Embedded Linux 技術(shù)與概念解析

在選擇解決方案時(shí)，若是決定采用Linux做為嵌入式操作系統(tǒng)，首先當(dāng)然就是要確定廠商是否提供完整的BSP。不過(guò)，由于Linux是由社群所維護(hù)發(fā)展，因此，選擇目前Linux kernel內(nèi)有支持的平臺(tái)，將會(huì)是較好的選擇，這也是為什么有許多大廠，主動(dòng)貢獻(xiàn)并提交BSP給kernel.org的原因。

目前在kernel社群比較活躍的ARM9廠商，或是社群主動(dòng)積極協(xié)助維護(hù)的SOC平臺(tái)，像是ATMEL、Samsung與TI OMAP等，這些都是kernel.org的Linux kernel就有支持的處理器，這表示讓Linux支持這些平臺(tái)的方式也很簡(jiǎn)單，就是到kernel.org下載官方的Linux kernel即可。

Crosstool

針對(duì)ARM9或是其它平臺(tái)的開發(fā)，最重要的工具就是Cross Toolchain。Cross Toolchain的制作一直是Embedded Linux開發(fā)者的夢(mèng)靨，大多數(shù)人選擇由網(wǎng)絡(luò)下載現(xiàn)成的開發(fā)工具，但經(jīng)常會(huì)遇到缺乏鏈接庫(kù)的編譯錯(cuò)誤。完整的Cross Toolchain包含1套基本的gcc cross compiler以及其它的應(yīng)用鏈接庫(kù);Cross Toolchain是制作基本gcc cross compiler的工具，透過(guò)crosstool即可制作ARM9的基本toolchain。

Root Filesystem概念

Root filesystem的建置，即是在建立1個(gè)基本的Linux系統(tǒng)(base system)，讓kernel在完成開機(jī)后，進(jìn)入user mode執(zhí)行使用者程序。Root filesystem的建置主要是以Busybox為主，并加入(移植)客制化的開放源碼(open source)與自由軟件(free software)。

因?yàn)榍度胧絃inux的root filesystem是依照需求加入套件，與桌面環(huán)境的Linux distribution不同，因此都是用從頭打造的方式做起。在建立root filesystem時(shí)，鏈接庫(kù)相依 (library dependencies) 的議題是相當(dāng)重要的項(xiàng)目。當(dāng)root filesystem缺少必要的library時(shí)，程序當(dāng)然無(wú)法執(zhí)行，甚至系統(tǒng)也會(huì)無(wú)法順利啟動(dòng)。分析應(yīng)用程序所需的相依鏈接庫(kù)，觀念如下：

(1)先利用Cross Toolchain的objdump指令觀察ELF格式里的「NEEDED」項(xiàng)目。

(2)必須再檢查這些library是否相依其它library。

1個(gè)基本且可開機(jī)的root filesystem，也稱做bootstrap root filesystem，1個(gè)可用的bootstrap root filesystem只需要包含busybox與libc即可。傳統(tǒng)的Embedded Linux應(yīng)用，大多是以NFS的方式來(lái)測(cè)試目標(biāo)裝置的完整root filesystem(full root filesystem)。以NFS進(jìn)行Embedded Linux開發(fā)測(cè)試，主要是針對(duì)目標(biāo)裝置的full root filesystem做立即(right now)的系統(tǒng)執(zhí)行測(cè)試(run-time)，免除不斷打包image file、開機(jī)的惡夢(mèng)。這是1種流行很久的Embedded Linux系統(tǒng)測(cè)試與開發(fā)方式，其概念如下：

(1)將target的完整root filesystem(例如ARM9 root filesystem)建置后，存放于host端的某個(gè)目錄下，例如/home/rootfs。

(2)為target制作1個(gè)NFS root filesystem，也就是bootstrap root filesystem+ NFS功能，并使用NFS root filesystem將目標(biāo)裝置開機(jī)。

(3)設(shè)定host端為NFS server。

(4)以NFS mount方式將host端上的root filesystem目錄mount進(jìn)來(lái)，即可在目標(biāo)裝置上執(zhí)行full root filesystem里的應(yīng)用程序。

這種方式不但簡(jiǎn)單，而且方便，需要的基礎(chǔ)建設(shè)如下：

1.目標(biāo)裝置使用的kernel必須支持NFS。

2.制作bootstrap root filesystem時(shí)，需要加入mount指令，并且開啟mount指令的NFS功能。

3.加入NFS functionality至bootstrap root filesystem。

4.設(shè)定NFS server。

制作完成的root filesystem必須做打包的動(dòng)作，將整個(gè)root filesystem包裝成1個(gè)映像檔(image file)。根據(jù)目標(biāo)裝置的不同，我們可以將映像檔包裝成ROM fs、Compress ROM fs、ext2fs或是compress RAM fs。

ROM file system

ROM file system(romfs)是1種只讀的檔案系統(tǒng)，在Embedded Linux里的主要應(yīng)用為制作romfs格式的檔案系統(tǒng)映像文件。我們將root filesystem制作成romfs filesystem的imagen。開機(jī)后，整個(gè)filesystem僅能讀取。要使用romfs filesystem必須將Linux kernel里的CONFIG_ROMFS_FS功能選項(xiàng)打開。制作ROM fs映像檔所使用的工具為genromfs。

Compressed ROM file system

Compressed ROM file system(cromfs)即是壓縮過(guò)的ROM file system，其制作方式相當(dāng)簡(jiǎn)單，只要使用gzip將ROM file system的映像檔壓縮即可。

制作ext2fs映像檔

制作ext2fs映像檔的方式有2種。1種是使用dd指令產(chǎn)生1個(gè)空白的映像檔，接著再將此映像檔以mkfs.ext2指令格式化成ext2的格式。制作好的空白映像檔再以loopback mount方式掛載到1個(gè)目錄下，再將root filesystem整個(gè)復(fù)制到此目錄下，即可完成ext2fs映像檔的制作。

另外1種建立ext2fs映像檔的方式是使用genext2fs工具，此工具的好處是，當(dāng)我們需要在root filesystem里預(yù)先建立(pre-built)裝置文件時(shí)(device file)，只需要編寫1個(gè)裝置文件表格，genext2fs工具會(huì)在打包映像檔時(shí)，自動(dòng)在root filesystem里建立裝置文件。

Initial RAM disk(initrd)

RAM disk是存在于內(nèi)存中的虛擬磁盤，也就是將RAM拿來(lái)當(dāng)成磁盤使用。在Embedded Linux的應(yīng)用中，我們通常會(huì)將ramdisk當(dāng)成暫存目錄來(lái)使用。例如將/dev/ram1附掛到/tmp目錄，以便能讓應(yīng)用程序存放暫時(shí)性檔案。/dev/ram?為ramdisk的device file。由于整個(gè)root filesystem是從真正的儲(chǔ)存裝置讀取并加載至ramdisk，因此有1個(gè)重要的特性是對(duì)file system所做的任何修改，都不會(huì)影響到真正root filesystem的內(nèi)容。

initrd全名為initialize RAM disk，是1個(gè)特殊的RAM disk。bootloader會(huì)將initrd載至內(nèi)存，Linux kernel則可在/dev/ram0找到initrd。initrd會(huì)在Linux kernel開機(jī)前就加載，initrd正式的用途是用來(lái)存放開機(jī)時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)程序(因root filesystem尚未mount進(jìn)來(lái))。在Embedded Linux應(yīng)用上，我們會(huì)利用initrd來(lái)存放整個(gè)檔案系統(tǒng)(root filesystem)，也就是將root filesystem制作成ext2或romfs格式(或其它檔案系統(tǒng))的映像文件，并在開機(jī)時(shí)由bootloader加載內(nèi)存，initrd均位于/dev/ram0。要使用RAM disk與initrd，必須將Linux kernel的CONFIG_BLK_DEV_RAM以及CONFIG_BLK_DEV_INITRD)。