構(gòu)造嵌入式Linux

Linux自身具備一整套工具鏈，容易自行建立嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境和交叉運(yùn)行環(huán)境，并且可以跨越嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的仿真工具（ICE）的障礙。內(nèi)核的完全開(kāi)放使人們可以自己設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出真正的硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)，軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)在Linux中也容易得到實(shí)現(xiàn)。強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持使得可以利用Linux的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧將其開(kāi)發(fā)成為嵌入式的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

Linux提供了完成嵌入功能的基本內(nèi)核和所需要的所有用戶界面，它是多面的。它能處理嵌入式任務(wù)和用戶界面。

一個(gè)小型的嵌入式Linux系統(tǒng)只需要下面三個(gè)基本元素：

*引導(dǎo)工具

*Linux微內(nèi)核，由內(nèi)存管理、進(jìn)程管理和事務(wù)處理構(gòu)成

*初始化進(jìn)程

如果要讓它能干點(diǎn)什么且繼續(xù)保持小型化，還得加上：

*硬件驅(qū)動(dòng)程序

*提供所需功能的一個(gè)或更多應(yīng)用程序。

再增加功能，或許需要這些：

*一個(gè)文件系統(tǒng)（也許在ROM或RAM）中

*TCP/IP網(wǎng)絡(luò)堆棧

下面我們就從精簡(jiǎn)內(nèi)核、系統(tǒng)啟動(dòng)、驅(qū)動(dòng)程序?qū)?、X-Window換成MicroWindows四個(gè)步驟介紹嵌入式Linux的實(shí)際開(kāi)發(fā)。

精簡(jiǎn)內(nèi)核

構(gòu)造內(nèi)核的常用命令包括：makeconfig、dep、clean、mrproper、zImage、bzImage、modules、modules_install。命令說(shuō)明略。

現(xiàn)在舉個(gè)例子說(shuō)明一下：

我使用的是Mandrake內(nèi)附的2.2.15。我沒(méi)有修改任何一行程序碼，完全只靠修改組態(tài)檔得到這些數(shù)據(jù)。

首先，使用makeconfig把所有可以拿掉的選項(xiàng)都拿得。

不要floppy；不要SMP、MTRR；不要Networking、SCSI；把所有的blockdevice移除，只留下oldIDEdevice；把所有的characterdevice移除；把所有的filesystem移除，只留下minix；不要sound支援。相信我，我己經(jīng)把所有的選項(xiàng)都移除了。這樣做之后，我的到了一個(gè)188K的核心。

還不夠小嗎?OK，再加上一招，請(qǐng)把下列兩個(gè)檔案中的-O3,-O2用-Os取代。

./Makefile

./arch/i386/kernel/

Makefile

這樣一來(lái)，整個(gè)核心變小了9K，成為179K。

不過(guò)這個(gè)核心恐怕很難發(fā)揮Linux的功能，因此我決定把網(wǎng)絡(luò)加回去。把General中的networksupport加回去，重新編譯，核心變成189K。10K就加上個(gè)TCP/IPstack，似乎是很上算的生意。

有stack沒(méi)有driver也是枉然，所以我把embeddedboard常用的RTL8139的driver加回去，195K。

如果你需要DOS檔案系統(tǒng)，那大小成為213K。如果minix用ext2換代，則大小成長(zhǎng)至222K。

Linux所需的內(nèi)存大約在600K～800K之間。1MB內(nèi)存就可能可以開(kāi)機(jī)了，但不太有用，因?yàn)檫B載入C程序庫(kù)都有困難。2MB內(nèi)存應(yīng)該就可以做點(diǎn)事了，但要到4MB以上才可以執(zhí)行一個(gè)比較完整的系統(tǒng)。

因?yàn)長(zhǎng)inux的filesystem相當(dāng)大，大約在230K左右，占了1/3的體積。內(nèi)存管理占了80K，和核心其它部分的總和差不多。TCP/IPstack占了65K，驅(qū)動(dòng)程序占了120K。SysVIPC占了21K，必要的話可以拿掉，核心檔應(yīng)該可以再小個(gè)10K左右。

如果要裁剪核心大小，應(yīng)該動(dòng)那里呢?答案很明顯，當(dāng)然是文件系統(tǒng)。Linux的VFS簡(jiǎn)化了檔案系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，buffercache,directorycache增加了系統(tǒng)的效率。但這些embedded系統(tǒng)根本就用處不大。如果可以把它們拿掉，核心可以馬上縮小20K左右。如果跳過(guò)整個(gè)VFS，直接將文件系統(tǒng)寫成一個(gè)driver的型式，應(yīng)該可以將230K縮減至50K左右。整個(gè)核心縮到100K左右。

系統(tǒng)啟動(dòng)

系統(tǒng)的啟動(dòng)順序及相關(guān)文件仍在核心源碼目錄下，看以下幾個(gè)文件：

./arch/$ARCH/boot/

bootsect.s

./arch/$ARCH/boot/setup.s

./init/main.c

bootsect.S及setup.S

這個(gè)程序是Linuxkernel的第一個(gè)程序，包括了Linux自己的bootstrap程序，但是在說(shuō)明這個(gè)程序前，必須先說(shuō)明一般IBMPC開(kāi)機(jī)時(shí)的動(dòng)作(此處的開(kāi)機(jī)是指“打開(kāi)PC的電源”)。

一般PC在電源一開(kāi)時(shí)，是由內(nèi)存中地址FFFF:0000開(kāi)始執(zhí)行(這個(gè)地址一定在ROMBIOS中，ROMBIOS一般是在FEOOOh到FFFFFh中)，而此處的內(nèi)容則是一個(gè)jump指令，jump到另一個(gè)位于ROMBIOS中的位置，開(kāi)始執(zhí)行一系列的動(dòng)作。

緊接著系統(tǒng)測(cè)試碼之后，控制權(quán)會(huì)轉(zhuǎn)移給ROM中的啟動(dòng)程序(ROMbootstraproutine)。這個(gè)程序會(huì)將磁盤上的第零軌第零扇區(qū)讀入內(nèi)存中，至于讀到內(nèi)存的哪里呢?--絕對(duì)位置07C0:0000(即07C00h處)，這是IBM系列PC的特性。而位于Linux開(kāi)機(jī)磁盤的bootsector上的，正是Linux的bootsect程序。

把大家所熟知的MSDOS與Linux的開(kāi)機(jī)部分做個(gè)粗淺的比較。MSDOS由位于磁盤上bootsector的boot程序負(fù)責(zé)把IO.SYS載入內(nèi)存中，而IO.SYS則負(fù)有把DOS的kernel--MSDOS.SYS載入內(nèi)存的重任。而Linux則是由位于bootsector的bootsect程序負(fù)責(zé)把setup及Linux的kernel載入內(nèi)存中，再將控制權(quán)交給setup。

驅(qū)動(dòng)程序

在Linux系統(tǒng)里，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序所提供的這組入口點(diǎn)由一個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)向系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序所提供的入口點(diǎn)，在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序初始化的時(shí)候向系統(tǒng)進(jìn)行登記，以便系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候調(diào)用。Linux系統(tǒng)里，通過(guò)調(diào)用register_chrdev向系統(tǒng)注冊(cè)字符型設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

在Linux里，除了直接修改系統(tǒng)核心的源代碼，把設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序加進(jìn)核心里以外，還可以把設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序作為可加載的模塊，由系統(tǒng)管理員動(dòng)態(tài)地加載它，使之成為核心的一部分。也可以由系統(tǒng)管理員把已加載的模塊動(dòng)態(tài)地卸載下來(lái)。Linux中，模塊可以用C語(yǔ)言編寫，用gcc編譯成目標(biāo)文件（不進(jìn)行鏈接，作為*.o文件存在）。為此需要在gcc命令行里加上-c的參數(shù)。在成功地向系統(tǒng)注冊(cè)了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序后（調(diào)用register_chrdev成功后），就可以用mknod命令來(lái)把設(shè)備映射為一個(gè)特別文件。其它程序使用這個(gè)設(shè)備的時(shí)候，只要對(duì)此特別文件進(jìn)行操作就行了。

將X-Window換成MicroWindows

MicroWindows是使用分層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。允許改變不同的層來(lái)適應(yīng)實(shí)際的應(yīng)用。在最底一層，提供了屏幕、鼠標(biāo)/觸摸屏和鍵盤的驅(qū)動(dòng)，使程序能訪問(wèn)實(shí)際的硬件設(shè)備和其它用戶定制設(shè)備。在中間一層，有一個(gè)輕巧的圖形引擎，提供了繪制線條、區(qū)域填充、繪制多邊形、裁剪和使用顏色模式的方法。在最上一層，提供了不同的API給圖形應(yīng)用程序使用。這些API可以提供或不提供桌面和窗口外形。目前，MicroWindows支持WindowsWin32/WinCEGDI和Nano-XAPI。這些API提供了Win32和X窗口系統(tǒng)的緊密兼容性，使得別的應(yīng)用程序可以很容易就能移植到MicroWindows上。[!--empirenews.page--]

何謂嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)被定義為：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，如果獨(dú)立于應(yīng)用自行發(fā)展，則會(huì)失去市場(chǎng)。嵌入式處理器的功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面均受到應(yīng)用要求的制約，這些也是各個(gè)半導(dǎo)體廠商之間競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。嵌入式處理器的應(yīng)用軟件是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。軟件要求固化存儲(chǔ)，軟件代碼要求高質(zhì)量、高可靠性，系統(tǒng)軟件(OS)的高實(shí)時(shí)性是基本要求。

在制造工業(yè)、過(guò)程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費(fèi)類產(chǎn)品等方面均是嵌入式計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域.