幾種Linux嵌入式開發(fā)環(huán)境的簡單介紹
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emDebian - http://emdebian.sourceforge.net
uClinux - http://www.uclinux.org
buildroot - http://buildroot.uclibc.org
scratchbox - http://www.scratchbox.org
openEmbedded - http://oe.handhelds.org
emDebian
emDebian基于將Debian用于嵌入式系統(tǒng)的目的而開發(fā)。Debian是一個發(fā)展很快的項目，在我第一次用Debian時，就再也不愿意換用其它的發(fā)布版了，目前我用的Debian已經(jīng)安裝了有兩年的時間了，但現(xiàn)在系統(tǒng)仍然是“最新”版本，良好的在線軟件升級系統(tǒng)是Debian成功的原因之一。目前Debian已經(jīng)支持11個體系的系統(tǒng)，包括X86、PPC、MIPS、ARM、SH等（據(jù)最近的一則消息，ARM有可能不再支持），并包含了大量的軟件。這些要歸功于Debian的開發(fā)團(tuán)隊，正因為有許多人使用和支持，因此，不是比較偏門的軟件，基本上不需要從源碼來安裝，這也是我喜歡用 Debian的原因之一。
這樣好的一個系統(tǒng)，當(dāng)然有人愿意將其用到嵌入式系統(tǒng)中去。emDebian基于一個很簡易的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的想法來構(gòu)造嵌入式系統(tǒng)，即從一個成熟的系統(tǒng)中去除不需要的部份（如文檔和不需要的工具），精簡出一個小的系統(tǒng)，這與下面要介紹的幾個工具的想法剛好相反（下面幾個都是基于 from scratch 即從無到有，從頭構(gòu)建的方式）。emDebian提供一些工具來協(xié)助完成從現(xiàn)有的系統(tǒng)或安裝包（deb文件，類似Redhat的rpm）中提取需要的東東，并協(xié)助完成完整系統(tǒng)的構(gòu)建，當(dāng)然也支持交叉構(gòu)建了，比如你可以在X86 的PC上構(gòu)建一個基于ARM的嵌入式系統(tǒng)，而整個過程不需要編譯任何一行源代碼。
順理成章的，emDebian的重要優(yōu)勢就展現(xiàn)出來了，現(xiàn)在你用的CPU超出11個Debian支持范圍了嗎？沒有，那么你可以簡單的通過 emDebian構(gòu)建目標(biāo)系統(tǒng)；你所需要的主體軟件在Debian支持的官方和非官方近2萬個軟件以外嗎？沒有，那么恭喜你，明天就可以給老板交工了。當(dāng)然，對于特定的軟件，可能還是需要從源碼來構(gòu)建，不過同樣的，我們可以將其生成Deb包，然后將配置加到emDebian工具集中，同其它所有軟件一樣的選取和配置。
emDebian的發(fā)展似乎不是想像的那么好，現(xiàn)在主頁上的新聞更新還是去2004年的。
buildroot
emDebian實際上并不一定適合于資源非常緊缺的超小型系統(tǒng)，比如只有2M Flash的小型控制系統(tǒng)。另外發(fā)行版的軟件通常會以通用代碼來編譯，例如，為了盡可能在各種X86平臺上都能夠安裝，大多數(shù)發(fā)行版通常會以i686甚至 i386代碼集來編譯軟件，可以使文件的通用性很強，但CPU的性能卻不能發(fā)恢到最好（這就是為什么有時會看到一些廠商或愛好者發(fā)布PIII、PIV、 athlon等優(yōu)化系統(tǒng)的原因），這對于嵌入式系統(tǒng)來說也不會是一件好事情。另外，沒有源碼的控制權(quán)，一些需要定制的東西也會變得難以實現(xiàn)，因此，從源碼開始構(gòu)建仍然有必要。
嵌入式Linux開發(fā)中使用的CPU速度往往向?qū)Σ粫?，因此，盡可能提高代碼的性能就非常必要。通常開發(fā)人員應(yīng)該對該CPU的具體型號有一定的了解，以便啟用編譯器中對該型號的優(yōu)化，以ARM為例，我們可以通過 -march=armv5te 和 -mtune=arm9tdmi 來對代碼在ARM9上的運行進(jìn)行優(yōu)化。有時這些優(yōu)化體現(xiàn)出來的性能改善是比較大的，我曾對比過一些復(fù)雜算法的代碼優(yōu)化前后的性能（執(zhí)行速度），都有一定的提升。另外在PIV上測試過以i686和pentium4對一個語音編碼算法進(jìn)行優(yōu)化，運算速度居然提高了幾倍。
這種幅度的提升可能只是一個特例，這個算法有大量的復(fù)雜浮點運算，使用i386或i686指令集和使用更先進(jìn)的PIV指令集編譯出來的機器代碼對于同一個運算的解釋可能采用完全不同的指令來完成，因此性能提升較大就不足為奇了。同樣這種代碼，在ARM上通過ARM4和ARM5來優(yōu)化后在ARM9上運行，卻沒有那么大的提升。看來對CPU的一定了解也應(yīng)該是嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計者應(yīng)該具備的能力。
那么又如何控制可執(zhí)行文件的大小呢？除了卻除軟件中不需要的部份外，我們還應(yīng)該考慮軟件所引用的庫文件。GNU的Glibc是一個非常寵大而完整的庫，至少對于嵌入式系統(tǒng)來說，其體積顯得過于大了一些。uClibc的提出較好的解決了這樣一個問題。uClibc盡可能的兼容Glibc，大多數(shù)應(yīng)用程序可以在很小或完全不修改的情況下就可能使用uClibc替代glibc。通過uClibc來代替Glibc，可以在不改變應(yīng)用程序功能的前提下，大大減少發(fā)布文件的大小，無論應(yīng)用程序以靜態(tài)鏈接來編譯，還是以動態(tài)鏈接形式編譯。
不過使用uClibc代替并不是簡單的設(shè)置一兩個參數(shù)就行了，通常需要使用一個不同的工具集（gcc/binutils等）來編譯代源碼。手工的構(gòu)造這樣一個環(huán)境，對于大多數(shù)普通程序員來說，不一定是一件很簡單的事情，因此，uClibc的開發(fā)者創(chuàng)造出一個叫做buildroot的工具集。 buildroot將自動構(gòu)造編譯基于uClibc代碼的工具集和uClibc庫，并提供一個可配置的框架和一些構(gòu)建一個基本系統(tǒng)的配置文件。用戶只需要通過配置菜單選擇了相應(yīng)的目標(biāo)軟件，buildroot就可以從構(gòu)建基本工具集開始，一直到最后構(gòu)建出目標(biāo)系統(tǒng)所需要的東西，如嵌入式系統(tǒng)常用的基于 ext2的initrd，jffs根文件系統(tǒng)，壓縮的根目錄樹等，這些代碼都是基于uClibc而不是系統(tǒng)的Glibc的。Buildroot對主機系統(tǒng)的要求較小，通常只需要主機系統(tǒng)提供足以構(gòu)建工具鏈(toolchain)的工具，如gcc/binutils等，當(dāng)工具鏈編譯完成后，對目標(biāo)系統(tǒng)需要的源碼的編譯過程與主機系統(tǒng)的開發(fā)工具集基本上就沒有什么關(guān)系了。因此，不同的主機如果能夠通過第一步，編譯完成工具鏈，那么編譯出來的目標(biāo)系統(tǒng)的執(zhí)行代碼就可以幾乎不存在由于系統(tǒng)引起的差異。這樣，開發(fā)人員就可能在各自喜歡的Linux發(fā)行版上進(jìn)行開發(fā)，而不必?fù)?dān)心出現(xiàn)什么兼容性問題。
uClinux
uClinux與emDebian至少有兩個重要的區(qū)別，第一是構(gòu)建方式，前面已經(jīng)提到過了，uClinux屬于 from scratch 一類的。另一個不同的地方，uClinux是支持不在emDebian支持的11種CPU的，當(dāng)然，這個說法不是很恰當(dāng)，正確的說法是uClinux支持那些不具備MMU單元的CPU體系。uClinux的第一個目的是支持MC68328芯片，現(xiàn)在已經(jīng)能構(gòu)支持更多的CPU，如Intel i960，ARM等。不過，uClinux的主體開發(fā)團(tuán)隊目前已經(jīng)不再支持ARM了，還好 Samsung 的 Hyok S. Choi 接過了接勵棒，Linux 2.6版本的補丁可以在 uClinux/ARM2.6 找到。
uClinux之前僅是核心的一些補丁，后來發(fā)展成為一個包括核心、庫、應(yīng)用程序、工具和編譯相關(guān)的配置文件的一個集成開發(fā)環(huán)境。與 buildroot不同的是，uClinux不編譯目標(biāo)系統(tǒng)的工具集，也就是說，相應(yīng)的編譯工具應(yīng)該提前安裝好。如，對于arm來說，需要先安裝ARM交叉編譯器。uClinux的編譯器也需要一些補丁，其中比較重要的兩個方面主要包括：
用于生成FLT文件的補丁：由于MMU的關(guān)系，uClinux不支持ELF可執(zhí)行文件，這個補丁主要包括bin2flt工具包和一個ld的wrapper腳本等，用于(透明于用戶)生成FLT文件；
用于支持XIP(Execute In Place)的補丁：這個補丁需要對gcc進(jìn)行一些小的修改；支持XIP主要是為了解決小內(nèi)存環(huán)境中運行的問題。
XIP不一定適用于每種應(yīng)用環(huán)境，對于內(nèi)在要求特別嚴(yán)格的系統(tǒng)來說（空間第一位，如手機要求使用片內(nèi)RAM），可以通過將核心和應(yīng)用程序編譯為XIP支持，然后直接在Flash上運行，內(nèi)存僅用于運行時數(shù)據(jù)；而對于性能要求為主的系統(tǒng)（如高速網(wǎng)絡(luò)處理器），則不能因為節(jié)省一點空間而使用XIP將程序直接在Flash上運行，這樣可能會降低指令的讀取速度而影響系統(tǒng)性能（但仍然可以使用XIP，使程序的多個實例在內(nèi)存中共享代碼空間，以后詳細(xì)說）； + FLT可執(zhí)行文件支持動態(tài)鏈接庫(目前僅m68k支持，參見 uCdot: Shared libraries under uClinux mini-HOWTO)的補?。?
uClinux的編譯過程大致是，首先，通過可視配置界面（menuconfig/xconfig）選取Vendor和board（實際上是選擇了一些配置文件和產(chǎn)品相關(guān)的文件），然后根據(jù)選擇構(gòu)造一個適用于target的開發(fā)環(huán)境，如生成頭文件和需要的庫文件（uClibc、glibc或uC-libc 以及其它一些庫），然后編譯核心、庫、應(yīng)用程序，最后將所有的輸出安裝到romfs目錄中，根據(jù)需要生成目標(biāo)平臺需要的映像文件（如： romfs.img、linux.bin、rootfs.gz等）
由于一些過程細(xì)節(jié)被隱藏起來，uClinux現(xiàn)在的編譯過程方便到只需要配置一下(make menuconfig)，然后 make 就可以直接獲得最終輸出。不過這反倒成為一些初學(xué)者學(xué)習(xí)的一個麻煩，本文完成后，根據(jù)對本文的反饋，將進(jìn)一步對uClinux進(jìn)行詳細(xì)介紹。
總的來說，目前的uClinux是一套主要用于無MMU核（但不限于此）的嵌入式Linux集成環(huán)境，也是一個非常好的 Linux from scratch 的示例。拋開其MMU相關(guān)的補丁，uClinux也可以作為一套用于包含MMU系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境，Snapgear 就是一個很好的例子。實際上，我們可以從官方的uClinux源碼就可以直接編譯一個支運行于X86的uClinux。
Scratchbox
Scratchbox 的故事要從buildroot講起（這不一定是scratchbox開發(fā)者的故事，只是依據(jù)我個人的認(rèn)識）。buildroot可以從頭開始，先構(gòu)造編譯器和基本開發(fā)環(huán)境，然后根據(jù)用戶配配置構(gòu)造一個適用于目標(biāo)平臺的根文件系統(tǒng)。這個文件系統(tǒng)可以有許多用法，例如，做為initrd或通過NFS輸出給目標(biāo)系統(tǒng)使用。為了減少交叉編譯軟件帶來的麻煩，可以配置buidroot創(chuàng)建一套目標(biāo)系統(tǒng)的編譯環(huán)境（Gcc、binutils、lib等），這樣用戶可以通過這個基本文系統(tǒng)在目標(biāo)系統(tǒng)上直接本地編譯軟件。如果目標(biāo)系統(tǒng)性能足夠的話，buildroot的任務(wù)到此就基本結(jié)束了。對于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)者來說，在目標(biāo)系統(tǒng)上直接編譯代碼卻不一定都能夠?qū)崿F(xiàn)，因為多數(shù)情況下，我們的目標(biāo)平臺處理器性能并不會那么高，這樣，我們就不得不面對一個兩難的選擇：
繼續(xù)通過buildroot編譯其它的軟件，性能會高許多，但每個軟件都需要進(jìn)行交叉編譯相關(guān)的改造；
在目標(biāo)平臺上編譯軟件，對于只有幾十或幾百兆的低性能核來說，編譯一個核心可能會讓你等上半天的時間；
有沒有好的辦法解決性能和交叉編譯的問題呢？先分析一下通過buildroot交叉編譯不能解決的問題。Buildroot只在一定程度上對目標(biāo)平臺進(jìn)行了模擬，但仍有一些是無法實現(xiàn)的，例如，當(dāng)目標(biāo)平臺不同于主機平臺時，不能生成并運行目標(biāo)平臺的中間代碼。這樣，許多通過autotools （autoconf/automake）配置的軟件就可能會出現(xiàn)問題。例如，configure 腳本有時會生成一些中間代碼，并試圖運行以確認(rèn)開發(fā)環(huán)境中是否存在某個庫文件或頭文件，對于在X86上編譯基于uClibc X86目標(biāo)平臺代碼可能不會出現(xiàn)問題，但如果目標(biāo)平臺是X86以外的平臺，編譯就可能會中斷；又如，configure腳本確認(rèn)編譯器是否工作，會試圖編譯一個包含空的主程序的代碼并運行，實際一個可運行于目標(biāo)平臺的 a.out 確實生成了，也可以正常運行于目標(biāo)平臺，但是這個測試會因為 a.out 被運行在主機系統(tǒng)上而錯誤的中斷。這些問題一些被 buildroot 通過補丁或復(fù)雜的 configure 參數(shù)解決了，某些中間執(zhí)行文件，則通過HOSTCC（主機上的CC）來生成并運行以生成最終文件。目前buildroot包含的軟件或多或少都會有一些這樣的補丁，而且開發(fā)者一旦深入到對軟件的定制，就會不停的被這些問題所困擾。
Scratchbox相比于buildroot有幾方面的改進(jìn)：
運行于 chroot 的環(huán)境，完全獨立于主機，編譯過程將基本與主機系統(tǒng)無關(guān)（并且scratchbox修改了一些庫，使得普通用戶可以chroot到編譯環(huán)境中，并且多個用戶可以同時使用一套Scratchbox開發(fā)套件和完全獨立的用戶資源）；
透過qemu模擬運行或sbrsh解決中間執(zhí)行文件或類似configure測試文件運行的問題；
對(chroot后)的系統(tǒng)進(jìn)行修定，達(dá)到足以欺騙大多數(shù)軟件的效果，這并不是指的讓軟件可以不進(jìn)行改造就可以 交叉 編譯，而是使軟件 誤認(rèn)為 這就是在目標(biāo)平臺上編譯；
不過 Scratchbox 目前還只能編譯 ARM 和 x86 的代碼，不能支持 buildroot 所支持的 ppc、mips等。
本文不詳述每一種環(huán)境，因此各個軟件都只是點到為止(雖然可以講得更詳細(xì)一些，但這些內(nèi)容還是獨立出來比較好一些），不過這里還是引入一個很簡單的示例，根據(jù) scratchbox 網(wǎng)站上的文檔，安裝完成后，進(jìn)行簡單配置就可以使用了（Debian用戶的安裝可以更簡單，因為該站提供Deb包，直接apt-get就行了）。通過 /scratchbox/login 登入開發(fā)環(huán)境，通過sb-menu配置一個基于 ARM 的環(huán)境（其中 Select CPU-transparency method 選qemu不要先sbrsh），然后寫一個 helloword.c，編譯并運行之。 通過ldd可以看到，在沒有任可改動的情況下，順利的生成了ARM ELF，但在 scratchbox 里卻可以在X86的主機上正常的運行！
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