Linux操作系統(tǒng)組成及應(yīng)用分析目錄TOC\o"1-4"\h\u29733第一章Linux操作系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 第一章Linux操作系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀1.1Linux操作系統(tǒng)簡介Linux操作系統(tǒng)的核心是由LinusTorvalds開發(fā)的內(nèi)核，Linux內(nèi)核之上的組件分為幾個部分。BSDUNIX項目和XWindowsSystem項目，以及隨后由程序員開發(fā)的應(yīng)用程序[1]。Linux內(nèi)核與GNU項目BSDUNIX和MIT的X11（XWindows）相結(jié)合，迅速形成并發(fā)展了整個Linux操作系統(tǒng)，構(gòu)成了當今優(yōu)秀的Linux系統(tǒng)。簡單來說，Linux操作系統(tǒng)=Linux內(nèi)核+GNU軟件和系統(tǒng)軟件+必要的應(yīng)用程序。Linux是一個支持多用戶、多任務(wù)、多進程、多CPU的完整系統(tǒng)，具有很高的系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性和安全性，以及GNOME、KDE等全圖形用戶界面，完全開發(fā)。它是一個完整的開發(fā)平臺，具有C/C++、Java、Perl等平臺。LSO提供強大的數(shù)據(jù)庫平臺和強大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。由于其各種優(yōu)秀的特性，得到了IBM、Google、互聯(lián)網(wǎng)等眾多行業(yè)廠商的支持，作為開源操作系統(tǒng)，Linux操作系統(tǒng)是一個應(yīng)用系統(tǒng)。越多人喜歡，它的優(yōu)勢就在于操作系統(tǒng)的開源。如果該軟件基于GNU規(guī)則，您可以使用和修改其源代碼。但是對于很多熟悉Windows操作系統(tǒng)的人來說，Linux的操作不夠人性化，界面不夠美觀，影響了操作系統(tǒng)的普及，造成了一系列的困難。因此，在Linux操作系統(tǒng)上創(chuàng)建用于與人機界面進行實時通信的N-tools，將為剛接觸Linux操作系統(tǒng)的用戶帶來極大的舒適感，讓他們更好地學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)編程和掌握應(yīng)用程序。使用這些框架的應(yīng)用程序是在Linux平臺上設(shè)計和開發(fā)的。我通過結(jié)合在過去四年的大學(xué)學(xué)習(xí)中學(xué)到的知識來測試學(xué)習(xí)成果。1.2Linux操作系統(tǒng)的衍生品1.1.1Linux的服務(wù)器系統(tǒng)相對于現(xiàn)在的操作系統(tǒng)，發(fā)展的起點是以實惠的價格逐步應(yīng)用到各個領(lǐng)域，Linux操作系統(tǒng)的靈活性非常好，其實流暢性是日常工作中必不可少的一種。如今，尼克斯操作系統(tǒng)廣泛用于服務(wù)器操作系統(tǒng)。我們今天所知道的很多開發(fā)者團體和開發(fā)者組織都在使用這個操作系統(tǒng)，它也是一些網(wǎng)站服務(wù)商最好的操作系統(tǒng)。它使用起來更方便，主要是因為它的價格低廉。1.1.2Linux的桌面系統(tǒng)事實上，最新版本的Linux在桌面端已經(jīng)有了很大的改進，尤其是桌面應(yīng)用方面，相比其他操作系統(tǒng)已經(jīng)處于非常高的水平，并且進步不少。目前的桌面系統(tǒng)可以與多個辦公應(yīng)用程序結(jié)合，方便我們?nèi)粘５霓k公和工作需求，而這些多媒體應(yīng)用程序可以幫助我們?nèi)粘５囊曨l編輯、音頻編輯和照片美化。同時它還擁有一個桌面系統(tǒng)，具有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等功能，將多種功能融入到新一代Linux操作系統(tǒng)中，最重要也是最流行的桌面操作系統(tǒng)就是這個桌面操作系統(tǒng)，它是免費的是體現(xiàn)Linux價格低廉的一種用途，深受廣大用戶的喜愛。1.1.3Linux的嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是當前計算機環(huán)境下包括固定設(shè)備在內(nèi)的許多移動設(shè)備的主流應(yīng)用模式。由于Linux的內(nèi)核內(nèi)核和其他源代碼方面是完全開放的，因此許多用戶和開發(fā)人員可以共享一些源代碼。因此，大多數(shù)基于Linux的嵌入式系統(tǒng)非常流行，它們也大大降低了基于Linux的嵌入式系統(tǒng)的成本，比其他嵌入式系統(tǒng)更受大眾歡迎。另外，Linux中的嵌入式系統(tǒng)完全不受其他因素的干擾，內(nèi)核開放、透明，內(nèi)容信息非常豐富，因此可以在后臺任意獲取用戶需要的Linux嵌入式系統(tǒng)。1.1.4電子政務(wù)系統(tǒng)電子政務(wù)系統(tǒng)也發(fā)揮著非常重要的作用。我們現(xiàn)在知道的最大的操作系統(tǒng)是Windows和Linux，隨著Linux越來越好，它可以完全與Windows系統(tǒng)競爭。隨著Linux的不斷完善，所有用戶對系統(tǒng)的態(tài)度發(fā)生了非常顯著的變化，不僅因為它的價格低廉，還因為它的安全性非常高。因此，鑒于這兩個優(yōu)勢，越來越多的人更喜歡Linux操作系統(tǒng)，并且由于安全性高，現(xiàn)在大多數(shù)國家都在其平臺上引入了一些電子政務(wù)系統(tǒng)。證明大部分電子政務(wù)作者都了解Linux系統(tǒng)。第二章嵌入式實驗系統(tǒng)硬件設(shè)計與配置2.1實驗系統(tǒng)總覽本實驗系統(tǒng)分為上位機和下位機兩部分，上位機為通用個人計算機（PC），下位機為PC/104規(guī)范的嵌入式平臺。下位機由兩部分組成：CPU模塊和I/O模塊。CPU模塊SCM/LX3160是盛博公司高性能“ALLINONE”PC/104模塊，IO模塊DIAMOND-MM-32-AT美國制造。DIAMOND公司生產(chǎn)的PC/104標準多功能數(shù)據(jù)采集卡。Linux內(nèi)核的剪裁與移植、根文件系統(tǒng)的創(chuàng)建、引導(dǎo)程序的安裝與配置、設(shè)備驅(qū)動程序的創(chuàng)建與編譯，都經(jīng)過上位機PC和下位機。在內(nèi)置嵌入式軟件環(huán)境中掛載并運行網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（簡稱NFS）編譯的設(shè)備驅(qū)動程序。2.2下位機CPU模塊SCM/LX3160介紹SCM/LX-3160完全兼容PC/AT標準，遵循PC/104標準。IBM-PC上運行的大部分軟件都可以在基于SCM/LX-3160的系統(tǒng)上運行。該模塊集成了PS/2鍵盤、PS/2鼠標、CRT、IDE、USB2.0、4路并口、2路10/100BaseT以太網(wǎng)等接口，在很小的空間內(nèi)實現(xiàn)了PC的幾乎所有功能。平板顯示接口、CF卡接口、串口選擇、監(jiān)控功能等接口讓設(shè)計人員更容易實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。SCM/LX-3160是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的產(chǎn)品，具有功耗低、可靠性高、體積小、無風扇、工作溫度范圍廣等特點，廣泛應(yīng)用于國防電子、車載系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備和通訊。電源控制、工業(yè)現(xiàn)場控制、安防系統(tǒng)等應(yīng)用。第三章嵌入式Linux軟件開發(fā)環(huán)境的構(gòu)建3.1Linux內(nèi)核分析3.1.1Linux內(nèi)核概述一個完整的操作系統(tǒng)主要由4部分組成：硬件、操作系統(tǒng)內(nèi)核、操作系統(tǒng)服務(wù)和用戶應(yīng)用程序。Linux操作系統(tǒng)將這四部分細分為：硬件、Linux內(nèi)核、系統(tǒng)調(diào)用庫和用戶應(yīng)用。Linux內(nèi)核主要由五個模塊組成：進程調(diào)度模塊、內(nèi)存管理模塊、文件系統(tǒng)模塊、進程間通信模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊等。3.1.2Linux中斷機制Linux內(nèi)核將中斷信號分為硬件中斷和軟件中斷（異常）。中斷號為0-255。對于int0-int31(0x00-0x1f)，每個中斷的功能都由CPU保留，屬于軟中斷，也稱為異常。這32個中斷是由CPU執(zhí)行指令時檢測到異常情況引起的。int32-int255(0x20-0xff)是用戶可配置的。3.2內(nèi)核的定制2.2.1內(nèi)核的選擇由于本文的目的是研究嵌入式Linux的實時性問題，因此在選擇內(nèi)核時需要考慮最穩(wěn)定可靠的內(nèi)核版本和可能的最新內(nèi)核版本。所以我們選擇了截至2009年9月24日的“最新穩(wěn)定版”Linux。2.2.2內(nèi)核的定制和移植掌握了硬件配置之后，接下來就是開始定制內(nèi)核了，這個是在宿主機Ubuntu9.10上完成的，具體步驟如下：1.獲取內(nèi)核源代碼2、輔助工具包的獲取和安裝；3.配置內(nèi)核選項。4.編譯內(nèi)核和模塊。至此，內(nèi)核的定制就完成了。此實驗系統(tǒng)所需要做的就是在此步驟中創(chuàng)建一個bzlmage內(nèi)核映像文件。這個文件是在根文件系統(tǒng)建立后移植到CF的/boot目錄下的。3.3基于Busybox工具的根文件系統(tǒng)的搭建選用2009年9月15日最新推出的穩(wěn)定版本BusyBox1.15.1，根文件系統(tǒng)詳細搭建過程如下。1、生成臨時文件系統(tǒng)2、完善臨時文件系統(tǒng)3、必需的設(shè)備文件的創(chuàng)建4、啟動文件的編寫3.4引導(dǎo)加載程序的選擇與寫入CF卡上雖然有了根文件系統(tǒng)和內(nèi)核映像文件，但是還不能啟動，尚需引導(dǎo)加載程序的安裝。引導(dǎo)加載程序的主要作用就是指定并負責找到Linux系統(tǒng)內(nèi)核的位置，然后指定根目錄所在的分區(qū)。上位機的ubuntu9.10系統(tǒng)就打包有Grub0.97，首先將Grub啟動的必備文件復(fù)制到CF卡，在上位機終端運行；安裝完畢后還需要重寫Grub的啟動配置文件grub.conf(或menu.lst)。至此，下位機的軟件環(huán)境構(gòu)建過程完畢。將CF卡插入嵌入式主板SCM/LX-3160的CF卡座。開啟下位機電源，下位機系統(tǒng)開始運行。3.5NAT地址轉(zhuǎn)換技術(shù)的分類3.5.1靜態(tài)地址轉(zhuǎn)換技術(shù)（StaticNat）靜態(tài)地址轉(zhuǎn)換是最簡單的轉(zhuǎn)換方法。它將局域網(wǎng)上的IP地址一對一地轉(zhuǎn)換為Internet上的IP地址，并且不會改變。它實際上并不存儲互聯(lián)網(wǎng)的IP地址，而是使用翻譯技術(shù)將真實IP地址隱藏在設(shè)備上，減少外部網(wǎng)絡(luò)對設(shè)備的攻擊和破壞，保護設(shè)備。靜態(tài)地址翻譯技術(shù)主要用于企業(yè)和企業(yè)的服務(wù)器端。3.5.2動態(tài)地址轉(zhuǎn)換技術(shù)（DynamicNat）動態(tài)地址轉(zhuǎn)換技術(shù)是一種通過將LANIP地址轉(zhuǎn)換為購買或分配的InternetIP地址的一部分來實現(xiàn)多對多地址轉(zhuǎn)換的技術(shù)。適用于局域網(wǎng)內(nèi)終端數(shù)量大于分配的Internet地址數(shù)的情況，但由于終端也被翻譯成指定網(wǎng)段的Internet地址，因此局域網(wǎng)內(nèi)的終端數(shù)同時訪問Internet的數(shù)量大于分配的地址數(shù)，如果很大，則某些LAN地址無法轉(zhuǎn)換，無法訪問。動態(tài)翻譯默認實現(xiàn)IP地址存儲，但有限制。3.5.3端口多路復(fù)用（PortAddressTranslation）端口復(fù)用技術(shù)是目前網(wǎng)絡(luò)上最常用的地址轉(zhuǎn)換技術(shù)，它實際上是動態(tài)地址轉(zhuǎn)換的一種變體，它將所有局域網(wǎng)地址轉(zhuǎn)換為一個Internet地址，使局域網(wǎng)地址可以訪問Internet。同時，它大大節(jié)省了您的互聯(lián)網(wǎng)IP地址。端口多路復(fù)用是將IP對應(yīng)物從另一個地址轉(zhuǎn)換到給定InternetIP地址的另一個端口。同時可以隱藏網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有主機，有效避免網(wǎng)絡(luò)攻擊。第四章數(shù)據(jù)采集驅(qū)動程序的設(shè)計與實現(xiàn)4.1Linux設(shè)備驅(qū)動程序的功能Linux將每個設(shè)備都視為一種特殊的文件，因此應(yīng)用程序可以像操作常規(guī)文件一樣操作硬件設(shè)備。驅(qū)動作為內(nèi)核模塊的一部分，主要完成以下功能：a.設(shè)備的開關(guān)機b.從硬件端口讀取數(shù)據(jù)并將內(nèi)核數(shù)據(jù)發(fā)送到硬件端口c.將設(shè)置和數(shù)據(jù)從用戶程序傳輸?shù)皆O(shè)備文件并從設(shè)備文件中讀取數(shù)據(jù)d.外部中斷控制和響應(yīng)e.檢測和處理設(shè)備執(zhí)行過程中發(fā)生的錯誤。4.2DMM32驅(qū)動程序的設(shè)計與實現(xiàn)4.2.1設(shè)備的初始化及釋放DMM32設(shè)備的初始化包括注冊主要和次要設(shè)備編號、為設(shè)備結(jié)構(gòu)應(yīng)用內(nèi)存空間、初始化設(shè)備結(jié)構(gòu)數(shù)組以及強制對設(shè)備I/O端口進行獨占訪問。初始化代碼的主要作用是將設(shè)備與驅(qū)動程序關(guān)聯(lián)起來，并為設(shè)備結(jié)構(gòu)分配內(nèi)存。此驅(qū)動適用于多個DMM32設(shè)備，并在設(shè)備初始化和釋放時通過for循環(huán)語句檢測所有DMM32設(shè)備。4.2.2設(shè)備的打開和關(guān)閉與設(shè)備初始化不同，設(shè)備的打開方法dmm32_open在文件結(jié)構(gòu)中聲明，并在用戶程序調(diào)用open()函數(shù)時執(zhí)行。open方法為驅(qū)動提供初始化函數(shù)，一般設(shè)備驅(qū)動中open要執(zhí)行的操作包括：檢查設(shè)備錯誤。首次打開設(shè)備時，初始化設(shè)備，更新f_op指針，并分配和填充數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以存儲在filp-private_open中。4.2.3設(shè)備的讀寫硬件設(shè)備的讀寫是指：設(shè)備驅(qū)動的read方法將數(shù)據(jù)從設(shè)備復(fù)制到用戶程序空間，設(shè)備驅(qū)動的write方法將數(shù)據(jù)從用戶程序空間復(fù)制到設(shè)備。4.2.4設(shè)備的模式控制設(shè)備驅(qū)動除了對設(shè)備進行讀寫外，還進行各種硬件控制，比如在這個設(shè)備驅(qū)動中，DMM32設(shè)備的工作模式控制就是用iotrl方法實現(xiàn)的，Linux內(nèi)核有一個同名的系統(tǒng)ioctl.call.每個ioctl命令都是一個單獨的系統(tǒng)調(diào)用。4.3設(shè)備驅(qū)動的編譯設(shè)備驅(qū)動程序用作內(nèi)核模塊，編譯后的Linux驅(qū)動程序只能與某些Linux內(nèi)核一起使用。在編譯Linux設(shè)備驅(qū)動之前，將目標內(nèi)核的內(nèi)核源代碼樹，即$(KERNELDIR)變量設(shè)置為目標內(nèi)核的內(nèi)核源代碼樹路徑，編譯后的內(nèi)核源代碼樹包含目標內(nèi)核的信息，所以編譯-compile該進程使用內(nèi)核源代碼樹中的文件。第五章基于嵌入式Linux的實時性測試軟件測試的目的是通過各種性能測試和功能測試來發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的問題，證明對沒有問題的軟件進行測試是錯誤的。因此，必須從尋找錯誤和漏洞開始。這種測試可以使系統(tǒng)功能更加完整和有意義。你不能測試你的程序是否有錯誤，但這并不意味著你的程序沒有問題。系統(tǒng)主要使用黑盒測試、白盒測試，但主要使用黑盒測試。如果設(shè)計者對系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一無所知，首先應(yīng)使用黑盒對系統(tǒng)進行測試，以確保其功能可以按照設(shè)計要求實現(xiàn)，并滿足系統(tǒng)要求的功能。實驗。如果在黑盒測試期間檢測到漏洞，設(shè)計者可以自己執(zhí)行白盒測試，以驗證系統(tǒng)在邏輯上的行為是否符合預(yù)期。如果問題得到解決，請再次運行黑盒和白盒測試。5.1遠程數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計與實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計采用C/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在Linux中使用socket編程實現(xiàn)PC/104總線架構(gòu)的目標機與上位機PC之間的數(shù)據(jù)交換。真正的客戶端-服務(wù)器模式通信。整個程序分為服務(wù)器和客戶端兩部分，PC/104總線架構(gòu)的目標系統(tǒng)運行服務(wù)器部分，PC運行客戶端部分。5.2遠程數(shù)據(jù)采集程序的測試結(jié)果及分析本遠程采集程序利用了DMM32_IOC_AD_FIFOINT、DMM32_IOC_DA_CLKINT兩種模式進行Linux實時性能的測試。（1）A/D轉(zhuǎn)換：DMM32_IOC_AD_FIFOINT模式實驗系統(tǒng)運行在這種工作模式下進行A/D數(shù)據(jù)采集。在此模式下，當FIFO深度達到512字節(jié)時觸發(fā)硬件中斷。ADC輸入通道0接一個2KHz的正弦波信號，電壓范圍為-5V到+5V，采樣頻率為200KHz，這是DMM32器件在這種工作模式下的最高采樣頻率。DMM32采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給客戶端，客戶端顯示其接收到的數(shù)據(jù)曲線。（2）D/A轉(zhuǎn)換：DMM32_IOC_DA_CLKINT模式實驗系統(tǒng)在這種操作模式下運行，并將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出。將中斷頻率設(shè)置為25KHz(10MHz/400)，每個周期100個數(shù)據(jù)點，僅將數(shù)字數(shù)據(jù)輸入到DAC通道O。經(jīng)過多次實驗測試，中斷頻率是實驗系統(tǒng)中波形保真度最高的頻率。該遠程采集程序使用周期數(shù)據(jù)只是為了方便與輸出信號進行比較）。在上述兩種工作模式下對DMM32單元進行多次測試，得出以下結(jié)論：上層應(yīng)用程序在嵌入式Linux軟件環(huán)境中調(diào)用DMM32設(shè)備的驅(qū)動，同時本案例中DMM32設(shè)備的可靠性和最大采樣頻率在A/D操作模式下為200KHz，最大中斷D/A操作模式下的頻率為25KHz。在這個硬件平臺上嵌入式Linux的實時性能完全可以滿足我們在實際工作中的要求。結(jié)論本文詳細介紹了嵌入式系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計與配置，涵蓋了Linux內(nèi)核的定制與移植、根文件系統(tǒng)的構(gòu)建以及滿足這些需求的bootloader的創(chuàng)建。對該實驗進行了詳細描述。最后通過一個基于C/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的遠程數(shù)據(jù)采集程序?qū)η度胧絃inux的實時性能進行了測試和演示。參考文獻[1]邱建新.基于Docker容器技術(shù)的Linux在線實驗環(huán)境設(shè)計[J].信息技術(shù),2022(02):48-52+58.DOI:10.13274/ki.hdzj.2022.02.009.[2]王楠.嵌入式Linux操作系統(tǒng)在數(shù)字化醫(yī)療設(shè)備中的實踐研究[J].中國設(shè)備工程,2022(04):134-135.[3]曾東海,廖建飛,程慶華.思政教育融入Linux操作系統(tǒng)課程的改革與探索[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè),2022,43(03):178-180.DOI:10.19311/ki.1672-3198.2022.03.068.[4]蔣志煬,白曉斌.基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的電纜故障測距系