嵌入式設(shè)備上的 Linux 系統(tǒng)開發(fā)
出於好玩和獲利目的修補(bǔ) PDA
Anand K Santhanam（asanthan@in.ibm.com），軟體工程師，IBM Global Services
Vishal Kulkarni（kvishal@in.ibm.com），軟體工程師，IBM Global Services

2002 年 3 月
如果您剛接觸嵌入式開發(fā)，那?l大量可用的引導(dǎo)裝載程式（bootloader）、規(guī)模縮小的分發(fā)版（distribution）、文件系統(tǒng)和 GUI 看起來可能太多了。但是這些豐富的選項(xiàng)實(shí)際上是一種恩賜，允許您調(diào)整開發(fā)或用戶環(huán)境以完全符合您的需要。對(duì) Linux 嵌入式開發(fā)的概述將幫助您理解所有這些選項(xiàng)。
Linux 正在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域穩(wěn)步發(fā)展。因?d Linux 使用 GPL（請(qǐng)參閱本文後面的參考資料），所以任何對(duì)將 Linux 定制於 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)用程式，並開始移植或開發(fā)。許多 Linux 改良品種迎合了嵌入式／即時(shí)市場。它們包括 RTLinux（即時(shí) Linux）、uclinux（用於非 MMU 設(shè)備的 Linux）、Montavista Linux（用於 ARM、MIPS、PPC 的 Linux 分發(fā)版）、ARM-Linux（ARM 上的 Linux）和其他 Linux 系統(tǒng)（請(qǐng)參閱參考資料以鏈結(jié)到本文中提到的這些和其他術(shù)語及?{品。）
嵌入式 Linux 開發(fā)大致涉及三個(gè)層次：引導(dǎo)裝載程式、Linux 內(nèi)核和圖形用戶介面（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；深入瞭解引導(dǎo)裝載程式、內(nèi)核和文件系統(tǒng)是如何交互的；並將研究可用於文件系統(tǒng)、GUI 和引導(dǎo)裝載程式的?萓h選項(xiàng)中的一部分。
引導(dǎo)裝載程式
引導(dǎo)裝載程式通常是在任何硬體上執(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)裝載程式裝入主引導(dǎo)記錄（Master Boot Record，(MBR)）中，或者裝入 Linux 駐留的磁片的第一個(gè)磁區(qū)中。通常，在臺(tái)式機(jī)或其他系統(tǒng)上，BIOS 將控制移交給引導(dǎo)裝載程式。這就提出了一個(gè)有趣的問題：誰將引導(dǎo)裝載程式裝入（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)：專用軟體和微小的引導(dǎo)代碼（tiny bootcode）。
專用軟體可以直接與遠(yuǎn)端系統(tǒng)上的快閃記憶體設(shè)備進(jìn)行交互並將引導(dǎo)裝載程式安裝在快閃記憶體的給定位置中。快閃記憶體設(shè)備是與存儲(chǔ)設(shè)備功能類似的特殊晶片，而且它們能持久存儲(chǔ)資訊 — 即，在重新引導(dǎo)時(shí)不會(huì)擦除其內(nèi)容。
這個(gè)軟體使用目標(biāo)（在嵌入式開發(fā)中，嵌入式設(shè)備通常被稱?d目標(biāo)）上的 JTAG 埠，它是用於執(zhí)行外部輸入（通常來自主機(jī)機(jī)器）的指令的介面。JFlash-linux 是一種用於直接寫快閃記憶體的流行工具。它支援?d數(shù)?萓h的快閃記憶體晶片；它在主機(jī)機(jī)器（通常是 i386 機(jī)器 — 本文中我們把一臺(tái) i386 機(jī)器稱?d主機(jī)）上執(zhí)行並通過 JTAG 介面使用平行埠訪問目標(biāo)的快閃記憶體晶片。當(dāng)然，這意味著目標(biāo)需要有一個(gè)平行介面使它能與主機(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?妍吤式G

Jflash-linux
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(gè)位元組的指令 — 它將初始化一些 DRAM 設(shè)置並?壞峊媦苳W的一個(gè)串列（或者 USB，或者乙太網(wǎng)）埠與主機(jī)程式通信。然後，主機(jī)程式或裝入程式可以使用這個(gè)連接將引導(dǎo)裝載程式傳送到目標(biāo)上，並將它寫入快閃記憶體。
在安裝它並給予其控制後，這個(gè)引導(dǎo)裝載程式執(zhí)行下列各類功能：
·        初始化 CPU 速度
·        初始化記憶體，包括?壞帡O憶體庫、初始化記憶體配置寄存器等
·        初始化序列埠（如果在目標(biāo)上有的話）
·        ?壞峆?令／資料快取記憶體
·        設(shè)置堆疊指標(biāo)
·        設(shè)置參數(shù)區(qū)域並構(gòu)造參數(shù)結(jié)構(gòu)和標(biāo)記（這是重要的一步，因?d內(nèi)核在標(biāo)識(shí)根設(shè)備、頁面大小、記憶體大小以及更多內(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)備並報(bào)告任何問題
·        ?d電源管理提供掛起／恢復(fù)支援
·        跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的開始

帶有引導(dǎo)裝載程式、參數(shù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)核和文件系統(tǒng)的系統(tǒng)典型記憶體佈局可能如下所示：
清單 1. 典型記憶體佈局
    /* Top Of Memory */        Bootloader        Parameter Area        Kernel        Filesystem    /* End Of Memory */
嵌入式設(shè)備上一些流行的並可免費(fèi)使用的 Linux 引導(dǎo)裝載程式有 Blob、Redboot 和 Bootldr（請(qǐng)參閱參考資料獲得鏈結(jié)）。所有這些引導(dǎo)裝載程式都用於基於 ARM 設(shè)備上的 Linux，並需要 Jflash-linux 工具用於安裝。
一旦將引導(dǎo)裝載程式安裝到目標(biāo)的快閃記憶體中，它就會(huì)執(zhí)行我們上面提到的所有初始化工作。然後，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)裝載程式就將控制轉(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)用於編譯將在目標(biāo)上運(yùn)行的內(nèi)核和應(yīng)用程式的構(gòu)建環(huán)境 — 這是因?d目標(biāo)硬體可能沒有與主機(jī)相容的二進(jìn)位執(zhí)行級(jí)別。
工具鏈由一套用於編譯、彙編和鏈結(jié)內(nèi)核及應(yīng)用程式的元件組成。 這些元件包括：
·        Binutils — 用於操作二進(jìn)位文件的實(shí)用程式集合。它們包括諸如 ar、as、objdump、objcopy 這樣的實(shí)用程式。
·        Gcc — GNU C 編譯器。
·        Glibc — 所有用戶應(yīng)用程式都將鏈結(jié)到的 C 庫。避免使用任何 C 庫函數(shù)的內(nèi)核和其他應(yīng)用程式可以在沒有該庫的情況下進(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)記憶體和硬碟的需求是巨大的。如果沒有足夠的記憶體和硬碟空間，那?l在構(gòu)建階段由於相關(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)位文件是一件好事（但不太好的一點(diǎn)是，目前它們大多數(shù)只限於基於 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（基於 Debian 但與它無關(guān)）的工具鏈 — 所有這些工具鏈都用於基於 ARM 的平臺(tái)。
內(nèi)核設(shè)置
Linux 社區(qū)正積極地?d新硬體添加功能部件和支援、在內(nèi)核中修正錯(cuò)誤並且及時(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)?d一個(gè)專案選擇了一個(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、它是否符合專案要求和硬體平臺(tái)、從編程角度來看它的舒適程度以及其他難以確定的方面。還有一點(diǎn)也非常重要：找到需要應(yīng)用於基本內(nèi)核的所有補(bǔ)丁，以便?d特定的體系結(jié)構(gòu)調(diào)整內(nèi)核。
內(nèi)核佈局
內(nèi)核佈局分?d特定於體系結(jié)構(gòu)的部分和與體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的部分。內(nèi)核中特定於體系結(jié)構(gòu)的部分首先執(zhí)行，設(shè)置硬體寄存器、配置記憶體映射、執(zhí)行特定於體系結(jié)構(gòu)的初始化，然後將控制轉(zhuǎn)給內(nèi)核中與體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的部分。系統(tǒng)的其餘部分在這第二個(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)子目錄用於一個(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，它們包含特定於體系結(jié)構(gòu)的代碼來完成象初始化記憶體、設(shè)置 IRQ、?壞峓眹?記憶體、設(shè)置內(nèi)核頁面表等操作。一旦裝入內(nèi)核並給予其控制，就首先調(diào)用這些函數(shù)，然後初始化系統(tǒng)的其餘部分。
根據(jù)可用的系統(tǒng)資源和引導(dǎo)裝載程式的功能，內(nèi)核可以編譯成 vmlinux、Image 或 zImage。vmlinux 和 zImage 之間的主要區(qū)別在於 vmlinux 是實(shí)際的（未壓縮的）可執(zhí)行文件，而 zImage 是或多或少包含相同資訊的自解壓壓縮文件 — 只是壓縮它以處理（通常是 Intel 強(qiáng)制的）640 KB 引導(dǎo)時(shí)間的限制。有關(guān)所有這些的權(quán)威性解釋，請(qǐng)參閱 Linux Magazine 的文章“Kernel Configuration: dealing with the unexpected”（請(qǐng)參閱參考資料）。
內(nèi)核鏈結(jié)和裝入
一旦?d目標(biāo)系統(tǒng)編譯了內(nèi)核後，通過使用引導(dǎo)裝載程式（它已經(jīng)被裝入到目標(biāo)的快閃記憶體中），內(nèi)核就被裝入到目標(biāo)系統(tǒng)的記憶體（在 DRAM 中或者在快閃記憶體中）。通過使用串列、USB 或乙太網(wǎng)埠，引導(dǎo)裝載程式與主機(jī)通信以將內(nèi)核傳送到目標(biāo)的快閃記憶體或 DRAM 中。在將內(nèi)核完全裝入目標(biāo)後，引導(dǎo)裝載程式將控制傳遞給裝入內(nèi)核的位址。
內(nèi)核可執(zhí)行文件由許多鏈結(jié)在一起的物件文件組成。物件文件有許多節(jié)，如文本、資料、init 資料、bass 等等。這些物件文件都是由一個(gè)稱?d鏈結(jié)器腳本的文件鏈結(jié)並裝入的。這個(gè)鏈結(jié)器腳本的功能是將輸入物件文件的各節(jié)映射到輸出文件中；換句話說，它將所有輸入物件文件都鏈結(jié)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 是存在於 arch// 目錄中的內(nèi)核鏈結(jié)器腳本，它負(fù)責(zé)鏈結(jié)內(nèi)核的各個(gè)節(jié)並將它們裝入記憶體中特定偏移量處。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.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 是裝入模組位址；它表示將要裝入內(nèi)核的目標(biāo)虛擬記憶體中的位址。TEXTADDR 是內(nèi)核的虛擬起始位址，並且在 arch// 下的 Makefile 中指定它的值。這個(gè)地址必須與引導(dǎo)裝載程式使用的地址相匹配。
一旦引導(dǎo)裝載程式將內(nèi)核複製到快閃記憶體或 DRAM 中，內(nèi)核就被重新定位到 TEXTADDR — 它通常在 DRAM 中。然後，引導(dǎo)裝載程式將控制轉(zhuǎn)給這個(gè)位址，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(diǎn)，這意味著在內(nèi)核引導(dǎo)時(shí)將首先執(zhí)行這一節(jié)下的代碼。它通常用組合語言編寫，並且通常它在 arch// 內(nèi)核目錄下。這個(gè)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(shí)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)的主常式）。
start_kernel 調(diào)用 setup_arch 作?d執(zhí)行的第一步，在其中完成特定於體系結(jié)構(gòu)的設(shè)置。這包括初始化硬體寄存器、標(biāo)識(shí)根設(shè)備和系統(tǒng)中可用的 DRAM 和快閃記憶體的數(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。所有這些資訊都以參數(shù)形式從引導(dǎo)裝載程式傳遞到內(nèi)核。
將參數(shù)從引導(dǎo)裝載程式傳遞到內(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?d它強(qiáng)加了限制：指定在記憶體中，每個(gè)參數(shù)必須位於 param_struct 中的特定偏移量處。最新的內(nèi)核期望參數(shù)作?d標(biāo)記列表的格式來傳遞，並將參數(shù)轉(zhuǎn)化?d已標(biāo)記格式。param_struct 定義在 include/asm/setup.h 中。它的一些重要欄位是：
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(qǐng)注意：這些數(shù)表示定義欄位的參數(shù)結(jié)構(gòu)中的偏移量。這意味著如果引導(dǎo)裝載程式將參數(shù)結(jié)構(gòu)放置在位址 0xc0000100，那?l 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(shí)遇到困難。
正如上面提到的，因?d從引導(dǎo)裝載程式到內(nèi)核的參數(shù)傳遞會(huì)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(gè)標(biāo)記由標(biāo)識(shí)被傳遞參數(shù)的 tag_header 以及其後的參數(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 頭來標(biāo)識(shí)每個(gè)標(biāo)記。
#define struct {        u32 ;        u32 ; }; /* 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*/ };
setup_arch 還需要對(duì)快閃記憶體存儲(chǔ)庫、系統(tǒng)寄存器和其他特定設(shè)備執(zhí)行記憶體映射。一旦完成了特定於體系結(jié)構(gòu)的設(shè)置，控制就返回到初始化系統(tǒng)其餘部分的 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(jì)時(shí)器
·        初始化控制臺(tái)
·        調(diào)用 mem_init，它計(jì)算各種區(qū)域、高記憶體區(qū)等內(nèi)的頁面數(shù)量
·        初始化 slab 分配器並?d VFS、緩衝區(qū)快取記憶體等創(chuàng)建 slab 快取記憶體
·        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 命令並顯示 lign 提示符。 如果在 /bin、/sbin 或 /etc 中沒有 init 程式，那?l內(nèi)核將執(zhí)行文件系統(tǒng)的 /bin 中的 shell。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程式
嵌入式系統(tǒng)通常有許多設(shè)備用於與用戶交互，象觸摸屏、小鍵盤、滾動(dòng)輪、感測器、RA232 介面、LCD 等等。除了這些設(shè)備外，還有許多其他專用設(shè)備，包括快閃記憶體、USB、GSM 等。內(nèi)核通過所有這些設(shè)備各自的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程式來控制它們，包括 GUI 用戶應(yīng)用程式也通過訪問這些驅(qū)動(dòng)程式來訪問設(shè)備。本節(jié)著重討論通常幾乎在每個(gè)嵌入式環(huán)境中都會(huì)使用的一些重要設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程式。
幀緩衝區(qū)驅(qū)動(dòng)程式
這是最重要的驅(qū)動(dòng)程式之一，因?d通過這個(gè)驅(qū)動(dòng)程式才能使系統(tǒng)螢?zāi)伙@示內(nèi)容。幀緩衝區(qū)驅(qū)動(dòng)程式通常有三層。最底層是基本控制臺(tái)驅(qū)動(dòng)程式 drivers/char/console.c，它提供了文本控制臺(tái)常規(guī)介面的一部分。通過使用控制臺(tái)驅(qū)動(dòng)程式函數(shù)，我們能將文本列印到螢?zāi)簧?— 但圖形或動(dòng)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(gè)第二層驅(qū)動(dòng)程式提供了視頻模式中繪圖的常規(guī)介面。
幀緩衝區(qū)是顯卡上的記憶體，需要將它記憶體映射到用戶空間以便可以將圖形和文本能寫到這個(gè)記憶體段上：然後這個(gè)資訊將反映到螢?zāi)簧稀�幀緩衝區(qū)支援提高了繪圖的速度和整體性能。這也是頂層驅(qū)動(dòng)程式引人注意之處：頂層是非常特定於硬體的驅(qū)動(dòng)程式，它需要支援顯卡不同的硬體方面 — 象?壞峞?禁用顯卡控制器、深度和模式的支援以及調(diào)色板等。所有這三層都相互依賴以實(shí)現(xiàn)正確的視頻功能。與幀緩衝區(qū)有關(guān)的設(shè)備是 /dev/fb0（主設(shè)備號(hào) 29，次設(shè)備號(hào) 0）。
輸入設(shè)備驅(qū)動(dòng)程式
可觸摸板是用於嵌入式設(shè)備的最基本的用戶交互設(shè)備之一 — 小鍵盤、感測器和滾動(dòng)輪也包含在許多不同設(shè)備中以用於不同的用途。
觸摸板設(shè)備的主要功能是隨時(shí)報(bào)告用戶的觸摸，並標(biāo)識(shí)觸摸的座標(biāo)。這通常在每次發(fā)生觸摸時(shí)，通過生成一個(gè)中斷來實(shí)現(xiàn)。