關(guān)于嵌入式設備上的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。因為 Linux 使用 GPL(請參閱本文后面的 參考資料)，所以任何對將 Linux 定制于 PDA、掌上機或者可佩帶設備感興趣的人都可以從因特網(wǎng)免費下載其內(nèi)核和應用程序，并開始移植或開發(fā)。許多 Linux 改良品種迎合了嵌入式/實時市場。它們包括 RTLinux(實時 Linux)、uclinux(用于非 MMU 設備的 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)(請參閱 參考資料以鏈接到本文中提到的這些和其它術(shù)語及產(chǎn)品。)

嵌入式 Linux 開發(fā)大致涉及三個層次：引導裝載程序、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 和引導裝載程序的眾多選項中的一部分。

引導裝載程序

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

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

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

這個軟件使用目標(在嵌入式開發(fā)中，嵌入式設備通常被稱為 目標)上的 JTAG 端口，它是用于執(zhí)行外部輸入(通常來自主機機器)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;它在主機機器(通常是 i386 機器 D 本文中我們把一臺 i386 機器稱為 主機)上執(zhí)行并通過 JTAG 接口使用并行端口訪問目標的閃存芯片。當然，這意味著目標需要有一個并行接口使它能與主機通信。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它：

Jflash-linux

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

在安裝它并給予其控制后，這個引導裝載程序執(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、初始化內(nèi)存配置寄存器等

初始化串行端口(如果在目標上有的話)

啟用指令/數(shù)據(jù)高速緩存

設置堆棧指針

設置參數(shù)區(qū)域并構(gòu)造參數(shù)結(jié)構(gòu)和標記(這是重要的一步，因為內(nèi)核在標識根設備、頁面大小、內(nèi)存大小以及更多內(nèi)容時要使用引導參數(shù))

執(zhí)行 POST(加電自檢)來標識存在的設備并報告任何問題

為電源管理提供掛起/恢復支持

跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的開始

帶有引導裝載程序、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 */

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

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

設置工具鏈

設置工具鏈在主機機器上創(chuàng)建一個用于編譯將在目標上運行的內(nèi)核和應用程序的構(gòu)建環(huán)境 D 這是因為目標硬件可能沒有與主機兼容的二進制執(zhí)行級別。

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

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

GccD GNU C 編譯器。

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

構(gòu)建工具鏈建立了一個交叉編譯器環(huán)境。 本地編譯器編譯與本機同類的處理器的指令。 交叉編譯器運行在某一種處理器上，卻可以編譯另一種處理器的指令。重頭設置交叉編譯器工具鏈可不是一項簡單的任務：它包括下載源代碼、修補補丁、配置、編譯、設置頭文件、安裝以及很多很多的操作。另外，這樣一個徹底的構(gòu)建過程對內(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、配置或頭文件設置等問題會突然冒出許多問題。

因此能夠從因特網(wǎng)上獲得已預編譯的二進制文件是一件好事(但不太好的一點是，目前它們大多數(shù)只限于基于 ARM 的系統(tǒng)，但遲早會改變的)。一些比較流行的已預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。

內(nèi)核設置

Linux 社區(qū)正積極地為新硬件添加功能部件和支持、在內(nèi)核中修正錯誤并且及時地進行常規(guī)改進。這導致大約每 6 個月(或 6 個月不到)就有一個穩(wěn)定的 Linux 樹的新發(fā)行版。不同的維護者維護針對特定體系結(jié)構(gòu)的不同內(nèi)核樹和補丁。當為一個項目選擇了一個內(nèi)核時，您需要評估最新發(fā)行版的穩(wěn)定性如何、它是否符合項目要求和硬件平臺、從編程角度來看它的舒適程度以及其它難以確定的方面。還有一點也非常重要：找到需要應用于基本內(nèi)核的所有補丁，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階段期間進行初始化。內(nèi)核樹下的目錄 arch/ 由不同的子目錄組成，每個子目錄用于一個不同的體系結(jié)構(gòu)(MIPS、ARM、i386、SPARC、PPC 等)。每一個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、設置 IRQ、啟用高速緩存、設置內(nèi)核頁面表等操作。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。