構建嵌入式Linux系統

2004年11月A

摘要：本文針對構建一個(gè)Linux嵌入式操作系統所面臨的問(wèn)題作了深入的分析，這些問(wèn)題包括精簡(jiǎn)內核、系統啟動(dòng)和編寫(xiě)硬件驅動(dòng)程序。

關(guān)鍵詞：嵌入式操作系統；驅動(dòng)；模塊；內核

引言：

    目前嵌入式系統的應用越來(lái)越廣泛，一臺通用PC的外部設備就有5~10個(gè)嵌入式微處理器，如鍵盤(pán)、軟驅、硬盤(pán)、顯示器、打印機、掃描儀、USB接口等均是由嵌入式處理器控制的。在制造工業(yè)、過(guò)程控制、通信電視、儀器儀表、汽車(chē)船舶、航空航天、消費類(lèi)產(chǎn)品均是嵌入式系統的應用領(lǐng)域。嵌入式系統目前主要有：Windows CE、VxWorks、QNX等，它們都具較好的實(shí)時(shí)性，系統可靠性，任務(wù)處理隨機性等優(yōu)點(diǎn)。但是它們的價(jià)格普遍偏高，很多開(kāi)發(fā)商承受不起。因而，Linux操作系統成為嵌入式操作系統的首選，原因如下：

    在精簡(jiǎn)內核在編譯內核之前，首先要明確需要那些驅動(dòng)和模塊，然后只選擇需要的驅動(dòng)和模塊，例如，如果系統不需要網(wǎng)絡(luò )支持，則可以去掉網(wǎng)絡(luò )模塊。內核一般是以壓縮方式存放的，在系統啟動(dòng)時(shí)會(huì )自行解壓。內核都是常駐內存的，當需要調用應用程序時(shí)，再把需要的程序從磁盤(pán)調入內存運行。

構建內核常用的命令包括：

◆ make config：內核配置，調用 ./scripts/Configure 按照 arch/i386/config.in 來(lái)進(jìn)行配置。

◆ make dep：尋找依賴(lài)關(guān)系。

◆ make clean：清除以前構建內核所產(chǎn)生的所有目標文件、模塊文件、以及一些臨時(shí)文件等。

◆ make rmproper：刪除所有因構建內核過(guò)程中產(chǎn)生的所有文件，把內核恢復到最原始的狀態(tài)。

◆ make：構核，通過(guò)各目錄的Makefile 文件將會(huì )在各個(gè)目錄下產(chǎn)生許多目標文件。如果內核沒(méi)有錯誤，將產(chǎn)生文件vmlinux，這就是構建的內核。

◆ make zImage：在make 的基礎上產(chǎn)生壓縮的內核映象文件./arch/$(ARCH)/boot/zImage 以及在 ./arch/$(ARCH)/boot/compresed/目錄下產(chǎn)生臨時(shí)文件。 ◆ make bzImage：在make 的基礎上產(chǎn)生壓縮比例更大的內核映象文件./arch/$(ARCH)/boot/bzImage 以及在 ./arch/$(ARCH)/boot/compresed/目錄下產(chǎn)生臨時(shí)文件。

◆ make modules：編譯模塊文件，在make config 時(shí)所配置的所有模塊將在這時(shí)編譯，形成模塊目標文件，并把這些目標文件存放在modules 目錄中。 ◆ make modules_install：把上面編譯好的模塊目標文件放置在目錄 ./lib/modules/$KERNEL_VERSION/ 中。上面的編譯內核是在沒(méi)有改變源代碼的情況下實(shí)現的，如果覺(jué)得源代碼提供的功能在某些方面不能滿(mǎn)足要求，就要修改源代碼了。源代碼中主要有以下幾個(gè)關(guān)鍵部分：有關(guān)進(jìn)程管理的task_struct 結構，這個(gè)結構幾乎包括了與進(jìn)程有關(guān)的所有文件內容，還有任務(wù)隊列、時(shí)鐘管理和中斷管理，各種進(jìn)程間的通信機制，內存管理中各種內存分配函數的實(shí)現，虛擬文件系統。

系統啟動(dòng)

    引導啟動(dòng)程序主要包括以下三個(gè)文件：bootsect.s，head.s和setup.s 這三個(gè)文件雖然都是匯編程序，但確使用了兩種語(yǔ)法格式。bootsect.s和setup.s 采用了近似于Intel的匯編語(yǔ)言語(yǔ)法，需要使用Intel 8086 匯編器和連接器 as86和ld86。head.s 則使用了GUN的匯編格式，并且運行在保護模式下，需要用GUN的as 進(jìn)行編譯。這是一種AT&T語(yǔ)法的匯編語(yǔ)言格式。 Bootsect.s代碼時(shí)磁盤(pán)引導塊程序，駐留在磁盤(pán)的第一個(gè)扇區中，在PC機加電ROM-BIOS自檢后，引導扇區由BIOS加載到內存0x7C00處，然后將自己移動(dòng)到內存0x90000處。該程序的主要作用是首先將setup模塊（由setup.s編譯的）從磁盤(pán)加載到內存緊接著(zhù)bootsect的后面位置（0x90200）,然后利用BIOS中斷0x13取磁盤(pán)參數表中當前啟動(dòng)引導盤(pán)的參數，接著(zhù)在屏幕上顯示“Loading system...”字符串。再將system模塊從磁盤(pán)上加載到內存0x10000開(kāi)始的地方。隨后確定根文件系統的設備號。 Setup程序的作用主要是利用ROM-BIOS中斷讀取機器系統數據，并將這些數據保存到0x90000開(kāi)始的位置（覆蓋了bootsect程序所在的地方）。然后setup程序將system模塊從0x10000整塊向下移動(dòng)到內存絕對地址0x0000處，接下來(lái)加載中斷描述符表寄存器（idtr）和全局描述表寄存器（gdtr）。開(kāi)啟A20地址線(xiàn)，重新設置兩個(gè)中斷控制芯片8259A，將硬件中斷號重新設置為0x20-0x2f。最后設置CPU的控制寄存器CR0（也稱(chēng)機器狀態(tài)字），從而進(jìn)入32位保護模式進(jìn)行，并跳轉到位于system模塊最前面部分的head.s程序繼續運行。 Head.s程序在被編譯后，會(huì )被連接成system模塊的最前面開(kāi)始部分，即頭部（head）程序。從這里開(kāi)始，內核完全都是在保護模式下運行了。這段程序實(shí)際上處于內存絕對地址0處開(kāi)始的地方。這個(gè)程序功能比較單一，首先是加載各個(gè)數據段寄存器，重新設置中斷描述符表idt，共256項。然后重新設置中斷描述符表gdt，接下來(lái)檢測A20地址線(xiàn)是不是開(kāi)啟了，再檢測PC機是否含有數學(xué)協(xié)處理器芯片，然后設置管理內存的分頁(yè)處理機制，最后利用返回指令將預先放置在堆棧中的/init/main.c程序的入口地址彈出，去運行main()內核初始化程序。

設備驅動(dòng)程序

    設備驅動(dòng)程序在Linux內核中扮演著(zhù)特殊的角色，它們是一個(gè)個(gè)獨立的“黑盒子”，使某個(gè)特定的硬件響應一個(gè)定義良好的內部編程接口，同時(shí)完全隱藏了設備的工作細節。用戶(hù)操作通過(guò)一組標準化的調用完成，而這些調用是和特定的驅動(dòng)程序無(wú)關(guān)的。設備驅動(dòng)程序提供的功能是同外設進(jìn)行數據傳送。設備包括三種類(lèi)型：字符設備、塊設備和網(wǎng)絡(luò )接口。每個(gè)模塊通常實(shí)現其中一種類(lèi)型，相應地，模塊可分為字符模塊（char module）、塊模塊（block module）和網(wǎng)絡(luò )模塊（network module）三種。然而這種分類(lèi)方式并不是十分嚴格，程序員可以構建一個(gè)大的模塊，在其中實(shí)現不同類(lèi)型的設備驅動(dòng)程序。三種類(lèi)型的設備如下：

● 字符模塊

    字符設備是能夠象字節流（比如文件）一樣被訪(fǎng)問(wèn)的設備，由字符設備驅動(dòng)程序來(lái)實(shí)現這種特性。字符設備驅動(dòng)程序通常至少需要實(shí)現open、close、read和write的系統調用。字符終端（dev/console）和串口（/dev/ttySO以及設備類(lèi)型）就是字符設備的兩個(gè)例子，它們能夠用流抽象很好地表示。

● 塊設備

    和字符設備一樣，塊設備也是通過(guò)/dev目錄下的文件系統節點(diǎn)被訪(fǎng)問(wèn)的。塊設備（例如磁盤(pán)）上能夠容納文件系統。在大多數Unix系統中，塊設備包括整數個(gè)塊，而每塊包含1KB或2的幾次冪字節的數據。Linux允許應用程序如字符設備那樣讀寫(xiě)塊設備，可以一次傳遞任意多字節的數據。因而，塊設備和字符設備的區別僅僅在于內核內部管理數據的方式，也就是內核和驅動(dòng)程序的接口不同。塊設備的接口必須支持掛裝（mount）文件系統。

● 網(wǎng)絡(luò )接口

    任何網(wǎng)絡(luò )事務(wù)都要經(jīng)過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò )接口，即一個(gè)能夠和其它主機交換數據的設備。通常接口是個(gè)硬件設備，但也可能是個(gè)純軟件設備，比如回環(huán)（loopback）接口。網(wǎng)絡(luò )接口由內核中的網(wǎng)絡(luò )子系統驅動(dòng)，負責發(fā)送和接收數據包，它必須了解每項事務(wù)是如何映射到實(shí)際傳送的數據包的。盡管Telnet和FTP連接都是面向流的，它們都使用了同一個(gè)設備，但這個(gè)設備看到的只是數據包，而不是獨立的流。

    在Linux里，除了直接修改系統內核的源代碼，把設備驅動(dòng)程序加進(jìn)內核以外，還可以把設備驅動(dòng)程序作為可加載的模塊，由系統管理員動(dòng)態(tài)的加載和卸載，使之成為內核的一部分。Linux的模塊可以用C語(yǔ)言編寫(xiě)，用gcc編譯成目標文件（不進(jìn)行鏈接，作為*.o文件存在），為此需要在gcc命令行里加上-c的參數。由于在不鏈接時(shí)，gcc只允許一個(gè)輸入文件，因此一個(gè)模塊的所有部分都必須在一個(gè)文件里實(shí)現。編譯好的模塊*.o放在/lib/modules/xxxx/misc下（xxxx表示內核版本），然后用depmod -a使此模塊成為可加載模塊。模塊用insmod命令加載，用rmmod命令來(lái)卸載，并可以用lsmod命令來(lái)察看所有已經(jīng)加載的模塊的狀態(tài)。編寫(xiě)模塊時(shí)必須提供兩個(gè)函數，一個(gè)是init_module(void)，供insmod在加載的時(shí)候自動(dòng)調用，負責進(jìn)行設備驅動(dòng)程序的初始化工作。Init_module返回0表示初始化成功，返回負數表示失敗。另一個(gè)函數是void cleanup_module(void)，載模塊卸載時(shí)調用，負責進(jìn)行設備驅動(dòng)程序的清除工作。在成功的向系統注冊了設備驅動(dòng)程序后（調用register_chrdev成功后），就可以用mknod命令來(lái)把設備映射成一個(gè)特別文件，其它程序社用這個(gè)設備的時(shí)候，只要對此特別文件進(jìn)行操作就可以了。

結語(yǔ)

    本文主要論述了如何構造嵌入式Linux系統，設計和實(shí)現一個(gè)完整并且小巧使用的嵌入式Linux系統是一個(gè)非常復雜的過(guò)程。由于嵌入式Linux是由標準Linux裁減而來(lái)的，所以需要對Linux的內核有深入的了解。本文所構建的一個(gè)小型嵌入式Linux系統，已成功運用于S3C2410。所欠缺的是構建的內核還不夠小，原因可能是存在一些不必要的硬件驅動(dòng)程序以及庫的裁減不夠理想導致的。今后的工作主要集中在對外設模塊和庫的裁減上，以及開(kāi)發(fā)一些特定硬件的驅動(dòng)程序。 參考文獻： 1 魏永明，駱剛，姜軍譯。Linux設備驅動(dòng)程序（第二版）。中國電力出版社，2002 2 趙炯著(zhù)。Linux內核完全注釋?zhuān)?004 3 馮永紅，朱善君。裁剪Linux技術(shù)分析。2001嵌入式系統及單片機國際學(xué)術(shù)交流會(huì )論文集，2001 本文于2004年8月30日收到。劉新朝：研究生，研究方向為微機控制。