step by step 構建嵌入式Linux系統平臺

發表于:2007-05-26來源:作者:點擊數: 標簽:
前些日子寫的一些文章,大家可以看看... 為了適應目前 嵌入式 系統操作平臺在 性能 、成本、 可靠性 等各方面的要求,論述了以Linux作為操作系統平臺的優勢,分析了以PC104卡和CompactFlash卡構造帶圖形用戶界面(GUI)的 Linux系統 的關鍵技術. 0 前言 嵌入式

前些日子寫的一些文章,大家可以看看...

為了適應目前嵌入式系統操作平臺在性能、成本、可靠性等各方面的要求,論述了以Linux作為操作系統平臺的優勢,分析了以PC104卡和CompactFlash卡構造帶圖形用戶界面(GUI)的Linux系統的關鍵技術.

0 前言
嵌入式系統的商品化操作系統十分豐富,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實時性能,而且難以移植。
Linux為嵌入式系統提供了一個極有吸引力的選擇,對于嵌入式系統而言,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、最快速的操作系統 ,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系統中存在適度復雜的圖形界面,但是它們并沒有與操作系統的內核緊緊捆綁在一起,圖形界面可按需求關閉。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能正常運行于內存缺乏,容量緊張的系統中,減少在硬件升級上的開支。另外,在系統穩定性方面,Linux幾乎不崩潰,Linux的穩定性是由于它沒有像其它操作系統一樣內核極其龐大??疾熨Y料表明,Linux與其它Unix系統和大型操作系統如VMS、IBM大型機等一樣具有相同的可靠性。在上述優勢之外,Linux還擁有眾多硬件支持的特點和強大的網絡支持功能。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
1.1 硬件及軟件環境
Linux系統的硬件環境以PC104卡為核心,卡上集成美國國家半導體公司(NS GeodeGX1 300MHz CPU,SVGA/LCD/LAN接口以及增強型IDE硬盤接口,支持CompactFlash卡。硬盤和光驅接至PC104IDE1口,設置跳線使硬盤為主設備(master),光驅為從設備(slave),CompactFlash裝在IDE2口,設為主設備,這樣Linux識別CompactFlah卡為/dev/hdc,而硬盤和光驅分別為/dev/had,/dev/hdb.我的Linux開發系統是Red Hat 7.2版,通過PC104上的光驅安裝在硬盤上。
CompactFlash卡容量為32M,如果系統的BIOS支持自動檢測,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數據的丟失。
    由于像Red HatMandrake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32MCompactFlash卡上的。目前有許多小型的嵌入式Linux版本,比較有名的有:
ETLinux 設計用于在小型工業計算機,尤其是 PC/104 模塊上運行的 Linux 的完全分發版。
LEM 運行在 386 上的小型(<8 MB)多用戶、網絡 Linux 版本。
LOAF "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。
出于深入了解Linux系統運行環境和機制的想法,建議自己構建Linux系統,這對于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。


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,然后用mke2fs命令創建ext2文件系統.

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,然后用mke2fs命令創建ext2文件系統.

1.3 編譯內核
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、內存、設備驅動程序、文件和網絡系統,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。其余我們通常稱之為 "Linux" (例如一個 shell 和編譯器)的部分實質上只是整個軟件包的一部分,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內核版本發布的官方網站 http://www.kernel.org 上可以找到內核源代碼。
在編譯內核的時候,由于內核是在特定的機器上使用的,所以應該對機器的情況了如指掌。另一方面,為了降低過高的復雜性,可以不用kernel module支持,把所有需要的東西直接編譯到內核里。IDE支持是必不可少的,因為Linux認CompactFlash卡為IDE硬盤,Frame buffer的支持也是必要的,這來源于GUI系統—MiniGUI的要求,網絡支持可以不要,但是如果認為顯示屏將來有這方面的要求也可以把它加上。

1.4 創建根文件系統(Root Filesystem)
在編譯好內核后,需要在CompactFlash卡上創建根文件系統。每臺機器都有根文件系統(一般在本地盤中,當然也可以在RAM盤或網絡盤中),它包含系統引導和使其他文件系統得以mount所必要的文件,根文件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。
如果有一個任務比其它任務更能簡化從頭構建 Linux 根文件系統過程的話,那就是構建和安裝 BusyBox 軟件包。BusyBox 是一個可執行文件,它提供許多其它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序,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序的功能。這其中包括有一個迷你的 vi 編輯器,系統不可或缺的 /sbin/init 程序,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序的原件拿過來的話,它們的體積加在一起,讓人吃不消??墒?busybox 有全部的這么多功能,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序的功能。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.
系統啟動后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后,即在本線程(進程)空間內加載init程序,它的進程號是1。init程序需要讀取/etc/inittab文件作為其行為指針,inittab是以行為單位的描述性(非執行性)文本,inittab文件至少應該包含下面幾行:
::sysinit:/etc/init.d/rcS         //運行系統公共腳本
::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
由于init進程第一個執行的腳本文件是/etc/init.d/rcS,編輯rcS文件:
#! /bin/sh
mount -a
接著還需要編寫/etc/fstab文件:
proc          /proc          proc           defaults           0       0
none          /var/shm       shm           defaults           0       0


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,文件系統也已經建好了,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。在這里我們選用LILO,它在硬盤開始的MBR寫入引導代碼,這些代碼不經過文件系統,直接從硬盤扇區號讀內核映象(kernel image)裝入內存。那么要如何安裝LILO呢?首先需要根據用戶系統的搭建情況編輯/etc/lilo.conf文件,下面是我的/etc/lilo.conf文件,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
bios=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
image=/boot/vmlinuz-2.4.7   #內核文件位置
root=/dev/hdc1             #root分區位置
label=CompactFlash         #嵌入式Linux的名字
read-write                  #以read-write方式mount根文件系統
編輯完/etc/lilo.conf后,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:
/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盤。
嵌入式Linux系統的雛形建立完成后,應先對其進行簡單測試。關上PC104卡的電源,拔下接在IDE1口的硬盤和光驅,合上電源重啟PC104,在BIOS中設置IDE1口硬盤為None,存盤退出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,文件系統也已經建好了,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。在這里我們選用LILO,它在硬盤開始的MBR寫入引導代碼,這些代碼不經過文件系統,直接從硬盤扇區號讀內核映象(kernel image)裝入內存。那么要如何安裝LILO呢?首先需要根據用戶系統的搭建情況編輯/etc/lilo.conf文件,下面是我的/etc/lilo.conf文件,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
bios=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
image=/boot/vmlinuz-2.4.7   #內核文件位置
root=/dev/hdc1             #root分區位置
label=CompactFlash         #嵌入式Linux的名字
read-write                  #以read-write方式mount根文件系統
編輯完/etc/lilo.conf后,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:
/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盤。
嵌入式Linux系統的雛形建立完成后,應先對其進行簡單測試。關上PC104卡的電源,拔下接在IDE1口的硬盤和光驅,合上電源重啟PC104,在BIOS中設置IDE1口硬盤為None,存盤退出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。

1.6 MiniGUI
現在面向嵌入式Linux 系統的圖形用戶界面很多,如MicoroWindows/NanoX ,OpenGUI,Qt/Embedded,MiniGUI等,我們選用的是MiniGUI . MiniGUI是由魏永明主持,并由許多自由軟件開發人員支持的一個自由軟件項目(遵循 LGPL 條款發布),其目標是為基于 Linux 的實時嵌入式系統提供一個輕量級的圖形用戶界面支持系統。該項目自 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、游戲終端等在內的各種高端或者低端的嵌入式系統中,并且是免費的,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的硬盤上進行編譯安裝,MiniGUI的官方網站上有關于這方面的文檔,本文也就不再贅述了。因為MiniGUI 是以源代碼的形式發布的,在硬盤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文件,所以需要的空間很大,是不可能將它全部安裝到CompactFlash卡上的,需要的文件有:

MiniGUI的演示文件。
*  MiniGUI 的函數庫,包括 libminigui、libmywins 和 libmgext 等。
*  MiniGUI 的配置文件,即 MiniGUI.cfg 文件。
*  MiniGUI 所使用的資源文件。
如果你覺得文件太大,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,比如說繁體支持等。這樣庫會小一些。
2.去掉不需要的演示程序。
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,刪除一些位圖文件。
   
至此,帶圖形用戶界面的Linux系統已經搭建完成,可以在開發系統上寫自己的基于MiniGUI的應用程序,然后將它拷貝至CompactFlash卡上運行。
1.6 MiniGUI
現在面向嵌入式Linux 系統的圖形用戶界面很多,如MicoroWindows/NanoX ,OpenGUI,Qt/Embedded,MiniGUI等,我們選用的是MiniGUI . MiniGUI是由魏永明主持,并由許多自由軟件開發人員支持的一個自由軟件項目(遵循 LGPL 條款發布),其目標是為基于 Linux 的實時嵌入式系統提供一個輕量級的圖形用戶界面支持系統。該項目自 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、游戲終端等在內的各種高端或者低端的嵌入式系統中,并且是免費的,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的硬盤上進行編譯安裝,MiniGUI的官方網站上有關于這方面的文檔,本文也就不再贅述了。因為MiniGUI 是以源代碼的形式發布的,在硬盤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文件,所以需要的空間很大,是不可能將它全部安裝到CompactFlash卡上的,需要的文件有:

MiniGUI的演示文件。
*  MiniGUI 的函數庫,包括 libminigui、libmywins 和 libmgext 等。
*  MiniGUI 的配置文件,即 MiniGUI.cfg 文件。
*  MiniGUI 所使用的資源文件。
如果你覺得文件太大,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,比如說繁體支持等。這樣庫會小一些。
2.去掉不需要的演示程序。
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,刪除一些位圖文件。
   
至此,帶圖形用戶界面的Linux系統已經搭建完成,可以在開發系統上寫自己的基于MiniGUI的應用程序,然后將它拷貝至CompactFlash卡上運行。

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,但是針對不同的硬件環境和軟件要求,還可以作出一些改進。
首先是在體積上的裁減,在本文中采用的是32MCompactFlash卡,所以這不是一個很迫切的問題,但如果是16M8M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,如網絡支持等。
* uClibc     每個 Linux 系統都需要一個 C 庫。C 庫提供了常用的文件操作(打開、讀和寫)、內存管理操作(malloc 和 free)和許多其它使一個 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,并且正在積極的開發中。遺憾的是,它使用的內存數量相對較多,容量也較大。 uClibc是一個現代的、穩定的、具有高度兼容性的 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輕量級的 C 庫。
如果系統在啟動后要求登錄的話,建議采用TinyLogin。TinyLogin 是一套 tiny UNIX 實用程序,它用于登錄嵌入式系統、接受其驗證身份、為其修改密碼,并能維護其用戶和用戶組。為了增強系統安全性它還支持影子口令。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。

3 結束語

    在嵌入式應用的領域里,從因特網設備到專用的控制系統,Linux 操作系統的前景都很光明。所有新造的微型計算機芯片中大約有 95% 都是用于嵌入式應用的。由于 Linux 功能強大、可靠、靈活而且具有伸縮性,再加上它支持大量的微處理器體系結構、硬件設備、圖形支持和通信協議,因此大大擴展了用途,使其作為許多方案和產品的軟件平臺越來越流行。相信在不久的將來,在許多其它的信息技術(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
* Darrick Addison. 嵌入式 Linux 應用:概述. IBM developerWorks網站. 2001.8
* http://www.kernel.org/
* http://www.minigui.org/
* http://www.busybox.net/

原文轉自:http://www.anti-gravitydesign.com

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