嵌入式系统开发平台系统功能层的设计与实现
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摘要
能够支持嵌入式系统资源复用、缩短嵌入式系统开发周期、降低产品开发成本的嵌入式系统开发平台是嵌入式产品开发的有效工具。然而随着嵌入式系统应用的不断深入和产业化程度的不断提高，新的应用环境对嵌入式系统的设计和制造提出了更加严格的要求，主要体现在嵌入式系统的可扩展性、程序和数据的组织和存储方式以及对丰富的外围设备的管理能力等各个方面。针对这一问题，我们在进行嵌入式系统开发平台的设计时充分考虑上述因素，构建了一个可扩展性强、数据组织高效合理、设备管理功能丰富的开发平台，使得该开发平台能够为嵌入式系统的开发提供有效服务，并通过在此基础上实现一个蓝牙IP核进行验证。
本课题是山东省科技攻关计划重大专项——“具有自主知识产权嵌入式系统的研究及开发”的一个子课题。本课题的主要工作是完成基于层次模型的嵌入式系统开发平台系统功能层的设计与实现。系统功能层是嵌入式歼发平台层次模型中重要的组成部分，其主要功能是为嵌入式应用提供文件和设备的管理方法，并为工具层提供系统服务的调用接口。
本文在对现有的系统扩展性技术、文件系统组成结构和设备管理方式进行深入研究的基础上，实现了嵌入式系统开发平台的系统功能层。该方案将嵌入式系统开发平台系统功能层划分为2个主要功能模块(文件管理和设备管理模块)和部分辅助模块(如网络协议栈管理模块、核心层系统服务调用接口)。在进行文件管理和设备管理功能模块设计过程中，采用核心扩展技术实现了模块的动态加(卸)载机制，从而增强了嵌入式系统的可扩展性和易维护性。文件管理功能模块中，通过构建文件系统抽象层(FSAL)支持对多种具体文件系统的兼容。该抽象层提供文件的通用操作管理接口，实现了挂接到FSAL的具体文件系统的接口的定义。设备管理功能模块中，将设备看作一类特殊的文件，采用文件管理的方式对设备进行操作，并支持任意给定设备的动态加／卸载。该设计方案能够很好地满足特定应用对嵌入式系统可扩展性的要求，并为数据资源的存储、组织和外围设备的控制管理提供了有效的解决办法。
An embedded system developing platform which supports embedded system resource reusage, reduces embedded system developing period and improves developing efficiency is an effective utility for embedded product developing. However, along with the rapid development of embedded system and improvement of industrialization, the new situation has put forward stricter requirement for embedded system and it is mainly embodied in the expansibility of embedded system, organization and storage way of program and data as well as the management ability on peripheral device and so on. So we considered all the above factors when designing the embedded system developing platform, and have built a developing platform with strong expansibility, effective and reasonable data organization, rich function of device management to make the developing platform more suitable for the embedded system designing.
The mainly task of this thesis is the design and realization of the system layer of embedded system developing platform based on layer model. System layer is an important component in layer model of embedded system developing platform. Its mainly function is providing management methods for files and device in the embedded system application, and providing system service API. An consummate design on system layer of embedded system developing platform is put forward based on the detailed research of available system expansibility techniques, composing and configuration of file system and device management way.
The system layer is divided into two mainly function modules (file management and device management) and part assistant modules (such as network protocol Stack management and the kernel layer service API). Dynamic loading or removing mechanism is realized with the kernel expanding technique during the design of file and device management, which make the ability of expansibility and maintenance of embedded system stronger. The file management module sustains the compatibility to many kinds of file systems by building the File System Abstract Layer (FSAL). The FSAL supplies the universal operation management interface of file and it's realization of interface is depended on the material file system that is connected to FSAL. In the device management, the device is taken as a particular file and operated with the way of file management. It sustains loading or removing of any given device. This design can well satisfy the expansibility requirement of embedded system to special application and apply the effective solving method to data resource storage, organization and the control management of peripheral device.
本课题是山东省科技攻关计划重大专项——“具有自主知识产权嵌入式系统的研究及开发”的一个子课题。本课题的主要工作是完成基于层次模型的嵌入式系统开发平台系统功能层的设计与实现。系统功能层是嵌入式歼发平台层次模型中重要的组成部分，其主要功能是为嵌入式应用提供文件和设备的管理方法，并为工具层提供系统服务的调用接口。
本文在对现有的系统扩展性技术、文件系统组成结构和设备管理方式进行深入研究的基础上，实现了嵌入式系统开发平台的系统功能层。该方案将嵌入式系统开发平台系统功能层划分为2个主要功能模块(文件管理和设备管理模块)和部分辅助模块(如网络协议栈管理模块、核心层系统服务调用接口)。在进行文件管理和设备管理功能模块设计过程中，采用核心扩展技术实现了模块的动态加(卸)载机制，从而增强了嵌入式系统的可扩展性和易维护性。文件管理功能模块中，通过构建文件系统抽象层(FSAL)支持对多种具体文件系统的兼容。该抽象层提供文件的通用操作管理接口，实现了挂接到FSAL的具体文件系统的接口的定义。设备管理功能模块中，将设备看作一类特殊的文件，采用文件管理的方式对设备进行操作，并支持任意给定设备的动态加／卸载。该设计方案能够很好地满足特定应用对嵌入式系统可扩展性的要求，并为数据资源的存储、组织和外围设备的控制管理提供了有效的解决办法。
An embedded system developing platform which supports embedded system resource reusage, reduces embedded system developing period and improves developing efficiency is an effective utility for embedded product developing. However, along with the rapid development of embedded system and improvement of industrialization, the new situation has put forward stricter requirement for embedded system and it is mainly embodied in the expansibility of embedded system, organization and storage way of program and data as well as the management ability on peripheral device and so on. So we considered all the above factors when designing the embedded system developing platform, and have built a developing platform with strong expansibility, effective and reasonable data organization, rich function of device management to make the developing platform more suitable for the embedded system designing.
The mainly task of this thesis is the design and realization of the system layer of embedded system developing platform based on layer model. System layer is an important component in layer model of embedded system developing platform. Its mainly function is providing management methods for files and device in the embedded system application, and providing system service API. An consummate design on system layer of embedded system developing platform is put forward based on the detailed research of available system expansibility techniques, composing and configuration of file system and device management way.
The system layer is divided into two mainly function modules (file management and device management) and part assistant modules (such as network protocol Stack management and the kernel layer service API). Dynamic loading or removing mechanism is realized with the kernel expanding technique during the design of file and device management, which make the ability of expansibility and maintenance of embedded system stronger. The file management module sustains the compatibility to many kinds of file systems by building the File System Abstract Layer (FSAL). The FSAL supplies the universal operation management interface of file and it's realization of interface is depended on the material file system that is connected to FSAL. In the device management, the device is taken as a particular file and operated with the way of file management. It sustains loading or removing of any given device. This design can well satisfy the expansibility requirement of embedded system to special application and apply the effective solving method to data resource storage, organization and the control management of peripheral device.
引文
1 郭辉，吴朝晖．纵谈嵌入式技术．微电脑世界，2000，29(52)：34-35
2 邹思轶．嵌入式Linux设计与应用[M]．北京：清华大学出版社，2002
3 李普平．Linux与嵌入式系统[M]．北京：清华大学出版社，2003
4 罗蕾．嵌入式实时操作系统及应用开发．北京：北京航空航天大学出版社，2005
5 何英．一种嵌入式文件系统的设计与实现(硕士学位论文)．成都：电子科技大学．2001
6 Moshe Bar．Linux文件系统(天宏制作室译)．北京：清华大学出版社．2003．189-214
7 王学龙．嵌入式Linux系统设计与应用[M]．北京：清华大学出版社，2001
8 郭玉东．Linux操作系统结构分析[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2002
9 周启平，张杨编著．VxWorks 下设备驱动程序及BSP开发指南．中国电力出版社．2004，9：4-14
10 李捷，王汝传．基于VxWorks的设备驱动程序实现技术．微型机与应用．2002，11：7-9
11 孔祥营，柏桂枝编著．嵌入式实时操作系统VxWorks及其开发环境Tornado．中国电力出版社．2001(11)：26-36
12 [美]Chris Cant著，孙义等译．Windows WDM设备驱动程序开发指南机械工业出版社．2001．1：10-78
13 毛德操，胡希明．Linux内核源代码情景分析[M]．杭州：浙江大学出版社，2001
14 陈莉君．深入分析Linux内核源代码[M]．北京：人民邮电出版社，2002
15 仇培明．家庭网络核心SoC平台——基于AMBA的Soc通信架构研究．[学位论文]青岛：青岛大学，2005．6
16 Daniel P．Bovet，Marco Cesat．深入理解LINUX内核(第二版)[M]陈莉君等译北京：中国电力出版社，2004
17 程步奇，尹宝林．可动态扩展的嵌入式操作系统．小型微型计算机系统2003．Vol．24 No．2
18 施笑安，周兴社，林奕，王继晖．可扩展操作系统设计方法．计算机科学，2002 Vol．29
19 Scott Maxwell著，冯锐等译．Linux内核源代码分析[M]．北京：机械工业出版社，2000
20 赖阿福，高健智．Linux技术参考手册——系统、综合篇[M]．中国铁道出版社，2000．1
21 徐德民．操作系统原理Linux篇[M]．北京：国防工业出版社，2004
22 张海峰，张宏海，张土平．嵌入式Linux系统．微计算机信息，2004．20
23 Jean J．Labrosse著，邵贝贝等译．嵌入式实时操作系统uC／OS-Ⅱ．第二版．北京：北京航空航天大学出版社，2003．5
24 孙更新．嵌入式动态可配置实时操作系统HDC-ReOS的研制——进程管理．[学位论文]青岛：青岛大学，2004．6
25 毛文博．嵌入式动态可配置实时操作系统HDC-ReOS的研制——内存管理．[学位论文]青岛：青岛大学，2004．6
26 王志婵．嵌入式动态可配置实时操作系统HDC-ReOS的研制——设备管理．[学位论文]青岛：青岛大学，2004．6
27 齐俊生，崔杜武，黑新宏．嵌入式Linux硬实时性的研究与实现．计算机应用．2003．06
28 Grant martin and Frank Schirrmeister. A design chain for embedded systems. IEEE Computer. pp. 100-103, March 2002
29 孙玉芳等译．嵌入式计算系统设计原理．北京：机械工业出版社，2002：1-10
30 骆丽译．嵌入式系统设计．北京：北京航空航天大学出版社，2004：10-12
31 骆耀祖．Linux操作系统分析教程[M]．北京二清华大学出版社，2004
32 陈明计，周立功等编著．嵌入式实时操作系统Small RTOS51原理及应用．北京航空航天大学出版社．2004
33 ARM. ARM7TDMI Technical Reference Manual(Rev 4). ARM DDI 02lOB. Sep. 2001
34 ARM. ARM Developer Suite(Versionl. 2). Debug Target Guide. ARM DU10058D. Nov. 2001
35 徐伦峰，熊光泽．实时操作系统及其发展过程，计算机应用，2001(06)
36 刘智臣．一种嵌入式操作系统的实时性分析与改进研究：[学位论文]湖南：湖南大学，2004
37 赵艺伟，张丽芬，陈朔鹰．一个实时操作系统的设计与实现北京理工大学学报，2001．(21)
38 高峰．嵌入式实时多任务微内核核心研究：[学位论文]成都：电子科技大学，2Q01
39 William Stallings．操作系统—内核与设计原理(第四版)，魏迎梅，王涌等译．电子工业出版社，2001
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41 卢凯，吴庆波，卢损城．嵌入式Linux解决方案关键技术研究．计算机科学，2001．42(12)
42 邹勇，王青，李明树．Linux内核的实时支持的研究与实现．计算机研究与发展，2002．(39)
43 聂岚卢，正鼎重，董俊，魏东林．一种改进的Linux内存分配机制．华中科技大学学报(自然科学版)，2002．30(7)
44 周得新，张向利．Linux与嵌入式操作系统，桂林电子工业学院学报，2000．12，第20卷第4期
45 Yao Paul, Windows CE3.0: Enabled Real-Time Features Provide Sophisticated Thread Handling, MSDN Magazine November 2000, Volume 1
46 刘玉兰．μ CLinux系统分析及嵌入式操作系统的一个开发实例．计算机与现代化，2002．10
47 闰茂德，贺显暇，陈金平．嵌入式实时操作系统内核的设计与实现．长安大学学报，2004．24(3)
48 赫伯特，希尔特，王子恢，戴健鹏．C语言大全(第四版)．北京：电子工业出版社，2002
49 Willian Stallings．操作系统——内核与设计原理[M]．北京：电子S业出版社，2001
50 Dynamic Loading. Computer In Science & Engineering. 2001: 90-97 James Kempf, Peter B. Kessler. Cross-Address Space Dynamic Linking. SMLI TR-92-2
51 Object-Oriented Real-Time Distributed Computing, 2000. (ISORC2000) Proceedings. Third IEEE International Symposium on. 15-17M arch2000: 392-399
52 John R. Levine. Linkers & Loaders. Morgan-Kaufnan. San Francisco, 2000
53 James Noble，Charles Weir．内存受限系统之软件开发．武汉：华中科技大学出版社，2003
54 A less and roRubini．Lisoleg．Linux设备驱动程序．北京：中国电力出版社，2001
55 杜旭，顿新平，黄建．一种嵌入式系统驱动架构的分析及实现．计算机工程与应用．2004年02月．P116—119
56 李江，常葆林．嵌入式操作系统中的驱动软件．计算机工程．2000年6月，
57 石峻，申崇江，余松煌．嵌入式操作系统VxWorks中的串行通信．计算机工程．2000年6月．
58 刘云生，徐媛媛．实时嵌入式操作系统中核外I／O的实现．计算机工程．2003．4
59 设备驱动程序开发指南．北京希望电子出版社．1999：4-95
60 David Kalinsky Ph.D.著. Architecture of Device I/O Driver. OSE Systems, Inc. 2001
61 ALESSANDRO RUBINI著，魏永明等译．LINUX设备驱动程序(第二版)．中国电力出版社．2002，11：1-100
62 Peter C. Dibble. Introduction of Device Driver Design. Microware System Corporation. 2000.
63 刘绍南．嵌入式操作系统研究．装备指挥技术学院学报．2003．4
64 周立功．ARM嵌入式系统基础教程．北京航空航天大学出版社．2005．1
65 朱玮玮，杨建明．uclinux一一种嵌入式Linux系统．舰船电子工程．2003(3)：56-58
66 姜山，程君实．Windows CE的实时性分析测控技术．2001(1)，62-65
67 陈华瑛，李建国主编UNIX操作系统设计与实现．电子工业出版社出版社．2000，9：98-140
68 杜永文，何华灿．构件化驱动程序模型计算机工程与应用．2003，2：1-6
69 郭远东，黄荣瑛等．基于模块化设计的嵌入式软件测试方法．单片机及嵌入式系统应用2005．2
70 S 1C33L11 Technical Manual. EPSONC ORPORATION. 2003年.
71 A RCHITECTURECMOS 32-BIT SINGLE CHIP MICROCOMPUTER $5U1C33000C Manual (C Compiler Package for S1C33 Family) (Ver. 4). SEIKO EPSON CORPORATION CHATER 3-CHATER13.
72 杨金元．嵌入式操作系统实时内核分析．电视技术．2003(7)：52-55
73 李佑军．嵌入式系统综述．现代电子技术．2003年第1卷第6期
74 尧学，史美林．计算机操作系统教程(第2版)．清华大学出版社．2000
75 王志蝉，李咏梅．两种嵌入式操作系统的简单分析．2003全国理论计算机科学学术年会论文专刊
2 邹思轶．嵌入式Linux设计与应用[M]．北京：清华大学出版社，2002
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66 姜山，程君实．Windows CE的实时性分析测控技术．2001(1)，62-65
67 陈华瑛，李建国主编UNIX操作系统设计与实现．电子工业出版社出版社．2000，9：98-140
68 杜永文，何华灿．构件化驱动程序模型计算机工程与应用．2003，2：1-6
69 郭远东，黄荣瑛等．基于模块化设计的嵌入式软件测试方法．单片机及嵌入式系统应用2005．2
70 S 1C33L11 Technical Manual. EPSONC ORPORATION. 2003年.
71 A RCHITECTURECMOS 32-BIT SINGLE CHIP MICROCOMPUTER $5U1C33000C Manual (C Compiler Package for S1C33 Family) (Ver. 4). SEIKO EPSON CORPORATION CHATER 3-CHATER13.
72 杨金元．嵌入式操作系统实时内核分析．电视技术．2003(7)：52-55
73 李佑军．嵌入式系统综述．现代电子技术．2003年第1卷第6期
74 尧学，史美林．计算机操作系统教程(第2版)．清华大学出版社．2000
75 王志蝉，李咏梅．两种嵌入式操作系统的简单分析．2003全国理论计算机科学学术年会论文专刊
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