构造嵌入式Linux
时间：2007-02-17 来源：PHP爱好者
Linux自身具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境，并且可以跨越嵌入式系统开发中的仿真工具（ICE）的障碍。内核的完全开放使人们可以自己设计和开发出真正的硬实时系统，软实时系统在Linux中也容易得到实现。强大的网络支持使得可以利用Linux的网络协议栈将其开发成为嵌入式的TCP/IP网络协议栈。
Linux提供了完成嵌入功能的基本内核和所需要的所有用户界面，它是多面的。它能处理嵌入式任务和用户界面。
一个小型的嵌入式Linux系统只需要下面三个基本元素：
* 引导工具
* Linux微内核，由内存管理、进程管理和事务处理构成
* 初始化进程
如果要让它能干点什么且继续保持小型化，还得加上：
* 硬件驱动程序
* 提供所需功能的一个或更多应用程序。
再增加功能，或许需要这些：
* 一个文件系统（也许在ROM或RAM）中
* TCP/IP网络堆栈
下面我们就从精简内核、系统启动、驱动程序将、X-Window换成MicroWindows四个步骤介绍嵌入式Linux的实际开发。
精简内核
构造内核的常用命令包括：make config、dep、clean、mrproper、zImage、bzImage、modules、modules_install。命令说明略。
现在举个例子说明一下：
我使用的是 Mandrake内附的 2.2.15。我没有修改任何一行程序码，完全只靠修改组态档得到这些数据。
首先，使用 make config 把所有可以拿掉的选项都拿得。
不要 floppy；不要SMP、MTRR；不要 Networking、SCSI；把所有的 block device 移除，只留下 old IDE device；把所有的 character device 移除；把所有的 filesystem 移除，只留下 minix；不要 sound 支援。相信我，我己经把所有的选项都移除了。这样做之后，我得到了一个 188K 的核心。
还不够小吗? OK，再加上一招，请把下列两个档案中的 -O3,-O2 用 -Os 取代。
./Makefile
./arch/i386/kernel/
Makefile
这样一来，整个核心变小了 9K，成为 179K。
不过这个核心恐怕很难发挥 Linux 的功能，因此我决定把网络加回去。把General中的 network support 加回去，重新编译，核心变成 189 K。10K就加上个 TCP/IP stack，似乎是很上算的生意。
有stack没有driver也是枉然，所以我把 embedded board常用的RTL8139的driver加回去，195K。
如果你需要 DOS 档案系统，那大小成为 213K。如果 minix 用 ext2 换代，则大小成长至 222K。
Linux所需的内存大约在600K～800K之间。1MB内存就可能可以开机了，但不太有用，因为连载入C程序库都有困难。2MB内存应该就可以做点事了，但要到 4MB以上才可以执行一个比较完整的系统。
因为Linux 的filesystem 相当大，大约在 230K 左右，占了 1/3 的体积。内存管理占了80K，和核心其它部分的总和差不多。TCP/IP stack 占了65K，驱动程序占了120K。SysV IPC占了 21K，必要的话可以拿掉，核心档应该可以再小个10K左右。
如果要裁剪核心大小，应该动那里呢? 答案很明显，当然是文件系统。Linux 的 VFS简化了档案系统的设计，buffer cache, directory cache增加了系统的效率。但这些embedded系统根本就用处不大。如果可以把它们拿掉，核心可以马上缩小 20K 左右。如果跳过整个 VFS，直接将文件系统写成一个 driver 的型式，应该可以将 230K缩减至50K左右。整个核心缩到100K左右。
系统启动
系统的启动顺序及相关文件仍在核心源码目录下，看以下几个文件：
./arch/$ARCH/boot/
bootsect.s
./arch/$ARCH/boot/setup.s
./init/main.c
bootsect.S 及 setup.S
这个程序是Linux kernel的第一个程序，包括了Linux自己的bootstrap程序，但是在说明这个程序前，必须先说明一般IBM PC开机时的动作(此处的开机是指“打开PC的电源”)。
一般PC在电源一开时，是由内存中地址FFFF:0000开始执行(这个地址一定在ROM BIOS中，ROM BIOS一般是在FEOOOh到FFFFFh中)，而此处的内容则是一个jump指令，jump到另一个位于ROM BIOS中的位置，开始执行一系列的动作。
紧接着系统测试码之后，控制权会转移给ROM中的启动程序(ROM bootstrap routine)。这个程序会将磁盘上的第零轨第零扇区读入内存中，至于读到内存的哪里呢? --绝对位置07C0:0000(即07C00h处)，这是IBM系列PC的特性。而位于Linux开机磁盘的boot sector上的，正是Linux的bootsect程序。
把大家所熟知的MS DOS 与Linux的开机部分做个粗浅的比较。MS DOS 由位于磁盘上boot sector的boot程序负责把IO.SYS载入内存中，而IO.SYS则负有把DOS的kernel --MSDOS.SYS载入内存的重任。而Linux则是由位于boot sector 的bootsect程序负责把setup及Linux的kernel载入内存中，再将控制权交给setup。
驱动程序
在Linux系统里，设备驱动程序所提供的这组入口点由一个结构来向系统进行说明。
设备驱动程序所提供的入口点，在设备驱动程序初始化的时候向系统进行登记，以便系统在适当的时候调用。Linux系统里，通过调用register_chrdev 向系统注册字符型设备驱动程序。
在Linux里，除了直接修改系统核心的源代码，把设备驱动程序加进核心里以外，还可以把设备驱动程序作为可加载的模块，由系统管理员动态地加载它，使之成为核心的一部分。也可以由系统管理员把已加载的模块动态地卸载下来。Linux中，模块可以用C语言编写，用gcc编译成目标文件（不进行链接，作为*.o文件存在）。为此需要在gcc命令行里加上-c的参数。在成功地向系统注册了设备驱动程序后（调用register_chrdev成功后），就可以用mknod命令来把设备映射为一个特别文件。其它程序使用这个设备的时候，只要对此特别文件进行操作就行了。
将X-Window换成MicroWindows
MicroWindows是使用分层结构的设计方法。允许改变不同的层来适应实际的应用。在最底一层，提供了屏幕、鼠标/触摸屏和键盘的驱动，使程序能访问实际的硬件设备和其它用户定制设备。在中间一层，有一个轻巧的图形引擎，提供了绘制线条、区域填充、绘制多边形、裁剪和使用颜色模式的方法。在最上一层，提供了不同的API给图形应用程序使用。这些API可以提供或不提供桌面和窗口外形。目前，MicroWindows支持Windows Win32/WinCE GDI和Nano-X API。这些API提供了Win32和X窗口系统的紧密兼容性，使得别的应用程序可以很容易就能移植到MicroWindows上。
何谓嵌入式系统
嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。
嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，如果独立于应用自行发展，则会失去市场。嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，这些也是各个半导体厂商之间竞争的热点。嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键。软件要求固化存储，软件代码要求高质量、高可靠性，系统软件(OS)的高实时性是基本要求。
在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。
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Linux提供了完成嵌入功能的基本内核和所需要的所有用户界面，它是多面的。它能处理嵌入式任务和用户界面。
一个小型的嵌入式Linux系统只需要下面三个基本元素：
* 引导工具
* Linux微内核，由内存管理、进程管理和事务处理构成
* 初始化进程
如果要让它能干点什么且继续保持小型化，还得加上：
* 硬件驱动程序
* 提供所需功能的一个或更多应用程序。
再增加功能，或许需要这些：
* 一个文件系统（也许在ROM或RAM）中
* TCP/IP网络堆栈
下面我们就从精简内核、系统启动、驱动程序将、X-Window换成MicroWindows四个步骤介绍嵌入式Linux的实际开发。
精简内核
构造内核的常用命令包括：make config、dep、clean、mrproper、zImage、bzImage、modules、modules_install。命令说明略。
现在举个例子说明一下：
我使用的是 Mandrake内附的 2.2.15。我没有修改任何一行程序码，完全只靠修改组态档得到这些数据。
首先，使用 make config 把所有可以拿掉的选项都拿得。
不要 floppy；不要SMP、MTRR；不要 Networking、SCSI；把所有的 block device 移除，只留下 old IDE device；把所有的 character device 移除；把所有的 filesystem 移除，只留下 minix；不要 sound 支援。相信我，我己经把所有的选项都移除了。这样做之后，我得到了一个 188K 的核心。
还不够小吗? OK，再加上一招，请把下列两个档案中的 -O3,-O2 用 -Os 取代。
./Makefile
./arch/i386/kernel/
Makefile
这样一来，整个核心变小了 9K，成为 179K。
不过这个核心恐怕很难发挥 Linux 的功能，因此我决定把网络加回去。把General中的 network support 加回去，重新编译，核心变成 189 K。10K就加上个 TCP/IP stack，似乎是很上算的生意。
有stack没有driver也是枉然，所以我把 embedded board常用的RTL8139的driver加回去，195K。
如果你需要 DOS 档案系统，那大小成为 213K。如果 minix 用 ext2 换代，则大小成长至 222K。
Linux所需的内存大约在600K～800K之间。1MB内存就可能可以开机了，但不太有用，因为连载入C程序库都有困难。2MB内存应该就可以做点事了，但要到 4MB以上才可以执行一个比较完整的系统。
因为Linux 的filesystem 相当大，大约在 230K 左右，占了 1/3 的体积。内存管理占了80K，和核心其它部分的总和差不多。TCP/IP stack 占了65K，驱动程序占了120K。SysV IPC占了 21K，必要的话可以拿掉，核心档应该可以再小个10K左右。
如果要裁剪核心大小，应该动那里呢? 答案很明显，当然是文件系统。Linux 的 VFS简化了档案系统的设计，buffer cache, directory cache增加了系统的效率。但这些embedded系统根本就用处不大。如果可以把它们拿掉，核心可以马上缩小 20K 左右。如果跳过整个 VFS，直接将文件系统写成一个 driver 的型式，应该可以将 230K缩减至50K左右。整个核心缩到100K左右。
系统启动
系统的启动顺序及相关文件仍在核心源码目录下，看以下几个文件：
./arch/$ARCH/boot/
bootsect.s
./arch/$ARCH/boot/setup.s
./init/main.c
bootsect.S 及 setup.S
这个程序是Linux kernel的第一个程序，包括了Linux自己的bootstrap程序，但是在说明这个程序前，必须先说明一般IBM PC开机时的动作(此处的开机是指“打开PC的电源”)。
一般PC在电源一开时，是由内存中地址FFFF:0000开始执行(这个地址一定在ROM BIOS中，ROM BIOS一般是在FEOOOh到FFFFFh中)，而此处的内容则是一个jump指令，jump到另一个位于ROM BIOS中的位置，开始执行一系列的动作。
紧接着系统测试码之后，控制权会转移给ROM中的启动程序(ROM bootstrap routine)。这个程序会将磁盘上的第零轨第零扇区读入内存中，至于读到内存的哪里呢? --绝对位置07C0:0000(即07C00h处)，这是IBM系列PC的特性。而位于Linux开机磁盘的boot sector上的，正是Linux的bootsect程序。
把大家所熟知的MS DOS 与Linux的开机部分做个粗浅的比较。MS DOS 由位于磁盘上boot sector的boot程序负责把IO.SYS载入内存中，而IO.SYS则负有把DOS的kernel --MSDOS.SYS载入内存的重任。而Linux则是由位于boot sector 的bootsect程序负责把setup及Linux的kernel载入内存中，再将控制权交给setup。
驱动程序
在Linux系统里，设备驱动程序所提供的这组入口点由一个结构来向系统进行说明。
设备驱动程序所提供的入口点，在设备驱动程序初始化的时候向系统进行登记，以便系统在适当的时候调用。Linux系统里，通过调用register_chrdev 向系统注册字符型设备驱动程序。
在Linux里，除了直接修改系统核心的源代码，把设备驱动程序加进核心里以外，还可以把设备驱动程序作为可加载的模块，由系统管理员动态地加载它，使之成为核心的一部分。也可以由系统管理员把已加载的模块动态地卸载下来。Linux中，模块可以用C语言编写，用gcc编译成目标文件（不进行链接，作为*.o文件存在）。为此需要在gcc命令行里加上-c的参数。在成功地向系统注册了设备驱动程序后（调用register_chrdev成功后），就可以用mknod命令来把设备映射为一个特别文件。其它程序使用这个设备的时候，只要对此特别文件进行操作就行了。
将X-Window换成MicroWindows
MicroWindows是使用分层结构的设计方法。允许改变不同的层来适应实际的应用。在最底一层，提供了屏幕、鼠标/触摸屏和键盘的驱动，使程序能访问实际的硬件设备和其它用户定制设备。在中间一层，有一个轻巧的图形引擎，提供了绘制线条、区域填充、绘制多边形、裁剪和使用颜色模式的方法。在最上一层，提供了不同的API给图形应用程序使用。这些API可以提供或不提供桌面和窗口外形。目前，MicroWindows支持Windows Win32/WinCE GDI和Nano-X API。这些API提供了Win32和X窗口系统的紧密兼容性，使得别的应用程序可以很容易就能移植到MicroWindows上。
何谓嵌入式系统
嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。
嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，如果独立于应用自行发展，则会失去市场。嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，这些也是各个半导体厂商之间竞争的热点。嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键。软件要求固化存储，软件代码要求高质量、高可靠性，系统软件(OS)的高实时性是基本要求。
在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。
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