嵌入式設備上的 Linux 系統開發
出於好玩和獲利目的修補 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，那?l大量可用的引導裝載程式（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，允許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?d Linux 使用 GPL（請參閱本文後面的參考資料），所以任何對將 Linux 定制於 PDA、掌上機或者可佩帶設備感興趣的人都可以從因特網免費下載其內核和應用程式，並開始移植或開發。許多 Linux 改良品種迎合了嵌入式／即時市場。它們包括 RTLinux（即時 Linux）、uclinux（用於非 MMU 設備的 Linux）、Montavista Linux（用於 ARM、MIPS、PPC 的 Linux 分發版）、ARM-Linux（ARM 上的 Linux）和其他 Linux 系統（請參閱參考資料以鏈結到本文中提到的這些和其他術語及?{品。）
嵌入式 Linux 開發大致涉及三個層次：引導裝載程式、Linux 內核和圖形用戶介面（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；深入瞭解引導裝載程式、內核和文件系統是如何交互的；並將研究可用於文件系統、GUI 和引導裝載程式的?萓h選項中的一部分。
引導裝載程式
引導裝載程式通常是在任何硬體上執行的第一段代碼。在象臺式機這樣的常規系統中，通常將引導裝載程式裝入主引導記錄（Master Boot Record，(MBR)）中，或者裝入 Linux 駐留的磁片的第一個磁區中。通常，在臺式機或其他系統上，BIOS 將控制移交給引導裝載程式。這就提出了一個有趣的問題：誰將引導裝載程式裝入（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：專用軟體和微小的引導代碼（tiny bootcode）。
專用軟體可以直接與遠端系統上的快閃記憶體設備進行交互並將引導裝載程式安裝在快閃記憶體的給定位置中。快閃記憶體設備是與存儲設備功能類似的特殊晶片，而且它們能持久存儲資訊 — 即，在重新引導時不會擦除其內容。
這個軟體使用目標（在嵌入式開發中，嵌入式設備通常被稱?d目標）上的 JTAG 埠，它是用於執行外部輸入（通常來自主機機器）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?萓h的快閃記憶體晶片；它在主機機器（通常是 i386 機器 — 本文中我們把一臺 i386 機器稱?d主機）上執行並通過 JTAG 介面使用平行埠訪問目標的快閃記憶體晶片。當然，這意味著目標需要有一個平行介面使它能與主機通信。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?妍吤式G

Jflash-linux
某些種類的嵌入式設備具有微小的引導代碼 — 根據幾個位元組的指令 — 它將初始化一些 DRAM 設置並?壞峊媦苳W的一個串列（或者 USB，或者乙太網）埠與主機程式通信。然後，主機程式或裝入程式可以使用這個連接將引導裝載程式傳送到目標上，並將它寫入快閃記憶體。
在安裝它並給予其控制後，這個引導裝載程式執行下列各類功能：
·        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（如果在目標上有的話）
·        ?壞峆?令／資料快取記憶體
·        設置堆疊指標
·        設置參數區域並構造參數結構和標記（這是重要的一步，因?d內核在標識根設備、頁面大小、記憶體大小以及更多內容時要使用引導參數）
·        執行 POST（加電自檢）來標識存在的設備並報告任何問題
·        ?d電源管理提供掛起／恢復支援
·        跳轉到內核的開始

帶有引導裝載程式、參數結構、內核和文件系統的系統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 */
嵌入式設備上一些流行的並可免費使用的 Linux 引導裝載程式有 Blob、Redboot 和 Bootldr（請參閱參考資料獲得鏈結）。所有這些引導裝載程式都用於基於 ARM 設備上的 Linux，並需要 Jflash-linux 工具用於安裝。
一旦將引導裝載程式安裝到目標的快閃記憶體中，它就會執行我們上面提到的所有初始化工作。然後，它準備接收來自主機的內核和文件系統。一旦裝入了內核，引導裝載程式就將控制轉給內核。
設置工具鏈
設置工具鏈在主機機器上創建一個用於編譯將在目標上運行的內核和應用程式的構建環境 — 這是因?d目標硬體可能沒有與主機相容的二進位執行級別。
工具鏈由一套用於編譯、彙編和鏈結內核及應用程式的元件組成。 這些元件包括：
·        Binutils — 用於操作二進位文件的實用程式集合。它們包括諸如 ar、as、objdump、objcopy 這樣的實用程式。
·        Gcc — GNU C 編譯器。
·        Glibc — 所有用戶應用程式都將鏈結到的 C 庫。避免使用任何 C 庫函數的內核和其他應用程式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在構建階段由於相關性、配置或頭文件設置等問題會突然冒出許多問題。
因此能夠從因特網上獲得已預編譯的二進位文件是一件好事（但不太好的一點是，目前它們大多數只限於基於 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（基於 Debian 但與它無關）的工具鏈 — 所有這些工具鏈都用於基於 ARM 的平臺。
內核設置
Linux 社區正積極地?d新硬體添加功能部件和支援、在內核中修正錯誤並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?d一個專案選擇了一個內核時，您需要評估最新發行版的穩定性如何、它是否符合專案要求和硬體平臺、從編程角度來看它的舒適程度以及其他難以確定的方面。還有一點也非常重要：找到需要應用於基本內核的所有補丁，以便?d特定的體系結構調整內核。
內核佈局
內核佈局分?d特定於體系結構的部分和與體系結構無關的部分。內核中特定於體系結構的部分首先執行，設置硬體寄存器、配置記憶體映射、執行特定於體系結構的初始化，然後將控制轉給內核中與體系結構無關的部分。系統的其餘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，每個子目錄用於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，它們包含特定於體系結構的代碼來完成象初始化記憶體、設置 IRQ、?壞峓眹?記憶體、設置內核頁面表等操作。一旦裝入內核並給予其控制，就首先調用這些函數，然後初始化系統的其餘部分。
根據可用的系統資源和引導裝載程式的功能，內核可以編譯成 vmlinux、Image 或 zImage。vmlinux 和 zImage 之間的主要區別在於 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資訊的自解壓壓縮文件 — 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）。
內核鏈結和裝入
一旦?d目標系統編譯了內核後，通過使用引導裝載程式（它已經被裝入到目標的快閃記憶體中），內核就被裝入到目標系統的記憶體（在 DRAM 中或者在快閃記憶體中）。通過使用串列、USB 或乙太網埠，引導裝載程式與主機通信以將內核傳送到目標的快閃記憶體或 DRAM 中。在將內核完全裝入目標後，引導裝載程式將控制傳遞給裝入內核的位址。
內核可執行文件由許多鏈結在一起的物件文件組成。物件文件有許多節，如文本、資料、init 資料、bass 等等。這些物件文件都是由一個稱?d鏈結器腳本的文件鏈結並裝入的。這個鏈結器腳本的功能是將輸入物件文件的各節映射到輸出文件中；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 是存在於 arch// 目錄中的內核鏈結器腳本，它負責鏈結內核的各個節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；它表示將要裝入內核的目標虛擬記憶體中的位址。TEXTADDR 是內核的虛擬起始位址，並且在 arch// 下的 Makefile 中指定它的值。這個地址必須與引導裝載程式使用的地址相匹配。
一旦引導裝載程式將內核複製到快閃記憶體或 DRAM 中，內核就被重新定位到 TEXTADDR — 它通常在 DRAM 中。然後，引導裝載程式將控制轉給這個位址，以便內核能開始執行。
參數傳遞和內核引導
stext 是內核入口點，這意味著在內核引導時將首先執行這一節下的代碼。它通常用組合語言編寫，並且通常它在 arch// 內核目錄下。這個代碼設置內核頁面目錄、創建身份內核映射、標識體系結構和處理器以及執行分支 start_kernel（初始化系統的主常式）。
start_kernel 調用 setup_arch 作?d執行的第一步，在其中完成特定於體系結構的設置。這包括初始化硬體寄存器、標識根設備和系統中可用的 DRAM 和快閃記憶體的數量、指定系統中可用頁面的數目、文件系統大小等等。所有這些資訊都以參數形式從引導裝載程式傳遞到內核。
將參數從引導裝載程式傳遞到內核有兩種方法：parameter_structure 和標記列表。在這兩種方法中，不贊成使用參數結構，因?d它強加了限制：指定在記憶體中，每個參數必須位於 param_struct 中的特定偏移量處。最新的內核期望參數作?d標記列表的格式來傳遞，並將參數轉化?d已標記格式。param_struct 定義在 include/asm/setup.h 中。它的一些重要欄位是：
清單 3. 樣本參數結構
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：這些數表示定義欄位的參數結構中的偏移量。這意味著如果引導裝載程式將參數結構放置在位址 0xc0000100，那?l rootdev 參數將放置在 0xc0000100 + 16，initrd_start 將放置在 0xc0000100 + 64 等等 — 否則，內核將在解釋正確的參數時遇到困難。
正如上面提到的，因?d從引導裝載程式到內核的參數傳遞會有一些約束條件，所以大多數 2.4.x 系列內核期望參數以已標記的列表格式傳遞。在已標記的列表中，每個標記由標識被傳遞參數的 tag_header 以及其後的參數值組成。標記列表中標記的常規格式可以如下所示：
清單 4. 樣本標記格式。內核通過 頭來標識每個標記。
#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 還需要對快閃記憶體存儲庫、系統寄存器和其他特定設備執行記憶體映射。一旦完成了特定於體系結構的設置，控制就返回到初始化系統其餘部分的 start_kernel 函數。這些附加的初始化任務包含：
·        設置陷阱
·        初始化中斷
·        初始化計時器
·        初始化控制臺
·        調用 mem_init，它計算各種區域、高記憶體區等內的頁面數量
·        初始化 slab 分配器並?d VFS、緩衝區快取記憶體等創建 slab 快取記憶體
·        建立各種文件系統，如 proc、ext2 和 JFFS2
·        創建 kernel_thread，它執行文件系統中的 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內核將執行文件系統的 /bin 中的 shell。

設備驅動程式
嵌入式系統通常有許多設備用於與用戶交互，象觸摸屏、小鍵盤、滾動輪、感測器、RA232 介面、LCD 等等。除了這些設備外，還有許多其他專用設備，包括快閃記憶體、USB、GSM 等。內核通過所有這些設備各自的設備驅動程式來控制它們，包括 GUI 用戶應用程式也通過訪問這些驅動程式來訪問設備。本節著重討論通常幾乎在每個嵌入式環境中都會使用的一些重要設備的設備驅動程式。
幀緩衝區驅動程式
這是最重要的驅動程式之一，因?d通過這個驅動程式才能使系統螢幕顯示內容。幀緩衝區驅動程式通常有三層。最底層是基本控制臺驅動程式 drivers/char/console.c，它提供了文本控制臺常規介面的一部分。通過使用控制臺驅動程式函數，我們能將文本列印到螢幕上 — 但圖形或動畫還不能（這樣做需要使用視頻模式功能，通常出現在中間層，也就是 drivers/video/fbcon.c 中）。這個第二層驅動程式提供了視頻模式中繪圖的常規介面。
幀緩衝區是顯卡上的記憶體，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記憶體段上：然後這個資訊將反映到螢幕上。幀緩衝區支援提高了繪圖的速度和整體性能。這也是頂層驅動程式引人注意之處：頂層是非常特定於硬體的驅動程式，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色板等。所有這三層都相互依賴以實現正確的視頻功能。與幀緩衝區有關的設備是 /dev/fb0（主設備號 29，次設備號 0）。
輸入設備驅動程式
可觸摸板是用於嵌入式設備的最基本的用戶交互設備之一 — 小鍵盤、感測器和滾動輪也包含在許多不同設備中以用於不同的用途。
觸摸板設備的主要功能是隨時報告用戶的觸摸，並標識觸摸的座標。這通常在每次發生觸摸時，通過生成一個中斷來實現。