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，首先當然就是要確定廠(chǎng)商是否提供完整的BSP。不過(guò)，由于Linux是由社群所維護發(fā)展，因此，選擇目前Linux kernel內有支持的平臺，將會(huì )是較好的選擇，這也是為什么有許多大廠(chǎng)，主動(dòng)貢獻并提交BSP給kernel.org的原因。

目前在kernel社群比較活躍的ARM9廠(chǎng)商，或是社群主動(dòng)積極協(xié)助維護的SOC平臺，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ARM9或是其它平臺的開(kāi)發(fā)，最重要的工具就是Cross Toolchain。Cross Toolchain的制作一直是Embedded Linux開(kāi)發(fā)者的夢(mèng)靨，大多數人選擇由網(wǎng)絡(luò )下載現成的開(kāi)發(fā)工具，但經(jīng)常會(huì )遇到缺乏鏈接庫的編譯錯誤。完整的Cross Toolchain包含1套基本的gcc cross compiler以及其它的應用鏈接庫;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(base system)，讓kernel在完成開(kāi)機后，進(jìn)入user mode執行使用者程序。Root filesystem的建置主要是以Busybox為主，并加入(移植)客制化的開(kāi)放源碼(open source)與自由軟件(free software)。

因為嵌入式Linux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)，鏈接庫相依 (library dependencies) 的議題是相當重要的項目。當root filesystem缺少必要的library時(shí)，程序當然無(wú)法執行，甚至系統也會(huì )無(wú)法順利啟動(dòng)。分析應用程序所需的相依鏈接庫，觀(guān)念如下：

(1)先利用Cross Toolchain的objdump指令觀(guān)察ELF格式里的「NEEDED」項目。

(2)必須再檢查這些library是否相依其它library。

1個(gè)基本且可開(kāi)機的root filesystem，也稱(chēng)做bootstrap root filesystem，1個(gè)可用的bootstrap root filesystem只需要包含busybox與libc即可。傳統的Embedded Linux應用，大多是以NFS的方式來(lái)測試目標裝置的完整root filesystem(full root filesystem)。以NFS進(jìn)行Embedded Linux開(kāi)發(fā)測試，主要是針對目標裝置的full root filesystem做立即(right now)的系統執行測試(run-time)，免除不斷打包image file、開(kāi)機的惡夢(mèng)。這是1種流行很久的Embedded Linux系統測試與開(kāi)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將目標裝置開(kāi)機。

(3)設定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)，即可在目標裝置上執行full root filesystem里的應用程序。

這種方式不但簡(jiǎn)單，而且方便，需要的基礎建設如下：

1.目標裝置使用的kernel必須支持NFS。

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

3.加入NFS functionality至bootstrap root filesystem。

4.設定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)。根據目標裝置的不同，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，在Embedded Linux里的主要應用為制作romfs格式的檔案系統映像文件。我們將root filesystem制作成romfs filesystem的imagen。開(kāi)機后，整個(gè)filesystem僅能讀取。要使用romfs filesystem必須將Linux kernel里的CONFIG_ROMFS_FS功能選項打開(kāi)。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(zhù)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，當我們需要在root filesystem里預先建立(pre-built)裝置文件時(shí)(device file)，只需要編寫(xiě)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是存在于內存中的虛擬磁盤(pán)，也就是將RAM拿來(lái)當成磁盤(pán)使用。在Embedded Linux的應用中，我們通常會(huì )將ramdisk當成暫存目錄來(lái)使用。例如將/dev/ram1附掛到/tmp目錄，以便能讓?xiě)贸绦虼娣艜簳r(shí)性檔案。/dev/ram?為ramdisk的device file。由于整個(gè)root filesystem是從真正的儲存裝置讀取并加載至ramdisk，因此有1個(gè)重要的特性是對file system所做的任何修改，都不會(huì )影響到真正root filesystem的內容。

initrd全名為initialize RAM disk，是1個(gè)特殊的RAM disk。bootloader會(huì )將initrd載至內存，Linux kernel則可在/dev/ram0找到initrd。initrd會(huì )在Linux kernel開(kāi)機前就加載，initrd正式的用途是用來(lái)存放開(kāi)機時(shí)所需要的驅動(dòng)程序(因root filesystem尚未mount進(jìn)來(lái))。在Embedded Linux應用上，我們會(huì )利用initrd來(lái)存放整個(gè)檔案系統(root filesystem)，也就是將root filesystem制作成ext2或romfs格式(或其它檔案系統)的映像文件，并在開(kāi)機時(shí)由bootloader加載內存，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)。