關(guān)于嵌入式設(shè)備上的Linux 系統(tǒng)開發(fā)

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Linux 正在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域穩(wěn)步發(fā)展。因?yàn)?Linux 使用 GPL(請(qǐng)參閱本文后面的 參考資料)，所以任何對(duì)將 Linux 定制于 PDA、掌上機(jī)或者可佩帶設(shè)備感興趣的人都可以從因特網(wǎng)免費(fèi)下載其內(nèi)核和應(yīng)用程序，并開始移植或開發(fā)。許多 Linux 改良品種迎合了嵌入式/實(shí)時(shí)市場(chǎng)。它們包括 RTLinux(實(shí)時(shí) Linux)、uclinux(用于非 MMU 設(shè)備的 Linux)、Montavista Linux(用于 ARM、MIPS、PPC 的 Linux 分發(fā)版)、ARM-Linux(ARM 上的 Linux)和其它 Linux 系統(tǒng)(請(qǐng)參閱 參考資料以鏈接到本文中提到的這些和其它術(shù)語(yǔ)及產(chǎn)品。)

嵌入式 Linux 開發(fā)大致涉及三個(gè)層次：引導(dǎo)裝載程序、Linux 內(nèi)核和圖形用戶界面(或稱 GUI)。在本文中，我們將集中討論涉及這三層的一些基本概念;深入了解引導(dǎo)裝載程序、內(nèi)核和文件系統(tǒng)是如何交互的;并將研究可用于文件系統(tǒng)、GUI 和引導(dǎo)裝載程序的眾多選項(xiàng)中的一部分。

引導(dǎo)裝載程序

引導(dǎo)裝載程序通常是在任何硬件上執(zhí)行的第一段代碼。在象臺(tái)式機(jī)這樣的常規(guī)系統(tǒng)中，通常將引導(dǎo)裝載程序裝入主引導(dǎo)記錄(Master Boot Record，(MBR))中，或者裝入 Linux 駐留的磁盤的第一個(gè)扇區(qū)中。通常，在臺(tái)式機(jī)或其它系統(tǒng)上，BIOS 將控制移交給引導(dǎo)裝載程序。這就提出了一個(gè)有趣的問題：誰將引導(dǎo)裝載程序裝入(在大多數(shù)情況中)沒有 BIOS 的嵌入式設(shè)備上呢?

解決這個(gè)問題有兩種常規(guī)技術(shù)：專用軟件和微小的引導(dǎo)代碼(tiny bootcode)。

專用軟件可以直接與遠(yuǎn)程系統(tǒng)上的閃存設(shè)備進(jìn)行交互并將引導(dǎo)裝載程序安裝在閃存的給定位置中。 閃存設(shè)備是與存儲(chǔ)設(shè)備功能類似的特殊芯片，而且它們能持久存儲(chǔ)信息 D 即，在重新引導(dǎo)時(shí)不會(huì)擦除其內(nèi)容。

這個(gè)軟件使用目標(biāo)(在嵌入式開發(fā)中，嵌入式設(shè)備通常被稱為 目標(biāo))上的 JTAG 端口，它是用于執(zhí)行外部輸入(通常來自主機(jī)機(jī)器)的指令的接口。JFlash-linux 是一種用于直接寫閃存的流行工具。它支持為數(shù)眾多的閃存芯片;它在主機(jī)機(jī)器(通常是 i386 機(jī)器 D 本文中我們把一臺(tái) i386 機(jī)器稱為 主機(jī))上執(zhí)行并通過 JTAG 接口使用并行端口訪問目標(biāo)的閃存芯片。當(dāng)然，這意味著目標(biāo)需要有一個(gè)并行接口使它能與主機(jī)通信。Jflash-linux 在 Linux 和 Windows 版本中都可使用，可以在命令行中用以下命令啟動(dòng)它：

Jflash-linux

某些種類的嵌入式設(shè)備具有 微小的引導(dǎo)代碼D 根據(jù)幾個(gè)字節(jié)的指令 D 它將初始化一些 DRAM 設(shè)置并啟用目標(biāo)上的一個(gè)串行(或者 USB，或者以太網(wǎng))端口與主機(jī)程序通信。然后，主機(jī)程序或裝入程序可以使用這個(gè)連接將引導(dǎo)裝載程序傳送到目標(biāo)上，并將它寫入閃存。

在安裝它并給予其控制后，這個(gè)引導(dǎo)裝載程序執(zhí)行下列各類功能：

初始化 CPU 速度

初始化內(nèi)存，包括啟用內(nèi)存庫(kù)、初始化內(nèi)存配置寄存器等

初始化串行端口(如果在目標(biāo)上有的話)

啟用指令/數(shù)據(jù)高速緩存

設(shè)置堆棧指針

設(shè)置參數(shù)區(qū)域并構(gòu)造參數(shù)結(jié)構(gòu)和標(biāo)記(這是重要的一步，因?yàn)閮?nèi)核在標(biāo)識(shí)根設(shè)備、頁(yè)面大小、內(nèi)存大小以及更多內(nèi)容時(shí)要使用引導(dǎo)參數(shù))

執(zhí)行 POST(加電自檢)來標(biāo)識(shí)存在的設(shè)備并報(bào)告任何問題

為電源管理提供掛起/恢復(fù)支持

跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的開始

帶有引導(dǎo)裝載程序、參數(shù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)核和文件系統(tǒng)的系統(tǒng)典型內(nèi)存布局可能如下所示：

清單 1. 典型內(nèi)存布局

/* Top Of Memory */

Bootloader

Parameter Area

Kernel

Filesystem

/* End Of memory */

嵌入式設(shè)備上一些流行的并可免費(fèi)使用的 Linux 引導(dǎo)裝載程序有 Blob、Redboot 和 Bootldr(請(qǐng)參閱 參考資料獲得鏈接)。所有這些引導(dǎo)裝載程序都用于基于 ARM 設(shè)備上的 Linux，并需要 Jflash-linux 工具用于安裝。

一旦將引導(dǎo)裝載程序安裝到目標(biāo)的閃存中，它就會(huì)執(zhí)行我們上面提到的所有初始化工作。然后，它準(zhǔn)備接收來自主機(jī)的內(nèi)核和文件系統(tǒng)。一旦裝入了內(nèi)核，引導(dǎo)裝載程序就將控制轉(zhuǎn)給內(nèi)核。

設(shè)置工具鏈

設(shè)置工具鏈在主機(jī)機(jī)器上創(chuàng)建一個(gè)用于編譯將在目標(biāo)上運(yùn)行的內(nèi)核和應(yīng)用程序的構(gòu)建環(huán)境 D 這是因?yàn)槟繕?biāo)硬件可能沒有與主機(jī)兼容的二進(jìn)制執(zhí)行級(jí)別。

工具鏈由一套用于編譯、匯編和鏈接內(nèi)核及應(yīng)用程序的組件組成。 這些組件包括：

Binutils D 用于操作二進(jìn)制文件的實(shí)用程序集合。它們包括諸如 ar 、 as 、 objdump 、 objcopy 這樣的實(shí)用程序。

GccD GNU C 編譯器。

GlibcD 所有用戶應(yīng)用程序都將鏈接到的 C 庫(kù)。避免使用任何 C 庫(kù)函數(shù)的內(nèi)核和其它應(yīng)用程序可以在沒有該庫(kù)的情況下進(jìn)行編譯。

構(gòu)建工具鏈建立了一個(gè)交叉編譯器環(huán)境。 本地編譯器編譯與本機(jī)同類的處理器的指令。 交叉編譯器運(yùn)行在某一種處理器上，卻可以編譯另一種處理器的指令。重頭設(shè)置交叉編譯器工具鏈可不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)：它包括下載源代碼、修補(bǔ)補(bǔ)丁、配置、編譯、設(shè)置頭文件、安裝以及很多很多的操作。另外，這樣一個(gè)徹底的構(gòu)建過程對(duì)內(nèi)存和硬盤的需求是巨大的。如果沒有足夠的內(nèi)存和硬盤空間，那么在構(gòu)建階段由于相關(guān)性、配置或頭文件設(shè)置等問題會(huì)突然冒出許多問題。

因此能夠從因特網(wǎng)上獲得已預(yù)編譯的二進(jìn)制文件是一件好事(但不太好的一點(diǎn)是，目前它們大多數(shù)只限于基于 ARM 的系統(tǒng)，但遲早會(huì)改變的)。一些比較流行的已預(yù)編譯的工具鏈包括那些來自 Compaq(Familiar Linux )、LART(LART Linux)和 Embedian(基于 Debian 但與它無關(guān))的工具鏈 D 所有這些工具鏈都用于基于 ARM 的平臺(tái)。

內(nèi)核設(shè)置

Linux 社區(qū)正積極地為新硬件添加功能部件和支持、在內(nèi)核中修正錯(cuò)誤并且及時(shí)地進(jìn)行常規(guī)改進(jìn)。這導(dǎo)致大約每 6 個(gè)月(或 6 個(gè)月不到)就有一個(gè)穩(wěn)定的 Linux 樹的新發(fā)行版。不同的維護(hù)者維護(hù)針對(duì)特定體系結(jié)構(gòu)的不同內(nèi)核樹和補(bǔ)丁。當(dāng)為一個(gè)項(xiàng)目選擇了一個(gè)內(nèi)核時(shí)，您需要評(píng)估最新發(fā)行版的穩(wěn)定性如何、它是否符合項(xiàng)目要求和硬件平臺(tái)、從編程角度來看它的舒適程度以及其它難以確定的方面。還有一點(diǎn)也非常重要：找到需要應(yīng)用于基本內(nèi)核的所有補(bǔ)丁，以便為特定的體系結(jié)構(gòu)調(diào)整內(nèi)核。

內(nèi)核布局

內(nèi)核布局分為特定于體系結(jié)構(gòu)的部分和與體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的部分。內(nèi)核中特定于體系結(jié)構(gòu)的部分首先執(zhí)行，設(shè)置硬件寄存器、配置內(nèi)存映射、執(zhí)行特定于體系結(jié)構(gòu)的初始化，然后將控制轉(zhuǎn)給內(nèi)核中與體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的部分。系統(tǒng)的其余部分在這第二個(gè)階段期間進(jìn)行初始化。內(nèi)核樹下的目錄 arch/ 由不同的子目錄組成，每個(gè)子目錄用于一個(gè)不同的體系結(jié)構(gòu)(MIPS、ARM、i386、SPARC、PPC 等)。每一個(gè)這樣的子目錄都包含 kernel/ 和 mm/ 子目錄，它們包含特定于體系結(jié)構(gòu)的代碼來完成象初始化內(nèi)存、設(shè)置 IRQ、啟用高速緩存、設(shè)置內(nèi)核頁(yè)面表等操作。一旦裝入內(nèi)核并給予其控制，就首先調(diào)用這些函數(shù)，然后初始化系統(tǒng)的其余部分。