嵌入式設備上的Linux系統開(kāi)發(fā)
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嵌 入式 Linux 開(kāi)發(fā)大致涉及三個(gè)層次：引導裝載程序、Linux 內核和圖形用戶(hù)界面（或稱(chēng) 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、內核和文件系統是如何交互的；并將研究可用于文件系統、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 何硬件上執行的第一段代碼。在象臺式機這樣的常規系統中，通常將引導裝載程序裝入主引導記錄（Master Boot Record，(MBR)）中，或者裝入 Linux 駐留的磁盤(pán)的第一個(gè)扇區中。通常，在臺式機或其它系統上，BIOS 將控制移交給引導裝載程序。這就提出了一個(gè)有趣的問(wèn)題：誰(shuí)將引導裝載程序裝入（在大多數情況中）沒(méi)有 BIOS 的嵌入式設備上呢？
解決這個(gè)問(wèn)題有兩種常規技術(shù)：專(zhuān)用軟件和微小的引導代碼（tiny bootcode）。
專(zhuān)用軟件可以直接與遠程系統上的閃存設備進(jìn)行交互并將引導裝載程序安裝在閃存的給定位置中。閃存設備是與存儲設備功能類(lèi)似的特殊芯片，而且它們能持久存儲信息 — 即，在重新引導時(shí)不會(huì )擦除其內容。
這個(gè)軟件使用目標（在嵌入式開(kāi)發(fā)中，嵌入式設備通常被稱(chēng)為目標）上的 JTAG 端口，它是用于執行外部輸入（通常來(lái)自主機機器）的指令的接口。JFlash-linux 是一種用于直接寫(xiě)閃存的流行工具。它支持為數眾多的閃存芯片；它在主機機器（通常是 i386 機器 — 本文中我們把一臺 i386 機器稱(chēng)為主機）上執行并通過(guò) JTAG 接口使用并行端口訪(fǎng)問(wèn)目標的閃存芯片。當然，這意味著(zhù)目標需要有一個(gè)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(dòng)它：
某些種類(lèi)的嵌入式設備具有微小的引導代碼 — 根據幾個(gè)字節的指令 — 它將初始化一些 DRAM 設置并啟用目標上的一個(gè)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(gè)連接將引導裝載程序傳送到目標上，并將它寫(xiě)入閃存。
在安裝它并給予其控制后，這個(gè)引導裝載程序執行下列各類(lèi)功能：
初始化 CPU 速度初始化內存，包括啟用內存庫、初始化內存配置寄存器等初始化串行端口（如果在目標上有的話(huà)）啟用指令／數據高速緩存設置堆棧指針設置參數區域并構造參數結構和標記（這是重要的一步，因為內核在標識根設備、頁(yè)面大小、內存大小以及更多內容時(shí)要使用引導參數）執行 POST（加電自檢）來(lái)標識存在的設備并報告任何問(wèn)題為電源管理提供掛起／恢復支持跳轉到內核的開(kāi)始 帶有引導裝載程序、參數結構、內核和文件系統的系統典型內存布局可能如下所示：
清單 1. 典型內存布局
/* Top Of Memory */
Bootloader
Parameter Area
Kernel
Filesystem
/* End Of Memory */
/* End Of Memory */
嵌入式設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(huì )執行我們上面提到的所有初始化工作。然后，它準備接收來(lái)自主機的內核和文件系統。一旦裝入了內核，引導裝載程序就將控制轉給內核。
設置工具鏈
設置工具鏈在主機機器上創(chuàng )建一個(gè)用于編譯將在目標上運行的內核和應用程序的構建環(huán)境 — 這是因為目標硬件可能沒(méi)有與主機兼容的二進(jìn)制執行級別。
工具鏈由一套用于編譯、匯編和鏈接內核及應用程序的組件組成。 這些組件包括：
Binutils — 用于操作二進(jìn)制文件的實(shí)用程序集合。它們包括諸如 ar、as、objdump、objcopy 這樣的實(shí)用程序。Gcc — GNU C 編譯器。Glibc — 所有用戶(hù)應用程序都將鏈接到的 C 庫。避免使用任何 C 庫函數的內核和其它應用程序可以在沒(méi)有該庫的情況下進(jìn)行編譯。 構建工具鏈建立了一個(gè)交叉編譯器環(huán)境。本地編譯器編譯與本機同類(lèi)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。重頭設置交叉編譯器工具鏈可不是一項簡(jiǎn)單的任務(wù)：它包括下載源代碼、修補補丁、配置、編譯、設置頭文 件、安裝以及很多很多的操作。另外，這樣一個(gè)徹底的構建過(guò)程對內存和硬盤(pán)的需求是巨大的。如果沒(méi)有足夠的內存和硬盤(pán)空間，那么在構建階段由于相關(guān)性、配置 或頭文件設置等問(wèn)題會(huì )突然冒出許多問(wèn)題。
因此能夠從因特網(wǎng)上獲得已預編譯的二進(jìn)制文件是一件好事（但不太好的一點(diǎn)是，目前它們大多數只限于基于 ARM 的系統，但遲早會(huì )改變的）。一些比較流行的已預編譯的工具鏈包括那些來(lái)自 Compaq（Familiar Linux ）、LART（LART Linux）和 Embedian（基于 Debian 但與它無(wú)關(guān)）的工具鏈 — 所有這些工具鏈都用于基于 ARM 的平臺。
內核設置
Linux 社區正積極地為新硬件添加功能部件和支持、在內核中修正錯誤并且及時(shí)地進(jìn)行常規改進(jìn)。這導致大約每 6 個(gè)月（或 6 個(gè)月不到）就有一個(gè)穩定的 Linux 樹(shù)的新發(fā)行版。不同的維護者維護針對特定體系結構的不同內核樹(shù)和補丁。當為一個(gè)項目選擇了一個(gè)內核時(shí)，您需要評估最新發(fā)行版的穩定性如何、它是否符合項目 要求和硬件平臺、從編程角度來(lái)看它的舒適程度以及其它難以確定的方面。還有一點(diǎn)也非常重要：找到需要應用于基本內核的所有補丁，以便為特定的體系結構調整 內核。
內核布局
內核布局分為特定于體系結構的部 分和與體系結構無(wú)關(guān)的部分。內核中特定于體系結構的部分首先執行，設置硬件寄存器、配置內存映射、執行特定于體系結構的初始化，然后將控制轉給內核中與體 系結構無(wú)關(guān)的部分。系統的其余部分在這第二個(gè)階段期間進(jìn)行初始化。內核樹(shù)下的目錄 arch/ 由不同的子目錄組成，每個(gè)子目錄用于一個(gè)不同的體系結構（MIPS、ARM、i386、SPARC、PPC 等）。每一個(gè)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構的代碼來(lái)完成象初始化內存、設置 IRQ、啟用高速緩存、設置內核頁(yè)面表等操作。一旦裝入內核并給予其控制，就首先調用這些函數，然后初始化系統的其余部分。
根據可用的系統資源和引導裝載程序的功能，內核可以編譯成 vmlinux、Image 或 zImage。vmlinux 和 zImage 之間的主要區別在于 vmlinux 是實(shí)際的（未壓縮的）可執行文件，而 zImage 是或多或少包含相同信息的自解壓壓縮文件 — 只是壓縮它以處理（通常是 Intel 強制的）640 KB 引導時(shí)間的限制。有關(guān)所有這些的權威性解釋?zhuān)垍㈤?Linux Magazine 的文章Kernel Configuration: dealing with the unexpected（請參閱參考資料）。
內核鏈接和裝入
一旦為目標系統編譯了內核后，通過(guò)使用引導裝載程序（它已經(jīng)被裝入到目標的閃存中），內核就被裝入到目標系統的內存（在 DRAM 中或者在閃存中）。通過(guò)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核傳送到目標的閃存或 DRAM 中。在將內核完
全裝入目標后，引導裝載程序將控制傳遞給裝入內核的地址。
內核可執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，如文本、數據、init 數據、bass 等等。這些對象文件都是由一個(gè)稱(chēng)為鏈接器腳本的文件鏈接并裝入的。這個(gè)鏈接器腳本的功能是將輸入對象文件的各節映射到輸出文件中；換句話(huà)說(shuō)，它將所有輸入對象文件都鏈接到單一的可執行文件中，將該可執行文件的各節裝入到指定地址處。vmlinux.lds 是存在于 arch/target>/ 目錄中的內核鏈接器腳本，它負責鏈接內核的各個(gè)節并將它們裝入內存中特定偏移量處。典型的 vmlinux.lds 看起來(lái)象這樣：
清單 2. 典型的 vmlinux.lds 文件
OUTPUT_ARCH(arch>) /* arch> includes architecture type */
ENTRY(stext) /* stext is the kernel entry point */
SECTIONS /* SECTIONS command describes the layout
of the output file */
{
. = TEXTADDR; /* TEXTADDR is LMA for the kernel */
.init : { /* Init code and data*/
_stext = .; /* First section is stext followed
by __init data section */
__init_begin = .;
*(.text.init)
__init_end = .;
}
.text : { /* Real text segment follows __init_data section */
_text = .;
*(.text)
_etext = .; /* End of text section*/
}
.data :{
_data=.; /* Data section comes after text section */
*(.data)
_edata=.;
} /* Data section ends here */
.bss : { /* BSS section follows symbol table section */
__bss_start = .;
*(.bss)
_end = . ; /* BSS section ends here */
}
}
LMA 是裝入模塊地址；它表示將要裝入內核的目標虛擬內存中的地址。TEXTADDR 是內核的虛擬起始地址，并且在 arch/target>/ 下的 Makefile 中指定它的值。這個(gè)地址必須與引導裝載程序使用的地址相匹配。一旦引導裝載程序將內核復制到閃存或 DRAM 中，內核就被重新定位到 TEXTADDR — 它通常在 DRAM 中。然后，引導裝載程序將控制轉給這個(gè)地址，以便內核能開(kāi)始執行。
參數傳遞和內核引導
stext 是內核入口點(diǎn)，這意味著(zhù)在內核引導時(shí)將首先執行這一節下的代碼。它通常用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，并且通常它在 arch/target>/ 內核目錄下。這個(gè)代碼設置內核頁(yè)面目錄、創(chuàng )建身份內核映射、標識體系結構和處理器以及執行分支 start_kernel（初始化系統的主例程）。
start_kernel 調用 setup_arch 作為執行的第一步，在其中完成特定于體系結構的設置。這包括初始化硬件寄存器、標識根設備和系統中可用的 DRAM 和閃存的數量、指定系統中可用頁(yè)面的數目、文件系統大小等等。所有這些信息都以參數形式從引導裝載程序傳遞到內核。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201706/349387.htm
將參數從引導裝載程序傳遞到內核有兩種方法：parameter_structure 和標記列表。在這兩種方法中，不贊成使用參數結構，因為它強加了限制：指定在內存中，每個(gè)參數必須位于 param_struct 中的特定偏移量處。最新的內核期望參數作為標記列表的格式來(lái)傳遞，并將參數轉化為已標記格式。param_struct 定義在 include/asm/setup.h 中。它的一些重要字段是：
清單 3. 樣本參數結構
struct param_struct {
unsigned long page_size; /* 0: Size of the page */
unsigned long nr_pages; /* 4: Number of pages in the system */
unsigned long ramdisk /* 8: ramdisk size */
unsigned long rootdev; /* 16: Number representing the root device */
unsigned long initrd_start; /* 64: starting address of initial ramdisk */
/* This can be either in flash/dram */
unsigned long initrd_size; /* 68: size of initial ramdisk */
}
請注意：這些數表示定義字段的參數結構中的偏移量。這意味著(zhù)如果引導裝載程序將參數結構放置在地址 0xc0000100，那么 rootdev 參數將放置在 0xc0000100 + 16，initrd_start 將放置在 0xc0000100 + 64 等等 — 否則，內核將在解釋正確的參數時(shí)遇到困難。
正如上面提到的，因為從引導裝載程序到內 核的參數傳遞會(huì )有一些約束條件，所以大多數 2.4.x 系列內核期望參數以已標記的列表格式傳遞。在已標記的列表中，每個(gè)標記由標識被傳遞參數的 tag_header 以及其后的參數值組成。標記列表中標記的常規格式可以如下所示：
清單 4. 樣本標記格式。內核通過(guò) ATAG_TAGNAME> 頭來(lái)標識每個(gè)標記。
#define aTAG_TAGNAME> Some Magic number>
struct tag_tagname> {
u32 tag_param>;
u32 tag_param>;
};
/* Example tag for passing memory information */
#define ATAG_MEM 0x54410002 /* Magic number */
struct tag_mem32 {
u32 size; /* size of memory */
u32 start; /* physical start address of memory*/
};
struct tag_mem32 {
u32 size; /* size of memory */
u32 start; /* physical start address of memory*/
};
/* Example tag for passing memory information */
#define ATAG_MEM 0x54410002 /* Magic number */
struct tag_mem32 {
u32 size; /* size of memory */
u32 start; /* physical start address of memory*/
};
struct tag_mem32 {
u32 size; /* size of memory */
u32 start; /* physical start address of memory*/
};
setup_arch 還需要對閃存存儲庫、系統寄存器和其它特定設備執行內存映射。一旦完成了特定于體系結構的設置，控制就返回到初始化系統其余部分的 start_kernel 函數。這些附加的初始化任務(wù)包含：
設置陷阱初始化中斷初始化計時(shí)器初始化控制臺調用 mem_init，它計算各種區域、高內存區等內的頁(yè)面數量初始化 slab 分配器并為 VFS、緩沖區高速緩存等創(chuàng )建 slab 高速緩存建立各種文件系統，如 proc、ext2 和 JFFS2 創(chuàng )建 kernel_thread，它執行文件系統中的 init 命令并顯示 lign 提示符。如果在 /bin、/sbin 或 /etc 中沒(méi)有 init 程序，那么內核將執行文件系統的 /bin 中的 shell。
設備驅動(dòng)程序
嵌入式系統通常有許多設備用于與用戶(hù)交互，象觸摸屏、小鍵盤(pán)、滾動(dòng)輪、傳感器、RA232 接口、LCD 等等。除了這些設備外，還有許多其它專(zhuān)用設備，包括閃存、USB、GSM 等。內核通過(guò)所有這些設備各自的設備驅動(dòng)程序來(lái)控制它們，包括 GUI 用戶(hù)應用程序也通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)這些驅動(dòng)程序來(lái)訪(fǎng)問(wèn)設備。本節著(zhù)重討論通常幾乎在每個(gè)嵌入式環(huán)境中都會(huì )使用的一些重要設備的設備驅動(dòng)程序。
幀緩沖區驅動(dòng)程序
這是最重要的驅動(dòng)程序之一，因為通過(guò)這個(gè)驅動(dòng)程序才能使系統屏幕顯示內容。幀緩沖區驅動(dòng)程序通常有三層。最底層是基本控制臺驅動(dòng)程序 drivers/char/console.c，它提供了文本控制臺常規接口的一部分。通過(guò)使用控制臺驅動(dòng)程序函數，我們能將文本打印到屏幕上 — 但圖形或動(dòng)畫(huà)還不能（這樣做需要使用視頻模式功能，通常出現在中間層，也就是 drivers/video/fbcon.c 中）。這個(gè)第二層驅動(dòng)程序提供了視頻模式中繪圖的常規接口。
幀緩沖區是顯卡上的內存，需要將它內存映射到用戶(hù)空間以便可以將 圖形和文本能寫(xiě)到這個(gè)內存段上：然后這個(gè)信息將反映到屏幕上。幀緩沖區支持提高了繪圖的速度和整體性能。這也是頂層驅動(dòng)程序引人注意之處：頂層是非常特定 于硬件的驅動(dòng)程序，它需要支持顯卡不同的硬件方面 — 象啟用／禁用顯卡控制器、深度和模式的支持以及調色板等。所有這三層都相互依賴(lài)以實(shí)現正確的視頻功能。與幀緩沖區有關(guān)的設備是 /dev/fb0（主設備號29，次設備號 0）。
輸入設備驅動(dòng)程序
可觸摸板是用于嵌入式設備的最基本的用戶(hù)交互設備之一 — 小鍵盤(pán)、傳感器和滾動(dòng)輪也包含在許多不同設備中以用于不同的用途。
觸摸板設備的主要功能是隨時(shí)報告用戶(hù)的觸摸，并標識觸摸的坐標。這通常在每次發(fā)生觸摸時(shí)，通過(guò)生成一個(gè)中斷來(lái)實(shí)現。
然后，這個(gè)設備驅動(dòng)程序的角色是每當出現中斷時(shí)就查詢(xún)觸摸屏控制器，并請求控制器發(fā)送觸摸的坐標。一旦驅動(dòng)程序接收到坐標，它就將有關(guān)觸摸和任何可用數據的信號發(fā)送給用戶(hù)應用程序，并將數據發(fā)送給應用程序（如果可能的話(huà)）。然后用戶(hù)應用程序根據它的需要處理數據。
幾乎所有輸入設備 — 包括小鍵盤(pán) — 都以類(lèi)似原理工作。
閃存 MTD 驅動(dòng)程序
MTD 設備是象閃存芯片、小型閃存卡、記憶棒等之類(lèi)的設備，它們在嵌入式設備中的使用正在不斷增長(cháng)。
MTD 驅動(dòng)程序是在 Linux 下專(zhuān)門(mén)為嵌入式環(huán)境開(kāi)發(fā)的新的一類(lèi)驅動(dòng)程序。相對于常規塊設備驅動(dòng)程序，使用 MTD 驅動(dòng)程序的主要優(yōu)點(diǎn)在于 MTD 驅動(dòng)程序是專(zhuān)門(mén)為基于閃存的設備所設計的，所以它們通常有更好的支持、更好的管理和基于扇區的擦除和讀寫(xiě)操作的更好的接口。Linux 下的 MTD 驅動(dòng)程序接口被劃分為兩類(lèi)模塊：用戶(hù)模塊和硬件模塊。
用戶(hù)模塊
這 些模塊提供從用戶(hù)空間直接使用的接口：原始字符訪(fǎng)問(wèn)、原始塊訪(fǎng)問(wèn)、FTL（閃存轉換層，Flash Transition Layer — 用在閃存上的一種文件系統）和 JFS（即日志文件系統，Journaled File System — 在閃存上直接提供文件系統而不是模擬塊設備）。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
這些模塊提供對內存設備的物理訪(fǎng)問(wèn)，但并不直接使用它們。通過(guò)上述的用戶(hù)模塊來(lái)訪(fǎng)問(wèn)它們。這些模塊提供了在閃存上讀、擦除和寫(xiě)操作的實(shí)際例程。
MTD 驅動(dòng)程序設置
為了訪(fǎng)問(wèn)特定的閃存設備并將文件系統置于其上，需要將 MTD 子系統編譯到內核中。這包括選擇適當的 MTD 硬件和用戶(hù)模塊。當前，MTD 子系統支持為數眾多的閃存設備 — 并且有越來(lái)越多的驅動(dòng)程序正被添加進(jìn)來(lái)以用于不同的閃存芯片。有兩個(gè)流行的用戶(hù)模塊可啟用對閃存的訪(fǎng)問(wèn)：MTD_CHAR 和 MTD_BLOCK。
MTD_CHAR 提供對閃存的原始字符訪(fǎng)問(wèn)，而 MTD_BLOCK 將閃存設計為可以在上面創(chuàng )建文件系統的常規塊設備（象 IDE 磁盤(pán)）。與 MTD_CHAR 關(guān)聯(lián)的設備是 /dev/mtd0、mtd1、mtd2（等等），而與 MTD_BLOCK 關(guān)聯(lián)的設備是 /dev/mtdblock0、mtdblock1（等等）。由于 MTD_BLOCK 設備提供象塊設備那樣的模擬，通常更可取的是在這個(gè)模擬基礎上創(chuàng )建象 FTL 和 JFFS2 那樣的文件系統。
為了進(jìn)行這個(gè)操作，可能需要創(chuàng )建分區表將閃存設備分拆到引導裝載程序節、內核節和文件系統節中。樣本分區表可能包含以下信息：
清單 5. MTD 的簡(jiǎn)單閃存設備分區
struct mtd_partition sample_partition = {
{
/* First partition */
name : bootloader, /* Bootloader section */
size : 0x00010000, /* Size */
offset : 0, /* Offset from start of flash- location 0x0*/
mask_flags : MTD_WRITEABLE /* This partition is not writable */
},
{ /* Second partition */
name : Kernel, /* Kernel section */
size : 0x00100000, /* Size */
offset : MTDPART_OFS_APPEND, /* Append after bootloader section */
mask_flags : MTD_WRITEABLE /* This partition is not writable */
},
{ /* Third partition */
name : JFFS2, /* JFFS2 filesystem */
size : MTDPART_SIZ_FULL, /* Occupy rest of flash */
offset : MTDPART_OFS_APPEND /* Append after kernel section */
}
}
上面的分區表使用了 MTD_BLOCK 接口對閃存設備進(jìn)行分區。這些分區的設備節點(diǎn)是：
簡(jiǎn)單閃存分區的設備節點(diǎn)
User device node Major number Minor number
Bootloader /dev/mtdblock0 31 0
Kernel /dev/mtdblock1 31 1
Filesystem /dev/mtdblock2 31 2
在 本例中，引導裝載程序必須將有關(guān) root 設備節點(diǎn)（/dev/mtdblock2）和可以在閃存中找到文件系統的地址（本例中是 FLASH_BASE_ADDRESS + 0x04000000）的正確參數傳遞到內核。一旦完成分區，閃存設備就準備裝入或掛裝文件系統。
Linux 中 MTD 子系統的主要目標是在系統的硬件驅動(dòng)程序和上層，或用戶(hù)模塊之間提供通用接口。硬件驅動(dòng)程序不需要知道象 JFFS2 和 FTL 那樣的用戶(hù)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進(jìn)行 read、 write 和 erase 操作的簡(jiǎn)單例程。
嵌入式設備的文件系統
系統需要一種以結構化格式存儲和檢索信息的方法；這就需要文件系統的參與。Ramdisk（請參閱參考資料）是通過(guò)將計算機的 RAM 用作設備來(lái)創(chuàng )建和掛裝文件系統的一種機制，它通常用于無(wú)盤(pán)系統（當然包括微型嵌入式設備，它只包含作為永久存儲媒質(zhì)的閃存芯片）。
用戶(hù)可以根據可靠性、健壯性和／或增強的功能的需求來(lái)選擇文件系統的類(lèi)型。下一節將討論幾個(gè)可用選項及其優(yōu)缺點(diǎn)。
第二版擴展文件系統（Ext2fs）
Ext2fs 是 Linux 事實(shí)上的標準文件系統，它已經(jīng)取代了它的前任 — 擴展文件系統（或 Extfs）。Extfs 支持的文件大小最大為 2 GB，支持的最大文件名稱(chēng)大小為 255 個(gè)字符 — 而且它不支持索引節點(diǎn)（包括數據修改時(shí)間標記）。Ext2fs 做得更好；它的優(yōu)點(diǎn)是：
Ext2fs 支持達 4 TB 的內存。Ext2fs 文件名稱(chēng)最長(cháng)可以到 1012 個(gè)字符。當創(chuàng )建文件系統時(shí)，管理員可以選擇邏輯塊的大?。ㄍǔ４笮】蛇x擇 1024、2048 和 4096 字節）。Ext2fs 了實(shí)現快速符號鏈接：不需要為此目的而分配數據塊，并且將目標名稱(chēng)直接存儲在索引節點(diǎn)（inode）表中。這使性能有所提高，特別是在速度上。 因為 Ext2 文件系統的穩定性、可靠性和健壯性，所以幾乎在所有基于 Linux 的系統（包括臺式機、服務(wù)器和工作站 — 并且甚至一些嵌入式設備）上都使用 Ext2 文件系統。然而，當在嵌入式設備中使用 Ext2fs 時(shí)，它有一些缺點(diǎn)：
Ext2fs 是為象 IDE 設備那樣的塊設備設計的，這些設備的邏輯塊大小是 512 字節，1 K 字節等這樣的倍數。這不太適合于扇區大小因設備不同而不同的閃存設備。Ext2 文件系統沒(méi)有提供對基于扇區的擦除／寫(xiě)操作的良好管理。在 Ext2fs 中，為了在一個(gè)扇區中擦除單個(gè)字節，必須將整個(gè)扇區復制到 RAM，然后擦除，然后重寫(xiě)入?？紤]到閃存設備具有有限的擦除壽命（大約能進(jìn)行 100,000 次擦除），在此之后就不能使用它們，所以這不是一個(gè)特別好的方法。在出現電源故障時(shí)，Ext2fs 不是防崩潰的。Ext2 文件系統不支持損耗平衡，因此縮短了扇區／閃存的壽命。（損耗平衡確保將地址范圍的不同區域輪流用于寫(xiě)和／或擦除操作以延長(cháng)閃存設備的壽命。）Ext2fs 沒(méi)有特別完美的扇區管理，這使設計塊驅動(dòng)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(guò)使用 Ramdisk 的概念，可以在嵌入式設備中創(chuàng )建并掛裝 Ext2 文件系統（以及用于這一目的的任何文件系統）。
清單 6. 創(chuàng )建一個(gè)簡(jiǎn)單的基于 Ext2fs 的 Ramdisk
mke2fs -vm0 /dev/ram 4096
mount -t ext2 /dev/ram /mnt
cd /mnt
cp /bin, /sbin, /etc, /dev ... files in mnt
cd ../
umount /mnt
dd if=/dev/ram bs=1k count=4096 of=ext2ramdisk
mke2fs 是用于在任何設備上創(chuàng )建 ext2 文件系統的實(shí)用程序 — 它創(chuàng )建超級塊、索引節點(diǎn)以及索引節點(diǎn)表等等。
在 上面的用法中，/dev/ram 是上面構建有 4096 個(gè)塊的 ext2 文件系統的設備。然后，將這個(gè)設備（/dev/ram）掛裝在名為 /mnt 的臨時(shí)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(gè)文件系統并且設備（/dev/ram）的內容被轉儲到一個(gè)文件 （ext2ramdisk）中，它就是所需的 Ramdisk（Ext2 文件系統）。
上面的順序創(chuàng )建了一個(gè) 4 MB 的 Ramdisk，并用必需的文件實(shí)用程序來(lái)填充它。
一些要包含在 Ramdisk 中的重要目錄是：
/bin — 保存大多數象 init、busybox、shell、文件管理實(shí)用程序等二進(jìn)制文件。/dev — 包含用在設備中的所有設備節點(diǎn)/etc — 包含系統的所有配置文件/lib — 包含所有必需的庫，如 libc、libdl 等 日志閃存文件系統，版本 2（JFFS2）瑞 典的 Axis Communications 開(kāi)發(fā)了最初的 JFFS，Red Hat 的 David Woodhouse 對它進(jìn)行了改進(jìn)。 第二個(gè)版本，JFFS2，作為用于微型嵌入式設備的原始閃存芯片的實(shí)際文件系統而出現。JFFS2 文件系統是日志結構化的，這意味著(zhù)它基本上是一長(cháng)列節點(diǎn)。每個(gè)節點(diǎn)包含有關(guān)文件的部分信息 — 可能是文件的名稱(chēng)、也許是一些數據。相對于 Ext2fs，JFFS2 因為有以下這些優(yōu)點(diǎn)而在無(wú)盤(pán)嵌入式設備中越來(lái)越受歡迎：
JFFS2 在扇區級別上執行閃存擦除／寫(xiě)／讀操作要比 Ext2 文件系統好。JFFS2 提供了比 Ext2fs 更好的崩潰／掉電安全保護。當需要更改少量數據時(shí)，Ext2 文件系統將整個(gè)扇區復制到內存（DRAM）中，在內存中合并新數據，并寫(xiě)回整個(gè)扇區。這意味著(zhù)為了更改單個(gè)字，必須對整個(gè)扇區（64 KB）執行讀／擦除／寫(xiě)例程 — 這樣做的效率非常低。要是運氣差，當正在 DRAM 中合并數據時(shí)，發(fā)生了電源故障或其它事故，那么將丟失整個(gè)數據集合，因為在將數據讀入 DRAM 后就擦除了閃存扇區。JFFS2 附加文件而不是重寫(xiě)整個(gè)扇區，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(diǎn)：JFFS2 是專(zhuān)門(mén)為象閃存芯片那樣的嵌入式設備創(chuàng )建的，所以它的整個(gè)設計提供了更好的閃存管理。 因為本文主要是寫(xiě)關(guān)于閃存設備的使用，所以在嵌入式環(huán)境中使用 JFFS2 的缺點(diǎn)很少：
當文件系統已滿(mǎn)或接近滿(mǎn)時(shí)，JFFS2 會(huì )大大放慢運行速度。這是因為垃圾收集的問(wèn)題（更多信息，請參閱參考資料）。
創(chuàng )建 JFFS2 文件系統
在 Linux 下，用 mkfs.jffs2 命令創(chuàng )建 JFFS2 文件系統（基本上是使用 JFFS2 的 Ramdisk）。
清單 7. 創(chuàng )建 JFFS2 文件系統
mkdir jffsfile
cd jffsfile
/* copy all the /bin, /etc, /usr/bin, /sbin/ binaries and /dev entries
that are needed for the filesystem here */
/* Type the following command under jffsfile directory to create the JFFS2 Image */
./mkfs.jffs2 -e 0x40000 -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大?。ㄍǔＪ?64 千字節）。-p 選項用來(lái)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 文件系統映像 — 在本例中是 jffs.image。一旦創(chuàng )建了 JFFS2 文件系統，它就被裝入閃存中適當的位置（引導裝載程序告知內核查找文件系統的地址）以便內核能掛裝它。
tmpfs
當Linux 運行于嵌入式設備上時(shí)，該設備就成為功能齊全的單元，許多守護進(jìn)程會(huì )在后臺運行并生成許多日志消息。另外，所有內核日志記錄機制，象 syslogd、dmesg 和 klogd，會(huì )在 /var 和 /tmp 目錄下生成許多消息。由于這些進(jìn)程產(chǎn)生了大量數據，所以允許將所有這些寫(xiě)操作都發(fā)生在閃存是不可取的。由于在重新引導時(shí)這些消息不需要持久存儲，所以這個(gè) 問(wèn)題的解決方案是使用 tmpfs。
tmpfs 是基于內存的文件系統，它主要用于減少對系統的不必要的閃存寫(xiě)操作這一唯一目的。因為 tmpfs 駐留在 RAM 中，所以寫(xiě)／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(xiě)入 RAM 而不是閃存中，在重新引導時(shí)不會(huì )保留它們。tmpfs 還使用磁盤(pán)交換空間來(lái)存儲，并且當為存儲文件而請求頁(yè)面時(shí)，使用虛擬內存（VM）子系統。
tmpfs 的優(yōu)點(diǎn)包括：
動(dòng)態(tài)文件系統大小 — 文件系統大小可以根據被復制、創(chuàng )建或刪除的文件或目錄的數量來(lái)縮放。使得能夠最理想地使用內存。速度 — 因為 tmpfs 駐留在 RAM，所以讀和寫(xiě)幾乎都是瞬時(shí)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(gè)缺點(diǎn)是當系統重新引導時(shí)會(huì )丟失所有數據。因此，重要的數據不能存儲在 tmpfs 上。
掛裝 tmpfs
諸如 Ext2fs 和 JFFS2 等大多數其它文件系統都駐留在底層塊設備之上，而 tmpfs 與它們不同，它直接位于 VM 上。因而，掛裝 tmpfs 文件系統是很簡(jiǎn)單的事：
清單 8. 掛裝 tmpfs
/* Entries in /etc/rc.d/rc.sysinit for creating/using tmpfs */
# mount -t tmpfs tmpfs /var -o size=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 512 K。同時(shí)，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(gè)項添加到 /etc/fstab，那么它可能看起來(lái)象這樣：
tmpfs /var tmpfs size=32m 0 0
這將在 /var 上掛裝一個(gè)新的 tmpfs 文件系統。
圖形用戶(hù)界面（GUI）選項
從 用戶(hù)的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，圖形用戶(hù)界面（GUI）是系統的一個(gè)最至關(guān)重要的方面：用戶(hù)通過(guò) GUI 與系統進(jìn)行交互。所以 GUI 應該易于使用并且非?？煽?。但它還需要是有內存意識的，以便在內存受限的、微型嵌入式設備上可以無(wú)縫執行。所以，它應該是輕量級的，并且能夠快速裝入。
另一個(gè)要考慮的重要方面涉及許可證問(wèn)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，大多數開(kāi)發(fā)人員可能會(huì )選擇 XFree86，因為 XFree86 為他們提供了一個(gè)能使用他們喜歡的工具的熟悉環(huán)境。但是市場(chǎng)上較新的 GUI，象 Century Software 的 Microwindows（Nano-X）和 Trolltech 的 QT/Embedded，與 X 在嵌入式 Linux 的競技舞臺中展開(kāi)了激烈競爭，這主要是因為它們占用很少的資源、執行的速度很快并且具有定制窗口構件的支持。
讓我們看一看這些選項中的每一個(gè)。
Xfree86 4.X（帶幀緩沖區支持的 X11R6.4）
XFree86 Project, Inc. 是一家生產(chǎn) XFree86 的公司，該產(chǎn)品是一個(gè)可以免費重復分發(fā)、開(kāi)放源碼的 X Window 系統。X Window 系統（X11）為應用程序以圖形方式進(jìn)行顯示提供了資源，并且它是 UNIX 和類(lèi) UNIX 的機器上最常用的窗口系統。它很小但很有效，它運行在為數眾多的硬件上，它對網(wǎng)絡(luò )透明并且有良好的文檔說(shuō)明。X11 為窗口管理、事件處理、同步和客戶(hù)機間通信提供強大的功能 — 并且大多數開(kāi)發(fā)人員已經(jīng)熟悉了它的 API。它具有對內核幀緩沖區的內置支持，并占用非常少的資源 — 這非常有助于內存相對較少的設備。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，并對渲染提供內置支持。最新的發(fā)行版是 XFree86 4.1.0。
它的優(yōu)點(diǎn)包括：
幀緩沖區體系結構的使用提高了性能。占用的資源相對很小 — 大小在 600 K 到 700 K 字節的范圍內，這使它很容易在小型設備上運行。非常好的支持：在線(xiàn)有許多文檔可用，還有許多專(zhuān)用于 XFree86 開(kāi)發(fā)的郵遞列表。X API 非常適合擴展。 它的缺點(diǎn)包括：
比最近出現的嵌入式 GUI 工具性能差。此外，當與 GUI 中最新的開(kāi)發(fā) — 象專(zhuān)門(mén)為嵌入式環(huán)境設計的 Nano-X 或 QT/Embedded — 相比時(shí)，XFree86 似乎需要更多的內存。
Microwindows
Microwindows 是 Century Software 的開(kāi)放源代碼項目，設計用于帶小型顯示單元的微型設備。它有許多針對現代圖形視窗環(huán)境的功能部件。象 X 一樣，有多種平臺支持 Microwindows。
Microwindows 體系結構是基于客戶(hù)機／服務(wù)器的并且具有分層設計。最底層是屏幕和輸入設備驅動(dòng)程序（關(guān)于鍵盤(pán)或鼠標）來(lái)與實(shí)際硬件交互。在中間層，可移植的圖形引擎提供對線(xiàn)的繪制、區域的填充、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/WinCE API 實(shí)現，稱(chēng)為 Microwindows；另一種 API 與 GDK 非常相似，它稱(chēng)為 Nano-X。Nano-X 用在 Linux 上。它是象 X 的 API，用于占用資源少的應用程序。
Microwindows 支持 1、2、4 和 8 bpp（每像素的位數）的 palletized 顯示，以及 8、16、24 和 32 bpp 的真彩色顯示。
Microwindows 還支持使它速度更快的幀緩沖區。Nano-X 服務(wù)器占用的資源大約在 100 K 到 150 K 字節。
原始 Nano-X 應用程序的平均大小在 30 K 到 60 K。由于 Nano-X 是為有內存限制的低端設備設計的，所以它不象 X 那樣支持很多函數，因此它實(shí)際上不能作為微型 X（Xfree86 4.1）的替代品。
可以在 Microwindows 上運行 FLNX，它是針對 Nano-X 而不是 X 進(jìn)行修改的 FLTK（快速輕巧工具箱(Fast Light Toolkit)）應用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境的一個(gè)版本。本文中描述 FLTK。
Nano-X 的優(yōu)點(diǎn)包括：
與 Xlib 實(shí)現不同，Nano-X 仍在每個(gè)客戶(hù)機上同步運行，這意味著(zhù)一旦發(fā)送了客戶(hù)機請求包，服務(wù)器在為另一個(gè)客戶(hù)機提供服務(wù)之前一直等待，直到整個(gè)包都到達為止。這使服務(wù)器代碼非常簡(jiǎn)單，而運行的速度仍非?？?。占用很小的資源 Nano-X 的缺點(diǎn)包括：
聯(lián)網(wǎng)功能部件至今沒(méi)有經(jīng)過(guò)適當地調整（特別是網(wǎng)絡(luò )透明性）。還沒(méi)有太多現成的應用程序可用。與 X 相比，Nano-X 雖然近來(lái)正在加速開(kāi)發(fā)，但仍沒(méi)有那么多文檔說(shuō)明而且沒(méi)有很好的支持，但這種情形會(huì )有所改變。 Microwindows 上的 FLTK API 是一個(gè)簡(jiǎn)單但靈活的 GUI 工具箱，它在 Linux 世界中贏(yíng)得越來(lái)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窗口構件，如按鈕、對話(huà)框、文本框以及出色的賦值器選擇（用于輸入數值的窗口構件）。還包括滑動(dòng)器、滾動(dòng)條、刻度盤(pán)和其它一些構件。
針 對 Microwindows GUI 引擎的 FLTK 的 Linux 版本被稱(chēng)為 FLNX。FLNX 由兩個(gè)組件構成：Fl_Widget 和 FLUID。Fl_Widget 由所有基本窗口構件 API 組成。FLUID（快速輕巧的用戶(hù)界面設計器(Fast Light User Interface Designer, FLUID)）是用來(lái)產(chǎn)生 FLTK 源代碼的圖形編輯器?？偟膩?lái)說(shuō)，FLNX 是能用來(lái)為嵌入式環(huán)境創(chuàng )建應用程序的一個(gè)出色的 UI 構建器。
Fl_Widget 占用的資源大約是 40 K 到 48 K，而 FLUID（包括了每個(gè)窗口構件）大約占用 380 K。這些非常小的資源占用率使 Fl_Widget 和 FLUID 在嵌入式開(kāi)發(fā)世界中非常受歡迎。
優(yōu)點(diǎn)包括：
習慣于在象 Windows 這樣已建立得較好的環(huán)境中開(kāi)發(fā)基于 GUI 的應用程序的任何人都會(huì )非常容易地適應 FLTK 環(huán)境。它的文檔包括一本十分完整且編寫(xiě)良好的手冊。它使用 LGPL 進(jìn)行分發(fā)，所以開(kāi)發(fā)人員可以靈活地發(fā)放他們應用程序的許可證。FLTK 是一個(gè) C++ 庫（Perl 和 Python 綁定也可用）。面向對象模型的選擇是一個(gè)好的選擇，因為大多數現代 GUI 環(huán)境都是面向對象的；這也使將編寫(xiě)的應用程序移植到類(lèi)似的 API 中變得更容易。Century Software 的環(huán)境提供了幾個(gè)有用的工具，諸如 ScreenToP 和 ViewML 瀏覽器。
它的缺點(diǎn)是：
普通的 FLTK 可以與 X 和 Windows API 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(kāi)發(fā)的用于嵌入式 Linux 的圖形用戶(hù)界面系統。Trolltech 最初創(chuàng )建 Qt 作為跨平臺的開(kāi)發(fā)工具用于 Linux 臺式機。它支持各種有 UNIX 特點(diǎn)的系統以及 Microsoft Windows。KDE — 最流行的 Linux 桌面環(huán)境之一，就是用 Qt 編寫(xiě)的。
Qt/Embedded 以原始 Qt 為基礎，并做了許多出色的調整以適用于嵌入式環(huán)境。Qt Embedded 通過(guò) Qt API 與 Linux I/O 設施直接交互。那些熟悉并已適應了面向對象編程的人員將發(fā)現它是一個(gè)理想環(huán)境。而且，面向對象的體系結構使代碼結構化、可重用并且運行快速。與其它 GUI 相比，Qt GUI 非?？?，并且它沒(méi)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（Qt Palmtop Environment，俗稱(chēng) Qpe）。Qpe 提供了一個(gè)基本桌面窗口，并且該環(huán)境為開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)易于使用的界面。Qpe 包含全套的個(gè)人信息管理（Personal Information Management (PIM)）應用程序、因特網(wǎng)客戶(hù)機、實(shí)用程序等等。然而，為了將 Qt/Embedded 或 Qpe 集成到一個(gè)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 GPL 獲得 。）
它的優(yōu)點(diǎn)包括：
面向對象的體系結構有助于更快地執行占用很少的資源，大約 800 K 抗鋸齒文本和混合視頻的象素映射。
它的缺點(diǎn)是：
Qt/Embedded 和 Qpe 只能在獲得商業(yè)許可證的情況下才能使用。
結束語(yǔ)
嵌入式 Linux 開(kāi)發(fā)正迅速地發(fā)展著(zhù)。您必須學(xué)習并從引導裝載程序和分發(fā)版到文件系統和 GUI 中的每一個(gè)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，Linux 上的嵌入式開(kāi)發(fā)已經(jīng)達到了新的境界，并且調整模塊以適合您的規范從未比現在更簡(jiǎn)單。這已經(jīng)導致出現了許多時(shí)新的手持和微型設備作為開(kāi)放盒，這是件好事 — 因為事實(shí)是您不必成為一個(gè)專(zhuān)家從這些模塊中進(jìn)行選擇來(lái)調整您的設備以滿(mǎn)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(jìn)行試驗的欲望，并且希望您將體會(huì )擺弄微型設備的樂(lè )趣以滿(mǎn)足您的愛(ài)好。為進(jìn)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。
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