构建嵌入式Linux系统平台

前些日子写的一些文章,大家可以看看...
为了适应目前嵌入式系统操作平台在性能、成本、可靠性等各方面的要求，论述了以Linux作为操作系统平台的优势，分析了以PC104卡和CompactFlash卡构造带图形用户界面(GUI)的Linux系统的关键技术.
0 前言
嵌入式系统的商品化操作系统十分丰富，如Palm OS、VxWorks、pSOS、Neculeus和WindowsCE等。高端嵌入式系统要求许多高级的功能，但其价格也相对昂贵，一般用户难以接受。微软的WindowsCE也有此类功能，却不具备大多数嵌入式系统要求的实时性能，而且难以移植。
Linux为嵌入式系统提供了一个极有吸引力的选择，对于嵌入式系统而言，性能、成本和可靠性是最至关重要的三个因素。首先，众多文献资料表明，Linux是当前可获得的最简捷、最快速的操作系统，其性能优越之处，是把图形处理为一个用户级的应用，图形可根据需要被选择是否运行。Linux系统中存在适度复杂的图形界面，但是它们并没有与操作系统的内核紧紧捆绑在一起，图形界面可按需求关闭。这样就可以在Linux内核上运行专门为嵌入式系统定制的图形系统，从而获得优越的性能。其次，Linux系统源代码完全公开，可以用非常便宜的价格得到各种Linux分发版，不必考虑许可成本，将用户从许可证的限制中解脱出来，无需去为资金短缺而烦忧。Linux能正常运行于内存缺乏，容量紧张的系统中，减少在硬件升级上的开支。另外，在系统稳定性方面，Linux几乎不崩溃，Linux的稳定性是由于它没有像其它操作系统一样内核极其庞大。考察资料表明，Linux与其它Unix系统和大型操作系统如VMS、IBM大型机等一样具有相同的可靠性。在上述优势之外，Linux还拥有众多硬件支持的特点和强大的网络支持功能。正因为Linux在价格、性能、稳定性以及用户定制等方面的突出优势，用它来构建系统操作平台是一个很不错的解决方案。
1 开发中的关键问题及解决方案
1.1 硬件及软件环境
Linux系统的硬件环境以PC104卡为核心，卡上集成美国国家半导体公司（NS Geode）GX1 300MHzCPU,SVGA/LCD/LAN接口以及增强型IDE硬盘接口，支持CompactFlash卡。硬盘和光驱接至PC104的IDE1口，设置跳线使硬盘为主设备（master），光驱为从设备（slave），CompactFlash装在IDE2口，设为主设备，这样Linux识别CompactFlah卡为/dev/hdc,而硬盘和光驱分别为/dev/had,/dev/hdb.我的Linux开发系统是Red Hat7.2版，通过PC104上的光驱安装在硬盘上。
CompactFlash卡容量为32M,如果系统的BIOS支持自动检测，应该可以直接探测到它。如果不行的话，需要自己输入卡的各项参数。确保不要带电插拔CompactFlash卡，因为这可能导致卡上数据的丢失。
由于像Red Hat或Mandrake这样的Linux分发版体积庞大（如果带X-Windows基本都在1G以上），是不可能装在容量只有32M的CompactFlash卡上的。目前有许多小型的嵌入式Linux版本，比较有名的有：
ETLinux — 设计用于在小型工业计算机，尤其是 PC/104 模块上运行的 Linux 的完全分发版。
LEM — 运行在 386 上的小型（<8 MB）多用户、网络 Linux 版本。
LOAF — "Linux On A Floppy"分发版,运行在 386 上。
uClinux — 在没有 MMU 的系统上运行的 Linux。目前支持 Motorola 68K、MCF5206 和 MCF5207 ColdFire 微处理器。
出于深入了解Linux系统运行环境和机制的想法，建议自己构建Linux系统，这对于将来系统内核版本的升级和应用功能的拓展很有好处。选择Red Hat 7.2的Linux版本。
1.2 系统分区和格式化
首先，需要在CompactFlash卡上建立分区和格式化，在Linux下用fdisk命令可以在CompactFlash卡上创建分区，命令格式为fdisk /dev/hdc,然后用mke2fs命令创建ext2文件系统.
1.2 系统分区和格式化
首先，需要在CompactFlash卡上建立分区和格式化，在Linux下用fdisk命令可以在CompactFlash卡上创建分区，命令格式为fdisk /dev/hdc,然后用mke2fs命令创建ext2文件系统.
1.3 编译内核
接下来要做的事情是编译一个自己的内核。内核负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。从技术上而言，Linux 是一个内核，而且只是一个内核。其余我们通常称之为 "Linux" (例如一个 shell和编译器)的部分实质上只是整个软件包的一部分，它们从技术上而言是与 Linux(内核)分开的。选择与开发系统一样的内核版本2.4.7，在Linux内核版本发布的官方网站http://www.kernel.org 上可以找到内核源代码。
在编译内核的时候，由于内核是在特定的机器上使用的，所以应该对机器的情况了如指掌。另一方面，为了降低过高的复杂性，可以不用kernelmodule支持，把所有需要的东西直接编译到内核里。IDE支持是必不可少的，因为Linux认CompactFlash卡为IDE硬盘，Framebuffer的支持也是必要的，这来源于GUI系统—MiniGUI的要求，网络支持可以不要，但是如果认为显示屏将来有这方面的要求也可以把它加上。
1.4 创建根文件系统（Root Filesystem）
在编译好内核后，需要在CompactFlash卡上创建根文件系统。每台机器都有根文件系统(一般在本地盘中，当然也可以在RAM盘或网络盘中)，它包含系统引导和使其他文件系统得以mount所必要的文件，根文件系统应该有单用户状态所必须的足够的内容。还应该包括修复损坏系统、恢复备份等的工具。
如果有一个任务比其它任务更能简化从头构建 Linux 根文件系统过程的话，那就是构建和安装 BusyBox 软件包。BusyBox是一个可执行文件，它提供许多其它常用命令行工具的功能，所有这些功能都合为一体。BusyBox 的文档声称构建一个有效系统所需要的全部就是BusyBox 和"/dev、/etc 以及内核"— 而且他们没有开玩笑。
Busybox 编译出一个单个的独立执行程序，就叫做 busybox。但是它可以根据配置，执行 ash shell的功能，以及几十个各种小应用程序的功能。这其中包括有一个迷你的 vi 编辑器，系统不可或缺的 /sbin/init 程序，以及其他诸如sed, ifconfig, halt, reboot, mkdir, mount, ln, ls, echo, cat ...等等这些都是一个正常的系统上必不可少的。但是如果我们把这些程序的原件拿过来的话，它们的体积加在一起，让人吃不消。可是 busybox有全部的这么多功能，大小也不过 100K 左右。而且，用户还可以根据自己的需要，决定到底要在 busybox中编译进哪几个应用程序的功能。这样的话，busybox的体积就可以进一步缩小了。Busybox的具体编译和配置方法请参阅Busybox的官方文档，用户可以在http://www.busybox.net/上找到.
系统启动后内核调用的第一个进程是/sbin/init。init进程是系统所有进程的起点，内核在完成核内引导以后，即在本线程（进程）空间内加载init程序，它的进程号是1。init程序需要读取/etc/inittab文件作为其行为指针，inittab是以行为单位的描述性（非执行性）文本，inittab文件至少应该包含下面几行：
::sysinit:/etc/init.d/rcS //运行系统公共脚本
::respawn:/bin/sh //立即进入shell环境
::ctrlaltdel:/bin/umount -a //捕捉Ctrl+Alt+Del快捷键，退出系统
由于init进程第一个执行的脚本文件是/etc/init.d/rcS，编辑rcS文件：
#! /bin/sh
mount -a
接着还需要编写/etc/fstab文件：
proc /proc proc defaults 0 0
none /var/shm shm defaults 0 0
1.5 安装系统引导工具（boot loader）
现在CompactFlask卡上新的内核已经有了，文件系统也已经建好了，接着要做的事情是安装系统引导工具（bootloader）。目前可以选用的引导工具很多，象LILO或GRUB都是挺不错的，用户可以按自己的喜好来选择。在这里我们选用LILO，它在硬盘开始的MBR写入引导代码，这些代码不经过文件系统，直接从硬盘扇区号读内核映象(kernelimage)装入内存。那么要如何安装LILO呢？首先需要根据用户系统的搭建情况编辑/etc/lilo.conf文件，下面是我的/etc/lilo.conf文件，配有注释，你可以根据自己的情况进行更改，具体你可以参考LILO mini-HOWTO：
boot=/dev/hdc #从CompactFlash卡启动
disk=/dev/hdc
bios=0x80 #使BIOS认CompactFlash卡为启动盘
delay=0 #可选，以秒为单位
vga=0x311 #可选，参照Frame buffer的配置
image=/boot/vmlinuz-2.4.7 #内核文件位置
root=/dev/hdc1 #root分区位置
label=CompactFlash #嵌入式Linux的名字
read-write #以read-write方式mount根文件系统
编辑完/etc/lilo.conf后，将它写到CompactFlash卡上，假设CompactFlash卡已经被mount到了/mnt/CompactLinux目录下，运行命令：
/mnt/CompactLinux/sbin/lilo -r /mnt/CompactLinux -C etc/lilo.conf
使用这个命令时必须非常小心，它可能会破坏开发系统上的引导系统而使它不能启动，为确保安全应在运行此命令前先创建系统引导软盘。
嵌入式Linux系统的雏形建立完成后，应先对其进行简单测试。关上PC104卡的电源，拔下接在IDE1口的硬盘和光驱，合上电源重启PC104，在BIOS中设置IDE1口硬盘为None，存盘退出BIOS，进入CompactFlash卡上的系统。如果系统可以一直运行到出现shell提示符#,那就证明Linux平台已经初步搭建成功了。
1.6 MiniGUI
现在面向嵌入式Linux 系统的图形用户界面很多，如MicoroWindows/NanoX，OpenGUI，Qt/Embedded，MiniGUI等，我们选用的是MiniGUI .MiniGUI是由魏永明主持，并由许多自由软件开发人员支持的一个自由软件项目（遵循 LGPL 条款发布），其目标是为基于 Linux的实时嵌入式系统提供一个轻量级的图形用户界面支持系统。该项目自 1998 年底开始到现在，历经 3 年多的开发过程，已经非常成熟和稳定。因为MiniGUI的灵活性非常好，可以应用在包括手持设备、机顶盒、游戏终端等在内的各种高端或者低端的嵌入式系统中，并且是免费的，这使其在众多GUI系统的竞争中脱颖而出，成为我们选择它的一个很重要的理由。
从MiniGUI的官方网站（http://www.minigui.org）上下载Mi...?因为MiniGUI 是以源代码的形式发布的，在硬盘上以编译的方法产生的MiniGUI的libminigui 目录下包含了这些源代码以及编译时生成的中间文件，所以需要的空间很大，是不可能将它全部安装到CompactFlash卡上的，需要的文件有：
* MiniGUI的演示文件。
* MiniGUI 的函数库，包括 libminigui、libmywins 和 libmgext 等。
* MiniGUI 的配置文件，即 MiniGUI.cfg 文件。
* MiniGUI 所使用的资源文件。
如果你觉得文件太大，参照下面的方法进行修改：
1. 首先可以修改编译选项，把不用的功能去掉，比如说繁体支持等。这样库会小一些。
2．去掉不需要的演示程序。
3. 去掉无用的资源，可以只保留一种字体，只保留一种输入法，删除一些位图文件。
至此，带图形用户界面的Linux系统已经搭建完成，可以在开发系统上写自己的基于MiniGUI的应用程序，然后将它拷贝至CompactFlash卡上运行。
2 一些补充
上面的Linux系统满足了一个系统所需的基本要求，但是针对不同的硬件环境和软件要求，还可以作出一些改进。
首先是在体积上的裁减，在本文中采用的是32M的CompactFlash卡，所以这不是一个很迫切的问题，但如果是16M或8M容量DOC，片内的空间可以说是寸土寸金，那就需要一些其他的方法：
* 内核编译 在编译内核时去掉不需要的功能，如网络支持等。
* uClibc 每个 Linux 系统都需要一个 C 库。C 库提供了常用的文件操作（打开、读和写）、内存管理操作（malloc 和free）和许多其它使一个 Linux 系统名副其实的函数。大多数 Linux 系统使用 gLibc。gLibc是成熟的、经过良好测试的，并且正在积极的开发中。遗憾的是，它使用的内存数量相对较多,容量也较大。uClibc是一个现代的、稳定的、具有高度兼容性的 gLibc 替代品。uClibc 是针对嵌入式系统开发的，所以它力图成为完整但轻量级的 C库。
如果系统在启动后要求登录的话，建议采用TinyLogin。TinyLogin 是一套 tiny UNIX实用程序，它用于登录嵌入式系统、接受其验证身份、为其修改密码，并能维护其用户和用户组。为了增强系统安全性它还支持影子口令。正如它的名字所暗示的，TinyLogin 非常小，对嵌入式系统上的 BusyBox 是极好的补充。
3 结束语
在嵌入式应用的领域里，从因特网设备到专用的控制系统，Linux 操作系统的前景都很光明。所有新造的微型计算机芯片中大约有 95%都是用于嵌入式应用的。由于 Linux功能强大、可靠、灵活而且具有伸缩性，再加上它支持大量的微处理器体系结构、硬件设备、图形支持和通信协议，因此大大扩展了用途，使其作为许多方案和产品的软件平台越来越流行。相信在不久的将来，在许多其它的信息技术（IT）领域会出现更多的Linux产品！
参考文献
* Linux bootdisk HOWTO
* LILO mini-HOWTO
* 王学龙. <<嵌入式Linux系统设计与应用>>. 清华大学出版社. 2001.8
* Darrick Addison. 嵌入式 Linux 应用：概述. IBM developerWorks网站. 2001.8
*http://www.kernel.org/
*http://www.minigui.org/
*http://www.busybox.net/