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
& I5 M9 ^* r' ]2 @
0 前言
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。
+ T# |- s' `! K! N7 QLinux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。

1 開發中的關鍵問題及解決方案
/ ]# h: O( y* W/ X# {1.1 硬體及軟體環境
  [& ]/ A- t* s1 k3 G/ GLinux 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。
$ P) [2 M: O9 n9 H+ n7 f+ Y/ uCompactFlash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：
0 w' j8 K- \7 v9 h+ E; |; WETLinux — 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。
% D  o' a4 P7 s7 E9 PLEM — 運行在 386 上的小型（<8 MB）多用戶、網路 Linux 版本。
; p' t5 M# D3 \: V6 j2 @& mLOAF — "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。
: ]  s, Z3 X& h7 K; L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。
% M! p& R$ i; _8 r* L
1.2 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.
1.2 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.
1.3 編譯內核
5 e, \5 _# f* u' T9 O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）
2 k! N- _9 G8 ?. W. Z: h- J5 Y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。
- a$ U/ U6 o% b) T+ C  q4 ]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.
/ z9 ?9 i( ~; C/ z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：
+ F; w+ e( S2 j- R( m) G# _::sysinit:/etc/init.d/rcS         //運行系統公共腳本
) Y- V& K) F  @  o5 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
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：
( D, |3 D, ]  J2 x0 R" n! \proc          /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：
boot=/dev/hdc              #從CompactFlash卡啟動
disk=/dev/hdc
  M& q6 Y9 T. ~6 Y: U! s) M/ ~( k7 Ibios=0x80                 #使BIOS認CompactFlash卡為啟動盤
delay=0                   #可選，以秒為單位
& G- w2 Q! |" h: }6 f1 hvga=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
. U1 O; [' c  K8 |  U* V# Tlabel=CompactFlash         #嵌入式Linux的名字
% T. g3 W  y$ V" N9 uread-write                  #以read-write方式mount根檔系統
- ?* A  ?. H; f8 q6 E6 G, y. x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：
  z& f* M5 N/ y' c0 g9 U/mnt/CompactLinux/sbin/lilo -r /mnt/CompactLinux -C etc/lilo.conf
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：
boot=/dev/hdc              #從CompactFlash卡啟動
) ^/ u9 Q* t$ f: |9 jdisk=/dev/hdc
( i6 G4 n5 E$ Obios=0x80                 #使BIOS認CompactFlash卡為啟動盤
delay=0                   #可選，以秒為單位
vga=0x311                #可選，參照Frame buffer的配置
% R0 W# H) ~, q! Jimage=/boot/vmlinuz-2.4.7   #內核檔位置
! K4 j, r/ O9 Wroot=/dev/hdc1             #root分區位置
1 [, d8 [0 m' |- }  e; blabel=CompactFlash         #嵌入式Linux的名字
0 _) t) W) E# [1 wread-write                  #以read-write方式mount根檔系統
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：
$ i; X9 @  k, e/ c2 {5 `/mnt/CompactLinux/sbin/lilo -r /mnt/CompactLinux -C etc/lilo.conf
' d5 ~& D. n# \3 P+ E9 m9 a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。
. X  ?  d9 U5 h) y& \1 f, P8 I1.6 MiniGUI
9 o0 [/ ~, j6 f* w0 H% y* D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：
*  MiniGUI的演示檔。
0 w) s* u) O* P- N. Y8 p) y*  MiniGUI 的函數庫，包括 libminigui、libmywins 和 libmgext 等。
; u1 M0 g( \. x& O$ {6 k*  MiniGUI 的配置檔，即 MiniGUI.cfg 文件。
*  MiniGUI 所使用的資源檔案。
! ?* Z! M8 K- f1 |; Y+ b+ N' w- C如果你覺得檔太大，參照下面的方法進行修改：
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。
   
3 U9 `) J  W# ^8 o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：
% Z! G& ~. n- M/ F6 c*  MiniGUI的演示檔。
3 B" l( l& g7 x4 P  K! A4 x& A*  MiniGUI 的函數庫，包括 libminigui、libmywins 和 libmgext 等。
*  MiniGUI 的配置檔，即 MiniGUI.cfg 文件。
5 H( ^( h! w( ^1 W4 r*  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：
  Z; f: R* T$ ?  d1. 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。
   
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。
! I4 L; X0 g0 D. ]; R0 [) Y  I) F
2 一些補充
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。
& N6 M4 |1 {. _" B/ d/ D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：
* 內核編譯  在編譯內核時去掉不需要的功能，如網路支援等。
" C! u3 h9 P/ i. m) {' c7 E( w* 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。
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。

, l# p9 @6 m: Q& F0 [3 f3 結束語
3 t8 {3 f& U& u8 e$ J- ^& _  Z" o    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
* Linux bootdisk HOWTO
* LILO mini-HOWTO
* 王學龍. <<嵌入式Linux系統設計與應用>>. 清華大學出版社. 2001.8
) y& N" S  d) [! v! m* Darrick Addison. 嵌入式 Linux 應用：概述. IBM developerWorks網站. 2001.8
* http://www.kernel.org/
* http://www.minigui.org/
/ K+ W0 ]. j9 Y# F' m) S/ H- Q* http://www.busybox.net/