首先会被拷贝到 *** 作系统的内核空间，然后才会从 *** 作系统内核的缓冲区拷贝到用户空间的缓冲区。

大概是这个样子。

从图中可以看见，这是分四步进行的，而这四步里面有些细节，就有了这5种IO模型

前四种为同步IO，后一种为异步IO，什么是同步异步可以看看我之前写的 同步与异步，阻塞与非阻塞 。

应用进程发起系统调用后就阻塞了，直到内核buffer拷贝到用户buffer，发出成功提示后才继续执行。

适用场景：并发量小的要及时响应的网络应用开发，JavaBIO。

优点：易于开发，不消耗CPU资源（线程阻塞），及时响应。

缺点：不适用与并发量大的网络应用开发，一个请求一个线程，系统开销大。

应用进程发起系统调用，内核立马返回一个自己当前的缓冲区的状态（错误或者说成功），假如

为错误则隔段时间再系统调用（轮询），直到返回成功为止。另外再说一点，有人说轮询之间可以设置一个时间，例如每几秒执行一次，然后在这段期间程序可以干自己的事情。（这个我不清楚是不是，虽然理论上可以实现，但是我觉得第一种与第二种的区别应该强调的是是否放弃CPU，第二种有点CAS+轮询这种轻量级锁的感觉，第一种就是那种重量级锁的感觉）。

适用场景：并发量小且不用技术响应的网络应用开发

优点：易于开发，可以在轮询的间断期间继续执行程序。

缺点：不适用与并发量大的网络应用开发，一个请求一个线程，系统开销大。消耗CPU资源（轮询），不及时响应。

将多个IO注册到一个复用器上（select，poll，epoll），然后一个进程监视所有注册进来的IO。

进程阻塞在select上，而不是真正阻塞在IO系统调用上。当其中任意一个注册的IO的内核缓冲区有了数据，select就会返回（告诉程序内核态缓存有数据了），然后用户进程再发起调用，数据就从内核态buffer转到用态buffer（这段期间也是要阻塞的）。

适用场景：并发量大且对响应要求较为高的网络应用开发，JavaNIO

优点：将阻塞从多个进程转移到了一个select调用身上，假如并发量大的话select调用是不易被阻塞的，或者说阻塞时间短的。

缺点：不易开发，实现难度大，当并发量小的时候还不如同步阻塞模型。

应用程序向内核注册一个信号处理程序，然后立即返回，当数据准备好了以后（数据到了内核buffer），内核个应用进程一个信号，然后应用进程通过信号处理程序发起系统调用，然后阻塞直达数据从内核buffer复制到用户buffer。

优点：将阻塞从多个进程转移到了一个select调用身上，假如并发量大的话select调用是不易被阻塞的，或者说阻塞时间短的。

缺点：不易开发，实现难度大。

以上四个IO模型都可以看出来，到最后用户进程都要在数据从内核buffer复制到用户buffer时阻塞，直到内核告诉进程准备成功。这就是同步进程，就是发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回或继续执行后续 *** 作。

就是发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回或继续执行后续 *** 作

这个就是直到数据copy完成到用户buffer才通知。

应用场景：Java AIO，适合高性能高并发应用。

优点：不阻塞，减少了线程切换，

缺点：难以实现，要 *** 作系统支持。

Linux之所以能在嵌人式系统领域取得如此辉煌的成绩，与其自身的优良特性是分不开的。与其他 *** 作系统相比，Linux具有以下一系列显著的特点。1．模块化程度高Linux的内核设计非常精巧，分成进程调度、内存管理、进程间通信、虚拟文件系统和网络接口五大部分；其独特的模块机制可根据用户的需要，实时地将某些模块插入或从内核中移走，使得Linux系统内核可以裁剪得非常小巧，很适合于嵌入式系统的需要。2．源码公开由于Linux系统的开发从一开始就与GNU项目紧密地结合起来，所以它的大多数组成部分都直接来自GNU项目。任何人、任何组织只要遵守GPL条款，就可以自由使用Linux 源代码，为用户提供了最大限度的自由度。这一点也正投嵌入式系统所好，因为嵌入式系统应用千差万别，设计者往往需要针对具体的应用对源码进行修改和优化，所以是否能获得源代码 对于嵌入式系统的开发是至关重要的。加之Linux的软件资源十分丰富，每种通用程序在Linux上几乎都可以找到，并且数量还在不断增加。这一切就使设计者在其基础之上进行二次开发变得非常容易。另外，由于Linux源代码公开，也使用户不用担心有“后闸”等安全隐患。同时，源码开放给各教育机构提供极大的方便，从而也促进了Linux的学习、推广和应用。3．广泛的硬件支持Linux能支持x86、ARM、MIPS、ALPHA和PowerPC等多种体系结构的微处理器。目前已成功地移植到数十种硬件平台，几乎能运行在所有流行的处理器上。由于世界范围内有众多开发者在为Linux的扩充贡献力量，所以Linux有着异常丰富的驱动程序资源，支持各种主流硬件设各和最新的硬件技术，甚至可在没有存储管理单元MMU 的处理器上运行，这些都进一步促进了Linux在嵌入式系统中的应用。4．安全性及可靠性好内核高效稳定。Linux内核的高效和稳定已在各个领域内得到了大量事实的验证。Linux中大量网络管理、网络服务等方面的功能，可使用户很方便地建立高效稳定的防火墙、路由器、工作站、服务器等。为提高安全性，它还提供了大量的网络管理软件、网络分析软件和网络安全软件等。5．具有优秀的开发工具开发嵌入式系统的关键是需要有一套完善的开发和调试工具。传统的嵌入式开发调试工具是在线仿真器（In Circuit Emulator，ICE），它通过取代目标板的微处理器，给目标程序提供一个完整的仿真环境，从而使开发者能非常清楚地了解到程序在目标板上的工作状态，便于监视和调试程序。在线仿真器的价格非常高，而且只适合做非常底层的调试。如果使用的是嵌人式Linux，一旦软硬件能支持正常的串口功能，即使不用在线仿真器，也可以很好地进行开发和调试工作，从而节省了一笔不小的开发费用。嵌入式Linux为开发者提供了一套完整的工具链（Tool Chain），能够很方便地实现从 *** 作系统到应用软件各个级别的调试。6．有很好的网络支持利文件系统支持Linux从诞生之日起就与Internet密不可分，支持各种标准的Internet网络协议，并且很容易移植到嵌入式系统当中。目前，Linux几乎支持所有主流的网络硬件、网络协议和文件系统，因此它是NFS的一个很好的平台。另一方面，由于Linux有很好的文件系统支持（例如，它支持Ext2、FAT32、romfs等文件系统），是数据各份、同步和复制的良好平台，这些都为开发嵌入式系统应用打下了坚实的基础。7．与UNIX完全兼容目前，在Linux中所包含的工具和实用程序，可以完成UNIX的所有主要功能。但由于Linux不是为实时而设计的，因而这就成了Linux在实时系统中应用的最大遗憾。不过，目前有众多的自由软件爱好者正在为此进行不懈的努力，也取得了诸多成果

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