Embedded Linux 技術(shù)與概念解析

 引言

Embedded Linux技術(shù)基于開放源碼的資源，并且已經(jīng)是當(dāng)今最重要的嵌入式應(yīng)用技術(shù)之一。Embedded Linux是燒錄在目標(biāo)裝置上的系統(tǒng)，1個(gè)Embedded Linux系統(tǒng)包含Linux kernel與 root filesystem 2大部分，Embedded Linux系統(tǒng)到底包含哪些組成要素構(gòu)成，本文將由概念的層面進(jìn)行解析。

本文

由于目前的目標(biāo)裝置，都必須嵌入極為復(fù)雜的功能，所以嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded system)成為嵌入式系統(tǒng)不可或缺的要素。由于嵌入式系統(tǒng)是功能導(dǎo)向的系統(tǒng)，因此必須設(shè)計(jì)、選擇或購買正確(或適合)的目標(biāo)裝置，才能開始實(shí)作并嵌入嵌入式系統(tǒng)。因此，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)是以功能、與目標(biāo)裝置為分類的1種技術(shù)。

例如，與PDA相關(guān)的目標(biāo)裝置(即硬件)、與MP3播放器相關(guān)的目標(biāo)裝置、與3G手機(jī)相關(guān)的目標(biāo)裝置...等等;使用這些目標(biāo)裝置所開發(fā)的特定功能系統(tǒng)，便是PDA的嵌入式系統(tǒng)、MP3音樂播放的嵌入式系統(tǒng)、3G手機(jī)的嵌入式系統(tǒng)。

Embedded Linux其實(shí)并不是1個(gè)操作系統(tǒng)，而是代表應(yīng)用Linux系統(tǒng)于Embedded system的名詞。Embedded Linux的技術(shù)核心主軸是在研究如何將Linux系統(tǒng)嵌入至嵌入式目標(biāo)裝置里。

Embedded Linux是基于Linux系統(tǒng)的特殊應(yīng)用，當(dāng)然也要符合眾多標(biāo)準(zhǔn)才行。LSB與FHS標(biāo)準(zhǔn)是重要的2大標(biāo)準(zhǔn)，跟隨標(biāo)準(zhǔn)不但可以提供系統(tǒng)間的兼容性，也可以提供我們1個(gè)Linux系統(tǒng)的建構(gòu)依據(jù)。

GNU/Linux的2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)

由FSG (Free Standards Group) 所主持的 LSB (Linux Standard Base) 項(xiàng)目即是在制定 GNU/Linux 標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)LSB標(biāo)準(zhǔn)所發(fā)展的GNU/Linux系統(tǒng)，才能提供應(yīng)用程序最小的可執(zhí)行環(huán)境，并且可在依循LSB標(biāo)準(zhǔn)的Linux distributions上執(zhí)行無誤。例如，我們可以在符合LSB標(biāo)準(zhǔn)的Red Hat Linux上發(fā)展應(yīng)用程序，只要自行發(fā)展的Embedded Linux系統(tǒng)符合LSB標(biāo)準(zhǔn)所訂定的規(guī)范，應(yīng)用程序就可以順利移植到Embedded Linux上執(zhí)行。

LSB標(biāo)準(zhǔn)提供我們發(fā)展Embedded Linux的依據(jù)，雖然Embedded Linux系統(tǒng)是最小化的Linux，但因?yàn)镋mbedded Linux是嵌入式系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，所以我們不能任意精簡Linux系統(tǒng)，在精簡的過程中仍要保留最基本的操作系統(tǒng)環(huán)境，而LSB的標(biāo)準(zhǔn)正是在制定這些基本的需求。

FHS全名為Filesystem Hierarchy Standard，是定義檔案與目錄標(biāo)準(zhǔn)的文件，F(xiàn)HS的標(biāo)準(zhǔn)，定義了目錄與檔案的擺放位置，而UNIX-like的系統(tǒng)則是根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，管理整個(gè)檔案結(jié)構(gòu)。因此，不管是系統(tǒng)廠商、Linux/UNIX distribution發(fā)展者、應(yīng)用程序作者、套件管理者、系統(tǒng)維護(hù)人員都應(yīng)該要依照FHS的標(biāo)準(zhǔn)來管理UNIX系統(tǒng)的目錄與檔案。

Embedded Linux的特色是大量使用自由軟件、與開放源碼軟件(FOSS- Free & Open Source Softwar)資源，任何你想要的軟件，幾乎都能在網(wǎng)絡(luò)上找到自由軟件已經(jīng)成為Embedded Linux技術(shù)的重要支柱。自由軟件資源包山包海，舉凡應(yīng)用程序、系統(tǒng)工具、網(wǎng)絡(luò)工具、鏈接庫、圖形接口、小型瀏覽器、程序發(fā)展工具...等等都能找得到。

Busybox

Busybox是重要的Embedded Linux工具箱，這個(gè)工具箱提供基本的UNIX指令、系統(tǒng)程序(daemon)與開機(jī)程序(init process)。Busybox用來建造1個(gè)基本、最小化且可開機(jī)的Linux系統(tǒng)，由于Busybox里的指令與工具都經(jīng)過最小化處理，因此已經(jīng)是目前主要應(yīng)用在Embedded Linux實(shí)作上的開放源碼項(xiàng)目了。

Embedded Linux的組成

圖 Embedded Linux整體架構(gòu)

Embedded Linux平臺(tái)除了Linux kernel外，還包含共享鏈接庫(shared library)。shared libraries是Linux kernel的重要支持，并且也是Linux架構(gòu)里獨(dú)立的1層。在應(yīng)用程序方面，許多現(xiàn)存的開放源碼項(xiàng)目都可以直接移植到ARM9平臺(tái)。但這里所指的移植是對(duì)原始碼進(jìn)行跨平臺(tái)編譯(cross compile)，并不是BSP(board support package)的移植。

跨平臺(tái)編譯

因?yàn)殚_放源碼開發(fā)工具的特性，在應(yīng)用程序級(jí)別的移植工具上，可以有1套比較系統(tǒng)化的方法，也有相關(guān)的工具與環(huán)境可以使用，目前最熱門的跨平臺(tái)編譯環(huán)境為OpenEmbedded。開放源碼軟件采用GNU Autoconf與GNU Automake來撰寫編譯法則(Makefile)，因此實(shí)務(wù)上，要將應(yīng)用程序移植到ARM9平臺(tái)，大部分案例只需要做跨平臺(tái)編譯即可。要了解如何將原始碼移植到ARM9平臺(tái)，需要學(xué)會(huì)GNU Autoconf以及GNU Automake的使用。

GNU Autoconf

Autoconf是m4宏的擴(kuò)充套件，可以用來自動(dòng)設(shè)定軟件套件的原始碼。Autoconf會(huì)產(chǎn)生1個(gè)協(xié)助程序編譯的設(shè)定文稿執(zhí)行檔(configuration script)，以方便編譯原始碼前進(jìn)行系統(tǒng)檢查與設(shè)定，使用GNU Autoconf時(shí)，必須安裝GNU m4套件。

GNU Automake

Automake是自動(dòng)產(chǎn)生Makefile.in的工具，需配合Autoconf使用，以產(chǎn)生可以讓GNU Make自動(dòng)編譯原始碼的”Makefile”檔案。

GNU Make

GNU Make會(huì)根據(jù)“Makefile”來自動(dòng)編譯程序，而編譯完成的程序?yàn)閳?zhí)行文件。GNU Make的重要特點(diǎn)，是沒有特定程序語言限制，甚至可以應(yīng)用在非程序語言編譯的環(huán)境中，例如：系統(tǒng)維護(hù)工作與套件安裝，因此GNU Make可以說是系統(tǒng)自動(dòng)化的好工具。

GNU Make根據(jù)“Makefile”檔案里所定義的規(guī)則，執(zhí)行Unix命令，簡單的Makefile規(guī)格，可以利用編輯器手動(dòng)撰寫，但較復(fù)雜且與針對(duì)不同平臺(tái)的設(shè)定，則建議采用GNU Autoconf/GNU Automake來產(chǎn)生“Makefile”。當(dāng)我們能夠產(chǎn)生使用cross toolchain的Makefile時(shí)，就可以將套件編譯成ARM9的執(zhí)行檔。

ARM 平臺(tái)的選擇與支持

嵌入式裝置的硬件選擇當(dāng)然沒有所謂的標(biāo)準(zhǔn)，但若是談?wù)摰角度胧絃inux的應(yīng)用，在平臺(tái)的選擇上就會(huì)有一些考慮。最重要的考慮因素，當(dāng)然就是處理器對(duì)于操作系統(tǒng)的支持，如此一來，沒有MMU(內(nèi)存管理單元)的ARM7平臺(tái)，就不在主要的選擇范圍內(nèi)。以下列出幾個(gè)目前普遍使用的ARM9應(yīng)用程序處理器(application processor)：[!--empirenews.page--]

在選擇解決方案時(shí)，若是決定采用Linux做為嵌入式操作系統(tǒng)，首先當(dāng)然就是要確定廠商是否提供完整的BSP。不過，由于Linux是由社群所維護(hù)發(fā)展，因此，選擇目前Linux kernel內(nèi)有支持的平臺(tái)，將會(huì)是較好的選擇，這也是為什么有許多大廠，主動(dòng)貢獻(xiàn)并提交BSP給kernel.org的原因。

目前在kernel社群比較活躍的ARM9廠商，或是社群主動(dòng)積極協(xié)助維護(hù)的SOC平臺(tái)，像是ATMEL、Samsung與TI OMAP等，這些都是kernel.org的Linux kernel就有支持的處理器，這表示讓Linux支持這些平臺(tái)的方式也很簡單，就是到kernel.org下載官方的Linux kernel即可。

Crosstool

針對(duì)ARM9或是其它平臺(tái)的開發(fā)，最重要的工具就是Cross Toolchain。Cross Toolchain的制作一直是Embedded Linux開發(fā)者的夢靨，大多數(shù)人選擇由網(wǎng)絡(luò)下載現(xiàn)成的開發(fā)工具，但經(jīng)常會(huì)遇到缺乏鏈接庫的編譯錯(cuò)誤。完整的Cross Toolchain包含1套基本的gcc cross compiler以及其它的應(yīng)用鏈接庫;Cross Toolchain是制作基本gcc cross compiler的工具，透過crosstool即可制作ARM9的基本toolchain。

Root Filesystem概念

Root filesystem的建置，即是在建立1個(gè)基本的Linux系統(tǒng)(base system)，讓kernel在完成開機(jī)后，進(jìn)入user mode執(zhí)行使用者程序。Root filesystem的建置主要是以Busybox為主，并加入(移植)客制化的開放源碼(open source)與自由軟件(free software)。

因?yàn)榍度胧絃inux的root filesystem是依照需求加入套件，與桌面環(huán)境的Linux distribution不同，因此都是用從頭打造的方式做起。在建立root filesystem時(shí)，鏈接庫相依 (library dependencies) 的議題是相當(dāng)重要的項(xiàng)目。當(dāng)root filesystem缺少必要的library時(shí)，程序當(dāng)然無法執(zhí)行，甚至系統(tǒng)也會(huì)無法順利啟動(dòng)。分析應(yīng)用程序所需的相依鏈接庫，觀念如下：

(1)先利用Cross Toolchain的objdump指令觀察ELF格式里的「NEEDED」項(xiàng)目。

(2)必須再檢查這些library是否相依其它library。

1個(gè)基本且可開機(jī)的root filesystem，也稱做bootstrap root filesystem，1個(gè)可用的bootstrap root filesystem只需要包含busybox與libc即可。傳統(tǒng)的Embedded Linux應(yīng)用，大多是以NFS的方式來測試目標(biāo)裝置的完整root filesystem(full root filesystem)。以NFS進(jìn)行Embedded Linux開發(fā)測試，主要是針對(duì)目標(biāo)裝置的full root filesystem做立即(right now)的系統(tǒng)執(zhí)行測試(run-time)，免除不斷打包image file、開機(jī)的惡夢。這是1種流行很久的Embedded Linux系統(tǒng)測試與開發(fā)方式，其概念如下：

(1)將target的完整root filesystem(例如ARM9 root filesystem)建置后，存放于host端的某個(gè)目錄下，例如/home/rootfs。

(2)為target制作1個(gè)NFS root filesystem，也就是bootstrap root filesystem+ NFS功能，并使用NFS root filesystem將目標(biāo)裝置開機(jī)。

(3)設(shè)定host端為NFS server。

(4)以NFS mount方式將host端上的root filesystem目錄mount進(jìn)來，即可在目標(biāo)裝置上執(zhí)行full root filesystem里的應(yīng)用程序。

這種方式不但簡單，而且方便，需要的基礎(chǔ)建設(shè)如下：

1.目標(biāo)裝置使用的kernel必須支持NFS。

2.制作bootstrap root filesystem時(shí)，需要加入mount指令，并且開啟mount指令的NFS功能。

3.加入NFS functionality至bootstrap root filesystem。

4.設(shè)定NFS server。

制作完成的root filesystem必須做打包的動(dòng)作，將整個(gè)root filesystem包裝成1個(gè)映像檔(image file)。根據(jù)目標(biāo)裝置的不同，我們可以將映像檔包裝成ROM fs、Compress ROM fs、ext2fs或是compress RAM fs。

ROM file system

ROM file system(romfs)是1種只讀的檔案系統(tǒng)，在Embedded Linux里的主要應(yīng)用為制作romfs格式的檔案系統(tǒng)映像文件。我們將root filesystem制作成romfs filesystem的image檔。開機(jī)后，整個(gè)filesystem僅能讀取。要使用romfs filesystem必須將Linux kernel里的CONFIG_ROMFS_FS功能選項(xiàng)打開。制作ROM fs映像檔所使用的工具為genromfs。

Compressed ROM file system

Compressed ROM file system(cromfs)即是壓縮過的ROM file system，其制作方式相當(dāng)簡單，只要使用gzip將ROM file system的映像檔壓縮即可。

制作ext2fs映像檔

制作ext2fs映像檔的方式有2種。1種是使用dd指令產(chǎn)生1個(gè)空白的映像檔，接著再將此映像檔以mkfs.ext2指令格式化成ext2的格式。制作好的空白映像檔再以loopback mount方式掛載到1個(gè)目錄下，再將root filesystem整個(gè)復(fù)制到此目錄下，即可完成ext2fs映像檔的制作。

另外1種建立ext2fs映像檔的方式是使用genext2fs工具，此工具的好處是，當(dāng)我們需要在root filesystem里預(yù)先建立(pre-built)裝置文件時(shí)(device file)，只需要編寫1個(gè)裝置文件表格，genext2fs工具會(huì)在打包映像檔時(shí)，自動(dòng)在root filesystem里建立裝置文件。

Initial RAM disk(initrd)

RAM disk是存在于內(nèi)存中的虛擬磁盤，也就是將RAM拿來當(dāng)成磁盤使用。在Embedded Linux的應(yīng)用中，我們通常會(huì)將ramdisk當(dāng)成暫存目錄來使用。例如將/dev/ram1附掛到/tmp目錄，以便能讓應(yīng)用程序存放暫時(shí)性檔案。/dev/ram?為ramdisk的device file。由于整個(gè)root filesystem是從真正的儲(chǔ)存裝置讀取并加載至ramdisk，因此有1個(gè)重要的特性是對(duì)file system所做的任何修改，都不會(huì)影響到真正root filesystem的內(nèi)容。

initrd全名為initialize RAM disk，是1個(gè)特殊的RAM disk。bootloader會(huì)將initrd載至內(nèi)存，Linux kernel則可在/dev/ram0找到initrd。initrd會(huì)在Linux kernel開機(jī)前就加載，initrd正式的用途是用來存放開機(jī)時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)程序(因root filesystem尚未mount進(jìn)來)。在Embedded Linux應(yīng)用上，我們會(huì)利用initrd來存放整個(gè)檔案系統(tǒng)(root filesystem)，也就是將root filesystem制作成ext2或romfs格式(或其它檔案系統(tǒng))的映像文件，并在開機(jī)時(shí)由bootloader加載內(nèi)存，initrd均位于/dev/ram0。要使用RAM disk與initrd，必須將Linux kernel的CONFIG_BLK_DEV_RAM以及CONFIG_BLK_DEV_INITRD)。[!--empirenews.page--]

使用initrd做為root filesystem裝置

將initial RAM disk當(dāng)成root filesystem來使用，是在Embedded Linux應(yīng)用上是相當(dāng)常見的技巧，如果我們想將initial RAM disk當(dāng)成存放root filesystem的裝置來使用，在開機(jī)時(shí)，只需要配合root=的kernel開機(jī)參數(shù)即可。

initramfs

Linus本人在Linux 2.6時(shí)代所提出的 "initramfs" ，是1種更好的 "root=" 做法。簡單來說，initramfs就是kernel 2.6 的 initrd，initramfs是屬于1種compressed ramfs(ram filesystem)的映像檔。

C鏈接庫

在C鏈接庫方面，除了標(biāo)準(zhǔn)的glibc也被廣泛應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域外，也有一些專門針對(duì)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用所發(fā)展的C鏈接庫，像是uClibc以及Diet libc。但是由于現(xiàn)在的ARM9處理器計(jì)算效能都很快，平臺(tái)也多搭載大容量NAND閃存，所以許多實(shí)作都直接使用libc來實(shí)作root filesystem。

Linux驅(qū)動(dòng)程序

由于嵌入式系統(tǒng)整體來看，除了軟件開發(fā)外，也包含硬件客制化，因此驅(qū)動(dòng)程序在嵌入式系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域中，占了舉足輕重的地位。學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)程序需要確實(shí)了解硬件的規(guī)格與微處理器架構(gòu)，并且工程師還要能分得清楚哪些東西是接口(interfacing)，也就是與硬件無關(guān)的程序(machine-independent);以及哪些是站在第一線做硬件控制的程序(machine-dependent)。各種軟件硬接口與匯流排也都要精通。

了解Linux驅(qū)動(dòng)程序的架構(gòu)，是進(jìn)入嵌入式Linux領(lǐng)域的重點(diǎn)功課，因?yàn)樵S多針對(duì)ARM9平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)程序都是參考框架、或是針對(duì)特定開發(fā)板的實(shí)作，因此必須了解Linux驅(qū)動(dòng)程序的架構(gòu)，并進(jìn)行修改，以符合自己的開發(fā)板與外圍規(guī)格。

Linux驅(qū)動(dòng)程序，采取嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆謱邮郊軜?gòu)設(shè)計(jì)(layered architecture)，利用分層的架構(gòu)設(shè)計(jì)來徹底區(qū)分generic device driver(machine independent)與machine dependent driver。

Linux驅(qū)動(dòng)程序透過注冊與回呼的機(jī)制來清楚區(qū)分每1層的關(guān)系。分層架構(gòu)的實(shí)作必須在下層將自己注冊給上層，上層再回呼下層;上層的驅(qū)動(dòng)程序必須提供注冊函數(shù)供下層呼叫，下層驅(qū)動(dòng)程序所使用的注冊函數(shù)也將決定自己的上層架構(gòu)。

與user application如何互動(dòng)，是撰寫驅(qū)動(dòng)程序時(shí)所要考慮的重要一環(huán)，因此撰寫驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，要提供什么功能給應(yīng)用程序引用，就必須事先定義清楚。Linux的 generic device driver層已經(jīng)幫我們把這些功能定義清楚了。Linux驅(qū)動(dòng)程序如何透過I/O port或I/O memory來控制裝置，也就是與芯片組的溝通，方式是使用Linux kernel所提供的I/O函數(shù)來存取并控制實(shí)體硬件裝置。

Linux驅(qū)動(dòng)程序的裝置文件

Device files是UNIX系統(tǒng)的獨(dú)特觀念，在UNIX系統(tǒng)底下我們把外部的周邊裝置均視為1個(gè)檔案，并透過此檔案與實(shí)體硬件溝通，這樣的檔案就叫做device files或special files。

Device file的major number代表1個(gè)特定的裝置，例如major number 1為”null”虛擬裝置，major number定義于kernel文件目錄Documentation/devices.txt。Minor number代表裝置上的子裝置，例如同1個(gè)硬盤上的分割區(qū)就用不同的major number來代表，但其major number相同。

我們在設(shè)計(jì)device driver時(shí)，會(huì)先透過1個(gè)“注冊”(register)的動(dòng)作，將自己注冊到kernel里，注冊時(shí)，我們會(huì)指定1個(gè)major number參數(shù)，以指定此驅(qū)動(dòng)程序所要實(shí)作的外圍裝置。當(dāng)user開啟device file時(shí)，kernel便會(huì)根據(jù)device file的 major number找到對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序響應(yīng)使用者。Minor number則是device driver內(nèi)部所使用，kernel并不會(huì)處理不同的minor number。

Linux 2.6的kobject模型

Linux 2.6在驅(qū)動(dòng)程序的架構(gòu)方面，加入kobject的概念。kobject以更有系統(tǒng)、組織的方式維護(hù)系統(tǒng)里的driver(集中式管理)，但并非改變現(xiàn)有(kernel 2.4以來)的driver架構(gòu)。在kobject的模型下，可以看到1個(gè)platform driver觀念。所謂「platform driver」就是machine- dependent driver，當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)師在kernel 2.6底下實(shí)作machine-dependent driver時(shí)，就要以platform driver的架構(gòu)來實(shí)作。例如，針對(duì)我們的目標(biāo)裝置進(jìn)行硬件層的驅(qū)動(dòng)程序撰寫時(shí)，就要以platform driver的方式來撰寫，實(shí)作上，只是多1個(gè)注冊到platform driver層的動(dòng)作而已。

Flash裝置的支持

針對(duì)嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常使用的閃存(Flash)儲(chǔ)存裝置，Linux kernel支持JFFS2與NFTL 2個(gè)專門針對(duì)快閃記億體設(shè)計(jì)的檔案系統(tǒng)。JFFS2(Journaling Flash File System version 2)是專門針對(duì) NOR 型閃存所設(shè)計(jì)的檔案系統(tǒng)。NFTL(NAND Flash Translation Layer)則是專門針對(duì)NAND型閃存設(shè)計(jì)的檔案系統(tǒng)。

結(jié)論

綜合而言，Embedded Linux是1個(gè)平臺(tái)、也是一些工具的集合、也是1個(gè)嵌入式軟件的開發(fā)環(huán)境;實(shí)作上，Embedded Linux除了會(huì)進(jìn)行kernel的修改、驅(qū)動(dòng)程序的移植或開發(fā)外，也會(huì)是系統(tǒng)管理與系統(tǒng)整合的再應(yīng)用，這是一門集大成的技術(shù)，并不只是1個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)，也不只是1套開發(fā)工具。