如何构造嵌入式Linux系统

引 言：

目前嵌入式系统的应用越来越广泛，一台通用PC的外部设备就有5~10个嵌入式微处理器，如键盘、软驱、硬盘、显示器、打印机、扫描仪、USB接口等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通信电视、仪器仪表、汽车船舶、航空航天、消费类产品均是嵌入式系统的应用领域。嵌入式系统目前主要有：Windows CE、VxWorks、QNX等，它们都具较好的实时性，系统可靠性，任务处理随机性等优点。但是它们的价格普遍偏高，很多开发商承受不起。因而，Linux操作系统成为嵌入式操作系统的首选，原因如下：

在精简内核在编译内核之前，首先要明确需要那些驱动和模块，然后只选择需要的驱动和模块，例如，如果系统不需要网络支持，则可以去掉网络模块。内核一般是以压缩方式存放的，在系统启动时会自行解压。内核都是常驻内存的，当需要调用应用程序时，再把需要的程序从磁盘
调入内存运行。

构建内核常用的命令包括：

◆ make config：内核配置，调用 ./scripts/Configure 按照 arch/i386/config.in 来进行配置。

◆ make dep：寻找依赖关系。

◆ make clean：清除以前构建内核所产生的所有目标文件、模块文件、以及一些临时文件等。

◆ make rmproper：删除所有因构建内核过程中产生的所有文件，把内核恢复到最原始的状态。

◆ make：构核，通过各目录的Makefile 文件将会在各个目录下产生许多目标文件。如果内核没有错误，将产生文件vmlinux，这就是构建的内核。

◆ make zImage：在make 的基础上产生压缩的内核映象文件./arch/$(ARCH)/boot/zImage 以及在 ./arch/$(ARCH)/boot/compresed/目录下产生临时文件。

◆ make bzImage：在make 的基础上产生压缩比例更大的内核映象文件./arch/$(ARCH)/boot/bzImage 以及在 ./arch/$(ARCH)/boot/compresed/目录下产生临时文件。

◆ make modules：编译模块文件，在make config 时所配置的所有模块将在这时编译，形成模块目标文件，并把这些目标文件存放在modules 目录中。

◆ make modules_install：把上面编译好的模块目标文件放置在目录 ./lib/modules/$KERNEL_VERSION/ 中。上面的编译内核是在没有改变源代码的情况下实现的，如果觉得源代码提供的功能在某些方面不能满足要求，就要修改源代码了。源代码中主要有以下几个关键部分：有关进程管理的task_struct 结构，这个结构几乎包括了与进程有关的所有文件内容，还有任务队列、时钟管理和中断管理，各种进程间的通信机制，内存管理中各种内存分配函数的实现，虚拟文件系统。

系统启动

引导启动程序主要包括以下三个文件：bootsect.s，head.s和setup.s 这三个文件虽然都是汇编程序，但确使用了两种语法格式。bootsect.s和setup.s 采用了近似于Intel的汇编语言语法，需要使用Intel 8086 汇编器和连接器 as86和ld86。head.s 则使用了GUN的汇编格式，并且运行在保护模式下，需要用GUN的as 进行编译。这是一种AT&T语法的汇编语言格式。 Bootsect.s代码时磁盘引导块程序，驻留在磁盘的第一个扇区中，在PC机加电ROM-BIOS自检后，引导扇区由BIOS加载到内存0x7C00处，然后将自己移动到内存0x90000处。该程序的主要作用是首先将setup模块（由setup.s编译的）从磁盘加载到内存紧接着bootsect的后面位置（0x90200）,然后利用BIOS中断0x13取磁盘参数表中当前启动引导盘的参数，接着在屏幕上显示“Loading system...”字符串。再将system模块从磁盘上加载到内存0x10000开始的地方。随后确定根文件系统的设备号。


Setup程序的作用主要是利用ROM-BIOS中断读取机器系统数据，并将这些数据保存到0x90000开始的位置（覆盖了bootsect程序所在的地方）。然后setup程序将system模块从0x10000整块向下移动到内存绝对地址0x0000处，接下来加载中断描述符表寄存器（idtr）和全局描述表寄存器（gdtr）。开启A20地址线，重新设置两个中断控制芯片8259A，将硬件中断号重新设置为0x20-0x2f。最后设置CPU的控制寄存器CR0（也称机器状态字），从而进入32位保护模式进行，并跳转到位于system模块最前面部分的head.s程序继续运行。 Head.s程序在被编译后，会被连接成system模块的最前面开始部分，即头部（head）程序。从这里开始，内核完全都是在保护模式下运行了。这段程序实际上处于内存绝对地址0处开始的地方。这个程序功能比较单一，首先是加载各个数据段寄存器，重新设置中断描述符表idt，共256项。然后重新设置中断描述符表gdt，接下来检测A20地址线是不是开启了，再检测PC机是否含有数学协处理器芯片，然后设置管理内存的分页处理机制，最后利用返回指令将预先放置在堆栈中的/init/main.c程序的入口地址弹出，去运行main()内核初始化程序。

设备驱动程序

设备驱动程序在Linux内核中扮演着特殊的角色，它们是一个个独立的“黑盒子”，使某个特定的硬件响应一个定义良好的内部编程接口，同时完全隐藏了设备的工作细节。用户操作通过一组标准化的调用完成，而这些调用是和特定的驱动程序无关的。设备驱动程序提供的功能是同外设进行数据传送。设备包括三种类型：字符设备、块设备和网络接口。每个模块通常实现其中一种类型，相应地，模块可分为字符模块（char module）、块模块（block module）和网络模块（network module）三种。然而这种分类方式并不是十分严格，程序员可以构建一个大的模块，在其中实现不同类型的设备驱动程序。三种类型的设备如下：

字符模块

字符设备是能够象字节流（比如文件）一样被访问的设备，由字符设备驱动程序来实现这种特性。字符设备驱动程序通常至少需要实现open、close、read和write的系统调用。字符终端（dev/console）和串口（/dev/ttySO以及设备类型）就是字符设备的两个例子，它们能够用流抽象很好地表示。

块设备

和字符设备一样，块设备也是通过/dev目录下的文件系统节点被访问的。块设备（例如磁盘）上能够容纳文件系统。在大多数Unix系统中，块设备包括整数个块，而每块包含1KB或2的几次幂字节的数据。Linux允许应用程序如字符设备那样读写块设备，可以一次传递任意多字节的数据。因而，块设备和字符设备的区别仅仅在于内核内部管理数据的方式，也就是内核和驱动程序的接口不同。块设备的接口必须支持挂装（mount）文件系统。

网络接口

任何网络事务都要经过一个网络接口，即一个能够和其它主机交换数据的设备。通常接口是个硬件设备，但也可能是个纯软件设备，比如回环（loopback）接口。网络接口由内核中的网络子系统驱动，负责发送和接收数据包，它必须了解每项事务是如何映射到实际传送的数据包的。尽管Telnet和FTP连接都是面向流的，它们都使用了同一个设备，但这个设备看到的只是数据包，而不是独立的流。

在Linux里，除了直接修改系统内核的源代码，把设备驱动程序加进内核以外，还可以把设备驱动程序作为可加载的模块，由系统管理员动态的加载和卸载，使之成为内核的一部分。Linux的模块可以用C语言编写，用gcc编译成目标文件（不进行链接，作为*.o文件存在），为此需要在gcc命令行里加上-c的参数。由于在不链接时，gcc只允许一个输入文件，因此一个模块的所有部分都必须在一个文件里实现。编译好的模块*.o放在 / lib / modules / xxxx/misc下（x
xxx表示内核版本），然后用depmod -a使此模块成为可加载模块。模块用insmod命令加载，用rmmod命令来卸载，并可以用lsmod命令来察看所有已经加载的模块的状态。编写模块时必须提供两个函数，一个是init_module(void)，供insmod在加载的时候自动调用，负责进行设备驱动程序的初始化工作。Init_module返回0表示初始化成功，返回负数表示失败。另一个函数是void cleanup_module(void)，载模块卸载时调用，负责进行设备驱动程序的清除工作。在成功的向系统注册了设备驱动程序后（调用register_chrdev成功后），就可以用mknod命令来把设备映射成一个特别文件，其它程序社用这个设备的时候，只要对此特别文件进行操作就可以了。

结 语

本文主要论述了如何构造嵌入式Linux系统，设计和实现一个完整并且小巧使用的嵌入式Linux系统是一个非常复杂的过程。由于嵌入式Linux是由标准Linux裁减而来的，所以需要对Linux的内核有深入的了解。本文所构建的一个小型嵌入式Linux系统，已成功运用于S3C2410 。所欠缺的是构建的内核还不够小，原因可能是存在一些不必要的硬件驱动程序以及库的裁减不够理想导致的。今后的工作主要集中在对外设模块和库的裁减上，以及开发一些特定硬件的驱动程序。 参考文献： 1 魏永明，骆刚，姜军译。Linux设备驱动程序（第二版）。中国电力出版社，2002 2 赵炯著。Linux内核完全注释，2004 3 冯永红，朱善君。裁剪Linux技术分析。2001嵌入式系统及单片机国际学术交流会论文集，2001 本文于2004年8月30日收到。刘新朝：研究生，研究方向为微机控制。