嵌入式設(shè)備上的 Linux 系統(tǒng)開發(fā)

Linux正在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域穩(wěn)步發(fā)展。因為Linux使用GPL（請參閱本文后面的參考資料），所以任何對將Linux定制于PDA、掌上機(jī)或者可佩帶設(shè)備感興趣的人都可以從因特網(wǎng)免費下載其內(nèi)核和應(yīng)用程序，并開始移植或開發(fā)。許多Linux改良品種迎合了嵌入式／實時市場。它們包括RTLinux（實時Linux）、uclinux（用于非MMU設(shè)備的Linux）、MontavistaLinux（用于ARM、MIPS、PPC的Linux分發(fā)版）、ARM-Linux（ARM上的Linux）和其它Linux系統(tǒng)（請參閱參考資料以鏈接到本文中提到的這些和其它術(shù)語及產(chǎn)品。）

嵌入式Linux開發(fā)大致涉及三個層次：引導(dǎo)裝載程序、Linux內(nèi)核和圖形用戶界面（或稱GUI）。在本文中，我們將集中討論涉及這三層的一些基本概念；深入了解引導(dǎo)裝載程序、內(nèi)核和文件系統(tǒng)是如何交互的；并將研究可用于文件系統(tǒng)、GUI和引導(dǎo)裝載程序的眾多選項中的一部分。

引導(dǎo)裝載程序

引導(dǎo)裝載程序通常是在任何硬件上執(zhí)行的第一段代碼。在象臺式機(jī)這樣的常規(guī)系統(tǒng)中，通常將引導(dǎo)裝載程序裝入主引導(dǎo)記錄（MasterBootRecord，(MBR)）中，或者裝入Linux駐留的磁盤的第一個扇區(qū)中。通常，在臺式機(jī)或其它系統(tǒng)上，BIOS將控制移交給引導(dǎo)裝載程序。這就提出了一個有趣的問題：誰將引導(dǎo)裝載程序裝入（在大多數(shù)情況中）沒有BIOS的嵌入式設(shè)備上呢？

解決這個問題有兩種常規(guī)技術(shù)：專用軟件和微小的引導(dǎo)代碼（tinybootcode）。

專用軟件可以直接與遠(yuǎn)程系統(tǒng)上的閃存設(shè)備進(jìn)行交互并將引導(dǎo)裝載程序安裝在閃存的給定位置中。閃存設(shè)備是與存儲設(shè)備功能類似的特殊芯片，而且它們能持久存儲信息D即，在重新引導(dǎo)時不會擦除其內(nèi)容。

這個軟件使用目標(biāo)（在嵌入式開發(fā)中，嵌入式設(shè)備通常被稱為目標(biāo)）上的JTAG端口，它是用于執(zhí)行外部輸入（通常來自主機(jī)機(jī)器）的指令的接口。JFlash-linux是一種用于直接寫閃存的流行工具。它支持為數(shù)眾多的閃存芯片；它在主機(jī)機(jī)器（通常是i386機(jī)器D本文中我們把一臺i386機(jī)器稱為主機(jī)）上執(zhí)行并通過JTAG接口使用并行端口訪問目標(biāo)的閃存芯片。當(dāng)然，這意味著目標(biāo)需要有一個并行接口使它能與主機(jī)通信。Jflash-linux在Linux和Windows版本中都可使用，可以在命令行中用以下命令啟動它：
Jflash-linuxbootloader>



某些種類的嵌入式設(shè)備具有微小的引導(dǎo)代碼D根據(jù)幾個字節(jié)的指令D它將初始化一些DRAM設(shè)置并啟用目標(biāo)上的一個串行（或者USB，或者以太網(wǎng)）端口與主機(jī)程序通信。然后，主機(jī)程序或裝入程序可以使用這個連接將引導(dǎo)裝載程序傳送到目標(biāo)上，并將它寫入閃存。

在安裝它并給予其控制后，這個引導(dǎo)裝載程序執(zhí)行下列各類功能：

初始化CPU速度
初始化內(nèi)存，包括啟用內(nèi)存庫、初始化內(nèi)存配置寄存器等
初始化串行端口（如果在目標(biāo)上有的話）
啟用指令／數(shù)據(jù)高速緩存
設(shè)置堆棧指針
設(shè)置參數(shù)區(qū)域并構(gòu)造參數(shù)結(jié)構(gòu)和標(biāo)記（這是重要的一步，因為內(nèi)核在標(biāo)識根設(shè)備、頁面大小、內(nèi)存大小以及更多內(nèi)容時要使用引導(dǎo)參數(shù)）
執(zhí)行POST（加電自檢）來標(biāo)識存在的設(shè)備并報告任何問題
為電源管理提供掛起／恢復(fù)支持
跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的開始
帶有引導(dǎo)裝載程序、參數(shù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)核和文件系統(tǒng)的系統(tǒng)典型內(nèi)存布局可能如下所示：


清單1.典型內(nèi)存布局
/*TopOfMemory*/
Bootloader
ParameterArea
Kernel
Filesystem
/*EndOfMemory*/



嵌入式設(shè)備上一些流行的并可免費使用的Linux引導(dǎo)裝載程序有Blob、Redboot和Bootldr（請參閱參考資料獲得鏈接）。所有這些引導(dǎo)裝載程序都用于基于ARM設(shè)備上的Linux，并需要Jflash-linux工具用于安裝。

一旦將引導(dǎo)裝載程序安裝到目標(biāo)的閃存中，它就會執(zhí)行我們上面提到的所有初始化工作。然后，它準(zhǔn)備接收來自主機(jī)的內(nèi)核和文件系統(tǒng)。一旦裝入了內(nèi)核，引導(dǎo)裝載程序就將控制轉(zhuǎn)給內(nèi)核。

設(shè)置工具鏈

設(shè)置工具鏈在主機(jī)機(jī)器上創(chuàng)建一個用于編譯將在目標(biāo)上運行的內(nèi)核和應(yīng)用程序的構(gòu)建環(huán)境D這是因為目標(biāo)硬件可能沒有與主機(jī)兼容的二進(jìn)制執(zhí)行級別。

工具鏈由一套用于編譯、匯編和鏈接內(nèi)核及應(yīng)用程序的組件組成。這些組件包括：

BinutilsD用于操作二進(jìn)制文件的實用程序集合。它們包括諸如ar、as、objdump、objcopy這樣的實用程序。
GccDGNUC編譯器。
GlibcD所有用戶應(yīng)用程序都將鏈接到的C庫。避免使用任何C庫函數(shù)的內(nèi)核和其它應(yīng)用程序可以在沒有該庫的情況下進(jìn)行編譯。
構(gòu)建工具鏈建立了一個交叉編譯器環(huán)境。本地編譯器編譯與本機(jī)同類的處理器的指令。交叉編譯器運行在某一種處理器上，卻可以編譯另一種處理器的指令。重頭設(shè)置交叉編譯器工具鏈可不是一項簡單的任務(wù)：它包括下載源代碼、修補(bǔ)補(bǔ)丁、配置、編譯、設(shè)置頭文件、安裝以及很多很多的操作。另外，這樣一個徹底的構(gòu)建過程對內(nèi)存和硬盤的需求是巨大的。如果沒有足夠的內(nèi)存和硬盤空間，那么在構(gòu)建階段由于相關(guān)性、配置或頭文件設(shè)置等問題會突然冒出許多問題。

因此能夠從因特網(wǎng)上獲得已預(yù)編譯的二進(jìn)制文件是一件好事（但不太好的一點是，目前它們大多數(shù)只限于基于ARM的系統(tǒng)，但遲早會改變的）。一些比較流行的已預(yù)編譯的工具鏈包括那些來自Compaq（FamiliarLinux）、LART（LARTLinux）和Embedian（基于Debian但與它無關(guān)）的工具鏈D所有這些工具鏈都用于基于ARM的平臺。

內(nèi)核設(shè)置

Linux社區(qū)正積極地為新硬件添加功能部件和支持、在內(nèi)核中修正錯誤并且及時地進(jìn)行常規(guī)改進(jìn)。這導(dǎo)致大約每6個月（或6個月不到）就有一個穩(wěn)定的Linux樹的新發(fā)行版。不同的維護(hù)者維護(hù)針對特定體系結(jié)構(gòu)的不同內(nèi)核樹和補(bǔ)丁。當(dāng)為一個項目選擇了一個內(nèi)核時，您需要評估最新發(fā)行版的穩(wěn)定性如何、它是否符合項目要求和硬件平臺、從編程角度來看它的舒適程度以及其它難以確定的方面。還有一點也非常重要：找到需要應(yīng)用于基本內(nèi)核的所有補(bǔ)丁，以便為特定的體系結(jié)構(gòu)調(diào)整內(nèi)核。

內(nèi)核布局

內(nèi)核布局分為特定于體系結(jié)構(gòu)的部分和與體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的部分。內(nèi)核中特定于體系結(jié)構(gòu)的部分首先執(zhí)行，設(shè)置硬件寄存器、配置內(nèi)存映射、執(zhí)行特定于體系結(jié)構(gòu)的初始化，然后將控制轉(zhuǎn)給內(nèi)核中與體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的部分。系統(tǒng)的其余部分在這第二個階段期間進(jìn)行初始化。內(nèi)核樹下的目錄arch/由不同的子目錄組成，每個子目錄用于一個不同的體系結(jié)構(gòu)（MIPS、ARM、i386、SPARC、PPC等）。每一個這樣的子目錄都包含kernel/和mm/子目錄，它們包含特定于體系結(jié)構(gòu)的代碼來完成象初始化內(nèi)存、設(shè)置IRQ、啟用高速緩存、設(shè)置內(nèi)核頁面表等操作。一旦裝入內(nèi)核并給予其控制，就首先調(diào)用這些函數(shù)，然后初始化系統(tǒng)的其余部分。

根據(jù)可用的系統(tǒng)資源和引導(dǎo)裝載程序的功能，內(nèi)核可以編譯成vmlinux、Image或zImage。vmlinux和zImage之間的主要區(qū)別在于vmlinux是實際的（未壓縮的）可執(zhí)行文件，而zImage是或多或少包含相同信息的自解壓壓縮文件D只是壓縮它以處理（通常是Intel強(qiáng)制的）640KB引導(dǎo)時間的限制。有關(guān)所有這些的權(quán)威性解釋，請參閱LinuxMagazine的文章“KernelConfiguration:dealingwiththeunexpected”（請參閱參考資料）。

內(nèi)核鏈接和裝入

一旦為目標(biāo)系統(tǒng)編譯了內(nèi)核后，通過使用引導(dǎo)裝載程序（它已經(jīng)被裝入到目標(biāo)的閃存中），內(nèi)核就被裝入到目標(biāo)系統(tǒng)的內(nèi)存（在DRAM中或者在閃存中）。通過使用串行、USB或以太網(wǎng)端口，引導(dǎo)裝載程序與主機(jī)通信以將內(nèi)核傳送到目標(biāo)的閃存或DRAM中。在將內(nèi)核完全裝入目標(biāo)后，引導(dǎo)裝載程序?qū)⒖刂苽鬟f給裝入內(nèi)核的地址。

內(nèi)核可執(zhí)行文件由許多鏈接在一起的對象文件組成。對象文件有許多節(jié)，如文本、數(shù)據(jù)、init數(shù)據(jù)、bass等等。這些對象文件都是由一個稱為鏈接器腳本的文件鏈接并裝入的。這個鏈接器腳本的功能是將輸入對象文件的各節(jié)映射到輸出文件中；換句話說，它將所有輸入對象文件都鏈接到單一的可執(zhí)行文件中，將該可執(zhí)行文件的各節(jié)裝入到指定地址處。vmlinux.lds是存在于arch/target>/目錄中的內(nèi)核鏈接器腳本，它負(fù)責(zé)鏈接內(nèi)核的各個節(jié)并將它們裝入內(nèi)存中特定偏移量處。典型的vmlinux.lds看起來象這樣：


清單2.典型的vmlinux.lds文件
OUTPUT_ARCH(arch>)/*arch>includesarchitecturetype*/
ENTRY(stext)/*stextisthekernelentrypoint*/
SECTIONS/*SECTIONScommanddescribesthelayout
oftheoutputfile*/
{
.=TEXTADDR;/*TEXTADDRisLMAforthekernel*/
.init:{/*Initcodeanddata*/
_stext=.;/*Firstsectionisstextfollowed
by__initdatasection*/
__init_begin=.;
*(.text.init)
__init_end=.;
}
.text:{/*Realtextsegmentfollows__init_datasection*/
_text=.;
*(.text)
_etext=.;/*Endoftextsection*/
}
.data:{
_data=.;/*Datasectioncomesaftertextsection*/
*(.data)
_edata=.;
}/*Datasectionendshere*/
.bss:{/*BSSsectionfollowssymboltablesection*/
__bss_start=.;
*(.bss)
_end=.;/*BSSsectionendshere*/
}
}



LMA是裝入模塊地址；它表示將要裝入內(nèi)核的目標(biāo)虛擬內(nèi)存中的地址。TEXTADDR是內(nèi)核的虛擬起始地址，并且在arch/target>/下的Makefile中指定它的值。這個地址必須與引導(dǎo)裝載程序使用的地址相匹配。

一旦引導(dǎo)裝載程序?qū)?nèi)核復(fù)制到閃存或DRAM中，內(nèi)核就被重新定位到TEXTADDR―它通常在DRAM中。然后，引導(dǎo)裝載程序?qū)⒖刂妻D(zhuǎn)給這個地址，以便內(nèi)核能開始執(zhí)行。

參數(shù)傳遞和內(nèi)核引導(dǎo)

stext是內(nèi)核入口點，這意味著在內(nèi)核引導(dǎo)時將首先執(zhí)行這一節(jié)下的代碼。它通常用匯編語言編寫，并且通常它在arch/target>/內(nèi)核目錄下。這個代碼設(shè)置內(nèi)核頁面目錄、創(chuàng)建身份內(nèi)核映射、標(biāo)識體系結(jié)構(gòu)和處理器以及執(zhí)行分支start_kernel（初始化系統(tǒng)的主例程）。

start_kernel調(diào)用setup_arch作為執(zhí)行的第一步，在其中完成特定于體系結(jié)構(gòu)的設(shè)置。這包括初始化硬件寄存器、標(biāo)識根設(shè)備和系統(tǒng)中可用的DRAM和閃存的數(shù)量、指定系統(tǒng)中可用頁面的數(shù)目、文件系統(tǒng)大小等等。所有這些信息都以參數(shù)形式從引導(dǎo)裝載程序傳遞到內(nèi)核。

將參數(shù)從引導(dǎo)裝載程序傳遞到內(nèi)核有兩種方法：parameter_structure和標(biāo)記列表。在這兩種方法中，不贊成使用參數(shù)結(jié)構(gòu)，因為它強(qiáng)加了限制：指定在內(nèi)存中，每個參數(shù)必須位于param_struct中的特定偏移量處。最新的內(nèi)核期望參數(shù)作為標(biāo)記列表的格式來傳遞，并將參數(shù)轉(zhuǎn)化為已標(biāo)記格式。param_struct定義在include/asm/setup.h中。它的一些重要字段是：


清單3.樣本參數(shù)結(jié)構(gòu)
structparam_struct{
unsignedlongpage_size;/*0:Sizeofthepage*/
unsignedlongnr_pages;/*4:Numberofpagesinthesystem*/
unsignedlongramdisk/*8:ramdisksize*/
unsignedlongrootdev;/*16:Numberrepresentingtherootdevice*/
unsignedlonginitrd_start;/*64:startingaddressofinitialramdisk*/
/*Thiscanbeeitherinflash/dram*/
unsignedlonginitrd_size;/*68:sizeofinitialramdisk*/
}



請注意：這些數(shù)表示定義字段的參數(shù)結(jié)構(gòu)中的偏移量。這意味著如果引導(dǎo)裝載程序?qū)?shù)結(jié)構(gòu)放置在地址0xc0000100，那么rootdev參數(shù)將放置在0xc0000100+16，initrd_start將放置在0xc0000100+64等等D否則，內(nèi)核將在解釋正確的參數(shù)時遇到困難。

正如上面提到的，因為從引導(dǎo)裝載程序到內(nèi)核的參數(shù)傳遞會有一些約束條件，所以大多數(shù)2.4.x系列內(nèi)核期望參數(shù)以已標(biāo)記的列表格式傳遞。在已標(biāo)記的列表中，每個標(biāo)記由標(biāo)識被傳遞參數(shù)的tag_header以及其后的參數(shù)值組成。標(biāo)記列表中標(biāo)記的常規(guī)格式可以如下所示：


清單4.樣本標(biāo)記格式。內(nèi)核通過ATAG_TAGNAME>頭來標(biāo)識每個標(biāo)記。
#defineaTAG_TAGNAME>SomeMagicnumber>
structtag_tagname>{
u32tag_param>;
u32tag_param>;
};
/*Exampletagforpassingmemoryinformation*/
#defineATAG_MEM0x54410002/*Magicnumber*/
structtag_mem32{
u32size;/*sizeofmemory*/
u32start;/*physicalstartaddressofmemory*/
};



setup_arch還需要對閃存存儲庫、系統(tǒng)寄存器和其它特定設(shè)備執(zhí)行內(nèi)存映射。一旦完成了特定于體系結(jié)構(gòu)的設(shè)置，控制就返回到初始化系統(tǒng)其余部分的start_kernel函數(shù)。這些附加的初始化任務(wù)包含：

設(shè)置陷阱
初始化中斷
初始化計時器
初始化控制臺
調(diào)用mem_init，它計算各種區(qū)域、高內(nèi)存區(qū)等內(nèi)的頁面數(shù)量
初始化slab分配器并為VFS、緩沖區(qū)高速緩存等創(chuàng)建slab高速緩存
建立各種文件系統(tǒng)，如proc、ext2和JFFS2
創(chuàng)建kernel_thread，它執(zhí)行文件系統(tǒng)中的init命令并顯示lign提示符。如果在/bin、/sbin或/etc中沒有init程序，那么內(nèi)核將執(zhí)行文件系統(tǒng)的/bin中的shell。


設(shè)備驅(qū)動程序

嵌入式系統(tǒng)通常有許多設(shè)備用于與用戶交互，象觸摸屏、小鍵盤、滾動輪、傳感器、RA232接口、LCD等等。除了這些設(shè)備外，還有許多其它專用設(shè)備，包括閃存、USB、GSM等。內(nèi)核通過所有這些設(shè)備各自的設(shè)備驅(qū)動程序來控制它們，包括GUI用戶應(yīng)用程序也通過訪問這些驅(qū)動程序來訪問設(shè)備。本節(jié)著重討論通常幾乎在每個嵌入式環(huán)境中都會使用的一些重要設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動程序。

幀緩沖區(qū)驅(qū)動程序

這是最重要的驅(qū)動程序之一，因為通過這個驅(qū)動程序才能使系統(tǒng)屏幕顯示內(nèi)容。幀緩沖區(qū)驅(qū)動程序通常有三層。最底層是基本控制臺驅(qū)動程序drivers/char/console.c，它提供了文本控制臺常規(guī)接口的一部分。通過使用控制臺驅(qū)動程序函數(shù)，我們能將文本打印到屏幕上D但圖形或動畫還不能（這樣做需要使用視頻模式功能，通常出現(xiàn)在中間層，也就是drivers/video/fbcon.c中）。這個第二層驅(qū)動程序提供了視頻模式中繪圖的常規(guī)接口。

幀緩沖區(qū)是顯卡上的內(nèi)存，需要將它內(nèi)存映射到用戶空間以便可以將圖形和文本能寫到這個內(nèi)存段上：然后這個信息將反映到屏幕上。幀緩沖區(qū)支持提高了繪圖的速度和整體性能。這也是頂層驅(qū)動程序引人注意之處：頂層是非常特定于硬件的驅(qū)動程序，它需要支持顯卡不同的硬件方面D象啟用／禁用顯卡控制器、深度和模式的支持以及調(diào)色板等。所有這三層都相互依賴以實現(xiàn)正確的視頻功能。與幀緩沖區(qū)有關(guān)的設(shè)備是/dev/fb0（主設(shè)備號29，次設(shè)備號0）。

輸入設(shè)備驅(qū)動程序

可觸摸板是用于嵌入式設(shè)備的最基本的用戶交互設(shè)備之一D小鍵盤、傳感器和滾動輪也包含在許多不同設(shè)備中以用于不同的用途。

觸摸板設(shè)備的主要功能是隨時報告用戶的觸摸，并標(biāo)識觸摸的坐標(biāo)。這通常在每次發(fā)生觸摸時，通過生成一個中斷來實現(xiàn)。

然后，這個設(shè)備驅(qū)動程序的角色是每當(dāng)出現(xiàn)中斷時就查詢觸摸屏控制器，并請求控制器發(fā)送觸摸的坐標(biāo)。一旦驅(qū)動程序接收到坐標(biāo)，它就將有關(guān)觸摸和任何可用數(shù)據(jù)的信號發(fā)送給用戶應(yīng)用程序，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給應(yīng)用程序（如果可能的話）。然后用戶應(yīng)用程序根據(jù)它的需要處理數(shù)據(jù)。

幾乎所有輸入設(shè)備D包括小鍵盤D都以類似原理工作。

閃存MTD驅(qū)動程序

MTD設(shè)備是象閃存芯片、小型閃存卡、記憶棒等之類的設(shè)備，它們在嵌入式設(shè)備中的使用正在不斷增長。

MTD驅(qū)動程序是在Linux下專門為嵌入式環(huán)境開發(fā)的新的一類驅(qū)動程序。相對于常規(guī)塊設(shè)備驅(qū)動程序，使用MTD驅(qū)動程序的主要優(yōu)點在于MTD驅(qū)動程序是專門為基于閃存的設(shè)備所設(shè)計的，所以它們通常有更好的支持、更好的管理和基于扇區(qū)的擦除和讀寫操作的更好的接口。Linux下的MTD驅(qū)動程序接口被劃分為兩類模塊：用戶模塊和硬件模塊。

用戶模塊
這些模塊提供從用戶空間直接使用的接口：原始字符訪問、原始塊訪問、FTL（閃存轉(zhuǎn)換層，F(xiàn)lashTransitionLayerD用在閃存上的一種文件系統(tǒng)）和JFS（即日志文件系統(tǒng)，JournaledFileSystemD在閃存上直接提供文件系統(tǒng)而不是模擬塊設(shè)備）。用于閃存的JFS的當(dāng)前版本是JFFS2（稍后將在本文中描述）。

硬件模塊
這些模塊提供對內(nèi)存設(shè)備的物理訪問，但并不直接使用它們。通過上述的用戶模塊來訪問它們。這些模塊提供了在閃存上讀、擦除和寫操作的實際例程。

MTD驅(qū)動程序設(shè)置
為了訪問特定的閃存設(shè)備并將文件系統(tǒng)置于其上，需要將MTD子系統(tǒng)編譯到內(nèi)核中。這包括選擇適當(dāng)?shù)腗TD硬件和用戶模塊。當(dāng)前，MTD子系統(tǒng)支持為數(shù)眾多的閃存設(shè)備D并且有越來越多的驅(qū)動程序正被添加進(jìn)來以用于不同的閃存芯片。

有兩個流行的用戶模塊可啟用對閃存的訪問：MTD_CHAR和MTD_BLOCK。

MTD_CHAR提供對閃存的原始字符訪問，而MTD_BLOCK將閃存設(shè)計為可以在上面創(chuàng)建文件系統(tǒng)的常規(guī)塊設(shè)備（象IDE磁盤）。與MTD_CHAR關(guān)聯(lián)的設(shè)備是/dev/mtd0、mtd1、mtd2（等等），而與MTD_BLOCK關(guān)聯(lián)的設(shè)備是/dev/mtdblock0、mtdblock1（等等）。由于MTD_BLOCK設(shè)備提供象塊設(shè)備那樣的模擬，通常更可取的是在這個模擬基礎(chǔ)上創(chuàng)建象FTL和JFFS2那樣的文件系統(tǒng)。

為了進(jìn)行這個操作，可能需要創(chuàng)建分區(qū)表將閃存設(shè)備分拆到引導(dǎo)裝載程序節(jié)、內(nèi)核節(jié)和文件系統(tǒng)節(jié)中。樣本分區(qū)表可能包含以下信息：


清單5.MTD的簡單閃存設(shè)備分區(qū)
structmtd_partitionsample_partition={
{
/*Firstpartition*/
name:bootloader,/*Bootloadersection*/
size:0x00010000,/*Size*/
offset:0,/*Offsetfromstartofflash-location0x0*/
mask_flags:MTD_WRITEABLE/*Thispartitionisnotwritable*/
},
{/*Secondpartition*/
name:Kernel,/*Kernelsection*/
size:0x00100000,/*Size*/
offset:MTDPART_OFS_APPEND,/*Appendafterbootloadersection*/
mask_flags:MTD_WRITEABLE/*Thispartitionisnotwritable*/
},
{/*Thirdpartition*/
name:JFFS2,/*JFFS2filesystem*/
size:MTDPART_SIZ_FULL,/*Occupyrestofflash*/
offset:MTDPART_OFS_APPEND/*Appendafterkernelsection*/
}
}



上面的分區(qū)表使用了MTD_BLOCK接口對閃存設(shè)備進(jìn)行分區(qū)。這些分區(qū)的設(shè)備節(jié)點是：


簡單閃存分區(qū)的設(shè)備節(jié)點
UserdevicenodeMajornumberMinornumber
Bootloader/dev/mtdblock0310
Kernel/dev/mtdblock1311
Filesystem/dev/mtdblock2312



在本例中，引導(dǎo)裝載程序必須將有關(guān)root設(shè)備節(jié)點（/dev/mtdblock2）和可以在閃存中找到文件系統(tǒng)的地址（本例中是FLASH_BASE_ADDRESS+0x04000000）的正確參數(shù)傳遞到內(nèi)核。一旦完成分區(qū)，閃存設(shè)備就準(zhǔn)備裝入或掛裝文件系統(tǒng)。

Linux中MTD子系統(tǒng)的主要目標(biāo)是在系統(tǒng)的硬件驅(qū)動程序和上層，或用戶模塊之間提供通用接口。硬件驅(qū)動程序不需要知道象JFFS2和FTL那樣的用戶模塊使用的方法。所有它們真正需要提供的就是一組對底層閃存系統(tǒng)進(jìn)行read、write和erase操作的簡單例程。



嵌入式設(shè)備的文件系統(tǒng)

系統(tǒng)需要一種以結(jié)構(gòu)化格式存儲和檢索信息的方法；這就需要文件系統(tǒng)的參與。Ramdisk（請參閱參考資料）是通過將計算機(jī)的RAM用作設(shè)備來創(chuàng)建和掛裝文件系統(tǒng)的一種機(jī)制，它通常用于無盤系統(tǒng)（當(dāng)然包括微型嵌入式設(shè)備，它只包含作為永久存儲媒質(zhì)的閃存芯片）。

用戶可以根據(jù)可靠性、健壯性和／或增強(qiáng)的功能的需求來選擇文件系統(tǒng)的類型。下一節(jié)將討論幾個可用選項及其優(yōu)缺點。

第二版擴(kuò)展文件系統(tǒng)（Ext2fs）

Ext2fs是Linux事實上的標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)，它已經(jīng)取代了它的前任D擴(kuò)展文件系統(tǒng)（或Extfs）。Extfs支持的文件大小最大為2GB，支持的最大文件名稱大小為255個字符D而且它不支持索引節(jié)點（包括數(shù)據(jù)修改時間標(biāo)記）。Ext2fs做得更好；它的優(yōu)點是：

Ext2fs支持達(dá)4TB的內(nèi)存。
Ext2fs文件名稱最長可以到1012個字符。
當(dāng)創(chuàng)建文件系統(tǒng)時，管理員可以選擇邏輯塊的大小（通常大小可選擇1024、2048和4096字節(jié)）。
Ext2fs了實現(xiàn)快速符號鏈接：不需要為此目的而分配數(shù)據(jù)塊，并且將目標(biāo)名稱直接存儲在索引節(jié)點（inode）表中。這使性能有所提高，特別是在速度上。
因為Ext2文件系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和健壯性，所以幾乎在所有基于Linux的系統(tǒng)（包括臺式機(jī)、服務(wù)器和工作站D并且甚至一些嵌入式設(shè)備）上都使用Ext2文件系統(tǒng)。然而，當(dāng)在嵌入式設(shè)備中使用Ext2fs時，它有一些缺點：

Ext2fs是為象IDE設(shè)備那樣的塊設(shè)備設(shè)計的，這些設(shè)備的邏輯塊大小是512字節(jié)，1K字節(jié)等這樣的倍數(shù)。這不太適合于扇區(qū)大小因設(shè)備不同而不同的閃存設(shè)備。
Ext2文件系統(tǒng)沒有提供對基于扇區(qū)的擦除／寫操作的良好管理。在Ext2fs中，為了在一個扇區(qū)中擦除單個字節(jié)，必須將整個扇區(qū)復(fù)制到RAM，然后擦除，然后重寫入?？紤]到閃存設(shè)備具有有限的擦除壽命（大約能進(jìn)行100,000次擦除），在此之后就不能使用它們，所以這不是一個特別好的方法。
在出現(xiàn)電源故障時，Ext2fs不是防崩潰的。
Ext2文件系統(tǒng)不支持損耗平衡，因此縮短了扇區(qū)／閃存的壽命。（損耗平衡確保將地址范圍的不同區(qū)域輪流用于寫和／或擦除操作以延長閃存設(shè)備的壽命。）
Ext2fs沒有特別完美的扇區(qū)管理，這使設(shè)計塊驅(qū)動程序十分困難。
由于這些原因，通常相對于Ext2fs，在嵌入式環(huán)境中使用MTD/JFFS2組合是更好的選擇。

用Ramdisk掛裝Ext2fs
通過使用Ramdisk的概念，可以在嵌入式設(shè)備中創(chuàng)建并掛裝Ext2文件系統(tǒng)（以及用于這一目的的任何文件系統(tǒng)）。


清單6.創(chuàng)建一個簡單的基于Ext2fs的Ramdisk
mke2fs-vm0/dev/ram4096
mount-text2/dev/ram/mnt
cd/mnt
cp/bin,/sbin,/etc,/dev...filesinmnt
cd../
umount/mnt
ddif=/dev/rambs=1kcount=4096of=ext2ramdisk



mke2fs是用于在任何設(shè)備上創(chuàng)建ext2文件系統(tǒng)的實用程序―它創(chuàng)建超級塊、索引節(jié)點以及索引節(jié)點表等等。

在上面的用法中，/dev/ram是上面構(gòu)建有4096個塊的ext2文件系統(tǒng)的設(shè)備。然后，將這個設(shè)備（/dev/ram）掛裝在名為/mnt的臨時目錄上并且復(fù)制所有必需的文件。一旦復(fù)制完這些文件，就卸裝這個文件系統(tǒng)并且設(shè)備（/dev/ram）的內(nèi)容被轉(zhuǎn)儲到一個文件（ext2ramdisk）中，它就是所需的Ramdisk（Ext2文件系統(tǒng)）。

上面的順序創(chuàng)建了一個4MB的Ramdisk，并用必需的文件實用程序來填充它。

一些要包含在Ramdisk中的重要目錄是：

/binD保存大多數(shù)象init、busybox、shell、文件管理實用程序等二進(jìn)制文件。
/devD包含用在設(shè)備中的所有設(shè)備節(jié)點
/etcD包含系統(tǒng)的所有配置文件
/libD包含所有必需的庫，如libc、libdl等
日志閃存文件系統(tǒng)，版本2（JFFS2）

瑞典的AxisCommunications開發(fā)了最初的JFFS，RedHat的DavidWoodhouse對它進(jìn)行了改進(jìn)。第二個版本，JFFS2，作為用于微型嵌入式設(shè)備的原始閃存芯片的實際文件系統(tǒng)而出現(xiàn)。JFFS2文件系統(tǒng)是日志結(jié)構(gòu)化的，這意味著它基本上是一長列節(jié)點。每個節(jié)點包含有關(guān)文件的部分信息D可能是文件的名稱、也許是一些數(shù)據(jù)。相對于Ext2fs，JFFS2因為有以下這些優(yōu)點而在無盤嵌入式設(shè)備中越來越受歡迎：

JFFS2在扇區(qū)級別上執(zhí)行閃存擦除／寫／讀操作要比Ext2文件系統(tǒng)好。
JFFS2提供了比Ext2fs更好的崩潰／掉電安全保護(hù)。當(dāng)需要更改少量數(shù)據(jù)時，Ext2文件系統(tǒng)將整個扇區(qū)復(fù)制到內(nèi)存（DRAM）中，在內(nèi)存中合并新數(shù)據(jù)，并寫回整個扇區(qū)。這意味著為了更改單個字，必須對整個扇區(qū)（64KB）執(zhí)行讀／擦除／寫例程D這樣做的效率非常低。要是運氣差，當(dāng)正在DRAM中合并數(shù)據(jù)時，發(fā)生了電源故障或其它事故，那么將丟失整個數(shù)據(jù)集合，因為在將數(shù)據(jù)讀入DRAM后就擦除了閃存扇區(qū)。JFFS2附加文件而不是重寫整個扇區(qū)，并且具有崩潰／掉電安全保護(hù)這一功能。
這可能是最重要的一點：JFFS2是專門為象閃存芯片那樣的嵌入式設(shè)備創(chuàng)建的，所以它的整個設(shè)計提供了更好的閃存管理。
因為本文主要是寫關(guān)于閃存設(shè)備的使用，所以在嵌入式環(huán)境中使用JFFS2的缺點很少：

當(dāng)文件系統(tǒng)已滿或接近滿時，JFFS2會大大放慢運行速度。這是因為垃圾收集的問題（更多信息，請參閱參考資料）。
創(chuàng)建JFFS2文件系統(tǒng)
在Linux下，用mkfs.jffs2命令創(chuàng)建JFFS2文件系統(tǒng)（基本上是使用JFFS2的Ramdisk）。


清單7.創(chuàng)建JFFS2文件系統(tǒng)
mkdirjffsfile
cdjffsfile
/*copyallthe/bin,/etc,/usr/bin,/sbin/binariesand/deventries
thatareneededforthefilesystemhere*/
/*TypethefollowingcommandunderjffsfiledirectorytocreatetheJFFS2Image*/
./mkfs.jffs2-e0x40000-p-o../jffs.image



上面顯示了mkfs.jffs2的典型用法。-e選項確定閃存的擦除扇區(qū)大?。ㄍǔＪ?4千字節(jié)）。-p選項用來在映像的剩余空間用零填充。-o選項用于輸出文件，通常是JFFS2文件系統(tǒng)映像D在本例中是jffs.image。一旦創(chuàng)建了JFFS2文件系統(tǒng)，它就被裝入閃存中適當(dāng)?shù)奈恢茫ㄒ龑?dǎo)裝載程序告知內(nèi)核查找文件系統(tǒng)的地址）以便內(nèi)核能掛裝它。

tmpfs
當(dāng)Linux運行于嵌入式設(shè)備上時，該設(shè)備就成為功能齊全的單元，許多守護(hù)進(jìn)程會在后臺運行并生成許多日志消息。另外，所有內(nèi)核日志記錄機(jī)制，象syslogd、dmesg和klogd，會在/var和/tmp目錄下生成許多消息。由于這些進(jìn)程產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)，所以允許將所有這些寫操作都發(fā)生在閃存是不可取的。由于在重新引導(dǎo)時這些消息不需要持久存儲，所以這個問題的解決方案是使用tmpfs。

tmpfs是基于內(nèi)存的文件系統(tǒng)，它主要用于減少對系統(tǒng)的不必要的閃存寫操作這一唯一目的。因為tmpfs駐留在RAM中，所以寫／讀／擦除的操作發(fā)生在RAM中而不是在閃存中。因此，日志消息寫入RAM而不是閃存中，在重新引導(dǎo)時不會保留它們。tmpfs還使用磁盤交換空間來存儲，并且當(dāng)為存儲文件而請求頁面時，使用虛擬內(nèi)存（VM）子系統(tǒng)。

tmpfs的優(yōu)點包括：

動態(tài)文件系統(tǒng)大小D文件系統(tǒng)大小可以根據(jù)被復(fù)制、創(chuàng)建或刪除的文件或目錄的數(shù)量來縮放。使得能夠最理想地使用內(nèi)存。
速度D因為tmpfs駐留在RAM，所以讀和寫幾乎都是瞬時的。即使以交換的形式存儲文件，I/O操作的速度仍非常快。
tmpfs的一個缺點是當(dāng)系統(tǒng)重新引導(dǎo)時會丟失所有數(shù)據(jù)。因此，重要的數(shù)據(jù)不能存儲在tmpfs上。

掛裝tmpfs
諸如Ext2fs和JFFS2等大多數(shù)其它文件系統(tǒng)都駐留在底層塊設(shè)備之上，而tmpfs與它們不同，它直接位于VM上。因而，掛裝tmpfs文件系統(tǒng)是很簡單的事：


清單8.掛裝tmpfs
/*Entriesin/etc/rc.d/rc.sysinitforcreating/usingtmpfs*/
#mount-ttmpfstmpfs/var-osize=512k
#mkdir-p/var/tmp
#mkdir-p/var/log
#ln-s/var/tmp/tmp



上面的命令將在/var上創(chuàng)建tmpfs并將tmpfs的最大大小限制為512K。同時，tmp/和log/目錄成為tmpfs的一部分以便在RAM中存儲日志消息。

如果您想將tmpfs的一個項添加到/etc/fstab，那么它可能看起來象這樣：tmpfs/vartmpfssize=32m00



這將在/var上掛裝一個新的tmpfs文件系統(tǒng)。


圖形用戶界面（GUI）選項

從用戶的觀點來看，圖形用戶界面（GUI）是系統(tǒng)的一個最至關(guān)重要的方面：用戶通過GUI與系統(tǒng)進(jìn)行交互。所以GUI應(yīng)該易于使用并且非?？煽俊５€需要是有內(nèi)存意識的，以便在內(nèi)存受限的、微型嵌入式設(shè)備上可以無縫執(zhí)行。所以，它應(yīng)該是輕量級的，并且能夠快速裝入。

另一個要考慮的重要方面涉及許可證問題。一些GUI分發(fā)版具有允許免費使用的許可證，甚至在一些商業(yè)產(chǎn)品中也是如此。另一些許可證要求如果想將GUI合并入項目中則要支付版稅。

最后，大多數(shù)開發(fā)人員可能會選擇XFree86，因為XFree86為他們提供了一個能使用他們喜歡的工具的熟悉環(huán)境。但是市場上較新的GUI，象CenturySoftware的Microwindows（Nano-X）和Trolltech的QT/Embedded，與X在嵌入式Linux的競技舞臺中展開了激烈競爭，這主要是因為它們占用很少的資源、執(zhí)行的速度很快并且具有定制窗口構(gòu)件的支持。

讓我們看一看這些選項中的每一個。

Xfree864.X（帶幀緩沖區(qū)支持的X11R6.4）

XFree86Project,Inc.是一家生產(chǎn)XFree86的公司，該產(chǎn)品是一個可以免費重復(fù)分發(fā)、開放源碼的XWindow系統(tǒng)。XWindow系統(tǒng)（X11）為應(yīng)用程序以圖形方式進(jìn)行顯示提供了資源，并且它是UNIX和類UNIX的機(jī)器上最常用的窗口系統(tǒng)。它很小但很有效，它運行在為數(shù)眾多的硬件上，它對網(wǎng)絡(luò)透明并且有良好的文檔說明。X11為窗口管理、事件處理、同步和客戶機(jī)間通信提供強(qiáng)大的功能D并且大多數(shù)開發(fā)人員已經(jīng)熟悉了它的API。它具有對內(nèi)核幀緩沖區(qū)的內(nèi)置支持，并占用非常少的資源D這非常有助于內(nèi)存相對較少的設(shè)備。X服務(wù)器支持VGA和非VGA圖形卡，它對顏色深度1、2、4、8、16和32提供支持，并對渲染提供內(nèi)置支持。最新的發(fā)行版是XFree864.1.0。

它的優(yōu)點包括：

幀緩沖區(qū)體系結(jié)構(gòu)的使用提高了性能。
占用的資源相對很小D大小在600K到700K字節(jié)的范圍內(nèi)，這使它很容易在小型設(shè)備上運行。
非常好的支持：在線有許多文檔可用，還有許多專用于XFree86開發(fā)的郵遞列表。
XAPI非常適合擴(kuò)展。
它的缺點包括：

比最近出現(xiàn)的嵌入式GUI工具性能差。
此外，當(dāng)與GUI中最新的開發(fā)D象專門為嵌入式環(huán)境設(shè)計的Nano-X或QT/EmbeddedD相比時，XFree86似乎需要更多的內(nèi)存。
Microwindows

Microwindows是CenturySoftware的開放源代碼項目，設(shè)計用于帶小型顯示單元的微型設(shè)備。它有許多針對現(xiàn)代圖形視窗環(huán)境的功能部件。象X一樣，有多種平臺支持Microwindows。

Microwindows體系結(jié)構(gòu)是基于客戶機(jī)／服務(wù)器的并且具有分層設(shè)計。最底層是屏幕和輸入設(shè)備驅(qū)動程序（關(guān)于鍵盤或鼠標(biāo)）來與實際硬件交互。在中間層，可移植的圖形引擎提供對線的繪制、區(qū)域的填充、多邊形、裁剪以及顏色模型的支持。

在最上層，Microwindows支持兩種API：Win32/WinCEAPI實現(xiàn)，稱為Microwindows；另一種API與GDK非常相似，它稱為Nano-X。Nano-X用在Linux上。它是象X的API，用于占用資源少的應(yīng)用程序。

Microwindows支持1、2、4和8bpp（每像素的位數(shù)）的palletized顯示，以及8、16、24和32bpp的真彩色顯示。Microwindows還支持使它速度更快的幀緩沖區(qū)。Nano-X服務(wù)器占用的資源大約在100K到150K字節(jié)。

原始Nano-X應(yīng)用程序的平均大小在30K到60K。由于Nano-X是為有內(nèi)存限制的低端設(shè)備設(shè)計的，所以它不象X那樣支持很多函數(shù)，因此它實際上不能作為微型X（Xfree864.1）的替代品。

可以在Microwindows上運行FLNX，它是針對Nano-X而不是X進(jìn)行修改的FLTK（快速輕巧工具箱(FastLightToolkit)）應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境的一個版本。本文中描述FLTK。

Nano-X的優(yōu)點包括：

與Xlib實現(xiàn)不同，Nano-X仍在每個客戶機(jī)上同步運行，這意味著一旦發(fā)送了客戶機(jī)請求包，服務(wù)器在為另一個客戶機(jī)提供服務(wù)之前一直等待，直到整個包都到達(dá)為止。這使服務(wù)器代碼非常簡單，而運行的速度仍非?？?。
占用很小的資源
Nano-X的缺點包括：

聯(lián)網(wǎng)功能部件至今沒有經(jīng)過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整（特別是網(wǎng)絡(luò)透明性）。
還沒有太多現(xiàn)成的應(yīng)用程序可用。
與X相比，Nano-X雖然近來正在加速開發(fā)，但仍沒有那么多文檔說明而且沒有很好的支持，但這種情形會有所改變。
Microwindows上的FLTKAPI

FLTK是一個簡單但靈活的GUI工具箱，它在Linux世界中贏得越來越多的關(guān)注，它特別適用于占用資源很少的環(huán)境。它提供了您期望從GUI工具箱中獲得的大多數(shù)窗口構(gòu)件，如按鈕、對話框、文本框以及出色的“賦值器”選擇（用于輸入數(shù)值的窗口構(gòu)件）。還包括滑動器、滾動條、刻度盤和其它一些構(gòu)件。

針對MicrowindowsGUI引擎的FLTK的Linux版本被稱為FLNX。FLNX由兩個組件構(gòu)成：Fl_Widget和FLUID。Fl_Widget由所有基本窗口構(gòu)件API組成。FLUID（快速輕巧的用戶界面設(shè)計器(FastLightUserInterfaceDesigner,FLUID)）是用來產(chǎn)生FLTK源代碼的圖形編輯器?？偟膩碚f，F(xiàn)LNX是能用來為嵌入式環(huán)境創(chuàng)建應(yīng)用程序的一個出色的UI構(gòu)建器。

Fl_Widget占用的資源大約是40K到48K，而FLUID（包括了每個窗口構(gòu)件）大約占用380K。這些非常小的資源占用率使Fl_Widget和FLUID在嵌入式開發(fā)世界中非常受歡迎。

優(yōu)點包括：

習(xí)慣于在象Windows這樣已建立得較好的環(huán)境中開發(fā)基于GUI的應(yīng)用程序的任何人都會非常容易地適應(yīng)FLTK環(huán)境。
它的文檔包括一本十分完整且編寫良好的手冊。
它使用LGPL進(jìn)行分發(fā)，所以開發(fā)人員可以靈活地發(fā)放他們應(yīng)用程序的許可證。
FLTK是一個C++庫（Perl和Python綁定也可用）。面向?qū)ο竽Ｐ偷倪x擇是一個好的選擇，因為大多數(shù)現(xiàn)代GUI環(huán)境都是面向?qū)ο蟮?；這也使將編寫的應(yīng)用程序移植到類似的API中變得更容易。
CenturySoftware的環(huán)境提供了幾個有用的工具，諸如ScreenToP和ViewML瀏覽器。
它的缺點是：

普通的FLTK可以與X和WindowsAPI一同工作，而FLNX不能。它與X的不兼容性阻礙了它在許多項目中的使用。
Qt/Embedded

Qt/Embedded是Trolltech新開發(fā)的用于嵌入式Linux的圖形用戶界面系統(tǒng)。Trolltech最初創(chuàng)建Qt作為跨平臺的開發(fā)工具用于Linux臺式機(jī)。它支持各種有UNIX特點的系統(tǒng)以及MicrosoftWindows。KDED最流行的Linux桌面環(huán)境之一，就是用Qt編寫的。

Qt/Embedded以原始Qt為基礎(chǔ)，并做了許多出色的調(diào)整以適用于嵌入式環(huán)境。QtEmbedded通過QtAPI與LinuxI/O設(shè)施直接交互。那些熟悉并已適應(yīng)了面向?qū)ο缶幊痰娜藛T將發(fā)現(xiàn)它是一個理想環(huán)境。而且，面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)使代碼結(jié)構(gòu)化、可重用并且運行快速。與其它GUI相比，QtGUI非常快，并且它沒有分層，這使得Qt/Embedded成為用于運行基于Qt的程序的最緊湊環(huán)境。

Trolltech還推出了Qt掌上機(jī)環(huán)境（QtPalmtopEnvironment，俗稱Qpe）。Qpe提供了一個基本桌面窗口，并且該環(huán)境為開發(fā)提供了一個易于使用的界面。Qpe包含全套的個人信息管理（PersonalInformationManagement(PIM)）應(yīng)用程序、因特網(wǎng)客戶機(jī)、實用程序等等。然而，為了將Qt/Embedded或Qpe集成到一個產(chǎn)品中，需要從Trolltech獲得商業(yè)許可證。（原始Qt自版本2.2以后就可以根據(jù)GPL獲得。）

它的優(yōu)點包括：

面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)有助于更快地執(zhí)行
占用很少的資源，大約800K
抗鋸齒文本和混合視頻的象素映射
它的缺點是：

Qt/Embedded和Qpe只能在獲得商業(yè)許可證的情況下才能使用。



結(jié)束語

嵌入式Linux開發(fā)正迅速地發(fā)展著。您必須學(xué)習(xí)并從引導(dǎo)裝載程序和分發(fā)版到文件系統(tǒng)和GUI中的每一個事物的各種選項中作出選擇。但是要感謝有這種選擇自由度以及非?；钴S的Linux社區(qū)，Linux上的嵌入式開發(fā)已經(jīng)達(dá)到了新的境界，并且調(diào)整模塊以適合您的規(guī)范從未比現(xiàn)在更簡單。這已經(jīng)導(dǎo)致出現(xiàn)了許多時新的手持和微型設(shè)備作為開放盒，這是件好事D因為事實是您不必成為一個專家從這些模塊中進(jìn)行選擇來調(diào)整您的設(shè)備以滿足您自己的要求和需要。

我們希望這篇對嵌入式Linux領(lǐng)域的介紹性概述能激起您進(jìn)行試驗的欲望，并且希望您將體會擺弄微型設(shè)備的樂趣以滿足您的愛好。為進(jìn)一步有助于您的項目，請參閱下面的“參考資料”，鏈接到有關(guān)我們這里已經(jīng)概述的技術(shù)的更深入的信息。