Step by Step 構建嵌入式Linux系統平臺

小朱仔

Step by Step 構建嵌入式Linux系統平臺

: p3 I; X; U5 Q0 前言
. Y9 k4 {7 ^* F$ o9 Y8 a8 b# D& V嵌入式系統的商品化作業系統十分豐富，如Palm OS、VxWorks、pSOS、Neculeus和Windows CE等。高端嵌入式系統要求許多高級的功能，但其價格也相對昂貴，一般用戶難以接受。微軟的Windows CE也有此類功能，卻不具備大多數嵌入式系統要求的即時性能，而且難以移植。
Linux為嵌入式系統提供了一個極有吸引力的選擇，對於嵌入式系統而言，性能、成本和可靠性是最至關重要的三個因素。首先，眾多文獻資料表明，Linux是當前可獲得的最簡捷、最快速的作業系統，其性能優越之處，是把圖形處理為一個用戶級的應用，圖形可根據需要被選擇是否運行。Linux系統中存在適度複雜的圖形介面，但是它們並沒有與作業系統的內核緊緊捆綁在一起，圖形介面可按需求關閉。這樣就可以在Linux內核上運行專門為嵌入式系統定制的圖形系統，從而獲得優越的性能。其次，Linux 系統源代碼完全公開，可以用非常便宜的價格得到各種Linux分發版，不必考慮許可成本，將用戶從許可證的限制中解脫出來，無需去為資金短缺而煩憂。 Linux能正常運行於記憶體缺乏，容量緊張的系統中，減少在硬體升級上的開支。另外，在系統穩定性方面，Linux幾乎不崩潰，Linux的穩定性是由於它沒有像其他作業系統一樣內核極其龐大。考察資料表明，Linux與其他Unix系統和大型作業系統如VMS、IBM大型機等一樣具有相同的可靠性。在上述優勢之外，Linux還擁有眾多硬體支援的特點和強大的網路支援功能。正因為Linux在價格、性能、穩定性以及用戶定制等方面的突出優勢，用它來構建系統操作平臺是一個很不錯的解決方案。
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5 t5 R( k5 E2 S& A9 [' f" G1 開發中的關鍵問題及解決方案
1.1 硬體及軟體環境
0 |6 h+ L" h$ j3 t. WLinux 系統的硬體環境以PC104卡為核心，卡上集成美國國家半導體公司（NS Geode）GX1 300MHz CPU,SVGA/LCD/LAN介面以及增強型IDE硬碟介面，支援CompactFlash卡。硬碟和光碟機接至PC104的IDE1口，設置跳線使硬碟為主設備（master），光碟機為從設備（slave），CompactFlash裝在IDE2口，設為主設備，這樣Linux識別 CompactFlah卡為/dev/hdc,而硬碟和光碟機分別為/dev/had,/dev/hdb.我的Linux開發系統是Red Hat 7.2版，通過PC104上的光碟機安裝在硬碟上。
- f9 C  R2 G2 @/ i! ~CompactFlash卡容量為32M,如果系統的BIOS支援自動檢測，應該可以直接探測到它。如果不行的話，需要自己輸入卡的各項參數。確保不要帶電插拔CompactFlash卡，因為這可能導致卡上資料的丟失。
    由於像Red Hat或Mandrake這樣的Linux分發版體積龐大（如果帶X-Windows基本都在1G以上），是不可能裝在容量只有32M的 CompactFlash卡上的。目前有許多小型的嵌入式Linux版本，比較有名的有：
: a! C  M" J1 q# ^ETLinux — 設計用於在小型工業電腦，尤其是 PC/104 模組上運行的 Linux 的完全分發版。
LEM — 運行在 386 上的小型（<8 MB）多用戶、網路 Linux 版本。
3 K' S0 J/ k9 c, k2 m) rLOAF — "Linux On A Floppy"分發版,運行在 386 上。
uClinux — 在沒有 MMU 的系統上運行的 Linux。目前支持 Motorola 68K、MCF5206 和 MCF5207 ColdFire 微處理器。
6 R! d* O! K( C; U6 \出於深入瞭解Linux系統運行環境和機制的想法，建議自己構建Linux系統，這對於將來系統內核版本的升級和應用功能的拓展很有好處。選擇Red Hat 7.2的Linux版本。
  p/ V4 S5 ^0 H. D8 ?
' e$ t; c& M8 e7 L; z7 [' K1.2 系統分區和格式化
首先，需要在CompactFlash卡上建立分區和格式化，在Linux下用fdisk命令可以在CompactFlash卡上創建分區，命令格式為fdisk /dev/hdc,然後用mke2fs命令創建ext2檔系統.
, {, m  `6 h7 P9 B: K! z5 Z1.2 系統分區和格式化
7 q# g$ U, E2 y" m: m/ m  _) G首先，需要在CompactFlash卡上建立分區和格式化，在Linux下用fdisk命令可以在CompactFlash卡上創建分區，命令格式為fdisk /dev/hdc,然後用mke2fs命令創建ext2檔系統.
1.3 編譯內核
2 k1 r1 U$ u! E6 r7 }/ k接下來要做的事情是編譯一個自己的內核。內核負責管理系統的進程、記憶體、設備驅動程式、檔和網路系統，決定著系統的性能和穩定性。從技術上而言， Linux 是一個內核，而且只是一個內核。其餘我們通常稱之為 "Linux" (例如一個 shell 和編譯器)的部分實質上只是整個套裝軟體的一部分，它們從技術上而言是與 Linux (內核)分開的。選擇與開發系統一樣的內核版本2.4.7，在Linux內核版本發佈的官方網站 http://www.kernel.org 上可以找到內核源代碼。
在編譯內核的時候，由於內核是在特定的機器上使用的，所以應該對機器的情況瞭若指掌。另一方面，為了降低過高的複雜性，可以不用kernel module支援，把所有需要的東西直接編譯到內核�。IDE支持是必不可少的，因為Linux認CompactFlash卡為IDE硬碟，Frame buffer的支援也是必要的，這來源於GUI系統—MiniGUI的要求，網路支援可以不要，但是如果認為顯示幕將來有這方面的要求也可以把它加上。
1.4 創建根檔系統（Root Filesystem）
% m+ S' y- v  V# ]9 B& o6 r% |' _  U在編譯好內核後，需要在CompactFlash卡上創建根檔系統。每台機器都有根檔系統(一般在本地盤中，當然也可以在RAM盤或網路盤中)，它包含系統引導和使其他檔系統得以mount所必要的檔，根檔系統應該有單用戶狀態所必須的足夠的內容。還應該包括修復損壞系統、恢復備份等的工具。
如果有一個任務比其他任務更能簡化從頭構建 Linux 根檔系統過程的話，那就是構建和安裝 BusyBox 套裝軟體。BusyBox 是一個可執行檔，它提供許多其他常用命令行工具的功能，所有這些功能都合為一體。BusyBox 的文檔聲稱構建一個有效系統所需要的全部就是 BusyBox 和"/dev、/etc 以及內核"— 而且他們沒有開玩笑。
Busybox 編譯出一個單個的獨立執行程式，就叫做 busybox。但是它可以根據配置，執行 ash shell 的功能，以及幾十個各種小應用程式的功能。這其中包括有一個迷你的 vi 編輯器，系統不可或缺的 /sbin/init 程式，以及其他諸如 sed, ifconfig, halt, reboot, mkdir, mount, ln, ls, echo, cat ... 等等這些都是一個正常的系統上必不可少的。但是如果我們把這些程式的原件拿過來的話，它們的體積加在一起，讓人吃不消。可是 busybox 有全部的這麼多功能，大小也不過 100K 左右。而且，用戶還可以根據自己的需要，決定到底要在 busybox 中編譯進哪幾個應用程式的功能。這樣的話，busybox 的體積就可以進一步縮小了。Busybox的具體編譯和配置方法請參閱Busybox的官方文檔，用戶可以在http://www.busybox.net/上找到.
- {" S8 Y; Q) o5 a: W; q4 x系統啟動後內核調用的第一個進程是/sbin/init。init進程是系統所有進程的起點，內核在完成核內引導以後，即在本線程（進程）空間內載入 init程式，它的進程號是1。init程式需要讀取/etc/inittab檔作為其行為指標，inittab是以行為單位的描述性（非執行性）文本，inittab檔至少應該包含下麵幾行：
2 m% V6 Q8 j7 o::sysinit:/etc/init.d/rcS         //運行系統公共腳本
3 t% a% e/ G+ Z/ H::respawn:/bin/sh             //立即進入shell環境
::ctrlaltdel:/bin/umount -a      //捕捉Ctrl+Alt+Del快捷鍵，退出系統
6 [) R2 `7 |. J. v) s3 p6 L由於init進程第一個執行的腳本檔是/etc/init.d/rcS，編輯rcS檔：
#! /bin/sh
mount -a
接著還需要編寫/etc/fstab檔：
% I: c+ `; `  L- l( z+ W1 Sproc          /proc          proc           defaults           0       0
none          /var/shm       shm           defaults           0       0

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1.5 安裝系統引導工具（boot loader）
現在CompactFlask卡上新的內核已經有了，檔系統也已經建好了，接著要做的事情是安裝系統引導工具（boot loader）。目前可以選用的引導工具很多，象LILO或GRUB都是挺不錯的，用戶可以按自己的喜好來選擇。在這�我們選用LILO，它在硬碟開始的 MBR寫入引導代碼，這些代碼不經過檔系統，直接從硬碟磁區號讀內核映象(kernel image)裝入記憶體。那麼要如何安裝LILO呢？首先需要根據用戶系統的搭建情況編輯/etc/lilo.conf文件，下麵是我的 /etc/lilo.conf檔，配有注釋，你可以根據自己的情況進行更改，具體你可以參考LILO mini-HOWTO：
4 u. T  [6 x/ D/ {boot=/dev/hdc              #從CompactFlash卡啟動
% k9 g3 p  g* @7 adisk=/dev/hdc
bios=0x80                 #使BIOS認CompactFlash卡為啟動盤
delay=0                   #可選，以秒為單位
' B4 e4 C: Z- U7 tvga=0x311                #可選，參照Frame buffer的配置
image=/boot/vmlinuz-2.4.7   #內核檔位置
root=/dev/hdc1             #root分區位置
* Q3 E' |: ]% _% [" n' zlabel=CompactFlash         #嵌入式Linux的名字
read-write                  #以read-write方式mount根檔系統
% h7 s$ O; }9 b編輯完/etc/lilo.conf後，將它寫到CompactFlash卡上，假設CompactFlash卡已經被mount到了/mnt/CompactLinux目錄下，運行命令：
2 T& ~, D3 Q+ D7 a3 n9 i/mnt/CompactLinux/sbin/lilo -r /mnt/CompactLinux -C etc/lilo.conf
! S$ P) x7 C; Q5 P使用這個命令時必須非常小心，它可能會破壞開發系統上的引導系統而使它不能啟動，為確保安全應在運行此命令前先創建系統引導軟碟。
嵌入式Linux系統的雛形建立完成後，應先對其進行簡單測試。關上PC104卡的電源，拔下接在IDE1口的硬碟和光碟機，合上電源重啟PC104，在 BIOS中設置IDE1口硬碟為None，存檔退出BIOS，進入CompactFlash卡上的系統。如果系統可以一直運行到出現shell提示符#, 那就證明Linux平臺已經初步搭建成功了。1.5 安裝系統引導工具（boot loader）
現在CompactFlask卡上新的內核已經有了，檔系統也已經建好了，接著要做的事情是安裝系統引導工具（boot loader）。目前可以選用的引導工具很多，象LILO或GRUB都是挺不錯的，用戶可以按自己的喜好來選擇。在這�我們選用LILO，它在硬碟開始的 MBR寫入引導代碼，這些代碼不經過檔系統，直接從硬碟磁區號讀內核映象(kernel image)裝入記憶體。那麼要如何安裝LILO呢？首先需要根據用戶系統的搭建情況編輯/etc/lilo.conf文件，下麵是我的 /etc/lilo.conf檔，配有注釋，你可以根據自己的情況進行更改，具體你可以參考LILO mini-HOWTO：
5 N. `% H; J4 p* b* K; n& k6 Sboot=/dev/hdc              #從CompactFlash卡啟動
! B) d7 e$ w( b- \  ]/ [disk=/dev/hdc
) H3 y( f# q4 b) W' u5 X: t& b: K& T$ @bios=0x80                 #使BIOS認CompactFlash卡為啟動盤
1 l% [% C. b! o& Z% [& I/ udelay=0                   #可選，以秒為單位
vga=0x311                #可選，參照Frame buffer的配置
image=/boot/vmlinuz-2.4.7   #內核檔位置
6 t* q; ]3 \  q( ~root=/dev/hdc1             #root分區位置
% Q1 r. v" a# mlabel=CompactFlash         #嵌入式Linux的名字
7 W0 k& K3 B8 ?/ uread-write                  #以read-write方式mount根檔系統
: f9 `# S: z, @" D* n  F1 Z5 s3 h編輯完/etc/lilo.conf後，將它寫到CompactFlash卡上，假設CompactFlash卡已經被mount到了/mnt/CompactLinux目錄下，運行命令：
; y7 R7 P  r; L6 a) r4 X: t4 f/mnt/CompactLinux/sbin/lilo -r /mnt/CompactLinux -C etc/lilo.conf
  P4 G! }, O8 l& Q5 G) Z0 N% e使用這個命令時必須非常小心，它可能會破壞開發系統上的引導系統而使它不能啟動，為確保安全應在運行此命令前先創建系統引導軟碟。
8 p$ O2 q9 a# A4 x5 E嵌入式Linux系統的雛形建立完成後，應先對其進行簡單測試。關上PC104卡的電源，拔下接在IDE1口的硬碟和光碟機，合上電源重啟PC104，在 BIOS中設置IDE1口硬碟為None，存檔退出BIOS，進入CompactFlash卡上的系統。如果系統可以一直運行到出現shell提示符#, 那就證明Linux平臺已經初步搭建成功了。
1.6 MiniGUI
6 E/ C/ s$ W2 r$ w現在面向嵌入式Linux 系統的圖形用戶介面很多，如MicoroWindows/NanoX ，OpenGUI，Qt/Embedded，MiniGUI等，我們選用的是MiniGUI . MiniGUI是由魏永明主持，並由許多自由軟體發展人員支援的一個自由軟體專案（遵循 LGPL 條款發佈），其目標是為基於 Linux 的即時嵌入式系統提供一個羽量級的圖形用戶介面支援系統。該專案自 1998 年底開始到現在，歷經 3 年多的開發過程，已經非常成熟和穩定。因為 MiniGUI 的靈活性非常好，可以應用在包括手持設備、機頂盒、遊戲終端等在內的各種高端或者低端的嵌入式系統中，並且是免費的，這使其在眾多GUI系統的競爭中脫穎而出，成為我們選擇它的一個很重要的理由。
從MiniGUI的官方網站（http://www.minigui.org）上下載MiniGUI的源代碼，在PC104的硬碟上進行編譯安裝，MiniGUI的官方網站上有關於這方面的文檔，本文也就不再贅述了。因為 MiniGUI 是以源代碼的形式發佈的，在硬碟上以編譯的方法產生的MiniGUI的libminigui 目錄下包含了這些源代碼以及編譯時生成的中間檔，所以需要的空間很大，是不可能將它全部安裝到CompactFlash卡上的，需要的檔有：
5 {! x7 a3 A; d*  MiniGUI的演示檔。
1 Z+ q* v1 c. S, L+ ^" R8 Q( j+ i*  MiniGUI 的函數庫，包括 libminigui、libmywins 和 libmgext 等。
*  MiniGUI 的配置檔，即 MiniGUI.cfg 文件。
& n! K  t# Y& J5 O) x*  MiniGUI 所使用的資源檔案。
如果你覺得檔太大，參照下面的方法進行修改：
4 D! }: O8 k3 l4 E5 z( f0 _* Z1. 首先可以修改編譯選項，把不用的功能去掉，比如說繁體支援等。這樣庫會小一些。
$ A+ E* A: P* W9 T2．去掉不需要的演示程式。
3. 去掉無用的資源，可以只保留一種字體，只保留一種輸入法，刪除一些點陣圖檔。
   
至此，帶圖形用戶介面的Linux系統已經搭建完成，可以在開發系統上寫自己的基於MiniGUI的應用程式，然後將它拷貝至CompactFlash卡上運行。 1.6 MiniGUI
現在面向嵌入式Linux 系統的圖形用戶介面很多，如MicoroWindows/NanoX ，OpenGUI，Qt/Embedded，MiniGUI等，我們選用的是MiniGUI . MiniGUI是由魏永明主持，並由許多自由軟體發展人員支援的一個自由軟體專案（遵循 LGPL 條款發佈），其目標是為基於 Linux 的即時嵌入式系統提供一個羽量級的圖形用戶介面支援系統。該專案自 1998 年底開始到現在，歷經 3 年多的開發過程，已經非常成熟和穩定。因為 MiniGUI 的靈活性非常好，可以應用在包括手持設備、機頂盒、遊戲終端等在內的各種高端或者低端的嵌入式系統中，並且是免費的，這使其在眾多GUI系統的競爭中脫穎而出，成為我們選擇它的一個很重要的理由。
從MiniGUI的官方網站（http://www.minigui.org）上下載MiniGUI的源代碼，在PC104的硬碟上進行編譯安裝，MiniGUI的官方網站上有關於這方面的文檔，本文也就不再贅述了。因為 MiniGUI 是以源代碼的形式發佈的，在硬碟上以編譯的方法產生的MiniGUI的libminigui 目錄下包含了這些源代碼以及編譯時生成的中間檔，所以需要的空間很大，是不可能將它全部安裝到CompactFlash卡上的，需要的檔有：
7 l0 o& S& z* W+ b! v3 s*  MiniGUI的演示檔。
6 T& e, ^( x: ~4 D( Q$ g7 q*  MiniGUI 的函數庫，包括 libminigui、libmywins 和 libmgext 等。
- F1 R' F% o$ j; l8 [* i*  MiniGUI 的配置檔，即 MiniGUI.cfg 文件。
, g6 y$ s. N# o1 n/ M. b*  MiniGUI 所使用的資源檔案。
如果你覺得檔太大，參照下面的方法進行修改：
& ^) x5 A8 Y/ r2 X1 ~1. 首先可以修改編譯選項，把不用的功能去掉，比如說繁體支援等。這樣庫會小一些。
2．去掉不需要的演示程式。
3. 去掉無用的資源，可以只保留一種字體，只保留一種輸入法，刪除一些點陣圖檔。
   
' {0 O( k- W6 C, A8 Q" p  l+ p至此，帶圖形用戶介面的Linux系統已經搭建完成，可以在開發系統上寫自己的基於MiniGUI的應用程式，然後將它拷貝至CompactFlash卡上運行。

2 一些補充
7 A8 C% Y* A" s( ]/ u" f; M: N. D7 j. W' I上面的Linux系統滿足了一個系統所需的基本要求，但是針對不同的硬體環境和軟體要求，還可以作出一些改進。
首先是在體積上的裁減，在本文中採用的是32M的CompactFlash卡，所以這不是一個很迫切的問題，但如果是16M或8M容量DOC，片內的空間可以說是寸土寸金，那就需要一些其他的方法：
) d  E3 Z- a6 r/ N2 Z* 內核編譯  在編譯內核時去掉不需要的功能，如網路支援等。
4 J2 X3 h. o7 H1 |1 [* uClibc     每個 Linux 系統都需要一個 C 庫。C 庫提供了常用的檔操作（打開、讀和寫）、記憶體管理操作（malloc 和 free）和許多其他使一個 Linux 系統名副其實的函數。大多數 Linux 系統使用 gLibc。gLibc 是成熟的、經過良好測試的，並且正在積極的開發中。遺憾的是，它使用的記憶體數量相對較多,容量也較大。 uClibc是一個現代的、穩定的、具有高度相容性的 gLibc 替代品。uClibc 是針對嵌入式系統開發的，所以它力圖成為完整但羽量級的 C 庫。
1 m( `) G' E  Y6 X& k如果系統在啟動後要求登錄的話，建議採用TinyLogin。TinyLogin 是一套 tiny UNIX 實用程式，它用於登錄嵌入式系統、接受其驗證身份、為其修改密碼，並能維護其用戶和用戶組。為了增強系統安全性它還支援影子口令。正如它的名字所暗示的， TinyLogin 非常小，對嵌入式系統上的 BusyBox 是極好的補充。
8 s$ f8 V; M. `0 x/ o9 M$ n: q
* x" m6 p8 B9 l3 結束語
    在嵌入式應用的領域�，從網際網路設備到專用的控制系統，Linux 作業系統的前景都很光明。所有新造的微型電腦晶片中大約有 95% 都是用於嵌入式應用的。由於 Linux 功能強大、可靠、靈活而且具有伸縮性，再加上它支援大量的微處理器體系結構、硬體設備、圖形支援和通信協定，因此大大擴展了用途，使其作為許多方案和產品的軟體平臺越來越流行。相信在不久的將來，在許多其他的資訊技術（IT）領域會出現更多的Linux產品！

參考文獻
  h  e& r, P. N4 J4 G& M) w. A* Linux bootdisk HOWTO
' r& j1 S5 f. \( G& p- r* LILO mini-HOWTO
' ^/ z1 t+ [" i' r6 ^9 @; G* 王學龍. <<嵌入式Linux系統設計與應用>>. 清華大學出版社. 2001.8
* Darrick Addison. 嵌入式 Linux 應用：概述. IBM developerWorks網站. 2001.8
* http://www.kernel.org/
* http://www.minigui.org/
; O: @! @( @& H7 d- Z* D2 a* http://www.busybox.net/