基于路由器的開源嵌入式操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)平臺

摘要：針對現(xiàn)有嵌入式操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)中存在的問題，設(shè)計了一種既適合基本理論學(xué)習(xí)，又可以進行高級開發(fā)實踐的學(xué)習(xí)平臺。通過對WRT54 GL路由器硬件的簡單改造，使其成為學(xué)習(xí)開源OpenWrt和Xinu操作系統(tǒng)的優(yōu)秀平臺。平臺設(shè)計簡單易行，簡繁得當(dāng)，費用低廉，是嵌入式操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)的一個好的選擇。
關(guān)鍵詞：路由器；嵌入式操作系統(tǒng)；OpenWrt；Xinu

引言
近年來，隨著嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，裸機模式已無法適應(yīng)日益復(fù)雜的系統(tǒng)開發(fā)，嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)成為開發(fā)中不可或缺的核心軟件，對其進行學(xué)習(xí)研究的需求也日益突出。
嵌入式操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)平臺雖然多種多樣，但選擇一個合適的平臺卻并不簡單。商業(yè)系統(tǒng)通常有著完善的支持，但復(fù)雜的架構(gòu)、昂貴的價格和不公開的源代碼使得它們難以成為初學(xué)者學(xué)習(xí)的對象。主流的開源操作系統(tǒng)，雖然可以獲得源代碼實現(xiàn)，但龐大的代碼行，使得系統(tǒng)的機理被復(fù)雜的細(xì)節(jié)掩蓋，依然令人望而卻步。專門的教學(xué)操作系統(tǒng)，有針對地簡化了代碼實現(xiàn)，但又因為缺乏應(yīng)用實例而缺乏公信力。
此外還存在硬件平臺成本過高造成的軟硬件脫節(jié)的問題，完全脫離硬件平臺的軟件學(xué)習(xí)使人難以全面掌握嵌入式系統(tǒng)?；谔摂M環(huán)境進行仿真雖然一定程度上解決了這個問題，但是缺少硬件平臺的實踐終究無法獲得較深的感性認(rèn)識，極易忽視很多真實環(huán)境的注意事項。
針對這些問題，本文提出了一種基于路由器設(shè)計嵌入式操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)平臺的思路，以LinKsys WRT54GL路由器作為硬件平臺，選擇開源OpenWrt作為主操作系統(tǒng)用于高級實踐開發(fā)的學(xué)習(xí)，嵌入式Xinu作為從操作系統(tǒng)用于基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)。把兩個優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)集中到同一個硬件平臺，比較好地解決了當(dāng)前嵌入式操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)平臺存在的功能繁簡不當(dāng)、軟硬件容易脫節(jié)的問題，同時大大降低了學(xué)習(xí)成本。

1 平臺的架構(gòu)設(shè)計
1．1 硬件平臺選擇
現(xiàn)在，市面上常用的無線路由器大多采用的是ARM或MIPS的處理器，這些產(chǎn)品本身就是嵌入式系統(tǒng)的典型應(yīng)用。更為重要的是有很多產(chǎn)品不僅有著強大的運算能力和豐富的板載資源，而且支持眾多第三方固件，可以通過升級固件豐富功能，擴展能力極佳，作為嵌入式操作系
統(tǒng)的硬件平臺非常合適。
LinKsys公司的WRT54GL是一個極易采購的經(jīng)典無線路由器，它擁有200 MHz的處理器，板載4 MB Flash和16 MB Ram完全勝任嵌入式開發(fā)的學(xué)習(xí)、研究和開發(fā)。更為重要的是，在網(wǎng)絡(luò)上已有很多為它設(shè)計的開源項目，使得學(xué)習(xí)資源唾手可得。
1．2 軟件平臺架構(gòu)
考慮到學(xué)習(xí)研究的需要，源代碼的公開與否是選擇軟件平臺的首要條件，因此確立了以開源操作系統(tǒng)為選擇目標(biāo)。同時考慮到功能的平衡——既要能夠用于操作系統(tǒng)基本原理的學(xué)習(xí)，又要能夠完成進一步的高級功能學(xué)習(xí)，繁簡得當(dāng)?shù)碾p操作系統(tǒng)的軟件架構(gòu)就成為當(dāng)然的選擇。這樣的架構(gòu)使得既可以在學(xué)習(xí)初期利用代碼較為簡潔的從操作系統(tǒng)完成理論的學(xué)習(xí)和實踐，又可以在后期利用功能強大的主操作系統(tǒng)完成進階學(xué)習(xí)，兩者結(jié)合相得益彰，貫穿整個嵌入式操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程。
1．2．1 主操作系統(tǒng)
在選定了WRT54GL作為硬件平臺后，自然就需要為其選擇適當(dāng)?shù)拈_源路由操作系統(tǒng)。開源路由操作系統(tǒng)非常之多，常見的有Vyatta、Cle arOS、Endian、Untangle、RouterOS、HyperWRT、OpenWrt、DD—WRT等。其中OpenWrt和DD—WRT獲得了更為廣泛的支持，有著良好的社區(qū)資源，它們都可以被看作一個獨立的嵌入式設(shè)備的Linux發(fā)行版，而不僅僅是一個單一的、靜態(tài)的固件，支持的硬件相當(dāng)豐富，WRT54GL也不例外。
DD—WRT功能強大而且簡單易用，它重點關(guān)注的是Web配置方式，這使得DD—WRT的Web功能比OpenWrt強大得多，因此DD—WRT的用戶群很龐大。
OpenWrt的優(yōu)勢是用戶可以隨意地安裝軟件。OpenWrt的包管理提供了一個完全可寫的文件系統(tǒng)，并允許自定義設(shè)備和應(yīng)用軟件包，具有完全定制的能力。
DD—WRT和OpenWrt各有優(yōu)缺點?？偟膩碚fDD—WRT傾向于關(guān)注使用者的感受，因此較為易用，OpenWrt傾向于關(guān)注開發(fā)者的使用，因此更為開放。
但是就學(xué)習(xí)研究而言，OpenWrt的擴展性要更勝一籌。現(xiàn)在的DD—WRT雖然也可以自己裝軟件，但只能裝在jffs或mmc目錄中，除jffs、mmc、tmp目錄外其他的目錄是不可寫的，而OpenWrt則不存在這些限制。
此外，OpenWrt系統(tǒng)使用和Linux類似的庫文件，比如它所包含的uClibc的C庫使得開發(fā)人員通過簡單的補丁包即可輕松運行現(xiàn)有的Linux程序。而且程序通過TFTP和CFE上傳到路由器后，用戶還可以使用串行口進行通信和調(diào)試。因此我們選擇OpenWrt作為主操作系統(tǒng)，便于在掌握了操作系統(tǒng)基本理論之后，進行高階的學(xué)習(xí)研究。
1．2．2 從操作系統(tǒng)
Xinu操作系統(tǒng)20世紀(jì)80年代中期誕生于美國普渡大學(xué)，目標(biāo)主要是用于操作系統(tǒng)教學(xué)。它是一種小巧、優(yōu)雅的操作系統(tǒng)，支持動態(tài)創(chuàng)建進程、動態(tài)分配內(nèi)存等操作系統(tǒng)的功能，有shell命令和I／O函數(shù)。同時支持TCP／IP協(xié)議，可以管理本地和遠(yuǎn)程文件系統(tǒng)。
除了應(yīng)用于教育領(lǐng)域以外，由于Xinu的體積很小，功能強大，所以也非常適用于嵌人式環(huán)境，現(xiàn)在已被移植到從8位、16位到32位嵌入式處理器平臺上，并有多個工業(yè)級的應(yīng)用，有較好的應(yīng)用價值。
美國馬奎特大學(xué)的嵌入式Xinu項目對其進行了相應(yīng)的研究，并將其移植到嵌入式MIPS平臺。嵌入式Xinu是一個持續(xù)研究和實施的項目，當(dāng)前版本支持Linksys公司的WRT54GL和WRT160NL的路由器，以及Qemu虛擬機。因此我們選擇嵌入式Xinu作為從操作系統(tǒng)進行基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)。