嵌入式設備上的 Linux 系統開發
2024-07-21 02:38:21
供稿：網友
作者：Anand K Santhanam
出于好玩和獲利目的修補 PDA
假如您剛接觸嵌入式開發，那么大量可用的引導裝載程序（bootloader）、規模縮小的分發版（distribution）、文件系統和 GUI 看起來可能太多了。但是這些豐富的選項實際上是一種恩賜，答應您調整開發或用戶環境以完全符合您的需要。對 linux 嵌入式開發的概述將幫助您理解所有這些選項。
Linux 正在嵌入式開發領域穩步發展。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愛好的人都可以從因特網免費下載其內核和應用程序，并開始移植或開發。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 分發版）、ARM-Linux（ARM 上的 Linux）和其它 Linux 系統（請參閱參考資料以鏈接到本文中提到的這些和其它術語及產品。）
嵌入式 Linux 開發大致涉及三個層次：引導裝載程序、Linux 內核和圖形用戶界面（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、內核和文件系統是如何交互的；并將研究可用于文件系統、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行的第一段代碼。在象臺式機這樣的常規系統中，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中。通常，在臺式機或其它系統上，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技術：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非凡芯片，而且它們能持久存儲信息 — 即，在重新引導時不會擦除其內容。
這個軟件使用目標（在嵌入式開發中，嵌入式設備通常被稱為目標）上的 JTAG 端口，它是用于執行外部輸入（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 — 根據幾個字節的指令 — 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）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行下列各類功能：
初始化 CPU 速度
初始化內存，包括啟用內存庫、初始化內存配置寄存器等
初始化串行端口（假如在目標上有的話）
啟用指令／數據高速緩存
設置堆棧指針
設置參數區域并構造參數結構和標記（這是重要的一步，因為內核在標識根設備、頁面大小、內存大小以及更多內容時要使用引導參數）
執行 POST（加電自檢）來標識存在的設備并報告任何問題
為電源治理提供掛起／恢復支持
跳轉到內核的開始
帶有引導裝載程序、參數結構、內核和文件系統的系統典型內存布局可能如下所示：
清單 1. 典型內存布局 /* 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，它就會執行我們上面提到的所有初始化工作。然后，它預備接收來自主機的內核和文件系統。一旦裝入了內核，引導裝載程序就將控制轉給內核。
設置工具鏈
設置工具鏈在主機機器上創建一個用于編譯將在目標上運行的內核和應用程序的構建環境 — 這是因為目標硬件可能沒有與主機兼容的二進制執行級別。
工具鏈由一套用于編譯、匯編和鏈接內核及應用程序的組件組成。 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 — 所有用戶應用程序都將鏈接到的 C 庫。避免使用任何 C 庫函數的內核和其它應用程序可以在沒有該庫的情況下進行編譯。
構建工具鏈建立了一個交叉編譯器環境。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，這樣一個徹底的構建過程對內存和硬盤的需求是巨大的。假如沒有足夠的內存和硬盤空間，那么在構建階段由于相關性、配置或頭文件設置等問題會忽然冒出許多問題。
因此能夠從因特網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，目前它們大多數只限于基于 ARM 的系統，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）的工具鏈 — 所有這些工具鏈都用于基于 ARM 的平臺。
內核設置
Linux 社區正積極地為新硬件添加功能部件和支持、在內核中修正錯誤并且及時地進行常規改進。這導致大約每 6 個月（或 6 個月不到）就有一個穩定的 Linux 樹的新發行版。不同的維護者維護針對特定體系結構的不同內核樹和補丁。當為一個項目選擇了一個內核時，您需要評估最新發行版的穩定性如何、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核的所有補丁，以便為特定的體系結構調整內核。
內核布局
內核布局分為特定于體系結構的部分和與體系結構無關的部分。內核中特定于體系結構的部分首先執行，設置硬件寄存器、配置內存映射、執行特定于體系結構的初始化，然后將控制轉給內核中與體系結構無關的部分。系統的其余部分在這第二個階段期間進行初始化。內核樹下的目錄 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構（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構的代碼來完成象初始化內存、設置 IRQ、啟用高速緩存、設置內核頁面表等操作。一旦裝入內核并給予其控制，就首先調用這些函數，然后初始化系統的其余部分。
根據可用的系統資源和引導裝載程序的功能，內核可以編譯成 vmlinux、Image 或 zImage。vmlinux 和 zImage 之間的主要區別在于 vmlinux 是實際的（未壓縮的）可執行文件，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 引導時間的限制。有關所有這些的權威性解釋，請參閱 Linux Magazine 的文章“Kernel Configuration: dealing with the uneXPected”（請參閱參考資料）。
內核鏈接和裝入
一旦為目標系統編譯了內核后，通過使用引導裝載程序（它已經被裝入到目標的閃存中），內核就被裝入到目標系統的內存（在 DRAM 中或者在閃存中）。通過使用串行、USB 或以太網端口，引導裝載程序與主機通信以將內核傳送到目標的閃存或 DRAM 中。在將內核完全裝入目標后，引導裝載程序將控制傳遞給裝入內核的地址。
內核可執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，如文本、數據、init 數據、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行文件中，將該可執行文件的各節裝入到指定地址處。vmlinux.lds 是存在于 arch// 目錄中的內核鏈接器腳本，它負責鏈接內核的各個節并將它們裝入內存中特定偏移量處。典型的 vmlinux.lds 看起來象這樣：
清單 2. 典型的 vmlinux.lds 文件 OUTPUT_ARCH() /* 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.ini
