嵌入式設(shè)備上的 Linux 系統(tǒng)開發(fā)

Linux正在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域穩(wěn)步發(fā)展。因為Linux使用GPL（請參閱本文后面的參考資料），所以任何對將Linux定制于PDA、掌上機或者可佩帶設(shè)備感興趣的人都可以從因特網(wǎng)免費下載其內(nèi)核和應(yīng)用程序，并開始移植或開發(fā)。許多Linux改良品種迎合了嵌入式／實時市場。它們包括RTLinux（實時Linux）、uclinux（用于非MMU設(shè)備的Linux）、MontavistaLinux（用于ARM、MIPS、PPC的Linux分發(fā)版）、ARM-Linux（ARM上的Linux）和其它Linux系統(tǒng)（請參閱參考資料以鏈接到本文中提到的這些和其它術(shù)語及產(chǎn)品。）

嵌入式Linux開發(fā)大致涉及三個層次：引導裝載程序、Linux內(nèi)核和圖形用戶界面（或稱GUI）。在本文中，我們將集中討論涉及這三層的一些基本概念；深入了解引導裝載程序、內(nèi)核和文件系統(tǒng)是如何交互的；并將研究可用于文件系統(tǒng)、GUI和引導裝載程序的眾多選項中的一部分。

引導裝載程序

引導裝載程序通常是在任何硬件上執(zhí)行的第一段代碼。在象臺式機這樣的常規(guī)系統(tǒng)中，通常將引導裝載程序裝入主引導記錄（MasterBootRecord，(MBR)）中，或者裝入Linux駐留的磁盤的第一個扇區(qū)中。通常，在臺式機或其它系統(tǒng)上，BIOS將控制移交給引導裝載程序。這就提出了一個有趣的問題：誰將引導裝載程序裝入（在大多數(shù)情況中）沒有BIOS的嵌入式設(shè)備上呢？

解決這個問題有兩種常規(guī)技術(shù)：專用軟件和微小的引導代碼（tinybootcode）。

專用軟件可以直接與遠程系統(tǒng)上的閃存設(shè)備進行交互并將引導裝載程序安裝在閃存的給定位置中。閃存設(shè)備是與存儲設(shè)備功能類似的特殊芯片，而且它們能持久存儲信息D即，在重新引導時不會擦除其內(nèi)容。

這個軟件使用目標（在嵌入式開發(fā)中，嵌入式設(shè)備通常被稱為目標）上的JTAG端口，它是用于執(zhí)行外部輸入（通常來自主機機器）的指令的接口。JFlash-linux是一種用于直接寫閃存的流行工具。它支持為數(shù)眾多的閃存芯片；它在主機機器（通常是i386機器D本文中我們把一臺i386機器稱為主機）上執(zhí)行并通過JTAG接口使用并行端口訪問目標的閃存芯片。當然，這意味著目標需要有一個并行接口使它能與主機通信。Jflash-linux在Linux和Windows版本中都可使用，可以在命令行中用以下命令啟動它：
Jflash-linuxbootloader>



某些種類的嵌入式設(shè)備具有微小的引導代碼D根據(jù)幾個字節(jié)的指令D它將初始化一些DRAM設(shè)置并啟用目標上的一個串行（或者USB，或者以太網(wǎng)）端口與主機程序通信。然后，主機程序或裝入程序可以使用這個連接將引導裝載程序傳送到目標上，并將它寫入閃存。

在安裝它并給予其控制后，這個引導裝載程序執(zhí)行下列各類功能：

初始化CPU速度
初始化內(nèi)存，包括啟用內(nèi)存庫、初始化內(nèi)存配置寄存器等
初始化串行端口（如果在目標上有的話）
啟用指令／數(shù)據(jù)高速緩存
設(shè)置堆棧指針
設(shè)置參數(shù)區(qū)域并構(gòu)造參數(shù)結(jié)構(gòu)和標記（這是重要的一步，因為內(nèi)核在標識根設(shè)備、頁面大小、內(nèi)存大小以及更多內(nèi)容時要使用引導參數(shù)）
執(zhí)行POST（加電自檢）來標識存在的設(shè)備并報告任何問題
為電源管理提供掛起／恢復支持
跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的開始
帶有引導裝載程序、參數(shù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)核和文件系統(tǒng)的系統(tǒng)典型內(nèi)存布局可能如下所示：


清單1.典型內(nèi)存布局
/*TopOfMemory*/
Bootloader
ParameterArea
Kernel
Filesystem
/*EndOfMemory*/



嵌入式設(shè)備上一些流行的并可免費使用的Linux引導裝載程序有Blob、Redboot和Bootldr（請參閱參考資料獲得鏈接）。所有這些引導裝載程序都用于基于ARM設(shè)備上的Linux，并需要Jflash-linux工具用于安裝。

一旦將引導裝載程序安裝到目標的閃存中，它就會執(zhí)行我們上面提到的所有初始化工作。然后，它準備接收來自主機的內(nèi)核和文件系統(tǒng)。一旦裝入了內(nèi)核，引導裝載程序就將控制轉(zhuǎn)給內(nèi)核。

設(shè)置工具鏈

設(shè)置工具鏈在主機機器上創(chuàng)建一個用于編譯將在目標上運行的內(nèi)核和應(yīng)用程序的構(gòu)建環(huán)境D這是因為目標硬件可能沒有與主機兼容的二進制執(zhí)行級別。

工具鏈由一套用于編譯、匯編和鏈接內(nèi)核及應(yīng)用程序的組件組成。這些組件包括：

BinutilsD用于操作二進制文件的實用程序集合。它們包括諸如ar、as、objdump、objcopy這樣的實用程序。
GccDGNUC編譯器。
GlibcD所有用戶應(yīng)用程序都將鏈接到的C庫。避免使用任何C庫函數(shù)的內(nèi)核和其它應(yīng)用程序可以在沒有該庫的情況下進行編譯。
構(gòu)建工具鏈建立了一個交叉編譯器環(huán)境。本地編譯器編譯與本機同類的處理器的指令。交叉編譯器運行在某一種處理器上，卻可以編譯另一種處理器的指令。重頭設(shè)置交叉編譯器工具鏈可不是一項簡單的任務(wù)：它包括下載源代碼、修補補丁、配置、編譯、設(shè)置頭文件、安裝以及很多很多的操作。另外，這樣一個徹底的構(gòu)建過程對內(nèi)存和硬盤的需求是巨大的。如果沒有足夠的內(nèi)存和硬盤空間，那么在構(gòu)建階段由于相關(guān)性、配置或頭文件設(shè)置等問題會突然冒出許多問題。

因此能夠從因特網(wǎng)上獲得已預(yù)編譯的二進制文件是一件好事（但不太好的一點是，目前它們大多數(shù)只限于基于ARM的系統(tǒng)，但遲早會改變的）。一些比較流行的已預(yù)編譯的工具鏈包括那些來自Compaq（FamiliarLinux）、LART（LARTLinux）和Embedian（基于Debian但與它無關(guān)）的工具鏈D所有這些工具鏈都用于基于ARM的平臺。

內(nèi)核設(shè)置

Linux社區(qū)正積極地為新硬件添加功能部件和支持、在內(nèi)核中修正錯誤并且及時地進行常規(guī)改進。這導致大約每6個月（或6個月不到）就有一個穩(wěn)定的Linux樹的新發(fā)行版。不同的維護者維護針對特定體系結(jié)構(gòu)的不同內(nèi)核樹和補丁。當為一個項目選擇了一個內(nèi)核時，您需要評估最新發(fā)行版的穩(wěn)定性如何、它是否符合項目要求和硬件平臺、從編程角度來看它的舒適程度以及其它難以確定的方面。還有一點也非常重要：找到需要應(yīng)用于基本內(nèi)核的所有補丁，以便為特定的體系結(jié)構(gòu)調(diào)整內(nèi)核。

內(nèi)核布局

內(nèi)核布局分為特定于體系結(jié)構(gòu)的部分和與體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的部分。內(nèi)核中特定于體系結(jié)構(gòu)的部分首先執(zhí)行，設(shè)置硬件寄存器、配置內(nèi)存映射、執(zhí)行特定于體系結(jié)構(gòu)的初始化，然后將控制轉(zhuǎn)給內(nèi)核中與體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的部分。系統(tǒng)的其余部分在這第二個階段期間進行初始化。內(nèi)核樹下的目錄arch/由不同的子目錄組成，每個子目錄用于一個不同的體系結(jié)構(gòu)（MIPS、ARM、i386、SPARC、PPC等）。每一個這樣的子目錄都包含kernel/和mm/子目錄，它們包含特定于體系結(jié)構(gòu)的代碼來完成象初始化內(nèi)存、設(shè)置IRQ、啟用高速緩存、設(shè)置內(nèi)核頁面表等操作。一旦裝入內(nèi)核并給予其控制，就首先調(diào)用這些函數(shù)，然后初始化系統(tǒng)的其余部分。

根據(jù)可用的系統(tǒng)資源和引導裝載程序的功能，內(nèi)核可以編譯成vmlinux、Image或zImage。vmlinux和zImage之間的主要區(qū)別在于vmlinux是實際的（未壓縮的）可執(zhí)行文件，而zImage是或多或少包含相同信息的自解壓壓縮文件D只是壓縮它以處理（通常是Intel強制的）640KB引導時間的限制。有關(guān)所有這些的權(quán)威性解釋，請參閱LinuxMagazine的文章“KernelConfiguration:dealingwiththeunexpected”（請參閱參考資料）。

內(nèi)核鏈接和裝入

一旦為目標系統(tǒng)編譯了內(nèi)核后，通過使用引導裝載程序（它已經(jīng)被裝入到目標的閃存中），內(nèi)核就被裝入到目標系統(tǒng)的內(nèi)存（在DRAM中或者在閃存中）。通過使用串行、USB或以太網(wǎng)端口，引導裝載程序與主機通信以將內(nèi)核傳送到目標的閃存或DRAM中。在將內(nèi)核完全裝入目標后，引導裝載程序?qū)⒖刂苽鬟f給裝入內(nèi)核的地址。

內(nèi)核可執(zhí)行文件由許多鏈接在一起的對象文件組成。對象文件有許多節(jié)，如文本、數(shù)據(jù)、init數(shù)據(jù)、bass等等。這些對象文件都是由一個稱為鏈接器腳本的文件鏈接并裝入的。這個鏈接器腳本的功能是將輸入對象文件的各節(jié)映射到輸出文件中；換句話說，它將所有輸入對象文件都鏈接到單一的可執(zhí)行文件中，將該可執(zhí)行文件的各節(jié)裝入到指定地址處。vmlinux.lds是存在于arch/target>/目錄中的內(nèi)核鏈接器腳本，它負責鏈接內(nèi)核的各個節(jié)并將它們裝入內(nèi)存中特定偏移量處。典型的vmlinux.lds看起來象這樣：


清單2.典型的vmlinux.lds文件
OUTPUT_ARCH(arch>)/*arch>includesarchitecturetype*/
ENTRY(stext)/*stextisthekernelentrypoint*/
SECTIONS/*SECTIONScommanddescribesthelayout
oftheoutputfile*/
{
.=TEXTADDR;/*TEXTADDRisLMAforthekernel*/
.init:{/*Initcodeanddata*/
_stext=.;/*Firstsectionisstextfollowed
by__initdatasection*/
__init_begin=.;
*(.text.init)
__init_end=.;
}
.text:{/*Realtextsegmentfollows__init_datasection*/
_text=.;
*(.text)
_etext=.;/*Endoftextsection*/
}
.data:{
_data=.;/*Datasectioncomesaftertextsection*/
*(.data)
_edata=.;
}/*Datasectionendshere*/
.bss:{/*BSSsectionfollowssymboltablesection*/
__bss_start=.;
*(.bss)
_end=.;/*BSSsectionendshere*/
}
}



LMA是裝入模塊地址；它表示將要裝入內(nèi)核的目標虛擬內(nèi)存中的地址。TEXTADDR是內(nèi)核的虛擬起始地址，并且在arch/target>/下的Makefile中指定它的值。這個地址必須與引導裝載程序使用的地址相匹配。

一旦引導裝載程序?qū)?nèi)核復制到閃存或DRAM中，內(nèi)核就被重新定位到TEXTADDR―它通常在DRAM中。然后，引導裝載程序?qū)⒖刂妻D(zhuǎn)給這個地址，以便內(nèi)核能開始執(zhí)行。

參數(shù)傳遞和內(nèi)核引導

stext是內(nèi)核入口點，這意味著在內(nèi)核引導時將首先執(zhí)行這一節(jié)下的代碼。它通常用匯編語言編寫，并且通常它在arch/target>/內(nèi)核目錄下。這個代碼設(shè)置內(nèi)核頁面目錄、創(chuàng)建身份內(nèi)核映射、標識體系結(jié)構(gòu)和處理器以及執(zhí)行分支start_kernel（初始化系統(tǒng)的主例程）。

start_kernel調(diào)用setup_arch作為執(zhí)行的第一步，在其中完成特定于體系結(jié)構(gòu)的設(shè)置。這包括初始化硬件寄存器、標識根設(shè)備和系統(tǒng)中可用的DRAM和閃存的數(shù)量、指定系統(tǒng)中可用頁面的數(shù)目、文件系統(tǒng)大小等等。所有這些信息都以參數(shù)形式從引導裝載程序傳遞到內(nèi)核。

將參數(shù)從引導裝載程序傳遞到內(nèi)核有兩種方法：parameter_structure和標記列表。在這兩種方法中，不贊成使用參數(shù)結(jié)構(gòu)，因為它強加了限制：指定在內(nèi)存中，每個參數(shù)必須位于param_struct中的特定偏移量處。最新的內(nèi)核期望參數(shù)作為標記列表的格式來傳遞，并將參數(shù)轉(zhuǎn)化為已標記格式。param_struct定義在include/asm/setup.h中。它的一些重要字段是：


清單3.樣本參數(shù)結(jié)構(gòu)
structparam_struct{
unsignedlongpage_size;/*0:Sizeofthepage*/
unsignedlongnr_pages;/*4:Numberofpagesinthesystem*/
unsignedlongramdisk/*8:ramdisksize*/
unsignedlongrootdev;/*16:Numberrepresentingtherootdevice*/
unsignedlonginitrd_start;/*64:startingaddressofinitialramdisk*/
/*Thiscanbeeitherinflash/dram*/
unsignedlonginitrd_size;/*68:sizeofinitialramdisk*/
}



請注意：這些數(shù)表示定義字段的參數(shù)結(jié)構(gòu)中的偏移量。這意味著如果引導裝載程序?qū)?shù)結(jié)構(gòu)放置在地址0xc0000100，那么rootdev參數(shù)將放置在0xc0000100+16，initrd_start將放置在0xc0000100+64等等D否則，內(nèi)核將在解釋正確的參數(shù)時遇到困難。

正如上面提到的，因為從引導裝載程序到內(nèi)核的參數(shù)傳遞會有一些約束條件，所以大多數(shù)2.4.x系列內(nèi)核期望參數(shù)以已標記的列表格式傳遞。在已標記的列表中，每個標記由標識被傳遞參數(shù)的tag_header以及其后的參數(shù)值組成。標記列表中標記的常規(guī)格式可以如下所示：


清單4.樣本標記格式。內(nèi)核通過ATAG_TAGNAME>頭來標識每個標記。
#defineaTAG_TAGNAME>SomeMagicnumber>
structtag_tagname>{
u32tag_param>;
u32tag_param>;
};
/*Exampletagforpassingmemoryinformation*/
#defineATAG_MEM0x54410002/*Magicnumber*/
structtag_mem32{
u32size;/*sizeofmemory*/
u32start;/*physicalstartaddressofmemory*/
};



setup_arch還需要對閃存存儲庫、系統(tǒng)寄存器和其它特定設(shè)備執(zhí)行內(nèi)存映射。一旦完成了特定于體系結(jié)構(gòu)的設(shè)置，控制就返回到初始化系統(tǒng)其余部分的start_kernel函數(shù)。這些附加的初始化任務(wù)包含：

設(shè)置陷阱
初始化中斷
初始化計時器
初始化控制臺
調(diào)用mem_init，它計算各種區(qū)域、高內(nèi)存區(qū)等內(nèi)的頁面數(shù)量
初始化slab分配器并為VFS、緩沖區(qū)高速緩存等創(chuàng)建slab高速緩存
建立各種文件系統(tǒng)，如proc、ext2和JFFS2
創(chuàng)建kernel_thread，它執(zhí)行文件系統(tǒng)中的init命令并顯示lign提示符。如果在/bin、/sbin或/etc中沒有init程序，那么內(nèi)核將執(zhí)行文件系統(tǒng)的/bin中的shell。


設(shè)備驅(qū)動程序

嵌入式系統(tǒng)通常有許多設(shè)備用于與用戶交互，象觸摸屏、小鍵盤、滾動輪、傳感器、RA232接口、LCD等等。除了這些設(shè)備外，還有許多其它專用設(shè)備，包括閃存、USB、GSM等。內(nèi)核通過所有這些設(shè)備各自的設(shè)備驅(qū)動程序來控制它們，包括GUI用戶應(yīng)用程序也通過訪問這些驅(qū)動程序來訪問設(shè)備。本節(jié)著重討論通常幾乎在每個嵌入式環(huán)境中都會使用的一些重要設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動程序。

幀緩沖區(qū)驅(qū)動程序

這是最重要的驅(qū)動程序之一，因為通過這個驅(qū)動程序才能使系統(tǒng)屏幕顯示內(nèi)容。幀緩沖區(qū)驅(qū)動程序通常有三層。最底層是基本控制臺驅(qū)動程序drivers/char/console.c，它提供了文本控制臺常規(guī)接口的一部分。通過使用控制臺驅(qū)動程序函數(shù)，我們能將文本打印到屏幕上D但圖形或動畫還不能（這樣做需要使用視頻模式功能，通常出現(xiàn)在中間層，也就是drivers/video/fbcon.c中）。這個第二層驅(qū)動程序提供了視頻模式中繪圖的常規(guī)接口。

幀緩沖區(qū)是顯卡上的內(nèi)存，需要將它內(nèi)存映射到用戶空間以便可以將圖形和文本能寫到這個內(nèi)存段上：然后這個信息將反映到屏幕上。幀緩沖區(qū)支持提高了繪圖的速度和整體性能。這也是頂層驅(qū)動程序引人注意之處：頂層是非常特定于硬件的驅(qū)動程序，它需要支持顯卡不同的硬件方面D象啟用／禁用顯卡控制器、深度和模式的支持以及調(diào)色板等。所有這三層都相互依賴以實現(xiàn)正確的視頻功能。與幀緩沖區(qū)有關(guān)的設(shè)備是/dev/fb0（主設(shè)備號29，次設(shè)備號0）。

輸入設(shè)備驅(qū)動程序

可觸摸板是用于嵌入式設(shè)備的最基本的用戶交互設(shè)備之一D小鍵盤、傳感器和滾動輪也包含在許多不同設(shè)備中以用于不同的用途。

觸摸板設(shè)備的主要功能是隨時報告用戶的觸摸，并標識觸摸的坐標。這通常在每次發(fā)生觸摸時，通過生成一個中斷來實現(xiàn)。

然后，這個設(shè)備驅(qū)動程序的角色是每當出現(xiàn)中斷時就查詢觸摸屏控制器，并請求控制器發(fā)送觸摸的坐標。一旦驅(qū)動程序接收到坐標，它就將有關(guān)觸摸和任何可用數(shù)據(jù)的信號發(fā)送給用戶應(yīng)用程序，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給應(yīng)用程序（如果可能的話）。然后用戶應(yīng)用程序根據(jù)它的需要處理數(shù)據(jù)。

幾乎所有輸入設(shè)備D包括小鍵盤D都以類似原理工作。

閃存MTD驅(qū)動程序

MTD設(shè)備是象閃存芯片、小型閃存卡、記憶棒等之類的設(shè)備，它們在嵌入式設(shè)備中的使用正在不斷增長。

MTD驅(qū)動程序是在Linux下專門為嵌入式環(huán)境開發(fā)的新的一類驅(qū)動程序。相對于常規(guī)塊設(shè)備驅(qū)動程序，使用MTD驅(qū)動程序的主要優(yōu)點在于MTD驅(qū)動程序是專門為基于閃存的設(shè)備所設(shè)計的，所以它們通常有更好的支持、更好的管理和基于扇區(qū)的擦除和讀寫操作的更好的接口。Linux下的MTD驅(qū)動程序接口被劃分為兩類模塊：用戶模塊和硬件模塊。

用戶模塊
這些模塊提供從用戶空間直接使用的接口：原始字符訪問、原始塊訪問、FTL（閃存轉(zhuǎn)換層，F(xiàn)lashTransitionLayerD用在閃存上的一種文件系統(tǒng)）和JFS（即日志文件系統(tǒng)，JournaledFileSystemD在閃存上直接提供文件系統(tǒng)而不是模擬塊設(shè)備）。用于閃存的JFS的當前版本是JFFS2（稍后將在本文中描述）。

硬件模塊
這些模塊提供對內(nèi)存設(shè)備的物理訪問，但并不直接使用它們。通過上述的用戶模塊來訪問它們。這些模塊提供了在閃存上讀、擦除和寫操作的實際例程。

MTD驅(qū)動程序設(shè)置
為了訪問特定的閃存設(shè)備并將文件系統(tǒng)置于其上，需要將MTD子系統(tǒng)編譯到內(nèi)核中。這包括選擇適當?shù)腗TD硬件和用戶模塊。當前，MTD子系統(tǒng)支持為數(shù)眾多的閃存設(shè)備D并且有越來越多的驅(qū)動程序正被添加進來以用于不同的閃存芯片。

有兩個流行的用戶模塊可啟用對閃存的訪問：MTD_CHAR和MTD_BLOCK。

MTD_CHAR提供對閃存的原始字符訪問，而MTD_BLOCK將閃存設(shè)計為可以在上面創(chuàng)建文件系統(tǒng)的常規(guī)塊設(shè)備（象IDE磁盤）。與MTD_CHAR關(guān)聯(lián)的設(shè)備是/dev/mtd0、mtd1、mtd2（等等），而與MTD_BLOCK關(guān)聯(lián)的設(shè)備是/dev/mtdblock0、mtdblock1（等等）。由于MTD_BLOCK設(shè)備提供象塊設(shè)備那樣的模擬，通常更可取的是在這個模擬基礎(chǔ)上創(chuàng)建象FTL和JFFS2那樣的文件系統(tǒng)。

為了進行這個操作，可能需要創(chuàng)建分區(qū)表將閃存設(shè)備分拆到引導裝載程序節(jié)、內(nèi)核節(jié)和文件系統(tǒng)節(jié)中。樣本分區(qū)表可能包含以下信息：


清單5.MTD的簡單閃存設(shè)備分區(qū)
structmtd_partitionsample_partition={
{
/*Firstpartition*/
name:bootloader,/*Bootloadersection*/
size:0x00010000,/*Size*/
offset:0,/*Offsetfromstartofflash-location0x0*/
mask_flags:MTD_WRITEABLE/*Thispartitionisnotwritable*/
},
{/*Secondpartition*/
name:Kernel,/*Kernelsection*/
size:0x00100000,/*Size*/
offset:MTDPART_OFS_APPEND,/*Appendafterbootloadersection*/
mask_flags:MTD_WRITEABLE/*Thispartitionisnotwritable*/
},
{/*Thirdpartition*/
name:JFFS2,/*JFFS2filesystem*/
size:MTDPART_SIZ_FULL,/*Occupyrestofflash*/
offset:MTDPART_OFS_APPEND/*Appendafterkernelsection*/
}
}



上面的分區(qū)表使用了MTD_BLOCK接口對閃存設(shè)備進行分區(qū)。這些分區(qū)的設(shè)備節(jié)點是：


簡單閃存分區(qū)的設(shè)備節(jié)點
UserdevicenodeMajornumberMinornumber
Bootloader/dev/mtdblock0310
Kernel/dev/mtdblock1311
Filesystem/dev/mtdblock2312



在本例中，引導裝載程序必須將有關(guān)root設(shè)備節(jié)點（/dev/mtdblock2）和可以在閃存中找到文件系統(tǒng)的地址（本例中是FLASH_BASE_ADDRESS+0x04000000）的正確參數(shù)傳遞到內(nèi)核。一旦完成分區(qū)，閃存設(shè)備就準備裝入或掛裝文件系統(tǒng)。

Linux中MTD子系統(tǒng)的主要目標是在系統(tǒng)的硬件驅(qū)動程序和上層，或用戶模塊之間提供通用接口。硬件驅(qū)動程序不需要知道象JFFS2和FTL那樣的用戶模塊使用的方法。所有它們真正需要提供的就是一組對底層閃存系統(tǒng)進行read、write和erase操作的簡單例程。



嵌入式設(shè)備的文件系統(tǒng)

系統(tǒng)需要一種以結(jié)構(gòu)化格式存儲和檢索信息的方法；這就需要文件系統(tǒng)的參與。Ramdisk（請參閱參考資料）是通過將計算機的RAM用作設(shè)備來創(chuàng)建和掛裝文件系統(tǒng)的一種機制，它通常用于無盤系統(tǒng)（當然包括微型嵌入式設(shè)備，它只包含作為永久存儲媒質(zhì)的閃存芯片）。

用戶可以根據(jù)可靠性、健壯性和／或增強的功能的需求來選擇文件系統(tǒng)的類型。下一節(jié)將討論幾個可用選項及其優(yōu)缺點。

第二版擴展文件系統(tǒng)（Ext2fs）

Ext2fs是Linux事實上的標準文件系統(tǒng)，它已經(jīng)取代了它的前任D擴展文件系統(tǒng)（或Extfs）。Extfs支持的文件大小最大為2GB，支持的最大文件名稱大小為255個字符D而且它不支持索引節(jié)點（包括數(shù)據(jù)修改時間標記）。Ext2fs做得更好；它的優(yōu)點是：

Ext2fs支持達4TB的內(nèi)存。
Ext2fs文件名稱最長可以到1012個字符。
當創(chuàng)建文件系統(tǒng)時，管理員可以選擇邏輯塊的大?。ㄍǔ４笮】蛇x擇1024、2048和4096字節(jié)）。
Ext2fs了實現(xiàn)快速符號鏈接：不需要為此目的而分配數(shù)據(jù)塊，并且將目標名稱直接存儲在索引節(jié)點（inode）表中。這使性能有所提高，特別是在速度上。
因為Ext2文件系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和健壯性，所以幾乎在所有基于Linux的系統(tǒng)（包括臺式機、服務(wù)器和工作站D并且甚至一些嵌入式設(shè)備）上都使用Ext2文件系統(tǒng)。然而，當在嵌入式設(shè)備中使用Ext2fs時，它有一些缺點：

Ext2fs是為象IDE設(shè)備那樣的塊設(shè)備設(shè)計的，這些設(shè)備的邏輯塊大小是512字節(jié)，1K字節(jié)等這樣的倍數(shù)。這不太適合于扇區(qū)大小因設(shè)備不同而不同的閃存設(shè)備。
Ext2文件系統(tǒng)沒有提供對基于扇區(qū)的擦除／寫操作的良好管理。在Ext2fs中，為了在一個扇區(qū)中擦除單個字節(jié)，必須將整個扇區(qū)復制到RAM，然后擦除，然后重寫入?？紤]到閃存設(shè)備具有有限的擦除壽命（大約能進行100,000次擦除），在此之后就不能使用它們，所以這不是一個特別好的方法。
在出現(xiàn)電源故障時，Ext2fs不是防崩潰的。
Ext2文件系統(tǒng)不支持損耗平衡，因此縮短了扇區(qū)／閃存的壽命。（損耗平衡確保將地址范圍的不同區(qū)域輪流用于寫和／或擦除操作以延長閃存設(shè)備的壽命。）
Ext2fs沒有特別完美的扇區(qū)管理，這使設(shè)計塊驅(qū)動程序十分困難。
由于這些原因，通常相對于Ext2fs，在嵌入式環(huán)境中使用MTD/JFFS2組合是更好的選擇。

用Ramdisk掛裝Ext2fs
通過使用Ramdisk的概念，可以在嵌入式設(shè)備中創(chuàng)建并掛裝Ext2文件系統(tǒng)（以及用于這一目的的任何文件系統(tǒng)）。


清單6.創(chuàng)建一個簡單的基于Ext2fs的Ramdisk
mke2fs-vm0/dev/ram4096
mount-text2/dev/ram/mnt
cd/mnt
cp/bin,/sbin,/etc,/dev...filesinmnt
cd../
umount/mnt
ddif=/dev/rambs=1kcount=4096of=ext2ramdisk



mke2fs是用于在任何設(shè)備上創(chuàng)建ext2文件系統(tǒng)的實用程序―它創(chuàng)建超級塊、索引節(jié)點以及索引節(jié)點表等等。

在上面的用法中，/dev/ram是上面構(gòu)建有4096個塊的ext2文件系統(tǒng)的設(shè)備。然后，將這個設(shè)備（/dev/ram）掛裝在名為/mnt的臨時目錄上并且復制所有必需的文件。一旦復制完這些文件，就卸裝這個文件系統(tǒng)并且設(shè)備（/dev/ram）的內(nèi)容被轉(zhuǎn)儲到一個文件（ext2ramdisk）中，它就是所需的Ramdisk（Ext2文件系統(tǒng)）。

上面的順序創(chuàng)建了一個4MB的Ramdisk，并用必需的文件實用程序來填充它。

一些要包含在Ramdisk中的重要目錄是：

/binD保存大多數(shù)象init、busybox、shell、文件管理實用程序等二進制文件。
/devD包含用在設(shè)備中的所有設(shè)備節(jié)點
/etcD包含系統(tǒng)的所有配置文件
/libD包含所有必需的庫，如libc、libdl等
日志閃存文件系統(tǒng)，版本2（JFFS2）

瑞典的AxisCommunications開發(fā)了最初的JFFS，RedHat的DavidWoodhouse對它進行了改進。第二個版本，JFFS2，作為用于微型嵌入式設(shè)備的原始閃存芯片的實際文件系統(tǒng)而出現(xiàn)。JFFS2文件系統(tǒng)是日志結(jié)構(gòu)化的，這意味著它基本上是一長列節(jié)點。每個節(jié)點包含有關(guān)文件的部分信息D可能是文件的名稱、也許是一些數(shù)據(jù)。相對于Ext2fs，JFFS2因為有以下這些優(yōu)點而在無盤嵌入式設(shè)備中越來越受歡迎：

JFFS2在扇區(qū)級別上執(zhí)行閃存擦除／寫／讀操作要比Ext2文件系統(tǒng)好。
JFFS2提供了比Ext2fs更好的崩潰／掉電安全保護。當需要更改少量數(shù)據(jù)時，Ext2文件系統(tǒng)將整個扇區(qū)復制到內(nèi)存（DRAM）中，在內(nèi)存中合并新數(shù)據(jù)，并寫回整個扇區(qū)。這意味著為了更改單個字，必須對整個扇區(qū)（64KB）執(zhí)行讀／擦除／寫例程D這樣做的效率非常低。要是運氣差，當正在DRAM中合并數(shù)據(jù)時，發(fā)生了電源故障或其它事故，那么將丟失整個數(shù)據(jù)集合，因為在將數(shù)據(jù)讀入DRAM后就擦除了閃存扇區(qū)。JFFS2附加文件而不是重寫整個扇區(qū)，并且具有崩潰／掉電安全保護這一功能。
這可能是最重要的一點：JFFS2是專門為象閃存芯片那樣的嵌入式設(shè)備創(chuàng)建的，所以它的整個設(shè)計提供了更好的閃存管理。
因為本文主要是寫關(guān)于閃存設(shè)備的使用，所以在嵌入式環(huán)境中使用JFFS2的缺點很少：

當文件系統(tǒng)已滿或接近滿時，JFFS2會大大放慢運行速度。這是因為垃圾收集的問題（更多信息，請參閱參考資料）。
創(chuàng)建JFFS2文件系統(tǒng)
在Linux下，用mkfs.jffs2命令創(chuàng)建JFFS2文件系統(tǒng)（基本上是使用JFFS2的Ramdisk）。


清單7.創(chuàng)建JFFS2文件系統(tǒng)
mkdirjffsfile
cdjffsfile
/*copyallthe/bin,/etc,/usr/bin,/sbin/binariesand/deventries
thatareneededforthefilesystemhere*/
/*TypethefollowingcommandunderjffsfiledirectorytocreatetheJFFS2Image*/
./mkfs.jffs2-e0x40000-p-o../jffs.image



上面顯示了mkfs.jffs2的典型用法。-e選項確定閃存的擦除扇區(qū)大?。ㄍǔＪ?4千字節(jié)）。-p選項用來在映像的剩余空間用零填充。-o選項用于輸出文件，通常是JFFS2文件系統(tǒng)映像D在本例中是jffs.image。一旦創(chuàng)建了JFFS2文件系統(tǒng)，它就被裝入閃存中適當?shù)奈恢茫ㄒ龑аb載程序告知內(nèi)核查找文件系統(tǒng)的地址）以便內(nèi)核能掛裝它。

tmpfs
當Linux運行于嵌入式設(shè)備上時，該設(shè)備就成為功能齊全的單元，許多守護進程會在后臺運行并生成許多日志消息。另外，所有內(nèi)核日志記錄機制，象syslogd、dmesg和klogd，會在/var和/tmp目錄下生成許多消息。由于這些進程產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)，所以允許將所有這些寫操作都發(fā)生在閃存是不可取的。由于在重新引導時這些消息不需要持久存儲，所以這個問題的解決方案是使用tmpfs。

tmpfs是基于內(nèi)存的文件系統(tǒng)，它主要用于減少對系統(tǒng)的不必要的閃存寫操作這一唯一目的。因為tmpfs駐留在RAM中，所以寫／讀／擦除的操作發(fā)生在RAM中而不是在閃存中。因此，日志消息寫入RAM而不是閃存中，在重新引導時不會保留它們。tmpfs還使用磁盤交換空間來存儲，并且當為存儲文件而請求頁面時，使用虛擬內(nèi)存（VM）子系統(tǒng)。

tmpfs的優(yōu)點包括：

動態(tài)文件系統(tǒng)大小D文件系統(tǒng)大小可以根據(jù)被復制、創(chuàng)建或刪除的文件或目錄的數(shù)量來縮放。使得能夠最理想地使用內(nèi)存。
速度D因為tmpfs駐留在RAM，所以讀和寫幾乎都是瞬時的。即使以交換的形式存儲文件，I/O操作的速度仍非?？?。
tmpfs的一個缺點是當系統(tǒng)重新引導時會丟失所有數(shù)據(jù)。因此，重要的數(shù)據(jù)不能存儲在tmpfs上。

掛裝tmpfs
諸如Ext2fs和JFFS2等大多數(shù)其它文件系統(tǒng)都駐留在底層塊設(shè)備之上，而tmpfs與它們不同，它直接位于VM上。因而，掛裝tmpfs文件系統(tǒng)是很簡單的事：


清單8.掛裝tmpfs
/*Entriesin/etc/rc.d/rc.sysinitforcreating/usingtmpfs*/
#mount-ttmpfstmpfs/var-osize=512k
#mkdir-p/var/tmp
#mkdir-p/var/log
#ln-s/var/tmp/tmp



上面的命令將在/var上創(chuàng)建tmpfs并將tmpfs的最大大小限制為512K。同時，tmp/和log/目錄成為tmpfs的一部分以便在RAM中存儲日志消息。

如果您想將tmpfs的一個項添加到/etc/fstab，那么它可能看起來象這樣：tmpfs/vartmpfssize=32m00



這將在/var上掛裝一個新的tmpfs文件系統(tǒng)。


圖形用戶界面（GUI）選項

從用戶的觀點來看，圖形用戶界面（GUI）是系統(tǒng)的一個最至關(guān)重要的方面：用戶通過GUI與系統(tǒng)進行交互。所以GUI應(yīng)該易于使用并且非常可靠。但它還需要是有內(nèi)存意識的，以便在內(nèi)存受限的、微型嵌入式設(shè)備上可以無縫執(zhí)行。所以，它應(yīng)該是輕量級的，并且能夠快速裝入。

另一個要考慮的重要方面涉及許可證問題。一些GUI分發(fā)版具有允許免費使用的許可證，甚至在一些商業(yè)產(chǎn)品中也是如此。另一些許可證要求如果想將GUI合并入項目中則要支付版稅。

最后，大多數(shù)開發(fā)人員可能會選擇XFree86，因為XFree86為他們提供了一個能使用他們喜歡的工具的熟悉環(huán)境。但是市場上較新的GUI，象CenturySoftware的Microwindows（Nano-X）和Trolltech的QT/Embedded，與X在嵌入式Linux的競技舞臺中展開了激烈競爭，這主要是因為它們占用很少的資源、執(zhí)行的速度很快并且具有定制窗口構(gòu)件的支持。

讓我們看一看這些選項中的每一個。

Xfree864.X（帶幀緩沖區(qū)支持的X11R6.4）

XFree86Project,Inc.是一家生產(chǎn)XFree86的公司，該產(chǎn)品是一個可以免費重復分發(fā)、開放源碼的XWindow系統(tǒng)。XWindow系統(tǒng)（X11）為應(yīng)用程序以圖形方式進行顯示提供了資源，并且它是UNIX和類UNIX的機器上最常用的窗口系統(tǒng)。它很小但很有效，它運行在為數(shù)眾多的硬件上，它對網(wǎng)絡(luò)透明并且有良好的文檔說明。X11為窗口管理、事件處理、同步和客戶機間通信提供強大的功能D并且大多數(shù)開發(fā)人員已經(jīng)熟悉了它的API。它具有對內(nèi)核幀緩沖區(qū)的內(nèi)置支持，并占用非常少的資源D這非常有助于內(nèi)存相對較少的設(shè)備。X服務(wù)器支持VGA和非VGA圖形卡，它對顏色深度1、2、4、8、16和32提供支持，并對渲染提供內(nèi)置支持。最新的發(fā)行版是XFree864.1.0。

它的優(yōu)點包括：

幀緩沖區(qū)體系結(jié)構(gòu)的使用提高了性能。
占用的資源相對很小D大小在600K到700K字節(jié)的范圍內(nèi)，這使它很容易在小型設(shè)備上運行。
非常好的支持：在線有許多文檔可用，還有許多專用于XFree86開發(fā)的郵遞列表。
XAPI非常適合擴展。
它的缺點包括：

比最近出現(xiàn)的嵌入式GUI工具性能差。
此外，當與GUI中最新的開發(fā)D象專門為嵌入式環(huán)境設(shè)計的Nano-X或QT/EmbeddedD相比時，XFree86似乎需要更多的內(nèi)存。
Microwindows

Microwindows是CenturySoftware的開放源代碼項目，設(shè)計用于帶小型顯示單元的微型設(shè)備。它有許多針對現(xiàn)代圖形視窗環(huán)境的功能部件。象X一樣，有多種平臺支持Microwindows。

Microwindows體系結(jié)構(gòu)是基于客戶機／服務(wù)器的并且具有分層設(shè)計。最底層是屏幕和輸入設(shè)備驅(qū)動程序（關(guān)于鍵盤或鼠標）來與實際硬件交互。在中間層，可移植的圖形引擎提供對線的繪制、區(qū)域的填充、多邊形、裁剪以及顏色模型的支持。

在最上層，Microwindows支持兩種API：Win32/WinCEAPI實現(xiàn)，稱為Microwindows；另一種API與GDK非常相似，它稱為Nano-X。Nano-X用在Linux上。它是象X的API，用于占用資源少的應(yīng)用程序。

Microwindows支持1、2、4和8bpp（每像素的位數(shù)）的palletized顯示，以及8、16、24和32bpp的真彩色顯示。Microwindows還支持使它速度更快的幀緩沖區(qū)。Nano-X服務(wù)器占用的資源大約在100K到150K字節(jié)。

原始Nano-X應(yīng)用程序的平均大小在30K到60K。由于Nano-X是為有內(nèi)存限制的低端設(shè)備設(shè)計的，所以它不象X那樣支持很多函數(shù)，因此它實際上不能作為微型X（Xfree864.1）的替代品。

可以在Microwindows上運行FLNX，它是針對Nano-X而不是X進行修改的FLTK（快速輕巧工具箱(FastLightToolkit)）應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境的一個版本。本文中描述FLTK。

Nano-X的優(yōu)點包括：

與Xlib實現(xiàn)不同，Nano-X仍在每個客戶機上同步運行，這意味著一旦發(fā)送了客戶機請求包，服務(wù)器在為另一個客戶機提供服務(wù)之前一直等待，直到整個包都到達為止。這使服務(wù)器代碼非常簡單，而運行的速度仍非?？臁?
占用很小的資源
Nano-X的缺點包括：

聯(lián)網(wǎng)功能部件至今沒有經(jīng)過適當?shù)卣{(diào)整（特別是網(wǎng)絡(luò)透明性）。
還沒有太多現(xiàn)成的應(yīng)用程序可用。
與X相比，Nano-X雖然近來正在加速開發(fā)，但仍沒有那么多文檔說明而且沒有很好的支持，但這種情形會有所改變。
Microwindows上的FLTKAPI

FLTK是一個簡單但靈活的GUI工具箱，它在Linux世界中贏得越來越多的關(guān)注，它特別適用于占用資源很少的環(huán)境。它提供了您期望從GUI工具箱中獲得的大多數(shù)窗口構(gòu)件，如按鈕、對話框、文本框以及出色的“賦值器”選擇（用于輸入數(shù)值的窗口構(gòu)件）。還包括滑動器、滾動條、刻度盤和其它一些構(gòu)件。

針對MicrowindowsGUI引擎的FLTK的Linux版本被稱為FLNX。FLNX由兩個組件構(gòu)成：Fl_Widget和FLUID。Fl_Widget由所有基本窗口構(gòu)件API組成。FLUID（快速輕巧的用戶界面設(shè)計器(FastLightUserInterfaceDesigner,FLUID)）是用來產(chǎn)生FLTK源代碼的圖形編輯器?？偟膩碚f，F(xiàn)LNX是能用來為嵌入式環(huán)境創(chuàng)建應(yīng)用程序的一個出色的UI構(gòu)建器。

Fl_Widget占用的資源大約是40K到48K，而FLUID（包括了每個窗口構(gòu)件）大約占用380K。這些非常小的資源占用率使Fl_Widget和FLUID在嵌入式開發(fā)世界中非常受歡迎。

優(yōu)點包括：

習慣于在象Windows這樣已建立得較好的環(huán)境中開發(fā)基于GUI的應(yīng)用程序的任何人都會非常容易地適應(yīng)FLTK環(huán)境。
它的文檔包括一本十分完整且編寫良好的手冊。
它使用LGPL進行分發(fā)，所以開發(fā)人員可以靈活地發(fā)放他們應(yīng)用程序的許可證。
FLTK是一個C++庫（Perl和Python綁定也可用）。面向?qū)ο竽Ｐ偷倪x擇是一個好的選擇，因為大多數(shù)現(xiàn)代GUI環(huán)境都是面向?qū)ο蟮?；這也使將編寫的應(yīng)用程序移植到類似的API中變得更容易。
CenturySoftware的環(huán)境提供了幾個有用的工具，諸如ScreenToP和ViewML瀏覽器。
它的缺點是：

普通的FLTK可以與X和WindowsAPI一同工作，而FLNX不能。它與X的不兼容性阻礙了它在許多項目中的使用。
Qt/Embedded

Qt/Embedded是Trolltech新開發(fā)的用于嵌入式Linux的圖形用戶界面系統(tǒng)。Trolltech最初創(chuàng)建Qt作為跨平臺的開發(fā)工具用于Linux臺式機。它支持各種有UNIX特點的系統(tǒng)以及MicrosoftWindows。KDED最流行的Linux桌面環(huán)境之一，就是用Qt編寫的。

Qt/Embedded以原始Qt為基礎(chǔ)，并做了許多出色的調(diào)整以適用于嵌入式環(huán)境。QtEmbedded通過QtAPI與LinuxI/O設(shè)施直接交互。那些熟悉并已適應(yīng)了面向?qū)ο缶幊痰娜藛T將發(fā)現(xiàn)它是一個理想環(huán)境。而且，面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)使代碼結(jié)構(gòu)化、可重用并且運行快速。與其它GUI相比，QtGUI非?？欤⑶宜鼪]有分層，這使得Qt/Embedded成為用于運行基于Qt的程序的最緊湊環(huán)境。

Trolltech還推出了Qt掌上機環(huán)境（QtPalmtopEnvironment，俗稱Qpe）。Qpe提供了一個基本桌面窗口，并且該環(huán)境為開發(fā)提供了一個易于使用的界面。Qpe包含全套的個人信息管理（PersonalInformationManagement(PIM)）應(yīng)用程序、因特網(wǎng)客戶機、實用程序等等。然而，為了將Qt/Embedded或Qpe集成到一個產(chǎn)品中，需要從Trolltech獲得商業(yè)許可證。（原始Qt自版本2.2以后就可以根據(jù)GPL獲得。）

它的優(yōu)點包括：

面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)有助于更快地執(zhí)行
占用很少的資源，大約800K
抗鋸齒文本和混合視頻的象素映射
它的缺點是：

Qt/Embedded和Qpe只能在獲得商業(yè)許可證的情況下才能使用。



結(jié)束語

嵌入式Linux開發(fā)正迅速地發(fā)展著。您必須學習并從引導裝載程序和分發(fā)版到文件系統(tǒng)和GUI中的每一個事物的各種選項中作出選擇。但是要感謝有這種選擇自由度以及非?；钴S的Linux社區(qū)，Linux上的嵌入式開發(fā)已經(jīng)達到了新的境界，并且調(diào)整模塊以適合您的規(guī)范從未比現(xiàn)在更簡單。這已經(jīng)導致出現(xiàn)了許多時新的手持和微型設(shè)備作為開放盒，這是件好事D因為事實是您不必成為一個專家從這些模塊中進行選擇來調(diào)整您的設(shè)備以滿足您自己的要求和需要。

我們希望這篇對嵌入式Linux領(lǐng)域的介紹性概述能激起您進行試驗的欲望，并且希望您將體會擺弄微型設(shè)備的樂趣以滿足您的愛好。為進一步有助于您的項目，請參閱下面的“參考資料”，鏈接到有關(guān)我們這里已經(jīng)概述的技術(shù)的更深入的信息。