Embedded Linux 技術與概念解析 - Welkin小窩

Embedded Linux其實並不是1個作業系統，而是代表「應用Linux系統於Embedded system」的名詞。

Embedded Linux的技術核心主軸是在研究「如何將Linux系統嵌入 ... 關閉廣告 Welkin小窩 跳到主文 柴米油鹽的平淡生活 部落格全站分類：不設分類 相簿 部落格 留言 名片 Mar17Wed201016:22 EmbeddedLinux技術與概念解析 引言：EmbeddedLinux技術基於開放源碼的資源，並且已經是當今最重要的嵌入式應用技術之一。

EmbeddedLinux是燒錄在目標裝置上的系統，1個EmbeddedLinux系統包含Linuxkernel與rootfilesystem2大部分，EmbeddedLinux系統到底包含哪些組成要素構成，本文將由概念的層面進行解析。

本文：由於目前的目標裝置，都必須嵌入極為複雜的功能，所以「嵌入式作業系統(Embeddedsystem)」成為嵌入式系統不可或缺的要素。

由於嵌入式系統是功能導向的系統，因此必須設計、選擇或購買正確(或適合)的目標裝置，才能開始實作並嵌入「嵌入式系統」。

因此，嵌入式系統技術是以功能、與目標裝置為分類的1種技術。

例如，與PDA相關的目標裝置(即硬體)、與MP3播放器相關的目標裝置、與3G手機相關的目標裝置...等等；使用這些目標裝置所開發的特定功能系統，便是PDA的嵌入式系統、MP3音樂播放的嵌入式系統、3G手機的嵌入式系統。

EmbeddedLinux其實並不是1個作業系統，而是代表「應用Linux系統於Embeddedsystem」的名詞。

EmbeddedLinux的技術核心主軸是在研究「如何將Linux系統嵌入至嵌入式目標裝置裡」。

EmbeddedLinux是基於Linux系統的特殊應用，當然也要符合眾多標準才行。

LSB與FHS標準是重要的2大標準，跟隨標準不但可以提供系統間的相容性，也可以提供我們1個Linux系統的建構依據。

※GNU/Linux的2個標準由FSG(FreeStandardsGroup)所主持的LSB(LinuxStandardBase)專案即是在制定GNU/Linux標準。

根據LSB標準所發展的GNU/Linux系統，才能提供應用程式最小的可執行環境，並且可在依循LSB標準的Linuxdistributions上執行無誤。

例如，我們可以在符合LSB標準的RedHatLinux上發展應用程式，只要自行發展的EmbeddedLinux系統符合LSB標準所訂定的規範，應用程式就可以順利移植到EmbeddedLinux上執行。

LSB標準提供我們發展EmbeddedLinux的依據，雖然EmbeddedLinux系統是最小化的Linux，但因為EmbeddedLinux是嵌入式系統的軟體平台，所以我們不能任意精簡Linux系統，在精簡的過程中仍要保留最基本的作業系統環境，而LSB的標準正是在制定這些基本的需求。

FHS全名為FilesystemHierarchyStandard，是定義檔案與目錄標準的文件，FHS的標準，定義了目錄與檔案的擺放位置，而UNIX-like的系統則是根據這個標準，管理整個檔案結構。

因此，不管是系統廠商、Linux/UNIXdistribution發展者、應用程式作者、套件管理者、系統維護人員都應該要依照FHS的標準來管理UNIX系統的目錄與檔案。

EmbeddedLinux的特色是大量使用自由軟體、與開放源碼軟體(FOSS-Free&OpenSourceSoftwar)資源，「任何你想要的軟體，幾乎都能在網路上找到自由軟體」已經成為EmbeddedLinux技術的重要支柱。

自由軟體資源包山包海，舉凡應用程式、系統工具、網路工具、程式庫、圖形介面、小型瀏覽器、程式發展工具...等等都能找得到。

※BusyboxBusybox是重要的EmbeddedLinux工具箱，這個工具箱提供基本的UNIX指令、系統程式(daemon)與開機程序(initprocess)。

Busybox用來建造1個基本、最小化且可開機的Linux系統，由於Busybox裡的指令與工具都經過最小化處理，因此已經是目前主要應用在EmbeddedLinux實作上的開放源碼專案了。

※EmbeddedLinux的組成圖說：EmbeddedLinux整體架構。

EmbeddedLinux平台除了Linuxkernel外，還包含共享程式庫(sharedlibrary)。

sharedlibraries是Linuxkernel的重要支援，並且也是Linux架構裡獨立的1層。

在應用程式方面，許多現存的開放源碼專案都可以直接「移植」到ARM9平台。

但這裡所指的移植是對原始碼進行跨平台編譯(crosscompile)，並不是BSP(boardsupportpackage)的移植。

跨平台編譯因為開放源碼開發工具的特性，在應用程式級別的移植工具上，可以有1套比較系統化的方法，也有相關的工具與環境可以使用，目前最熱門的跨平台編譯環境為OpenEmbedded。

開放源碼軟體採用GNUAutoconf與GNUAutomake來撰寫編譯法則(Makefile)，因此實務上，要將應用程式移植到ARM9平台，大部分案例只需要做跨平台編譯即可。

要了解如何將原始碼移植到ARM9平台，需要學會GNUAutoconf以及GNUAutomake的使用。

※GNUAutoconfAutoconf是m4巨集的擴充套件，可以用來自動設定軟體套件的原始碼。

Autoconf會產生1個協助程式編譯的設定文稿執行檔(configurationscript)，以方便編譯原始碼前進行系統檢查與設定，使用GNUAutoconf時，必須安裝GNUm4套件。

※GNUAutomakeAutomake是自動產生Makefile.in的工具，需配合Autoconf使用，以產生可以讓GNUMake自動編譯原始碼的”Makefile”檔案。

※GNUMakeGNUMake會根據“Makefile”來自動編譯程式，而編譯完成的程式為執行檔。

GNUMake的重要特點，是沒有特定程式語言限制，甚至可以應用在非程式語言編譯的環境中，例如：系統維護工作與套件安裝，因此GNUMake可以說是系統自動化的好工具。

GNUMake根據“Makefile”檔案裡所定義的規則，執行Unix命令，簡單的Makefile規格，可以利用編輯器手動撰寫，但較複雜且與針對不同平台的設定，則建議採用GNUAutoconf/GNUAutomake來產生“Makefile”。

當我們能夠產生使用crosstoolchain的Makefile時，就可以將套件編譯成ARM9的執行檔。

※ARM平台的選擇與支援嵌入式裝置的硬體選擇當然沒有所謂的標準，但若是談論到嵌入式Linux的應用，在平台的選擇上就會有一些考慮。

最重要的考慮因素，當然就是處理器對於作業系統的支援，如此一來，沒有MMU(記憶體管理單元)的ARM7平台，就不在主要的選擇範圍內。

以下列出幾個目前普遍使用的ARM9應用程式處理器(applicationprocessor)：在選擇解決方案時，若是決定採用Linux做為嵌入式作業系統，首先當然就是要確定廠商是否提供完整的BSP。

不過，由於Linux是由社群所維護發展，因此，選擇目前Linuxkernel內有支援的平台，將會是較好的選擇，這也是為什麼有許多大廠，主動貢獻並提交BSP給kernel.org的原因。

目前在kernel社群比較活躍的ARM9廠商，或是社群主動積極協助維護的SOC平台，像是ATMEL、Samsung與TIOMAP等，這些都是kernel.org的Linuxkernel就有支援的處理器，這表示讓Linux支援這些平台的方式也很簡單，就是到kernel.org下載官方的Linuxkernel即可。

※Crosstool針對ARM9或是其它平台的開發，最重要的工具就是CrossToolchain。

CrossToolchain的製作一直是EmbeddedLinux開發者的夢靨，大多數人選擇由網路下載現成的開發工具，但經常會遇到缺乏程式庫的編譯錯誤。

完整的CrossToolchain包含1套基本的gcccrosscompiler以及其它的應用程式庫；CrossToolchain是製作基本gcccrosscompiler的工具，透過crosstool即可製作ARM9的基本toolchain。

RootFilesystem概念Rootfilesystem的建置，即是在建立1個基本的Linux系統(basesystem)，讓kernel在完成開機後，進入usermode執行使用者程式。

Rootfilesystem的建置主要是以Busybox為主，並加入(移植)客製化的開放源碼(opensource)與自由軟體(freesoftware)。

因為嵌入式Linux的rootfilesystem是依照需求加入套件，與桌面環境的Linuxdistribution不同，因此都是用從頭打造的方式做起。

在建立rootfilesystem時，程式庫相依(librarydependencies)的議題是相當重要的項目。

當rootfilesystem缺少必要的library時，程式當然無法執行，甚至系統也會無法順利啟動。

分析應用程式所需的相依程式庫，觀念如下：(1)先利用CrossToolchain的objdump指令觀察ELF格式裡的「NEEDED」項目。

(2)必須再檢查這些library是否相依其它library。

1個基本且可開機的rootfilesystem，也稱做bootstraprootfilesystem，1個可用的bootstraprootfilesystem只需要包含busybox與libc即可。

傳統的EmbeddedLinux應用，大多是以NFS的方式來測試目標裝置的完整rootfilesystem(fullrootfilesystem)。

以NFS進行EmbeddedLinux開發測試，主要是針對目標裝置的fullrootfilesystem做「立即(rightnow)」的系統執行測試(run-time)，免除「不斷打包imagefile、開機」的惡夢。

這是1種流行很久的EmbeddedLinux系統測試與開發方式，其概念如下：(1)將target的完整rootfilesystem(例如ARM9rootfilesystem)建置後，存放於host端的某個目錄下，例如/home/rootfs。

(2)為target製作1個「NFSrootfilesystem」，也就是bootstraprootfilesystem＋NFS功能，並使用NFSrootfilesystem將目標裝置開機。

(3)設定host端為NFSserver。

(4)以NFSmount方式將host端上的rootfilesystem目錄「mount」進來，即可在目標裝置上執行fullrootfilesystem裡的應用程式。

這種方式不但簡單，而且方便，需要的基礎建設如下：1.目標裝置使用的kernel必須支援NFS。

2.製作bootstraprootfilesystem時，需要加入mount指令，並且開啟mount指令的NFS功能。

3.加入NFSfunctionality至bootstraprootfilesystem。

4.設定NFSserver。

製作完成的rootfilesystem必須做打包的動作，將整個rootfilesystem包裝成1個映像檔(imagefile)。

根據目標裝置的不同，我們可以將映像檔包裝成ROMfs、CompressROMfs、ext2fs或是compressRAMfs。

※ROMfilesystemROMfilesystem(romfs)是1種唯讀的檔案系統，在EmbeddedLinux裡的主要應用為製作romfs格式的檔案系統映像檔。

我們將rootfilesystem製作成romfsfilesystem的image檔。

開機後，整個filesystem僅能讀取。

要使用romfsfilesystem必須將Linuxkernel裡的CONFIG_ROMFS_FS功能選項打開。

製作ROMfs映像檔所使用的工具為genromfs。

※CompressedROMfilesystemCompressedROMfilesystem(cromfs)即是壓縮過的ROMfilesystem，其製作方式相當簡單，只要使用gzip將ROMfilesystem的映像檔壓縮即可。

※製作ext2fs映像檔製作ext2fs映像檔的方式有2種。

1種是使用dd指令產生1個空白的映像檔，接著再將此映像檔以mkfs.ext2指令格式化成ext2的格式。

製作好的空白映像檔再以loopbackmount方式掛載到1個目錄下，再將rootfilesystem整個複製到此目錄下，即可完成ext2fs映像檔的製作。

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rootfilesystem裡預先建立(pre-built)裝置檔時(devicefile)，只需要編寫1個裝置檔表格，genext2fs工具會在打包映像檔時，自動在rootfilesystem裡建立裝置檔。

※InitialRAMdisk(initrd)RAMdisk是存在於記憶體中的虛擬磁碟，也就是將RAM拿來當成磁碟使用。

在EmbeddedLinux的應用中，我們通常會將ramdisk當成暫存目錄來使用。

例如將/dev/ram1附掛到/tmp目錄，以便能讓應用程式存放暫時性檔案。

/dev/ram?為ramdisk的devicefile。

由於整個rootfilesystem是從真正的儲存裝置讀取並載入至ramdisk，因此有1個重要的特性是對filesystem所做的任何修改，都不會影響到真正rootfilesystem的內容。

initrd全名為initializeRAMdisk，是1個特殊的RAMdisk。

bootloader會將initrd載至記憶體，Linuxkernel則可在/dev/ram0找到initrd。

initrd會在Linuxkernel開機前就載入，initrd正式的用途是用來存放開機時所需要的驅動程式(因rootfilesystem尚未mount進來)。

在EmbeddedLinux應用上，我們會利用initrd來存放整個檔案系統(rootfilesystem)，也就是將rootfilesystem製作成ext2或romfs格式(或其它檔案系統)的映像檔，並在開機時由bootloader載入記憶體，initrd均位於/dev/ram0。

要使用RAMdisk與initrd，必須將Linuxkernel的CONFIG_BLK_DEV_RAM以及CONFIG_BLK_DEV_INITRD)。

※使用initrd做為rootfilesystem裝置將initialRAMdisk當成rootfilesystem來使用，是在EmbeddedLinux應用上是相當常見的技巧，如果我們想將initialRAMdisk當成存放rootfilesystem的裝置來使用，在開機時，只需要配合「root=」的kernel開機參數即可。

※initramfsLinus本人在Linux2.6時代所提出的"initramfs"，是1種更好的"root="做法。

簡單來說，initramfs就是「kernel2.6的initrd」，initramfs是屬於1種compressedramfs(ramfilesystem)的映像檔。

※C程式庫在C程式庫方面，除了標準的glibc也被廣泛應用在嵌入式系統領域外，也有一些專門針對嵌入式系統應用所發展的C程式庫，像是uClibc以及Dietlibc。

但是由於現在的ARM9處理器計算效能都很快，平台也多搭載大容量NAND快閃記憶體，所以許多實作都直接使用libc來實作rootfilesystem。

Linux驅動程式由於嵌入式系統整體來看，除了軟體開發外，也包含硬體客制化，因此驅動程式在嵌入式系統技術領域中，佔了舉足輕重的地位。

學習驅動程式需要確實瞭解硬體的規格與微處理器架構，並且工程師還要能分得清楚哪些東西是介面(interfacing)，也就是與硬體無關的程式(machine-independent)；以及哪些是站在第一線做硬體控制的程式(machine-dependent)。

各種軟體硬介面與?流排也都要精通。

了解Linux驅動程式的架構，是進入嵌入式Linux領域的重點功課，因為許多針對ARM9平台的驅動程式都是參考框架、或是針對特定開發板的實作，因此必須了解Linux驅動程式的架構，並進行修改，以符合自己的開發板與週邊規格。

Linux驅動程式，採取嚴謹的分層式架構設計(layeredarchitecture)，利用分層的架構設計來徹底區分genericdevicedriver(machineindependent)與machinedependentdriver。

Linux驅動程式透過「註冊」與「回呼」的機制來清楚區分每1層的關係。

分層架構的實作必須在下層將自己註冊給上層，上層再回呼下層；上層的驅動程式必須提供註冊函數供下層呼叫，下層驅動程式所使用的註冊函數也將決定自己的上層架構。

與userapplication如何互動，是撰寫驅動程式時所要考慮的重要一環，因此撰寫驅動程式時，要提供什麼「功能」給應用程式引用，就必須事先定義清楚。

Linux的genericdevicedriver層已經幫我們把這些功能定義清楚了。

Linux驅動程式如何透過I/Oport或I/Omemory來控制裝置，也就是與晶片組的溝通，方式是使用Linuxkernel所提供的I/O函數來存取並控制實體硬體裝置。

※Linux驅動程式的裝置檔Devicefiles是UNIX系統的獨特觀念，在UNIX系統底下我們把外部的周邊裝置均視為1個檔案，並透過此檔案與實體硬體溝通，這樣的檔案就叫做devicefiles或specialfiles。

Devicefile的majornumber代表1個特定的裝置，例如majornumber1為”null”虛擬裝置，majornumber定義於kernel文件目錄Documentation/devices.txt。

Minornumber代表裝置上的子裝置，例如同1個硬碟上的分割區就用不同的minornumber來代表，但其majornumber相同。

我們在設計devicedriver時，會先透過1個“註冊”(register)的動作，將自己註冊到kernel裡，註冊時，我們會指定1個majornumber參數，以指定此驅動程式所要實作的週邊裝置。

當user開啟devicefile時，kernel便會根據devicefile的majornumber找到對應的驅動程式回應使用者。

Minornumber則是devicedriver內部所使用，kernel並不會處理不同的minornumber。

※Linux2.6的kobject模型Linux2.6在驅動程式的架構方面，加入kobject的概念。

kobject以更有系統、組織的方式維護系統裡的driver(集中式管理)，但並非改變現有(kernel2.4以來)的driver架構。

在kobject的模型下，可以看到1個platformdriver觀念。

所謂「platformdriver」就是machine-dependentdriver，當驅動程式設計師在kernel2.6底下實作machine-dependentdriver時，就要以platformdriver的架構來實作。

例如，針對我們的目標裝置進行硬體層的驅動程式撰寫時，就要以platformdriver的方式來撰寫，實作上，只是多1個註冊到platformdriver層的動作而已。

※Flash裝置的支援針對嵌入式系統經常使用的快閃記憶體(Flash)儲存裝置，Linuxkernel支援JFFS2與NFTL2個專門針對快閃記億體設計的檔案系統。

JFFS2(JournalingFlashFileSystemversion2)是專門針對NOR型快閃記憶體所設計的檔案系統。

NFTL(NANDFlashTranslationLayer)則是專門針對NAND型快閃記憶體設計的檔案系統。

結論綜合而言，EmbeddedLinux是1個平台、也是一些工具的集合、也是1個嵌入式軟體的開發環境；實作上，EmbeddedLinux除了會進行kernel的修改、驅動程式的移植或開發外，也會是系統管理與系統整合的再應用，這是一門集大成的技術，並不只是1個嵌入式作業系統，也不只是1套開發工具。

(本文為Jollen’sConsulting,Inc.技術顧問撰寫http://www.jollen.org/consulting)參考來源http://tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=126&zNotesDocId=0000080936_B9WL69LZUF2L4FY7IZ4C5 全站熱搜 創作者介紹 BB Welkin小窩 BB發表在痞客邦留言(3)人氣() E-mail轉寄 全站分類：不設分類個人分類：Embedded此分類上一篇：U-boot初探 此分類下一篇：如何建立Crosstool 上一篇：Kconfig文件的用途(Make選單的建立) 下一篇：如何建立Crosstool 歷史上的今天 2010:Mplayer&FFmpeg支援的codec格式種類 2010:VideoFormatsandQuality簡述 2010:色碼查詢表 2010:YUV,YPbPr&YCbCr差異 2010:RingEffect與BlockEffect 2010:IPBPictureReordering 2010:multipledefinitionofXXXfirstdefinedhere的錯誤 2010:宣告全域變數的小技巧 2010:GStreamer學習筆記(1) 2010:Static(Function) 2010:FFMPEG編碼流程分析 2010:FFMPEG下載&安裝 2010:千萬別把functiondefinition&變數definition寫入.h裡 2010:如何建立Crosstool 2010:Kconfig文件的用途(Make選單的建立) ▲top 留言列表 發表留言 相簿幻燈片 文章分類 生活集錦(3) 影音歌詞(17)生活其它(4)媽媽寶寶(25) SYSTEM(8) Linux-Pre(9)Yocto(1)LinuxSystem(20)Embedded(19)LinuxKernel(24)UbuntuManage(8)LinuxDebug&Trace(2)Android(21) Programing(3) Trace&Debug(11)ProgramingC&C++(22)GNUC(12) MultiMedia(3) Video(20)mplayer(13)FFmpeg(14) Computer(3) 系統安裝(5)常見問題(10)電腦基礎(3) 未分類文章(42) 文章搜尋 參觀人氣 本日人氣： 累積人氣： 月曆 « 十二月2021 » 日 一 二 三 四 五 六       1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31   我的連結 回到頁首 回到主文 免費註冊 客服中心 痞客邦首頁 ©2003-2021PIXNET 關閉視窗