嵌入式設(shè)備上的Linux系統(tǒng)開發(fā)
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嵌 入式 Linux 開發(fā)大致涉及三個層次：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。在象臺式機這樣的常規(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(dǎo)裝載程序。這就提出了一個有趣的問題：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)備是與存儲設(shè)備功能類似的特殊芯片，而且它們能持久存儲信息 — 即，在重新引導(dǎo)時不會擦除其內(nèi)容。
這個軟件使用目標(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 — 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(biāo)的閃存芯片。當(dāng)然，這意味著目標(biāo)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：
某些種類的嵌入式設(shè)備具有微小的引導(dǎo)代碼 — 根據(jù)幾個字節(jié)的指令 — 它將初始化一些 DRAM 設(shè)置并啟用目標(biāo)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(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、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，因為內(nèi)核在標(biāo)識根設(shè)備、頁面大小、內(nèi)存大小以及更多內(nèi)容時要使用引導(dǎo)參數(shù)）執(zhí)行 POST（加電自檢）來標(biāo)識存在的設(shè)備并報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 */
/* End Of Memory */
嵌入式設(shè)備上一些流行的并可免費使用的 Linux 引導(dǎo)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(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)置工具鏈在主機機器上創(chuàng)建一個用于編譯將在目標(biāo)上運行的內(nèi)核和應(yīng)用程序的構(gòu)建環(huán)境 — 這是因為目標(biāo)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(yīng)用程序的組件組成。 這些組件包括：
Binutils — 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。Gcc — GNU C 編譯器。Glibc — 所有用戶應(yīng)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(yīng)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(shè)置交叉編譯器工具鏈可不是一項簡單的任務(wù)：它包括下載源代碼、修補補丁、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(shè)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(yù)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(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 — 所有這些工具鏈都用于基于 ARM 的平臺。
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)核中修正錯誤并且及時地進行常規(guī)改進。這導(dǎo)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(dāng)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(yīng)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(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(shè)置 IRQ、啟用高速緩存、設(shè)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。
根據(jù)可用的系統(tǒng)資源和引導(dǎo)裝載程序的功能，內(nèi)核可以編譯成 vmlinux、Image 或 zImage。vmlinux 和 zImage 之間的主要區(qū)別在于 vmlinux 是實際的（未壓縮的）可執(zhí)行文件，而 zImage 是或多或少包含相同信息的自解壓壓縮文件 — 只是壓縮它以處理（通常是 Intel 強制的）640 KB 引導(dǎo)時間的限制。有關(guān)所有這些的權(quán)威性解釋，請參閱 Linux Magazine 的文章Kernel Configuration: dealing with the unexpected（請參閱參考資料）。
內(nèi)核鏈接和裝入
一旦為目標(biāo)系統(tǒng)編譯了內(nèi)核后，通過使用引導(dǎo)裝載程序（它已經(jīng)被裝入到目標(biāo)的閃存中），內(nèi)核就被裝入到目標(biāo)系統(tǒng)的內(nèi)存（在 DRAM 中或者在閃存中）。通過使用串行、USB 或以太網(wǎng)端口，引導(dǎo)裝載程序與主機通信以將內(nèi)核傳送到目標(biāo)的閃存或 DRAM 中。在將內(nèi)核完
全裝入目標(biāo)后，引導(dǎo)裝載程序?qū)⒖刂苽鬟f給裝入內(nèi)核的地址。
內(nèi)核可執(zhí)行文件由許多鏈接在一起的對象文件組成。對象文件有許多節(jié)，如文本、數(shù)據(jù)、init 數(shù)據(jù)、bass 等等。這些對象文件都是由一個稱為鏈接器腳本的文件鏈接并裝入的。這個鏈接器腳本的功能是將輸入對象文件的各節(jié)映射到輸出文件中；換句話說，它將所有輸入對象文件都鏈接到單一的可執(zhí)行文件中，將該可執(zhí)行文件的各節(jié)裝入到指定地址處。vmlinux.lds 是存在于 arch/target>/ 目錄中的內(nèi)核鏈接器腳本，它負(fù)責(zé)鏈接內(nèi)核的各個節(jié)并將它們裝入內(nèi)存中特定偏移量處。典型的 vmlinux.lds 看起來象這樣：
清單 2. 典型的 vmlinux.lds 文件
OUTPUT_ARCH(arch>) /* arch> includes architecture type */
ENTRY(stext) /* stext is the kernel entry point */
SECTIONS /* SECTIONS command describes the layout
of the output file */
{
. = TEXTADDR; /* TEXTADDR is LMA for the kernel */
.init : { /* Init code and data*/
_stext = .; /* First section is stext followed
by __init data section */
__init_begin = .;
*(.text.init)
__init_end = .;
}
.text : { /* Real text segment follows __init_data section */
_text = .;
*(.text)
_etext = .; /* End of text section*/
}
.data :{
_data=.; /* Data section comes after text section */
*(.data)
_edata=.;
} /* Data section ends here */
.bss : { /* BSS section follows symbol table section */
__bss_start = .;
*(.bss)
_end = . ; /* BSS section ends here */
}
}
LMA 是裝入模塊地址；它表示將要裝入內(nèi)核的目標(biāo)虛擬內(nèi)存中的地址。TEXTADDR 是內(nèi)核的虛擬起始地址，并且在 arch/target>/ 下的 Makefile 中指定它的值。這個地址必須與引導(dǎo)裝載程序使用的地址相匹配。一旦引導(dǎo)裝載程序?qū)?nèi)核復(fù)制到閃存或 DRAM 中，內(nèi)核就被重新定位到 TEXTADDR — 它通常在 DRAM 中。然后，引導(dǎo)裝載程序?qū)⒖刂妻D(zhuǎn)給這個地址，以便內(nèi)核能開始執(zhí)行。
參數(shù)傳遞和內(nèi)核引導(dǎo)
stext 是內(nèi)核入口點，這意味著在內(nèi)核引導(dǎo)時將首先執(zhí)行這一節(jié)下的代碼。它通常用匯編語言編寫，并且通常它在 arch/target>/ 內(nèi)核目錄下。這個代碼設(shè)置內(nèi)核頁面目錄、創(chuàng)建身份內(nèi)核映射、標(biāo)識體系結(jié)構(gòu)和處理器以及執(zhí)行分支 start_kernel（初始化系統(tǒng)的主例程）。
start_kernel 調(diào)用 setup_arch 作為執(zhí)行的第一步，在其中完成特定于體系結(jié)構(gòu)的設(shè)置。這包括初始化硬件寄存器、標(biāo)識根設(shè)備和系統(tǒng)中可用的 DRAM 和閃存的數(shù)量、指定系統(tǒng)中可用頁面的數(shù)目、文件系統(tǒng)大小等等。所有這些信息都以參數(shù)形式從引導(dǎo)裝載程序傳遞到內(nèi)核。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201706/349387.htm
將參數(shù)從引導(dǎo)裝載程序傳遞到內(nèi)核有兩種方法：parameter_structure 和標(biāo)記列表。在這兩種方法中，不贊成使用參數(shù)結(jié)構(gòu)，因為它強加了限制：指定在內(nèi)存中，每個參數(shù)必須位于 param_struct 中的特定偏移量處。最新的內(nèi)核期望參數(shù)作為標(biāo)記列表的格式來傳遞，并將參數(shù)轉(zhuǎn)化為已標(biāo)記格式。param_struct 定義在 include/asm/setup.h 中。它的一些重要字段是：
清單 3. 樣本參數(shù)結(jié)構(gòu)
struct param_struct {
unsigned long page_size; /* 0: Size of the page */
unsigned long nr_pages; /* 4: Number of pages in the system */
unsigned long ramdisk /* 8: ramdisk size */
unsigned long rootdev; /* 16: Number representing the root device */
unsigned long initrd_start; /* 64: starting address of initial ramdisk */
/* This can be either in flash/dram */
unsigned long initrd_size; /* 68: size of initial ramdisk */
}
請注意：這些數(shù)表示定義字段的參數(shù)結(jié)構(gòu)中的偏移量。這意味著如果引導(dǎo)裝載程序?qū)?shù)結(jié)構(gòu)放置在地址 0xc0000100，那么 rootdev 參數(shù)將放置在 0xc0000100 + 16，initrd_start 將放置在 0xc0000100 + 64 等等 — 否則，內(nèi)核將在解釋正確的參數(shù)時遇到困難。
正如上面提到的，因為從引導(dǎo)裝載程序到內(nèi) 核的參數(shù)傳遞會有一些約束條件，所以大多數(shù) 2.4.x 系列內(nèi)核期望參數(shù)以已標(biāo)記的列表格式傳遞。在已標(biāo)記的列表中，每個標(biāo)記由標(biāo)識被傳遞參數(shù)的 tag_header 以及其后的參數(shù)值組成。標(biāo)記列表中標(biāo)記的常規(guī)格式可以如下所示：
清單 4. 樣本標(biāo)記格式。內(nèi)核通過 ATAG_TAGNAME> 頭來標(biāo)識每個標(biāo)記。
#define aTAG_TAGNAME> Some Magic number>
struct tag_tagname> {
u32 tag_param>;
u32 tag_param>;
};
/* Example tag for passing memory information */
#define ATAG_MEM 0x54410002 /* Magic number */
struct tag_mem32 {
u32 size; /* size of memory */
u32 start; /* physical start address of memory*/
};
struct tag_mem32 {
u32 size; /* size of memory */
u32 start; /* physical start address of memory*/
};
/* Example tag for passing memory information */
#define ATAG_MEM 0x54410002 /* Magic number */
struct tag_mem32 {
u32 size; /* size of memory */
u32 start; /* physical start address of memory*/
};
struct tag_mem32 {
u32 size; /* size of memory */
u32 start; /* physical start address of memory*/
};
setup_arch 還需要對閃存存儲庫、系統(tǒng)寄存器和其它特定設(shè)備執(zhí)行內(nèi)存映射。一旦完成了特定于體系結(jié)構(gòu)的設(shè)置，控制就返回到初始化系統(tǒng)其余部分的 start_kernel 函數(shù)。這些附加的初始化任務(wù)包含：
設(shè)置陷阱初始化中斷初始化計時器初始化控制臺調(diào)用 mem_init，它計算各種區(qū)域、高內(nèi)存區(qū)等內(nèi)的頁面數(shù)量初始化 slab 分配器并為 VFS、緩沖區(qū)高速緩存等創(chuàng)建 slab 高速緩存建立各種文件系統(tǒng)，如 proc、ext2 和 JFFS2 創(chuàng)建 kernel_thread，它執(zhí)行文件系統(tǒng)中的 init 命令并顯示 lign 提示符。如果在 /bin、/sbin 或 /etc 中沒有 init 程序，那么內(nèi)核將執(zhí)行文件系統(tǒng)的 /bin 中的 shell。
設(shè)備驅(qū)動程序
嵌入式系統(tǒng)通常有許多設(shè)備用于與用戶交互，象觸摸屏、小鍵盤、滾動輪、傳感器、RA232 接口、LCD 等等。除了這些設(shè)備外，還有許多其它專用設(shè)備，包括閃存、USB、GSM 等。內(nèi)核通過所有這些設(shè)備各自的設(shè)備驅(qū)動程序來控制它們，包括 GUI 用戶應(yīng)用程序也通過訪問這些驅(qū)動程序來訪問設(shè)備。本節(jié)著重討論通常幾乎在每個嵌入式環(huán)境中都會使用的一些重要設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動程序。
幀緩沖區(qū)驅(qū)動程序
這是最重要的驅(qū)動程序之一，因為通過這個驅(qū)動程序才能使系統(tǒng)屏幕顯示內(nèi)容。幀緩沖區(qū)驅(qū)動程序通常有三層。最底層是基本控制臺驅(qū)動程序 drivers/char/console.c，它提供了文本控制臺常規(guī)接口的一部分。通過使用控制臺驅(qū)動程序函數(shù)，我們能將文本打印到屏幕上 — 但圖形或動畫還不能（這樣做需要使用視頻模式功能，通常出現(xiàn)在中間層，也就是 drivers/video/fbcon.c 中）。這個第二層驅(qū)動程序提供了視頻模式中繪圖的常規(guī)接口。
幀緩沖區(qū)是顯卡上的內(nèi)存，需要將它內(nèi)存映射到用戶空間以便可以將 圖形和文本能寫到這個內(nèi)存段上：然后這個信息將反映到屏幕上。幀緩沖區(qū)支持提高了繪圖的速度和整體性能。這也是頂層驅(qū)動程序引人注意之處：頂層是非常特定 于硬件的驅(qū)動程序，它需要支持顯卡不同的硬件方面 — 象啟用／禁用顯卡控制器、深度和模式的支持以及調(diào)色板等。所有這三層都相互依賴以實現(xiàn)正確的視頻功能。與幀緩沖區(qū)有關(guān)的設(shè)備是 /dev/fb0（主設(shè)備號29，次設(shè)備號 0）。
輸入設(shè)備驅(qū)動程序
可觸摸板是用于嵌入式設(shè)備的最基本的用戶交互設(shè)備之一 — 小鍵盤、傳感器和滾動輪也包含在許多不同設(shè)備中以用于不同的用途。
觸摸板設(shè)備的主要功能是隨時報告用戶的觸摸，并標(biāo)識觸摸的坐標(biāo)。這通常在每次發(fā)生觸摸時，通過生成一個中斷來實現(xiàn)。
然后，這個設(shè)備驅(qū)動程序的角色是每當(dāng)出現(xiàn)中斷時就查詢觸摸屏控制器，并請求控制器發(fā)送觸摸的坐標(biāo)。一旦驅(qū)動程序接收到坐標(biāo)，它就將有關(guān)觸摸和任何可用數(shù)據(jù)的信號發(fā)送給用戶應(yīng)用程序，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給應(yīng)用程序（如果可能的話）。然后用戶應(yīng)用程序根據(jù)它的需要處理數(shù)據(jù)。
幾乎所有輸入設(shè)備 — 包括小鍵盤 — 都以類似原理工作。
閃存 MTD 驅(qū)動程序
MTD 設(shè)備是象閃存芯片、小型閃存卡、記憶棒等之類的設(shè)備，它們在嵌入式設(shè)備中的使用正在不斷增長。
MTD 驅(qū)動程序是在 Linux 下專門為嵌入式環(huán)境開發(fā)的新的一類驅(qū)動程序。相對于常規(guī)塊設(shè)備驅(qū)動程序，使用 MTD 驅(qū)動程序的主要優(yōu)點在于 MTD 驅(qū)動程序是專門為基于閃存的設(shè)備所設(shè)計的，所以它們通常有更好的支持、更好的管理和基于扇區(qū)的擦除和讀寫操作的更好的接口。Linux 下的 MTD 驅(qū)動程序接口被劃分為兩類模塊：用戶模塊和硬件模塊。
用戶模塊
這 些模塊提供從用戶空間直接使用的接口：原始字符訪問、原始塊訪問、FTL（閃存轉(zhuǎn)換層，F(xiàn)lash Transition Layer — 用在閃存上的一種文件系統(tǒng)）和 JFS（即日志文件系統(tǒng)，Journaled File System — 在閃存上直接提供文件系統(tǒng)而不是模擬塊設(shè)備）。用于閃存的 JFS 的當(dāng)前版本是 JFFS2（稍后將在本文中描述）。
硬件模塊
這些模塊提供對內(nèi)存設(shè)備的物理訪問，但并不直接使用它們。通過上述的用戶模塊來訪問它們。這些模塊提供了在閃存上讀、擦除和寫操作的實際例程。
MTD 驅(qū)動程序設(shè)置
為了訪問特定的閃存設(shè)備并將文件系統(tǒng)置于其上，需要將 MTD 子系統(tǒng)編譯到內(nèi)核中。這包括選擇適當(dāng)?shù)?MTD 硬件和用戶模塊。當(dāng)前，MTD 子系統(tǒng)支持為數(shù)眾多的閃存設(shè)備 — 并且有越來越多的驅(qū)動程序正被添加進來以用于不同的閃存芯片。有兩個流行的用戶模塊可啟用對閃存的訪問：MTD_CHAR 和 MTD_BLOCK。
MTD_CHAR 提供對閃存的原始字符訪問，而 MTD_BLOCK 將閃存設(shè)計為可以在上面創(chuàng)建文件系統(tǒng)的常規(guī)塊設(shè)備（象 IDE 磁盤）。與 MTD_CHAR 關(guān)聯(lián)的設(shè)備是 /dev/mtd0、mtd1、mtd2（等等），而與 MTD_BLOCK 關(guān)聯(lián)的設(shè)備是 /dev/mtdblock0、mtdblock1（等等）。由于 MTD_BLOCK 設(shè)備提供象塊設(shè)備那樣的模擬，通常更可取的是在這個模擬基礎(chǔ)上創(chuàng)建象 FTL 和 JFFS2 那樣的文件系統(tǒng)。
為了進行這個操作，可能需要創(chuàng)建分區(qū)表將閃存設(shè)備分拆到引導(dǎo)裝載程序節(jié)、內(nèi)核節(jié)和文件系統(tǒng)節(jié)中。樣本分區(qū)表可能包含以下信息：
清單 5. MTD 的簡單閃存設(shè)備分區(qū)
struct mtd_partition sample_partition = {
{
/* First partition */
name : bootloader, /* Bootloader section */
size : 0x00010000, /* Size */
offset : 0, /* Offset from start of flash- location 0x0*/
mask_flags : MTD_WRITEABLE /* This partition is not writable */
},
{ /* Second partition */
name : Kernel, /* Kernel section */
size : 0x00100000, /* Size */
offset : MTDPART_OFS_APPEND, /* Append after bootloader section */
mask_flags : MTD_WRITEABLE /* This partition is not writable */
},
{ /* Third partition */
name : JFFS2, /* JFFS2 filesystem */
size : MTDPART_SIZ_FULL, /* Occupy rest of flash */
offset : MTDPART_OFS_APPEND /* Append after kernel section */
}
}
上面的分區(qū)表使用了 MTD_BLOCK 接口對閃存設(shè)備進行分區(qū)。這些分區(qū)的設(shè)備節(jié)點是：
簡單閃存分區(qū)的設(shè)備節(jié)點
User device node Major number Minor number
Bootloader /dev/mtdblock0 31 0
Kernel /dev/mtdblock1 31 1
Filesystem /dev/mtdblock2 31 2
在 本例中，引導(dǎo)裝載程序必須將有關(guān) root 設(shè)備節(jié)點（/dev/mtdblock2）和可以在閃存中找到文件系統(tǒng)的地址（本例中是 FLASH_BASE_ADDRESS + 0x04000000）的正確參數(shù)傳遞到內(nèi)核。一旦完成分區(qū)，閃存設(shè)備就準(zhǔn)備裝入或掛裝文件系統(tǒng)。
Linux 中 MTD 子系統(tǒng)的主要目標(biāo)是在系統(tǒng)的硬件驅(qū)動程序和上層，或用戶模塊之間提供通用接口。硬件驅(qū)動程序不需要知道象 JFFS2 和 FTL 那樣的用戶模塊使用的方法。所有它們真正需要提供的就是一組對底層閃存系統(tǒng)進行 read、 write 和 erase 操作的簡單例程。
嵌入式設(shè)備的文件系統(tǒng)
系統(tǒng)需要一種以結(jié)構(gòu)化格式存儲和檢索信息的方法；這就需要文件系統(tǒng)的參與。Ramdisk（請參閱參考資料）是通過將計算機的 RAM 用作設(shè)備來創(chuàng)建和掛裝文件系統(tǒng)的一種機制，它通常用于無盤系統(tǒng)（當(dāng)然包括微型嵌入式設(shè)備，它只包含作為永久存儲媒質(zhì)的閃存芯片）。
用戶可以根據(jù)可靠性、健壯性和／或增強的功能的需求來選擇文件系統(tǒng)的類型。下一節(jié)將討論幾個可用選項及其優(yōu)缺點。
第二版擴展文件系統(tǒng)（Ext2fs）
Ext2fs 是 Linux 事實上的標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)，它已經(jīng)取代了它的前任 — 擴展文件系統(tǒng)（或 Extfs）。Extfs 支持的文件大小最大為 2 GB，支持的最大文件名稱大小為 255 個字符 — 而且它不支持索引節(jié)點（包括數(shù)據(jù)修改時間標(biāo)記）。Ext2fs 做得更好；它的優(yōu)點是：
Ext2fs 支持達 4 TB 的內(nèi)存。Ext2fs 文件名稱最長可以到 1012 個字符。當(dāng)創(chuàng)建文件系統(tǒng)時，管理員可以選擇邏輯塊的大?。ㄍǔ４笮】蛇x擇 1024、2048 和 4096 字節(jié)）。Ext2fs 了實現(xiàn)快速符號鏈接：不需要為此目的而分配數(shù)據(jù)塊，并且將目標(biāo)名稱直接存儲在索引節(jié)點（inode）表中。這使性能有所提高，特別是在速度上。 因為 Ext2 文件系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和健壯性，所以幾乎在所有基于 Linux 的系統(tǒng)（包括臺式機、服務(wù)器和工作站 — 并且甚至一些嵌入式設(shè)備）上都使用 Ext2 文件系統(tǒng)。然而，當(dāng)在嵌入式設(shè)備中使用 Ext2fs 時，它有一些缺點：
Ext2fs 是為象 IDE 設(shè)備那樣的塊設(shè)備設(shè)計的，這些設(shè)備的邏輯塊大小是 512 字節(jié)，1 K 字節(jié)等這樣的倍數(shù)。這不太適合于扇區(qū)大小因設(shè)備不同而不同的閃存設(shè)備。Ext2 文件系統(tǒng)沒有提供對基于扇區(qū)的擦除／寫操作的良好管理。在 Ext2fs 中，為了在一個扇區(qū)中擦除單個字節(jié)，必須將整個扇區(qū)復(fù)制到 RAM，然后擦除，然后重寫入?？紤]到閃存設(shè)備具有有限的擦除壽命（大約能進行 100,000 次擦除），在此之后就不能使用它們，所以這不是一個特別好的方法。在出現(xiàn)電源故障時，Ext2fs 不是防崩潰的。Ext2 文件系統(tǒng)不支持損耗平衡，因此縮短了扇區(qū)／閃存的壽命。（損耗平衡確保將地址范圍的不同區(qū)域輪流用于寫和／或擦除操作以延長閃存設(shè)備的壽命。）Ext2fs 沒有特別完美的扇區(qū)管理，這使設(shè)計塊驅(qū)動程序十分困難。 由于這些原因，通常相對于 Ext2fs，在嵌入式環(huán)境中使用 MTD/JFFS2 組合是更好的選擇。
用 Ramdisk 掛裝 Ext2fs
通過使用 Ramdisk 的概念，可以在嵌入式設(shè)備中創(chuàng)建并掛裝 Ext2 文件系統(tǒng)（以及用于這一目的的任何文件系統(tǒng)）。
清單 6. 創(chuàng)建一個簡單的基于 Ext2fs 的 Ramdisk
mke2fs -vm0 /dev/ram 4096
mount -t ext2 /dev/ram /mnt
cd /mnt
cp /bin, /sbin, /etc, /dev ... files in mnt
cd ../
umount /mnt
dd if=/dev/ram bs=1k count=4096 of=ext2ramdisk
mke2fs 是用于在任何設(shè)備上創(chuàng)建 ext2 文件系統(tǒng)的實用程序 — 它創(chuàng)建超級塊、索引節(jié)點以及索引節(jié)點表等等。
在 上面的用法中，/dev/ram 是上面構(gòu)建有 4096 個塊的 ext2 文件系統(tǒng)的設(shè)備。然后，將這個設(shè)備（/dev/ram）掛裝在名為 /mnt 的臨時目錄上并且復(fù)制所有必需的文件。一旦復(fù)制完這些文件，就卸裝這個文件系統(tǒng)并且設(shè)備（/dev/ram）的內(nèi)容被轉(zhuǎn)儲到一個文件 （ext2ramdisk）中，它就是所需的 Ramdisk（Ext2 文件系統(tǒng)）。
上面的順序創(chuàng)建了一個 4 MB 的 Ramdisk，并用必需的文件實用程序來填充它。
一些要包含在 Ramdisk 中的重要目錄是：
/bin — 保存大多數(shù)象 init、busybox、shell、文件管理實用程序等二進制文件。/dev — 包含用在設(shè)備中的所有設(shè)備節(jié)點/etc — 包含系統(tǒng)的所有配置文件/lib — 包含所有必需的庫，如 libc、libdl 等 日志閃存文件系統(tǒng)，版本 2（JFFS2）瑞 典的 Axis Communications 開發(fā)了最初的 JFFS，Red Hat 的 David Woodhouse 對它進行了改進。 第二個版本，JFFS2，作為用于微型嵌入式設(shè)備的原始閃存芯片的實際文件系統(tǒng)而出現(xiàn)。JFFS2 文件系統(tǒng)是日志結(jié)構(gòu)化的，這意味著它基本上是一長列節(jié)點。每個節(jié)點包含有關(guān)文件的部分信息 — 可能是文件的名稱、也許是一些數(shù)據(jù)。相對于 Ext2fs，JFFS2 因為有以下這些優(yōu)點而在無盤嵌入式設(shè)備中越來越受歡迎：
JFFS2 在扇區(qū)級別上執(zhí)行閃存擦除／寫／讀操作要比 Ext2 文件系統(tǒng)好。JFFS2 提供了比 Ext2fs 更好的崩潰／掉電安全保護。當(dāng)需要更改少量數(shù)據(jù)時，Ext2 文件系統(tǒng)將整個扇區(qū)復(fù)制到內(nèi)存（DRAM）中，在內(nèi)存中合并新數(shù)據(jù)，并寫回整個扇區(qū)。這意味著為了更改單個字，必須對整個扇區(qū)（64 KB）執(zhí)行讀／擦除／寫例程 — 這樣做的效率非常低。要是運氣差，當(dāng)正在 DRAM 中合并數(shù)據(jù)時，發(fā)生了電源故障或其它事故，那么將丟失整個數(shù)據(jù)集合，因為在將數(shù)據(jù)讀入 DRAM 后就擦除了閃存扇區(qū)。JFFS2 附加文件而不是重寫整個扇區(qū)，并且具有崩潰／掉電安全保護這一功能。這可能是最重要的一點：JFFS2 是專門為象閃存芯片那樣的嵌入式設(shè)備創(chuàng)建的，所以它的整個設(shè)計提供了更好的閃存管理。 因為本文主要是寫關(guān)于閃存設(shè)備的使用，所以在嵌入式環(huán)境中使用 JFFS2 的缺點很少：
當(dāng)文件系統(tǒng)已滿或接近滿時，JFFS2 會大大放慢運行速度。這是因為垃圾收集的問題（更多信息，請參閱參考資料）。
創(chuàng)建 JFFS2 文件系統(tǒng)
在 Linux 下，用 mkfs.jffs2 命令創(chuàng)建 JFFS2 文件系統(tǒng)（基本上是使用 JFFS2 的 Ramdisk）。
清單 7. 創(chuàng)建 JFFS2 文件系統(tǒng)
mkdir jffsfile
cd jffsfile
/* copy all the /bin, /etc, /usr/bin, /sbin/ binaries and /dev entries
that are needed for the filesystem here */
/* Type the following command under jffsfile directory to create the JFFS2 Image */
./mkfs.jffs2 -e 0x40000 -p -o ../jffs.image
上面顯示了 mkfs.jffs2 的典型用法。-e 選項確定閃存的擦除扇區(qū)大?。ㄍǔＪ?64 千字節(jié)）。-p 選項用來在映像的剩余空間用零填充。-o 選項用于輸出文件，通常是 JFFS2 文件系統(tǒng)映像 — 在本例中是 jffs.image。一旦創(chuàng)建了 JFFS2 文件系統(tǒng)，它就被裝入閃存中適當(dāng)?shù)奈恢茫ㄒ龑?dǎo)裝載程序告知內(nèi)核查找文件系統(tǒng)的地址）以便內(nèi)核能掛裝它。
tmpfs
當(dāng)Linux 運行于嵌入式設(shè)備上時，該設(shè)備就成為功能齊全的單元，許多守護進程會在后臺運行并生成許多日志消息。另外，所有內(nèi)核日志記錄機制，象 syslogd、dmesg 和 klogd，會在 /var 和 /tmp 目錄下生成許多消息。由于這些進程產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)，所以允許將所有這些寫操作都發(fā)生在閃存是不可取的。由于在重新引導(dǎo)時這些消息不需要持久存儲，所以這個 問題的解決方案是使用 tmpfs。
tmpfs 是基于內(nèi)存的文件系統(tǒng)，它主要用于減少對系統(tǒng)的不必要的閃存寫操作這一唯一目的。因為 tmpfs 駐留在 RAM 中，所以寫／讀／擦除的操作發(fā)生在 RAM 中而不是在閃存中。因此，日志消息寫入 RAM 而不是閃存中，在重新引導(dǎo)時不會保留它們。tmpfs 還使用磁盤交換空間來存儲，并且當(dāng)為存儲文件而請求頁面時，使用虛擬內(nèi)存（VM）子系統(tǒng)。
tmpfs 的優(yōu)點包括：
動態(tài)文件系統(tǒng)大小 — 文件系統(tǒng)大小可以根據(jù)被復(fù)制、創(chuàng)建或刪除的文件或目錄的數(shù)量來縮放。使得能夠最理想地使用內(nèi)存。速度 — 因為 tmpfs 駐留在 RAM，所以讀和寫幾乎都是瞬時的。即使以交換的形式存儲文件，I/O 操作的速度仍非?？?。
tmpfs 的一個缺點是當(dāng)系統(tǒng)重新引導(dǎo)時會丟失所有數(shù)據(jù)。因此，重要的數(shù)據(jù)不能存儲在 tmpfs 上。
掛裝 tmpfs
諸如 Ext2fs 和 JFFS2 等大多數(shù)其它文件系統(tǒng)都駐留在底層塊設(shè)備之上，而 tmpfs 與它們不同，它直接位于 VM 上。因而，掛裝 tmpfs 文件系統(tǒng)是很簡單的事：
清單 8. 掛裝 tmpfs
/* Entries in /etc/rc.d/rc.sysinit for creating/using tmpfs */
# mount -t tmpfs tmpfs /var -o size=512k
# mkdir -p /var/tmp
# mkdir -p /var/log
# ln -s /var/tmp /tmp
上面的命令將在 /var 上創(chuàng)建 tmpfs 并將 tmpfs 的最大大小限制為 512 K。同時，tmp/ 和 log/ 目錄成為 tmpfs 的一部分以便在 RAM 中存儲日志消息。
如果您想將 tmpfs 的一個項添加到 /etc/fstab，那么它可能看起來象這樣：
tmpfs /var tmpfs size=32m 0 0
這將在 /var 上掛裝一個新的 tmpfs 文件系統(tǒng)。
圖形用戶界面（GUI）選項
從 用戶的觀點來看，圖形用戶界面（GUI）是系統(tǒng)的一個最至關(guān)重要的方面：用戶通過 GUI 與系統(tǒng)進行交互。所以 GUI 應(yīng)該易于使用并且非?？煽俊５€需要是有內(nèi)存意識的，以便在內(nèi)存受限的、微型嵌入式設(shè)備上可以無縫執(zhí)行。所以，它應(yīng)該是輕量級的，并且能夠快速裝入。
另一個要考慮的重要方面涉及許可證問題。一些 GUI 分發(fā)版具有允許免費使用的許可證，甚至在一些商業(yè)產(chǎn)品中也是如此。另一些許可證要求如果想將 GUI 合并入項目中則要支付版稅。
最后，大多數(shù)開發(fā)人員可能會選擇 XFree86，因為 XFree86 為他們提供了一個能使用他們喜歡的工具的熟悉環(huán)境。但是市場上較新的 GUI，象 Century Software 的 Microwindows（Nano-X）和 Trolltech 的 QT/Embedded，與 X 在嵌入式 Linux 的競技舞臺中展開了激烈競爭，這主要是因為它們占用很少的資源、執(zhí)行的速度很快并且具有定制窗口構(gòu)件的支持。
讓我們看一看這些選項中的每一個。
Xfree86 4.X（帶幀緩沖區(qū)支持的 X11R6.4）
XFree86 Project, Inc. 是一家生產(chǎn) XFree86 的公司，該產(chǎn)品是一個可以免費重復(fù)分發(fā)、開放源碼的 X Window 系統(tǒng)。X Window 系統(tǒng)（X11）為應(yīng)用程序以圖形方式進行顯示提供了資源，并且它是 UNIX 和類 UNIX 的機器上最常用的窗口系統(tǒng)。它很小但很有效，它運行在為數(shù)眾多的硬件上，它對網(wǎng)絡(luò)透明并且有良好的文檔說明。X11 為窗口管理、事件處理、同步和客戶機間通信提供強大的功能 — 并且大多數(shù)開發(fā)人員已經(jīng)熟悉了它的 API。它具有對內(nèi)核幀緩沖區(qū)的內(nèi)置支持，并占用非常少的資源 — 這非常有助于內(nèi)存相對較少的設(shè)備。X 服務(wù)器支持 VGA 和非 VGA 圖形卡，它對顏色深度 1、2、4、8、16 和 32 提供支持，并對渲染提供內(nèi)置支持。最新的發(fā)行版是 XFree86 4.1.0。
它的優(yōu)點包括：
幀緩沖區(qū)體系結(jié)構(gòu)的使用提高了性能。占用的資源相對很小 — 大小在 600 K 到 700 K 字節(jié)的范圍內(nèi)，這使它很容易在小型設(shè)備上運行。非常好的支持：在線有許多文檔可用，還有許多專用于 XFree86 開發(fā)的郵遞列表。X API 非常適合擴展。 它的缺點包括：
比最近出現(xiàn)的嵌入式 GUI 工具性能差。此外，當(dāng)與 GUI 中最新的開發(fā) — 象專門為嵌入式環(huán)境設(shè)計的 Nano-X 或 QT/Embedded — 相比時，XFree86 似乎需要更多的內(nèi)存。
Microwindows
Microwindows 是 Century Software 的開放源代碼項目，設(shè)計用于帶小型顯示單元的微型設(shè)備。它有許多針對現(xiàn)代圖形視窗環(huán)境的功能部件。象 X 一樣，有多種平臺支持 Microwindows。
Microwindows 體系結(jié)構(gòu)是基于客戶機／服務(wù)器的并且具有分層設(shè)計。最底層是屏幕和輸入設(shè)備驅(qū)動程序（關(guān)于鍵盤或鼠標(biāo)）來與實際硬件交互。在中間層，可移植的圖形引擎提供對線的繪制、區(qū)域的填充、多邊形、裁剪以及顏色模型的支持。
在最上層，Microwindows 支持兩種 API：Win32/WinCE API 實現(xiàn)，稱為 Microwindows；另一種 API 與 GDK 非常相似，它稱為 Nano-X。Nano-X 用在 Linux 上。它是象 X 的 API，用于占用資源少的應(yīng)用程序。
Microwindows 支持 1、2、4 和 8 bpp（每像素的位數(shù)）的 palletized 顯示，以及 8、16、24 和 32 bpp 的真彩色顯示。
Microwindows 還支持使它速度更快的幀緩沖區(qū)。Nano-X 服務(wù)器占用的資源大約在 100 K 到 150 K 字節(jié)。
原始 Nano-X 應(yīng)用程序的平均大小在 30 K 到 60 K。由于 Nano-X 是為有內(nèi)存限制的低端設(shè)備設(shè)計的，所以它不象 X 那樣支持很多函數(shù)，因此它實際上不能作為微型 X（Xfree86 4.1）的替代品。
可以在 Microwindows 上運行 FLNX，它是針對 Nano-X 而不是 X 進行修改的 FLTK（快速輕巧工具箱(Fast Light Toolkit)）應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境的一個版本。本文中描述 FLTK。
Nano-X 的優(yōu)點包括：
與 Xlib 實現(xiàn)不同，Nano-X 仍在每個客戶機上同步運行，這意味著一旦發(fā)送了客戶機請求包，服務(wù)器在為另一個客戶機提供服務(wù)之前一直等待，直到整個包都到達為止。這使服務(wù)器代碼非常簡單，而運行的速度仍非?？?。占用很小的資源 Nano-X 的缺點包括：
聯(lián)網(wǎng)功能部件至今沒有經(jīng)過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整（特別是網(wǎng)絡(luò)透明性）。還沒有太多現(xiàn)成的應(yīng)用程序可用。與 X 相比，Nano-X 雖然近來正在加速開發(fā)，但仍沒有那么多文檔說明而且沒有很好的支持，但這種情形會有所改變。 Microwindows 上的 FLTK API 是一個簡單但靈活的 GUI 工具箱，它在 Linux 世界中贏得越來越多的關(guān)注，它特別適用于占用資源很少的環(huán)境。它提供了您期望從 GUI 工具箱中獲得的大多數(shù)窗口構(gòu)件，如按鈕、對話框、文本框以及出色的賦值器選擇（用于輸入數(shù)值的窗口構(gòu)件）。還包括滑動器、滾動條、刻度盤和其它一些構(gòu)件。
針 對 Microwindows GUI 引擎的 FLTK 的 Linux 版本被稱為 FLNX。FLNX 由兩個組件構(gòu)成：Fl_Widget 和 FLUID。Fl_Widget 由所有基本窗口構(gòu)件 API 組成。FLUID（快速輕巧的用戶界面設(shè)計器(Fast Light User Interface Designer, FLUID)）是用來產(chǎn)生 FLTK 源代碼的圖形編輯器?？偟膩碚f，F(xiàn)LNX 是能用來為嵌入式環(huán)境創(chuàng)建應(yīng)用程序的一個出色的 UI 構(gòu)建器。
Fl_Widget 占用的資源大約是 40 K 到 48 K，而 FLUID（包括了每個窗口構(gòu)件）大約占用 380 K。這些非常小的資源占用率使 Fl_Widget 和 FLUID 在嵌入式開發(fā)世界中非常受歡迎。
優(yōu)點包括：
習(xí)慣于在象 Windows 這樣已建立得較好的環(huán)境中開發(fā)基于 GUI 的應(yīng)用程序的任何人都會非常容易地適應(yīng) FLTK 環(huán)境。它的文檔包括一本十分完整且編寫良好的手冊。它使用 LGPL 進行分發(fā)，所以開發(fā)人員可以靈活地發(fā)放他們應(yīng)用程序的許可證。FLTK 是一個 C++ 庫（Perl 和 Python 綁定也可用）。面向?qū)ο竽Ｐ偷倪x擇是一個好的選擇，因為大多數(shù)現(xiàn)代 GUI 環(huán)境都是面向?qū)ο蟮模贿@也使將編寫的應(yīng)用程序移植到類似的 API 中變得更容易。Century Software 的環(huán)境提供了幾個有用的工具，諸如 ScreenToP 和 ViewML 瀏覽器。
它的缺點是：
普通的 FLTK 可以與 X 和 Windows API 一同工作，而 FLNX 不能。它與 X 的不兼容性阻礙了它在許多項目中的使用。
Qt/Embedded
Qt/Embedded 是 Trolltech 新開發(fā)的用于嵌入式 Linux 的圖形用戶界面系統(tǒng)。Trolltech 最初創(chuàng)建 Qt 作為跨平臺的開發(fā)工具用于 Linux 臺式機。它支持各種有 UNIX 特點的系統(tǒng)以及 Microsoft Windows。KDE — 最流行的 Linux 桌面環(huán)境之一，就是用 Qt 編寫的。
Qt/Embedded 以原始 Qt 為基礎(chǔ)，并做了許多出色的調(diào)整以適用于嵌入式環(huán)境。Qt Embedded 通過 Qt API 與 Linux I/O 設(shè)施直接交互。那些熟悉并已適應(yīng)了面向?qū)ο缶幊痰娜藛T將發(fā)現(xiàn)它是一個理想環(huán)境。而且，面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)使代碼結(jié)構(gòu)化、可重用并且運行快速。與其它 GUI 相比，Qt GUI 非?？?，并且它沒有分層，這使得 Qt/Embedded 成為用于運行基于 Qt 的程序的最緊湊環(huán)境。
Trolltech 還推出了 Qt 掌上機環(huán)境（Qt Palmtop Environment，俗稱 Qpe）。Qpe 提供了一個基本桌面窗口，并且該環(huán)境為開發(fā)提供了一個易于使用的界面。Qpe 包含全套的個人信息管理（Personal Information Management (PIM)）應(yīng)用程序、因特網(wǎng)客戶機、實用程序等等。然而，為了將 Qt/Embedded 或 Qpe 集成到一個產(chǎn)品中，需要從 Trolltech 獲得商業(yè)許可證。（原始 Qt 自版本 2.2 以后就可以根據(jù) GPL 獲得 。）
它的優(yōu)點包括：
面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)有助于更快地執(zhí)行占用很少的資源，大約 800 K 抗鋸齒文本和混合視頻的象素映射。
它的缺點是：
Qt/Embedded 和 Qpe 只能在獲得商業(yè)許可證的情況下才能使用。
結(jié)束語
嵌入式 Linux 開發(fā)正迅速地發(fā)展著。您必須學(xué)習(xí)并從引導(dǎo)裝載程序和分發(fā)版到文件系統(tǒng)和 GUI 中的每一個事物的各種選項中作出選擇。但是要感謝有這種選擇自由度以及非?；钴S的 Linux 社區(qū)，Linux 上的嵌入式開發(fā)已經(jīng)達到了新的境界，并且調(diào)整模塊以適合您的規(guī)范從未比現(xiàn)在更簡單。這已經(jīng)導(dǎo)致出現(xiàn)了許多時新的手持和微型設(shè)備作為開放盒，這是件好事 — 因為事實是您不必成為一個專家從這些模塊中進行選擇來調(diào)整您的設(shè)備以滿足您自己的要求和需要。
我們希望這篇對嵌入式 Linux 領(lǐng)域的介紹性概述能激起您進行試驗的欲望，并且希望您將體會擺弄微型設(shè)備的樂趣以滿足您的愛好。為進一步有助于您的項目，請參閱下面的參考資料，鏈接到有關(guān)我們這里已經(jīng)概述的技術(shù)的更深入的信息。
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