構(gòu)建嵌入式Linux系統(tǒng)

2004年11月A

摘要：本文針對(duì)構(gòu)建一個(gè)Linux嵌入式操作系統(tǒng)所面臨的問題作了深入的分析，這些問題包括精簡(jiǎn)內(nèi)核、系統(tǒng)啟動(dòng)和編寫硬件驅(qū)動(dòng)程序。

關(guān)鍵詞：嵌入式操作系統(tǒng)；驅(qū)動(dòng)；模塊；內(nèi)核

引言：

    目前嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，一臺(tái)通用PC的外部設(shè)備就有5~10個(gè)嵌入式微處理器，如鍵盤、軟驅(qū)、硬盤、顯示器、打印機(jī)、掃描儀、USB接口等均是由嵌入式處理器控制的。在制造工業(yè)、過程控制、通信電視、儀器儀表、汽車船舶、航空航天、消費(fèi)類產(chǎn)品均是嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)目前主要有：Windows CE、VxWorks、QNX等，它們都具較好的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)可靠性，任務(wù)處理隨機(jī)性等優(yōu)點(diǎn)。但是它們的價(jià)格普遍偏高，很多開發(fā)商承受不起。因而，Linux操作系統(tǒng)成為嵌入式操作系統(tǒng)的首選，原因如下：

    在精簡(jiǎn)內(nèi)核在編譯內(nèi)核之前，首先要明確需要那些驅(qū)動(dòng)和模塊，然后只選擇需要的驅(qū)動(dòng)和模塊，例如，如果系統(tǒng)不需要網(wǎng)絡(luò)支持，則可以去掉網(wǎng)絡(luò)模塊。內(nèi)核一般是以壓縮方式存放的，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)會(huì)自行解壓。內(nèi)核都是常駐內(nèi)存的，當(dāng)需要調(diào)用應(yīng)用程序時(shí)，再把需要的程序從磁盤調(diào)入內(nèi)存運(yùn)行。

構(gòu)建內(nèi)核常用的命令包括：

◆ make config：內(nèi)核配置，調(diào)用 ./scripts/Configure 按照 arch/i386/config.in 來進(jìn)行配置。

◆ make dep：尋找依賴關(guān)系。

◆ make clean：清除以前構(gòu)建內(nèi)核所產(chǎn)生的所有目標(biāo)文件、模塊文件、以及一些臨時(shí)文件等。

◆ make rmproper：刪除所有因構(gòu)建內(nèi)核過程中產(chǎn)生的所有文件，把內(nèi)核恢復(fù)到最原始的狀態(tài)。

◆ make：構(gòu)核，通過各目錄的Makefile 文件將會(huì)在各個(gè)目錄下產(chǎn)生許多目標(biāo)文件。如果內(nèi)核沒有錯(cuò)誤，將產(chǎn)生文件vmlinux，這就是構(gòu)建的內(nèi)核。

◆ make zImage：在make 的基礎(chǔ)上產(chǎn)生壓縮的內(nèi)核映象文件./arch/$(ARCH)/boot/zImage 以及在 ./arch/$(ARCH)/boot/compresed/目錄下產(chǎn)生臨時(shí)文件。 ◆ make bzImage：在make 的基礎(chǔ)上產(chǎn)生壓縮比例更大的內(nèi)核映象文件./arch/$(ARCH)/boot/bzImage 以及在 ./arch/$(ARCH)/boot/compresed/目錄下產(chǎn)生臨時(shí)文件。

◆ make modules：編譯模塊文件，在make config 時(shí)所配置的所有模塊將在這時(shí)編譯，形成模塊目標(biāo)文件，并把這些目標(biāo)文件存放在modules 目錄中。 ◆ make modules_install：把上面編譯好的模塊目標(biāo)文件放置在目錄 ./lib/modules/$KERNEL_VERSION/ 中。上面的編譯內(nèi)核是在沒有改變?cè)创a的情況下實(shí)現(xiàn)的，如果覺得源代碼提供的功能在某些方面不能滿足要求，就要修改源代碼了。源代碼中主要有以下幾個(gè)關(guān)鍵部分：有關(guān)進(jìn)程管理的task_struct 結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)幾乎包括了與進(jìn)程有關(guān)的所有文件內(nèi)容，還有任務(wù)隊(duì)列、時(shí)鐘管理和中斷管理，各種進(jìn)程間的通信機(jī)制，內(nèi)存管理中各種內(nèi)存分配函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，虛擬文件系統(tǒng)。

系統(tǒng)啟動(dòng)

    引導(dǎo)啟動(dòng)程序主要包括以下三個(gè)文件：bootsect.s，head.s和setup.s 這三個(gè)文件雖然都是匯編程序，但確使用了兩種語(yǔ)法格式。bootsect.s和setup.s 采用了近似于Intel的匯編語(yǔ)言語(yǔ)法，需要使用Intel 8086 匯編器和連接器 as86和ld86。head.s 則使用了GUN的匯編格式，并且運(yùn)行在保護(hù)模式下，需要用GUN的as 進(jìn)行編譯。這是一種AT&T語(yǔ)法的匯編語(yǔ)言格式。 Bootsect.s代碼時(shí)磁盤引導(dǎo)塊程序，駐留在磁盤的第一個(gè)扇區(qū)中，在PC機(jī)加電ROM-BIOS自檢后，引導(dǎo)扇區(qū)由BIOS加載到內(nèi)存0x7C00處，然后將自己移動(dòng)到內(nèi)存0x90000處。該程序的主要作用是首先將setup模塊（由setup.s編譯的）從磁盤加載到內(nèi)存緊接著bootsect的后面位置（0x90200）,然后利用BIOS中斷0x13取磁盤參數(shù)表中當(dāng)前啟動(dòng)引導(dǎo)盤的參數(shù)，接著在屏幕上顯示“Loading system...”字符串。再將system模塊從磁盤上加載到內(nèi)存0x10000開始的地方。隨后確定根文件系統(tǒng)的設(shè)備號(hào)。 Setup程序的作用主要是利用ROM-BIOS中斷讀取機(jī)器系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)保存到0x90000開始的位置（覆蓋了bootsect程序所在的地方）。然后setup程序?qū)ystem模塊從0x10000整塊向下移動(dòng)到內(nèi)存絕對(duì)地址0x0000處，接下來加載中斷描述符表寄存器（idtr）和全局描述表寄存器（gdtr）。開啟A20地址線，重新設(shè)置兩個(gè)中斷控制芯片8259A，將硬件中斷號(hào)重新設(shè)置為0x20-0x2f。最后設(shè)置CPU的控制寄存器CR0（也稱機(jī)器狀態(tài)字），從而進(jìn)入32位保護(hù)模式進(jìn)行，并跳轉(zhuǎn)到位于system模塊最前面部分的head.s程序繼續(xù)運(yùn)行。 Head.s程序在被編譯后，會(huì)被連接成system模塊的最前面開始部分，即頭部（head）程序。從這里開始，內(nèi)核完全都是在保護(hù)模式下運(yùn)行了。這段程序?qū)嶋H上處于內(nèi)存絕對(duì)地址0處開始的地方。這個(gè)程序功能比較單一，首先是加載各個(gè)數(shù)據(jù)段寄存器，重新設(shè)置中斷描述符表idt，共256項(xiàng)。然后重新設(shè)置中斷描述符表gdt，接下來檢測(cè)A20地址線是不是開啟了，再檢測(cè)PC機(jī)是否含有數(shù)學(xué)協(xié)處理器芯片，然后設(shè)置管理內(nèi)存的分頁(yè)處理機(jī)制，最后利用返回指令將預(yù)先放置在堆棧中的/init/main.c程序的入口地址彈出，去運(yùn)行main()內(nèi)核初始化程序。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

    設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在Linux內(nèi)核中扮演著特殊的角色，它們是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的“黑盒子”，使某個(gè)特定的硬件響應(yīng)一個(gè)定義良好的內(nèi)部編程接口，同時(shí)完全隱藏了設(shè)備的工作細(xì)節(jié)。用戶操作通過一組標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)用完成，而這些調(diào)用是和特定的驅(qū)動(dòng)程序無關(guān)的。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供的功能是同外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。設(shè)備包括三種類型：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)接口。每個(gè)模塊通常實(shí)現(xiàn)其中一種類型，相應(yīng)地，模塊可分為字符模塊（char module）、塊模塊（block module）和網(wǎng)絡(luò)模塊（network module）三種。然而這種分類方式并不是十分嚴(yán)格，程序員可以構(gòu)建一個(gè)大的模塊，在其中實(shí)現(xiàn)不同類型的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。三種類型的設(shè)備如下：

● 字符模塊

    字符設(shè)備是能夠象字節(jié)流（比如文件）一樣被訪問的設(shè)備，由字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)這種特性。字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常至少需要實(shí)現(xiàn)open、close、read和write的系統(tǒng)調(diào)用。字符終端（dev/console）和串口（/dev/ttySO以及設(shè)備類型）就是字符設(shè)備的兩個(gè)例子，它們能夠用流抽象很好地表示。

● 塊設(shè)備

    和字符設(shè)備一樣，塊設(shè)備也是通過/dev目錄下的文件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)被訪問的。塊設(shè)備（例如磁盤）上能夠容納文件系統(tǒng)。在大多數(shù)Unix系統(tǒng)中，塊設(shè)備包括整數(shù)個(gè)塊，而每塊包含1KB或2的幾次冪字節(jié)的數(shù)據(jù)。Linux允許應(yīng)用程序如字符設(shè)備那樣讀寫塊設(shè)備，可以一次傳遞任意多字節(jié)的數(shù)據(jù)。因而，塊設(shè)備和字符設(shè)備的區(qū)別僅僅在于內(nèi)核內(nèi)部管理數(shù)據(jù)的方式，也就是內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)程序的接口不同。塊設(shè)備的接口必須支持掛裝（mount）文件系統(tǒng)。

● 網(wǎng)絡(luò)接口

    任何網(wǎng)絡(luò)事務(wù)都要經(jīng)過一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，即一個(gè)能夠和其它主機(jī)交換數(shù)據(jù)的設(shè)備。通常接口是個(gè)硬件設(shè)備，但也可能是個(gè)純軟件設(shè)備，比如回環(huán)（loopback）接口。網(wǎng)絡(luò)接口由內(nèi)核中的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，負(fù)責(zé)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包，它必須了解每項(xiàng)事務(wù)是如何映射到實(shí)際傳送的數(shù)據(jù)包的。盡管Telnet和FTP連接都是面向流的，它們都使用了同一個(gè)設(shè)備，但這個(gè)設(shè)備看到的只是數(shù)據(jù)包，而不是獨(dú)立的流。

    在Linux里，除了直接修改系統(tǒng)內(nèi)核的源代碼，把設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序加進(jìn)內(nèi)核以外，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)的加載和卸載，使之成為內(nèi)核的一部分。Linux的模塊可以用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)。由于在不鏈接時(shí)，gcc只允許一個(gè)輸入文件，因此一個(gè)模塊的所有部分都必須在一個(gè)文件里實(shí)現(xiàn)。編譯好的模塊*.o放在/lib/modules/xxxx/misc下（xxxx表示內(nèi)核版本），然后用depmod -a使此模塊成為可加載模塊。模塊用insmod命令加載，用rmmod命令來卸載，并可以用lsmod命令來察看所有已經(jīng)加載的模塊的狀態(tài)。編寫模塊時(shí)必須提供兩個(gè)函數(shù)，一個(gè)是init_module(void)，供insmod在加載的時(shí)候自動(dòng)調(diào)用，負(fù)責(zé)進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的初始化工作。Init_module返回0表示初始化成功，返回負(fù)數(shù)表示失敗。另一個(gè)函數(shù)是void cleanup_module(void)，載模塊卸載時(shí)調(diào)用，負(fù)責(zé)進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的清除工作。在成功的向系統(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命令來把設(shè)備映射成一個(gè)特別文件，其它程序社用這個(gè)設(shè)備的時(shí)候，只要對(duì)此特別文件進(jìn)行操作就可以了。

結(jié)語(yǔ)

    本文主要論述了如何構(gòu)造嵌入式Linux系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整并且小巧使用的嵌入式Linux系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。由于嵌入式Linux是由標(biāo)準(zhǔn)Linux裁減而來的，所以需要對(duì)Linux的內(nèi)核有深入的了解。本文所構(gòu)建的一個(gè)小型嵌入式Linux系統(tǒng)，已成功運(yùn)用于S3C2410。所欠缺的是構(gòu)建的內(nèi)核還不夠小，原因可能是存在一些不必要的硬件驅(qū)動(dòng)程序以及庫(kù)的裁減不夠理想導(dǎo)致的。今后的工作主要集中在對(duì)外設(shè)模塊和庫(kù)的裁減上，以及開發(fā)一些特定硬件的驅(qū)動(dòng)程序。 參考文獻(xiàn)： 1 魏永明，駱剛，姜軍譯。Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（第二版）。中國(guó)電力出版社，2002 2 趙炯著。Linux內(nèi)核完全注釋，2004 3 馮永紅，朱善君。裁剪Linux技術(shù)分析。2001嵌入式系統(tǒng)及單片機(jī)國(guó)際學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，2001 本文于2004年8月30日收到。劉新朝：研究生，研究方向?yàn)槲C(jī)控制。