1.1 嵌入式系統簡介與開發環境

1.1.1 嵌入式系統簡介與應用

1.嵌入式系統的定義

根據IEEE（電氣和電子工程師協會）的定義，嵌入式系統是“控制、監視、輔助機器和設備運行的裝置（Devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）”。從中可以看出嵌入式系統是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。目前國內普遍被認同的嵌入式系統的定義是：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式系統主要由嵌入式處理器、嵌入式操作系統、外圍硬件設備和用戶的應用程序組成。嵌入式系統與個人計算機系統不同，嵌入式系統通常執行的是特定要求的任務。由于嵌入式系統只針對一項特殊的任務，設計人員能夠對它進行優化、減小尺寸、降低成本。

2.嵌入式系統的發展

第一個現代嵌入式系統是麻省理工學院儀器研究室的查爾斯·斯塔克·德雷珀開發的阿波羅導航計算機，在兩次月球飛行中都使用了這種慣性導航系統。第一款大批量生產的嵌入式系統是1961年用于“民兵Ⅰ”導彈上的D-17自動導航控制計算機。1966年，“民兵Ⅱ”導彈開始生產，D-17被集成電路所替代，僅僅這個項目就將與非門集成電路模塊的價格從每個1000美元降到每個3美元，使集成電路的商用成為可能。“民兵”導彈的嵌入式計算機有一個重要的設計特性：它能夠在項目后期對制導算法重新編程以獲得更高的導彈精度，并且能夠使用計算機測試導彈，從而減少測試電纜和接頭的重量。

到了20世紀80年代中期，外部系統的元器件被集成到處理器芯片中，這種結構的微處理器得到了更廣泛的應用。到了20世紀80年代末期，集成化的微處理器使得嵌入式系統的應用擴展到諸多領域，對多用途、低成本的微控制器進行編程，整合各種不同功能的組件。嵌入式系統很少有額外的元器件，大部分設計工作是軟件部分，因此，不管是建立原型還是測試新功能，相對硬件來說都要容易很多，并且設計和建造一個新的外設電路不需要修改嵌入式處理器。如圖1-1所示為嵌入式系統的基本組成。

3.嵌入式系統的特點

嵌入式系統并不是一個新生的事物，從20世紀80年代起，國際上就有一些組織、公司，開始進行商用嵌入式系統的研發，因此也涌現了一些著名的嵌入式操作系統。它們通常被設計得非常緊湊，拋棄了不需要的功能。Linux開放源碼、內核小、功能強大、運行穩定、易于定制裁剪，支持多種CPU，遵循國際標準，全面支持網絡，可以方便地獲得眾多第三方軟硬件廠商的支持，因此很多嵌入式系統都會選擇Linux操作系統。嵌入式系統的特點如下。

● 面向特定應用。

● 技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的集成系統。

● 硬件和軟件都必須高效率地設計，量體裁衣、去除冗余。

● 嵌入式系統的工業基礎是以應用為中心的“芯片”設計和面向應用的軟件產品開發。

要想學習嵌入式Linux系統技術，就必須有一塊開發板。其中樹莓派開發板的手冊和資源做得較好，比較適合初學者學習。

4.嵌入式Linux系統的實際應用

嵌入式Linux系統的應用領域非常廣泛，主要應用于信息家電、遠程通信、醫療電子、交通運輸、工業控制、航空航天領域等，具體應用如表1-1所示。

1.1.2 虛擬機軟件VM VirtualBox的安裝

VM VirtualBox是開源的虛擬機平臺軟件，目前VirtualBox支持的操作系統包括Debian、Fedora、Linux、Mac OS X（Intel）、Mandriva、OpenSolaris、PC Linux OS、Red Hat、SUSE Linux、Solaris 10、Ubuntu、Windows等。進入VirtualBox的項目主頁下載6.1.32的版本，下面就一步一步地安裝VirtualBox虛擬機平臺軟件。

1）雙擊VirtualBox-6.1.32-149290-Win.exe安裝文件，直接單擊“運行”按鈕，進入如圖1-2所示的安裝提示界面。

2）單擊“下一步”按鈕繼續安裝，進入如圖1-3所示的選擇安裝路徑界面。

3）選擇安裝路徑后，單擊“下一步”按鈕，進入如圖1-4所示的默認創建圖標和快捷方式界面。

4）單擊“下一步”按鈕，出現如圖1-5所示的網絡中斷提示界面。

5）單擊“是”按鈕，出現如圖1-6所示的準備安裝提示界面。

6）單擊“安裝”按鈕，出現如圖1-7所示的安裝進度界面。

7）安裝過程中會出現如圖1-8所示的相容性提示界面。

8）單擊“仍然繼續”按鈕，出現如圖1-9所示的安裝完成界面。單擊“完成”按鈕后，出現“重新啟動系統”的提示，如圖1-10所示。

9）重啟系統后，桌面出現如圖1-11所示的VirtualBox軟件圖標，至此，VirtualBox虛擬機平臺軟件安裝完畢。

1.1.3 在VM VirtualBox上安裝Ubuntu開發環境

本節講解在VirtualBox上安裝Ubuntu開發環境。

（1）新建虛擬機

1）雙擊VirtualBox軟件圖標，啟動此軟件。選擇菜單“控制”→“新建”命令（如圖1-12所示）。

2）出現圖1-13所示的新建虛擬機向導。

3）單擊“下一步”按鈕，出現如圖1-14所示的Ubuntu設置界面。在“名稱”文本框中輸入虛擬機名稱“ubuntu20.04”，在“文件夾”欄中選擇保存虛擬機的目錄。

4）單擊“下一步”按鈕，磁盤剩余空間要有50GB以上。出現如圖1-15所示的內存設置界面，設置虛擬機內存為4096MB。

5）單擊“下一步”按鈕，在如圖1-16所示的界面中，選擇“現在創建虛擬硬盤”選項，單擊“創建”按鈕，來創建虛擬硬盤。

6）在如圖1-17所示的界面中，選擇虛擬硬盤文件類型為“VDI”后，單擊“下一步”按鈕。

7）在如圖1-18所示的界面中，選擇虛擬硬盤為“動態分配”，再單擊“下一步”按鈕。

8）在如圖1-19所示的虛擬硬盤路徑和大小的設置界面中，選擇硬盤大小為50GB，單擊“創建”按鈕，即完成虛擬機上Ubuntu的初始設置。

（2）安裝Ubuntu系統

1）在VirtualBox中選擇菜單“控制”→“設置”命令，出現“ubuntu20.04-設置”對話框，如圖1-20所示。選擇“存儲”選項，在“控制器：IDE”下單擊“沒有盤片”，在最右邊單擊光盤圖標，加載Ubuntu 20.04的鏡像文件，如圖1-21所示。

2）單擊“打開”按鈕，通過菜單選擇“控制”→“啟動”命令，顯示如圖1-22所示的啟動Ubuntu虛擬機界面。

3）出現如圖1-23所示的選擇語言界面，選擇“中文（簡體）”后，單擊“安裝Ubuntu”按鈕。

4）在如圖1-24所示的鍵盤布局界面中，選擇“Chinese”選項，然后單擊“繼續”按鈕。

5）進入如圖1-25所示的對話框，選擇“正常安裝”單選按鈕后單擊“繼續”按鈕。

6）進入如圖1-26所示的磁盤分配界面，選擇“清除整個磁盤并安裝Ubuntu”單選按鈕后，再單擊“現在安裝”按鈕。

7）出現如圖1-27所示的賬戶創建界面，為了教學方便，這里將賬號和密碼都設置為xmcu，單擊“繼續”按鈕。

8）顯示如圖1-28所示的安裝進度界面，安裝完畢，出現如圖1-29所示的安裝完成界面，單擊“現在重啟”按鈕，就可以進入Ubuntu 20.04系統了。

1.1.4 增強工具包的安裝

一般安裝完VirtualBox平臺軟件后，還要安裝擴展增強包，提供USB 2.0、USB 3.0、文件共享等功能。安裝步驟如下。

1）在VirtualBox啟動界面中，選擇頂部的“管理”→“全局設定”→“擴展”命令，彈出“擴展”對話框，如圖1-30a所示，單擊右邊的加號添加擴展包，選擇隨書配套的擴展包，如圖1-30b所示。

2）出現如圖1-31的提示，單擊“安裝”按鈕。

3）出現VirtualBox許可，如圖1-32a所示，單擊“我同意”按鈕，在彈出的擴展包提示框中單擊“確定”按鈕，如圖1-32b所示。

4）配置完成后，進入Ubuntu系統，安裝增強工具包，選擇“設備”→“安裝增強功能”命令，如圖1-33所示。

5）出現如圖1-34所示的提示界面，單擊“運行”按鈕。

6）出現如圖1-35所示的VirtualBox增強包安裝認證界面，輸入密碼后，開始安裝增強包，如圖1-36所示。按〈Enter〉鍵關閉這個界面后，重啟虛擬機完成增強包的安裝。

7）選擇“設備”→“共享文件夾”→“共享文件夾”命令，設置共享目錄，如圖1-37所示，則將Windows系統的共享目錄“F:\share”固定掛接在Ubuntu Linux系統下。

8）在Ubuntu系統下，檢查一下“/etc/group”文件中是否將創建的用戶xmcu列入vboxsf用戶組中，如圖1-38所示，命令為vboxsf:x:998:xmcu。

這樣每次啟動Ubuntu虛擬機時，就會自動將Windows系統的共享目錄“F:\share”掛接在Ubuntu系統的“/media/sf_share”目錄下，可以使用df -h命令查詢共享目錄是否設置成功，如圖1-39所示。