構造嵌入式Linux

Linux自身具備一整套工具鏈，容易自行建立 嵌入式 系統的 開發 環境和交叉運行環境，並且可以跨越嵌入式系統開發中的仿真工具（ICE）的障礙。內核的完全開放使人們可以自己設計和開發出真正的硬實時系統，軟實時系統在Linux中也容易得到實現。強大的 網絡 支 Linux自身具備一整套工具鏈，容易自行建立嵌入式系統的開發環境和交叉運行環境，並且可以跨越嵌入式系統開發中的仿真工具（ICE）的障礙。內核的完全開放使人們可以自己設計和開發出真正的硬實時系統，軟實時系統在Linux中也容易得到實現。強大的網絡支持使得可以利用Linux的網絡協議棧將其開發成為嵌入式的TCP/IP網絡協議棧。

　　Linux提供了完成嵌入功能的基本內核和所需要的所有用戶界面，它是多面的。它能處理嵌入式任務和用戶界面。

　　一個小型的嵌入式Linux系統只需要下面三個基本元素：

　　* 引導工具

　　* Linux微內核，由內存管理、進程管理和事務處理構成

　　* 初始化進程

　　如果要讓它能干點什麼且繼續保持小型化，還得加上：

　　* 硬件驅動程序

　　* 提供所需功能的一個或更多應用程序。

　　再增加功能，或許需要這些：

　　* 一個文件系統（也許在ROM或RAM）中

　　* TCP/IP網絡堆棧

　　下面我們就從精簡內核、系統啟動、驅動程序將、X-Window換成MicroWindows四個步驟介紹嵌入式Linux的實際開發。

　　精簡內核
　　構造內核的常用命令包括：make config、dep、clean、mrproper、zImage、bzImage、modules、modules_install。命令說明略。

　　現在舉個例子說明一下：

　　我使用的是 Mandrake內附的 2.2.15。我沒有修改任何一行程序碼，完全只靠修改組態檔得到這些數據。

　　首先，使用 make config 把所有可以拿掉的選項都拿得。

　　不要 floppy；不要SMP、MTRR；不要 Networking、SCSI；把所有的 block device 移除，只留下 old IDE device；把所有的 character device 移除；把所有的 filesystem 移除，只留下 minix；不要 sound 支援。相信我，我己經把所有的選項都移除了。這樣做之後，我得到了一個 188K 的核心。

　　還不夠小嗎? OK，再加上一招，請把下列兩個檔案中的 -O3,-O2 用 -Os 取代。

　　./Makefile

　　./arch/i386/kernel/

　　Makefile

　　這樣一來，整個核心變小了 9K，成為 179K。

　　不過這個核心恐怕很難發揮 Linux 的功能，因此我決定把網絡加回去。把General中的.network support 加回去，重新編譯，核心變成 189 K。10K就加上個 TCP/IP stack，似乎是很上算的生意。

　　有stack沒有driver也是枉然，所以我把 embedded board常用的RTL8139的driver加回去，195K。

　　如果你需要 DOS 檔案系統，那大小成為 213K。如果 minix 用 ext2 換代，則大小成長至 222K。

　　Linux所需的內存大約在600K～800K之間。1MB內存就可能可以開機了，但不太有用，因為連載入C程序庫都有困難。2MB內存應該就可以做點事了，但要到 4MB以上才可以執行一個比較完整的系統。

　　因為Linux 的filesystem 相當大，大約在 230K 左右，占了 1/3 的體積。內存管理占了80K，和核心其它部分的總和差不多。TCP/IP stack 占了65K，驅動程序占了120K。SysV IPC占了 21K，必要的話可以拿掉，核心檔應該可以再小個10K左右。

　　如果要裁剪核心大小，應該動那裡呢? 答案很明顯，當然是文件系統。Linux 的 VFS簡化了檔案系統的設計，buffer cache, directory cache增加了系統的效率。但這些embedded系統根本就用處不大。如果可以把它們拿掉，核心可以馬上縮小 20K 左右。如果跳過整個 VFS，直接將文件系統寫成一個 driver 的型式，應該可以將 230K縮減至50K左右。整個核心縮到100K左右。

　　系統啟動
　　系統的啟動順序及相關文件仍在核心源碼目錄下，看以下幾個文件：

　　./arch/ $ARCH/boot/

　　bootsect.s

　　./arch/ $ARCH/boot/setup.s

　　./init/main.c

　　bootsect.S 及 setup.S

　　這個程序是Linux kernel的第一個程序，包括了Linux自己的bootstrap程序，但是在說明這個程序前，必須先說明一般IBM PC開機時的動作(此處的開機是指“打開PC的電源”)。

　　一般PC在電源一開時，是由內存中地址FFFF:0000開始執行(這個地址一定在ROM BIOS中，ROM BIOS一般是在FEOOOh到FFFFFh中)，而此處的內容則是一個jump指令，jump到另一個位於ROM BIOS中的位置，開始執行一系列的動作。

　　緊接著系統測試碼之後，控制權會轉移給ROM中的啟動程序(ROM bootstrap routine)。這個程序會將磁盤上的第零軌第零扇區讀入內存中，至於讀到內存的哪裡呢? --絕對位置07C0:0000(即07C00h處)，這是IBM系列PC的特性。而位於Linux開機磁盤的boot sector上的，正是Linux的bootsect程序。

　　把大家所熟知的MS DOS 與Linux的開機部分做個粗淺的比較。MS DOS 由位於磁盤上boot sector的boot程序負責把IO.SYS載入內存中，而IO.SYS則負有把DOS的kernel --MSDOS.SYS載入內存的重任。而Linux則是由位於boot sector 的bootsect程序負責把setup及Linux的kernel載入內存中，再將控制權交給setup。

　　驅動程序
　　在Linux系統裡，設備驅動程序所提供的這組入口點由一個結構來向系統進行說明。

　　設備驅動程序所提供的入口點，在設備驅動程序初始化的時候向系統進行登記，以便系統在適當的時候調用。Linux系統裡，通過調用register_chrdev 向系統注冊字符型設備驅動程序。

　　在Linux裡，除了直接修改系統核心的源代碼，把設備驅動程序加進核心裡以外，還可以把設備驅動程序作為可加載的模塊，由系統管理員動態地加載它，使之成為核心的一部分。也可以由系統管理員把已加載的模塊動態地卸載下來。Linux中，模塊可以用C語言編寫，用gclearcase/" target="_blank" >cc編譯成目標文件（不進行鏈接，作為*.o文件存在）。為此需要在gcc命令行裡加上-c的參數。在成功地向系統注冊了設備驅動程序後（調用register_chrdev成功後），就可以用mknod命令來把設備映射為一個特別文件。其它程序使用這個設備的時候，只要對此特別文件進行操作就行了。

　　將X-Window換成MicroWindows

　　MicroWindows是使用分層結構的設計方法。允許改變不同的層來適應實際的應用。在最底一層，提供了屏幕、鼠標/觸摸屏和鍵盤的驅動，使程序能訪問實際的硬件設備和其它用戶定制設備。在中間一層，有一個輕巧的圖形引擎，提供了繪制線條、區域填充、繪制多邊形、裁剪和使用顏色模式的方法。在最上一層，提供了不同的API給圖形應用程序使用。這些API可以提供或不提供桌面和窗口外形。目前，MicroWindows支持Windows Win32/WinCE GDI和Nano-X API。這些API提供了Win32和X窗口系統的緊密兼容性，使得別的應用程序可以很容易就能移植到MicroWindows上。

　　何謂嵌入式系統
　　嵌入式系統被定義為：以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。

　　嵌入式系統是面向用戶、面向產品、面向應用的，如果獨立於應用自行發展，則會失去市場。嵌入式處理器的功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面均受到應用要求的制約，這些也是各個半導體廠商之間競爭的熱點。嵌入式處理器的應用軟件是實現嵌入式系統功能的關鍵。軟件要求固化存儲，軟件代碼要求高質量、高可靠性，系統軟件(OS)的高實時性是基本要求。

　　在制造工業、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產品等方面均是嵌入式計算機的應用領域。