1.1 嵌入式系统简介与开发环境

1.1.1 嵌入式系统简介与应用

1.嵌入式系统的定义

根据IEEE（电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视、辅助机器和设备运行的装置（Devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）”。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。目前国内普遍被认同的嵌入式系统的定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、嵌入式操作系统、外围硬件设备和用户的应用程序组成。嵌入式系统与个人计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是特定要求的任务。由于嵌入式系统只针对一项特殊的任务，设计人员能够对它进行优化、减小尺寸、降低成本。

2.嵌入式系统的发展

第一个现代嵌入式系统是麻省理工学院仪器研究室的查尔斯·斯塔克·德雷珀开发的阿波罗导航计算机，在两次月球飞行中都使用了这种惯性导航系统。第一款大批量生产的嵌入式系统是1961年用于“民兵Ⅰ”导弹上的D-17自动导航控制计算机。1966年，“民兵Ⅱ”导弹开始生产，D-17被集成电路所替代，仅仅这个项目就将与非门集成电路模块的价格从每个1000美元降到每个3美元，使集成电路的商用成为可能。“民兵”导弹的嵌入式计算机有一个重要的设计特性：它能够在项目后期对制导算法重新编程以获得更高的导弹精度，并且能够使用计算机测试导弹，从而减少测试电缆和接头的重量。

到了20世纪80年代中期，外部系统的元器件被集成到处理器芯片中，这种结构的微处理器得到了更广泛的应用。到了20世纪80年代末期，集成化的微处理器使得嵌入式系统的应用扩展到诸多领域，对多用途、低成本的微控制器进行编程，整合各种不同功能的组件。嵌入式系统很少有额外的元器件，大部分设计工作是软件部分，因此，不管是建立原型还是测试新功能，相对硬件来说都要容易很多，并且设计和建造一个新的外设电路不需要修改嵌入式处理器。如图1-1所示为嵌入式系统的基本组成。

3.嵌入式系统的特点

嵌入式系统并不是一个新生的事物，从20世纪80年代起，国际上就有一些组织、公司，开始进行商用嵌入式系统的研发，因此也涌现了一些著名的嵌入式操作系统。它们通常被设计得非常紧凑，抛弃了不需要的功能。Linux开放源码、内核小、功能强大、运行稳定、易于定制裁剪，支持多种CPU，遵循国际标准，全面支持网络，可以方便地获得众多第三方软硬件厂商的支持，因此很多嵌入式系统都会选择Linux操作系统。嵌入式系统的特点如下。

● 面向特定应用。

● 技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的集成系统。

● 硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余。

● 嵌入式系统的工业基础是以应用为中心的“芯片”设计和面向应用的软件产品开发。

要想学习嵌入式Linux系统技术，就必须有一块开发板。其中树莓派开发板的手册和资源做得较好，比较适合初学者学习。

4.嵌入式Linux系统的实际应用

嵌入式Linux系统的应用领域非常广泛，主要应用于信息家电、远程通信、医疗电子、交通运输、工业控制、航空航天领域等，具体应用如表1-1所示。

1.1.2 虚拟机软件VM VirtualBox的安装

VM VirtualBox是开源的虚拟机平台软件，目前VirtualBox支持的操作系统包括Debian、Fedora、Linux、Mac OS X（Intel）、Mandriva、OpenSolaris、PC Linux OS、Red Hat、SUSE Linux、Solaris 10、Ubuntu、Windows等。进入VirtualBox的项目主页下载6.1.32的版本，下面就一步一步地安装VirtualBox虚拟机平台软件。

1）双击VirtualBox-6.1.32-149290-Win.exe安装文件，直接单击“运行”按钮，进入如图1-2所示的安装提示界面。

2）单击“下一步”按钮继续安装，进入如图1-3所示的选择安装路径界面。

3）选择安装路径后，单击“下一步”按钮，进入如图1-4所示的默认创建图标和快捷方式界面。

4）单击“下一步”按钮，出现如图1-5所示的网络中断提示界面。

5）单击“是”按钮，出现如图1-6所示的准备安装提示界面。

6）单击“安装”按钮，出现如图1-7所示的安装进度界面。

7）安装过程中会出现如图1-8所示的相容性提示界面。

8）单击“仍然继续”按钮，出现如图1-9所示的安装完成界面。单击“完成”按钮后，出现“重新启动系统”的提示，如图1-10所示。

9）重启系统后，桌面出现如图1-11所示的VirtualBox软件图标，至此，VirtualBox虚拟机平台软件安装完毕。

1.1.3 在VM VirtualBox上安装Ubuntu开发环境

本节讲解在VirtualBox上安装Ubuntu开发环境。

（1）新建虚拟机

1）双击VirtualBox软件图标，启动此软件。选择菜单“控制”→“新建”命令（如图1-12所示）。

2）出现图1-13所示的新建虚拟机向导。

3）单击“下一步”按钮，出现如图1-14所示的Ubuntu设置界面。在“名称”文本框中输入虚拟机名称“ubuntu20.04”，在“文件夹”栏中选择保存虚拟机的目录。

4）单击“下一步”按钮，磁盘剩余空间要有50GB以上。出现如图1-15所示的内存设置界面，设置虚拟机内存为4096MB。

5）单击“下一步”按钮，在如图1-16所示的界面中，选择“现在创建虚拟硬盘”选项，单击“创建”按钮，来创建虚拟硬盘。

6）在如图1-17所示的界面中，选择虚拟硬盘文件类型为“VDI”后，单击“下一步”按钮。

7）在如图1-18所示的界面中，选择虚拟硬盘为“动态分配”，再单击“下一步”按钮。

8）在如图1-19所示的虚拟硬盘路径和大小的设置界面中，选择硬盘大小为50GB，单击“创建”按钮，即完成虚拟机上Ubuntu的初始设置。

（2）安装Ubuntu系统

1）在VirtualBox中选择菜单“控制”→“设置”命令，出现“ubuntu20.04-设置”对话框，如图1-20所示。选择“存储”选项，在“控制器：IDE”下单击“没有盘片”，在最右边单击光盘图标，加载Ubuntu 20.04的镜像文件，如图1-21所示。

2）单击“打开”按钮，通过菜单选择“控制”→“启动”命令，显示如图1-22所示的启动Ubuntu虚拟机界面。

3）出现如图1-23所示的选择语言界面，选择“中文（简体）”后，单击“安装Ubuntu”按钮。

4）在如图1-24所示的键盘布局界面中，选择“Chinese”选项，然后单击“继续”按钮。

5）进入如图1-25所示的对话框，选择“正常安装”单选按钮后单击“继续”按钮。

6）进入如图1-26所示的磁盘分配界面，选择“清除整个磁盘并安装Ubuntu”单选按钮后，再单击“现在安装”按钮。

7）出现如图1-27所示的账户创建界面，为了教学方便，这里将账号和密码都设置为xmcu，单击“继续”按钮。

8）显示如图1-28所示的安装进度界面，安装完毕，出现如图1-29所示的安装完成界面，单击“现在重启”按钮，就可以进入Ubuntu 20.04系统了。

1.1.4 增强工具包的安装

一般安装完VirtualBox平台软件后，还要安装扩展增强包，提供USB 2.0、USB 3.0、文件共享等功能。安装步骤如下。

1）在VirtualBox启动界面中，选择顶部的“管理”→“全局设定”→“扩展”命令，弹出“扩展”对话框，如图1-30a所示，单击右边的加号添加扩展包，选择随书配套的扩展包，如图1-30b所示。

2）出现如图1-31的提示，单击“安装”按钮。

3）出现VirtualBox许可，如图1-32a所示，单击“我同意”按钮，在弹出的扩展包提示框中单击“确定”按钮，如图1-32b所示。

4）配置完成后，进入Ubuntu系统，安装增强工具包，选择“设备”→“安装增强功能”命令，如图1-33所示。

5）出现如图1-34所示的提示界面，单击“运行”按钮。

6）出现如图1-35所示的VirtualBox增强包安装认证界面，输入密码后，开始安装增强包，如图1-36所示。按〈Enter〉键关闭这个界面后，重启虚拟机完成增强包的安装。

7）选择“设备”→“共享文件夹”→“共享文件夹”命令，设置共享目录，如图1-37所示，则将Windows系统的共享目录“F:\share”固定挂接在Ubuntu Linux系统下。

8）在Ubuntu系统下，检查一下“/etc/group”文件中是否将创建的用户xmcu列入vboxsf用户组中，如图1-38所示，命令为vboxsf:x:998:xmcu。

这样每次启动Ubuntu虚拟机时，就会自动将Windows系统的共享目录“F:\share”挂接在Ubuntu系统的“/media/sf_share”目录下，可以使用df -h命令查询共享目录是否设置成功，如图1-39所示。