嵌入式微处理器的嵌入式操作系统-uClinux
在过去的两年中，随着嵌入式设备的发展改进，Linux操作系统受到了越来越多的青睐，尤其是用于消费产品、电讯路由器和交换机、网络产品、工业和汽车等应用。
最近，一些大的消费电子公司达成协作，建立消费者电子Linux论坛（CELF），以进一步开发家庭数字电子设备的Linux平台。CELF的发起者(Matsushita Electric、Sony、Hitachi、NEC、Royal Philips Electronics、Samsung、Sharp和Toshiba)将重点放在Linux的改进上，使之成为消费电子设备的开放源代码平台。同样，他们对开放源代码协会的精神也给予了积极的支持和发扬( 要获得更多信息，请访问www。celinuxforum。org) 。
嵌入式Linux的优点在于它的版权免费、源码开放、结构紧凑，这为日益增长的应用软件基础提供了坚实的后盾。Linux是一个全功能的操作系统，支持各种网络和文件处理协议，这对嵌入式系统来说是很重要的，因为它必须在任何时间任何地点进行计算。Linux采用模块化结构，通过去除嵌入式系统中不必要的实用程序、工具和其它系统服务，它可以很方便地实现结构精简。在嵌入式设备市场中，采用Linux的公司可以更迅速地将产品推向市场，更快地增强产品的可靠性。对开发者来说，AD的Blackfin?处理器和uClinux的结合也许很有吸引力。Blackfin?处理器集合了DSP的计算能力和微控制器的功能，满足了数字音频、视频和通信方面的应用需求。
我们在单块芯片上结合一流的DSP内核和传统微控制器的体系结构，避免了其它传统复合处理器系统的限制性、复杂性和高成本的问题。在已有的外部设备(SPI、带IrDa? 功能的UART、定时器、实时时钟（RTC）、看门狗（watchdog）和事件控制器（event controller）)的基础上，所有Blackfin处理器家族提供双通道串行接口(SPORTs)---每个串行接口支持4个立体声I2S通道，数据速率达100 MBits/s。而且Blackfin处理器家族的最新成员(ADSP-BF531、ADSP-BF532、ADSP-BF533和ADSP-BF561) 提供并行外部接口(PPI)，实现TFT平板显示器和视频转换器(CCIR-656， 27 MHz)的无缝连接，或者作为AD/DA转换器的并行接口，速率达65MSPS。
其它封装也是可选的
所有的Blackfin处理器都艺术地将最先进的信号处理引擎和清晰正交的类RISC微处理器指令集以及支持SIMD单指令多数据的多媒体功能复合成一套单指令集的结构，称之为微信号结构（MSA）。该内核是调整的双-MAC Harvard 结构，这种结构旨在实现音频和视频算法的非并行计算，以及实现操作系统中标准的程序流和常用的仲裁操作。
Blackfin 的ADSP-BF531/BF532/BF533处理器有两个大的片内存储器块，提供通往内核的高速通道。这些内存块可以适应处理器内核的最高速度。它们位于内核的旁边，称为L1存储器，可以配置为数据或指令静态处理器（SRAM）或高速缓冲存储器。当配置为高速缓存时，处理外部SDRAM的代码的速度非常接近内部存储器直接处理的速度。这个特征特别适用于uClinux内核的运行，因为它没办法被全部装入内部存储器。而且，当使用c语言编程时，可以通过使用高速缓存来最大优化外部存储器到内核之间的存取。
Blackfin处理器采用低电压，低功耗的设计，具备动态电源管理功能。完全满足目前的移动和电池供电需求，其它的处理器都无法做到这一点。Blackfin处理器配有多重的、高度灵活和独立的直接存取控制器（DMA），用来支持自动数据传输，并使处理器内核受到的间接影响达到最小。
DMA 的传输操作可以发生在ADSP-BF531/BF532/BF533处理器的内部存储器到与有DMA能力的外部设备之间。而且，DMA传输也能够在DMA外部设备和连接到外部存储器接口的外部设备（包括SDRAM控制器和异步存储控制器）之间进行。
Linux和uClinux的区别?
由于Linux和UNIX相似，是多用户、多任务的操作系统，内核必须采取特殊的防范措施，以保证同一系统内来自不同用户的上千个操作正确安全地运行。UNIX的安全模型（即Linux之前的设计）能够保护每个用户操作的自身环境和地址空间。每个用户操作都受到保护，防止被其它用户唤醒，而且，虚拟内存(VM)系统对现代CPU还有另外的要求，比如在个人处理内存中实现动态内存分配和随机内存区域规划。有一些设备，如Blackfin 处理器，没有提供全功能的MMU内存管理单元，因为开发者的应用程序并不使用操作系统，通常也不需要MMU，而且，Blackfin的弱MMU的处理器往往具有更高的效率，其价格也明显低于其它产品。
为使Linux与这些设备相适应，必须进行一些改动：
1. 没有实际的存储器保护(一个错误的环节可以让整个系统停机)
2. 没有交叉（fork）系统调用
3. 只有简单的内存分配
4. 其它一些较小的区别
存储器保护对大多数嵌入式系统来说不是很大的问题。Linux是一个很稳定的平台，尤其是在嵌入式系统中，软件崩溃的情况很少发生。
第二点的问题要大一些。在为UNIX和Linux编写的软件中，开发者常常使用fork系统调用来实现并行处理，fork调用可以准确拷贝原始程序并同时予以执行。为了提高效率，它使用MMU将父程序映射到子程序，并只拷贝写入子程序的内存区。因此uClinux不能提供fork系统调用。它提供vfork，一种特殊版本的fork，在vfork程序中当子程序执行时父程序即会终止。 因此，使用fork系统的软件在使用uClinux支持的vfork或线程时必须重写，因为他们使用相同的内存空间，包括堆栈。
就第三点来说，一般情况下支持uClinux的malloc系统不会有问题，但是，有些时候必须进行小的调整。大部分适用于UNIX和uClinux的软件（可在http://freshmeat。net上找到此类软件）能够直接在uClinux上编译，其它的则可使用微小的移植或调整（tweaking）。 只有很少的应用软件不能在uClinux上运行，其中大部分不能作为嵌入式应用软件。
在uClinux上开发
在选择开发硬件时，开发者不应只考虑价格和可用性方面，同时也应考虑源代码驱动和文档的易获取性。 一个uClinux Blackfin处理器开发环境包括GNU编译器、(gcc交叉编译器 cross Compiler) 和 binutils (链接器linker、汇编器assembler等)。一些GNU工具诸如awk、sed、make、bash ... 还有plus tcl/tk是必须的，尽管他们通常在桌面linux的安装套件中。 安装好uClinux安装包的桌面环境和解压后，开发工作就可以进行了。
第一步，开发者利用图形配置软件，为目标硬件选择合适的板极支持包。开发者要利用自己的硬件，以便在EZ-KIT Lite?评估板 或STAMP硬件板上进行开发（访问www.blackfin。uclinux。org获取原理图和产品文件）。然后他们可以开始编写驱动程序，通过拷贝已有的BSP并调整一些参数来制作BSP。
大多数的开发工作包括选择合适的驱动程序，去除项目不需要的内核特征，然后选择特征库和用户程序空间。
uClinux的安装套件中提供广泛的实用程序和电脑程序供选择。他们是根据大小和效率的要求特别设计的，例如busybox（www。busybox。net），一种多重调用二进位，该程序包括一系列小程序，用正确的名字调用它们时就能发挥相应的作用。例如：如果busybox链接到/s（DOS中的目录命令）并包含/s代码，那么它的作用就和/s一样。这样做的优点是busybox节省了唯一二进位的管理费用，并且那些小的模块可以共享相同的代码。
在所有的选项均选取并且正确编译后，可以在VisualDSP++?.的帮助下，将Linux内核和ramdisc图像调到目标硬件中。操作成功后就可进行下一步开发了。
下一步是使用串口或网络激活的bootloader取代JTAG界面来调入。
例如，U-boot (http://blackfin.uclinux.org/projects/uboot/)提供一系列的特征，可以用于嵌入式闪存（flash on-board ）存储器设备。对于那些不能承担Analog 在线模拟设备的用户，可以选择低价的JTAG硬件和软件操作 (http://blackfin.uclinux.org/projects/jtagtools/)。这可以用来在程序开始时将bootloader装入到目标存储设备之中。但是要注意到该工作环境不能提供VisualDSP++ 的调试和模拟功能。一旦该内核投入运行，可使用GDB来调试用户应用程序。
下一步是为目标硬件开发特殊应用软件或附加软件端口。
一些开发可使用shell脚本或其他语言如Perl 或 Python来完成。当必须使用c语言编程时，linux带有特别的协议和设备驱动支持，能提供强有力的开发环境。
从图2可以看出AC97音频CODEC和Blackfin 处理器的接线是相当容易的，它不需要任何附加的硬件设备。
下面是从codec中读取数据的一个简单的程序（假设AC97的驱动已经编译到内核中）。
为什么在嵌入式硬件上使用Linux？
尽管Linux最初并不是为嵌入式系统而设计，但是却在很多嵌入式设备中得到应用。自从2.0.x版本内核发布后，Linux版嵌入式处理器得到商业支持以来，带操作系统的嵌入式设备出现了爆炸式的增长。几乎每天都会有使用Linux作为操作系统的新设备或器件出现。大部分情况下终端用户是不知道的。 今天大部分宽带路由器，防火墙，终端读取设备，甚至DVD播放器均使用Linux（要获取更多信息，请参考 ）。
Linux和uClinux提供一系列驱动程序，支持所有的硬件和协议，加上Linux是不收版权费的，所以开发者使用Linux进行开发的原因就很清楚了。
为什么在DSP上使用Linux？
过去，DSP被用在在很多应用程序中，包括声卡、调制解调器、电讯设备、医疗设备、军事设备和其他的纯信号处理设备。那些DSP设备一般是为那些应用软件专门设计的，并且因为成本和规模的限制，只具备基本的功能。当DSP变得更加强大和灵活时，就能够为军事，医疗，通讯等领域的用户提供更高级的服务。但是它们仍然缺乏运行高级操作系统的能力。传统的DSP功能强大、灵活，但是价格很高。他们经常用在特别的信号处理硬件上，这里不
最近，一些大的消费电子公司达成协作，建立消费者电子Linux论坛（CELF），以进一步开发家庭数字电子设备的Linux平台。CELF的发起者(Matsushita Electric、Sony、Hitachi、NEC、Royal Philips Electronics、Samsung、Sharp和Toshiba)将重点放在Linux的改进上，使之成为消费电子设备的开放源代码平台。同样，他们对开放源代码协会的精神也给予了积极的支持和发扬( 要获得更多信息，请访问www。celinuxforum。org) 。
嵌入式Linux的优点在于它的版权免费、源码开放、结构紧凑，这为日益增长的应用软件基础提供了坚实的后盾。Linux是一个全功能的操作系统，支持各种网络和文件处理协议，这对嵌入式系统来说是很重要的，因为它必须在任何时间任何地点进行计算。Linux采用模块化结构，通过去除嵌入式系统中不必要的实用程序、工具和其它系统服务，它可以很方便地实现结构精简。在嵌入式设备市场中，采用Linux的公司可以更迅速地将产品推向市场，更快地增强产品的可靠性。对开发者来说，AD的Blackfin?处理器和uClinux的结合也许很有吸引力。Blackfin?处理器集合了DSP的计算能力和微控制器的功能，满足了数字音频、视频和通信方面的应用需求。
我们在单块芯片上结合一流的DSP内核和传统微控制器的体系结构，避免了其它传统复合处理器系统的限制性、复杂性和高成本的问题。在已有的外部设备(SPI、带IrDa? 功能的UART、定时器、实时时钟（RTC）、看门狗（watchdog）和事件控制器（event controller）)的基础上，所有Blackfin处理器家族提供双通道串行接口(SPORTs)---每个串行接口支持4个立体声I2S通道，数据速率达100 MBits/s。而且Blackfin处理器家族的最新成员(ADSP-BF531、ADSP-BF532、ADSP-BF533和ADSP-BF561) 提供并行外部接口(PPI)，实现TFT平板显示器和视频转换器(CCIR-656， 27 MHz)的无缝连接，或者作为AD/DA转换器的并行接口，速率达65MSPS。
其它封装也是可选的
所有的Blackfin处理器都艺术地将最先进的信号处理引擎和清晰正交的类RISC微处理器指令集以及支持SIMD单指令多数据的多媒体功能复合成一套单指令集的结构，称之为微信号结构（MSA）。该内核是调整的双-MAC Harvard 结构，这种结构旨在实现音频和视频算法的非并行计算，以及实现操作系统中标准的程序流和常用的仲裁操作。
Blackfin 的ADSP-BF531/BF532/BF533处理器有两个大的片内存储器块，提供通往内核的高速通道。这些内存块可以适应处理器内核的最高速度。它们位于内核的旁边，称为L1存储器，可以配置为数据或指令静态处理器（SRAM）或高速缓冲存储器。当配置为高速缓存时，处理外部SDRAM的代码的速度非常接近内部存储器直接处理的速度。这个特征特别适用于uClinux内核的运行，因为它没办法被全部装入内部存储器。而且，当使用c语言编程时，可以通过使用高速缓存来最大优化外部存储器到内核之间的存取。
Blackfin处理器采用低电压，低功耗的设计，具备动态电源管理功能。完全满足目前的移动和电池供电需求，其它的处理器都无法做到这一点。Blackfin处理器配有多重的、高度灵活和独立的直接存取控制器（DMA），用来支持自动数据传输，并使处理器内核受到的间接影响达到最小。
DMA 的传输操作可以发生在ADSP-BF531/BF532/BF533处理器的内部存储器到与有DMA能力的外部设备之间。而且，DMA传输也能够在DMA外部设备和连接到外部存储器接口的外部设备（包括SDRAM控制器和异步存储控制器）之间进行。
Linux和uClinux的区别?
由于Linux和UNIX相似，是多用户、多任务的操作系统，内核必须采取特殊的防范措施，以保证同一系统内来自不同用户的上千个操作正确安全地运行。UNIX的安全模型（即Linux之前的设计）能够保护每个用户操作的自身环境和地址空间。每个用户操作都受到保护，防止被其它用户唤醒，而且，虚拟内存(VM)系统对现代CPU还有另外的要求，比如在个人处理内存中实现动态内存分配和随机内存区域规划。有一些设备，如Blackfin 处理器，没有提供全功能的MMU内存管理单元，因为开发者的应用程序并不使用操作系统，通常也不需要MMU，而且，Blackfin的弱MMU的处理器往往具有更高的效率，其价格也明显低于其它产品。
为使Linux与这些设备相适应，必须进行一些改动：
1. 没有实际的存储器保护(一个错误的环节可以让整个系统停机)
2. 没有交叉（fork）系统调用
3. 只有简单的内存分配
4. 其它一些较小的区别
存储器保护对大多数嵌入式系统来说不是很大的问题。Linux是一个很稳定的平台，尤其是在嵌入式系统中，软件崩溃的情况很少发生。
第二点的问题要大一些。在为UNIX和Linux编写的软件中，开发者常常使用fork系统调用来实现并行处理，fork调用可以准确拷贝原始程序并同时予以执行。为了提高效率，它使用MMU将父程序映射到子程序，并只拷贝写入子程序的内存区。因此uClinux不能提供fork系统调用。它提供vfork，一种特殊版本的fork，在vfork程序中当子程序执行时父程序即会终止。 因此，使用fork系统的软件在使用uClinux支持的vfork或线程时必须重写，因为他们使用相同的内存空间，包括堆栈。
就第三点来说，一般情况下支持uClinux的malloc系统不会有问题，但是，有些时候必须进行小的调整。大部分适用于UNIX和uClinux的软件（可在http://freshmeat。net上找到此类软件）能够直接在uClinux上编译，其它的则可使用微小的移植或调整（tweaking）。 只有很少的应用软件不能在uClinux上运行，其中大部分不能作为嵌入式应用软件。
在uClinux上开发
在选择开发硬件时，开发者不应只考虑价格和可用性方面，同时也应考虑源代码驱动和文档的易获取性。 一个uClinux Blackfin处理器开发环境包括GNU编译器、(gcc交叉编译器 cross Compiler) 和 binutils (链接器linker、汇编器assembler等)。一些GNU工具诸如awk、sed、make、bash ... 还有plus tcl/tk是必须的，尽管他们通常在桌面linux的安装套件中。 安装好uClinux安装包的桌面环境和解压后，开发工作就可以进行了。
第一步，开发者利用图形配置软件，为目标硬件选择合适的板极支持包。开发者要利用自己的硬件，以便在EZ-KIT Lite?评估板 或STAMP硬件板上进行开发（访问www.blackfin。uclinux。org获取原理图和产品文件）。然后他们可以开始编写驱动程序，通过拷贝已有的BSP并调整一些参数来制作BSP。
大多数的开发工作包括选择合适的驱动程序，去除项目不需要的内核特征，然后选择特征库和用户程序空间。
uClinux的安装套件中提供广泛的实用程序和电脑程序供选择。他们是根据大小和效率的要求特别设计的，例如busybox（www。busybox。net），一种多重调用二进位，该程序包括一系列小程序，用正确的名字调用它们时就能发挥相应的作用。例如：如果busybox链接到/s（DOS中的目录命令）并包含/s代码，那么它的作用就和/s一样。这样做的优点是busybox节省了唯一二进位的管理费用，并且那些小的模块可以共享相同的代码。
在所有的选项均选取并且正确编译后，可以在VisualDSP++?.的帮助下，将Linux内核和ramdisc图像调到目标硬件中。操作成功后就可进行下一步开发了。
下一步是使用串口或网络激活的bootloader取代JTAG界面来调入。
例如，U-boot (http://blackfin.uclinux.org/projects/uboot/)提供一系列的特征，可以用于嵌入式闪存（flash on-board ）存储器设备。对于那些不能承担Analog 在线模拟设备的用户，可以选择低价的JTAG硬件和软件操作 (http://blackfin.uclinux.org/projects/jtagtools/)。这可以用来在程序开始时将bootloader装入到目标存储设备之中。但是要注意到该工作环境不能提供VisualDSP++ 的调试和模拟功能。一旦该内核投入运行，可使用GDB来调试用户应用程序。
下一步是为目标硬件开发特殊应用软件或附加软件端口。
一些开发可使用shell脚本或其他语言如Perl 或 Python来完成。当必须使用c语言编程时，linux带有特别的协议和设备驱动支持，能提供强有力的开发环境。
从图2可以看出AC97音频CODEC和Blackfin 处理器的接线是相当容易的，它不需要任何附加的硬件设备。
下面是从codec中读取数据的一个简单的程序（假设AC97的驱动已经编译到内核中）。
为什么在嵌入式硬件上使用Linux？
尽管Linux最初并不是为嵌入式系统而设计，但是却在很多嵌入式设备中得到应用。自从2.0.x版本内核发布后，Linux版嵌入式处理器得到商业支持以来，带操作系统的嵌入式设备出现了爆炸式的增长。几乎每天都会有使用Linux作为操作系统的新设备或器件出现。大部分情况下终端用户是不知道的。 今天大部分宽带路由器，防火墙，终端读取设备，甚至DVD播放器均使用Linux（要获取更多信息，请参考 ）。
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图2：AD1885接线图
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Linux和uClinux提供一系列驱动程序，支持所有的硬件和协议，加上Linux是不收版权费的，所以开发者使用Linux进行开发的原因就很清楚了。
为什么在DSP上使用Linux？
过去，DSP被用在在很多应用程序中，包括声卡、调制解调器、电讯设备、医疗设备、军事设备和其他的纯信号处理设备。那些DSP设备一般是为那些应用软件专门设计的，并且因为成本和规模的限制，只具备基本的功能。当DSP变得更加强大和灵活时，就能够为军事，医疗，通讯等领域的用户提供更高级的服务。但是它们仍然缺乏运行高级操作系统的能力。传统的DSP功能强大、灵活，但是价格很高。他们经常用在特别的信号处理硬件上，这里不