Embedded Linux 技术与概念解析

引言

       Embedded Linux技术基于开放源码的资源，并且已经是当今最重要的应用技术之一。Embedded Linux是烧录在目标装置上的系统，1个Embedded Linux系统包含Linux kernel与 root filesystem 2大部分，Embedded Linux系统到底包含哪些组成要素构成，本文将由概念的层面进行解析。

       本文

       由于目前的目标装置，都必须嵌入极为复杂的功能，所以操作系统(Embedded system)成为系统不可或缺的要素。由于系统是功能导向的系统，因此必须设计、选择或购买正确(或适合)的目标装置，才能开始实作并嵌入。因此，技术是以功能、与目标装置为分类的1种技术。

       例如，与PDA相关的目标装置(即硬件)、与MP3播放器相关的目标装置、与3G手机相关的目标装置...等等；使用这些目标装置所开发的特定功能系统，便是PDA的嵌入式系统、MP3音乐播放的嵌入式系统、3G手机的嵌入式系统。

       Embedded Linux其实并不是1个操作系统，而是代表应用Linux系统于Embedded system的名词。Embedded Linux的技术核心主轴是在研究如何将Linux系统嵌入至目标装置里。

       Embedded Linux是基于Linux系统的特殊应用，当然也要符合众多标准才行。LSB与FHS标准是重要的2大标准，跟随标准不但可以提供系统间的兼容性，也可以提供我们1个Linux系统的建构依据。

       GNU/Linux的2个标准

      由FSG (Free Standards Group) 所主持的 LSB (Linux Standard Base) 项目即是在制定 GNU/Linux 标准。根据LSB标准所发展的GNU/Linux系统，才能提供应用程序最小的可执行环境，并且可在依循LSB标准的Linux distributions上执行无误。例如，我们可以在符合LSB标准的Red Hat Linux上发展应用程序，只要自行发展的Embedded Linux系统符合LSB标准所订定的规范，应用程序就可以顺利移植到Embedded Linux上执行。

        LSB标准提供我们发展Embedded Linux的依据，虽然Embedded Linux系统是最小化的Linux，但因为Embedded Linux是的软件平台，所以我们不能任意精简Linux系统，在精简的过程中仍要保留最基本的操作系统环境，而LSB的标准正是在制定这些基本的需求。

       FHS全名为Filesystem Hierarchy Standard，是定义档案与目录标准的文件，FHS的标准，定义了目录与档案的摆放位置，而UNIX-like的系统则是根据这个标准，管理整个档案结构。因此，不管是系统厂商、Linux/UNIX distribution发展者、应用程序作者、套件管理者、系统维护人员都应该要依照FHS的标准来管理UNIX系统的目录与档案。

        Embedded Linux的特色是大量使用自由软件、与开放源码软件(FOSS- Free & Open Source Softwar)资源，任何你想要的软件，几乎都能在网络上找到自由软件已经成为Embedded Linux技术的重要支柱。自由软件资源包山包海，举凡应用程序、系统工具、网络工具、链接库、图形接口、小型浏览器、程序发展工具...等等都能找得到。

        Busybox

        Busybox是重要的Embedded Linux工具箱，这个工具箱提供基本的UNIX指令、系统程序(daemon)与开机程序(init process)。Busybox用来建造1个基本、最小化且可开机的，由于Busybox里的指令与工具都经过最小化处理，因此已经是目前主要应用在Embedded Linux实作上的开放源码项目了。

       Embedded Linux的组成

                                   图 Embedded Linux整体架构

       Embedded Linux平台除了Linux kernel外，还包含共享链接库(shared library)。shared libraries是Linux kernel的重要支持，并且也是Linux架构里独立的1层。在应用程序方面，许多现存的开放源码项目都可以直接移植到ARM9平台。但这里所指的移植是对原始码进行跨平台编译(cross compile)，并不是BSP(board support package)的移植。

        跨平台编译

         因为开放源码开发工具的特性，在应用程序级别的移植工具上，可以有1套比较系统化的方法，也有相关的工具与环境可以使用，目前最热门的跨平台编译环境为OpenEmbedded。开放源码软件采用GNU Autoconf与GNU Automake来撰写编译法则(Makefile)，因此实务上，要将应用程序移植到ARM9平台，大部分案例只需要做跨平台编译即可。要了解如何将原始码移植到ARM9平台，需要学会GNU Autoconf以及GNU Automake的使用。

      GNU Autoconf

        Autoconf是m4宏的扩充套件，可以用来自动设定软件套件的原始码。Autoconf会产生1个协助程序编译的设定文稿执行档(configuration script)，以方便编译原始码前进行系统检查与设定，使用GNU Autoconf时，必须安装GNU m4套件。

       GNU Automake

        Automake是自动产生Makefile.in的工具，需配合Autoconf使用，以产生可以让GNU Make自动编译原始码的”Makefile”档案。

        GNU Make

       GNU Make会根据“Makefile”来自动编译程序，而编译完成的程序为执行文件。GNU Make的重要特点，是没有特定程序语言限制，甚至可以应用在非程序语言编译的环境中，例如：系统维护工作与套件安装，因此GNU Make可以说是系统自动化的好工具。

        GNU Make根据“Makefile”档案里所定义的规则，执行Unix命令，简单的Makefile规格，可以利用编辑器手动撰写，但较复杂且与针对不同平台的设定，则建议采用GNU Autoconf/GNU Automake来产生“Makefile”。当我们能够产生使用cross toolchain的Makefile时，就可以将套件编译成ARM9的执行档。

       ARM 平台的选择与支持

     装置的硬件选择当然没有所谓的标准，但若是谈论到的应用，在平台的选择上就会有一些考虑。最重要的考虑因素，当然就是处理器对于操作系统的支持，如此一来，没有MMU(内存管理单元)的ARM7平台，就不在主要的选择范围内。以下列出几个目前普遍使用的ARM9应用程序处理器(application processor)：

        在选择解决方案时，若是决定采用Linux做为操作系统，首先当然就是要确定厂商是否提供完整的BSP。不过，由于Linux是由社群所维护发展，因此，选择目前Linux kernel内有支持的平台，将会是较好的选择，这也是为什么有许多大厂，主动贡献并提交BSP给kernel.org的原因。

      目前在kernel社群比较活跃的ARM9厂商，或是社群主动积极协助维护的SOC平台，像是ATMEL、Samsung与TI OMAP等，这些都是kernel.org的Linux kernel就有支持的处理器，这表示让Linux支持这些平台的方式也很简单，就是到kernel.org下载官方的Linux kernel即可。

       Crosstool

       针对ARM9或是其它平台的开发，最重要的工具就是Cross Toolchain。Cross Toolchain的制作一直是Embedded Linux开发者的梦靥，大多数人选择由网络下载现成的开发工具，但经常会遇到缺乏链接库的编译错误。完整的Cross Toolchain包含1套基本的gcc cross compiler以及其它的应用链接库；Cross Toolchain是制作基本gcc cross compiler的工具，透过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个基本的Linux系统(base system)，让kernel在完成开机后，进入user mode执行使用者程序。Root filesystem的建置主要是以Busybox为主，并加入(移植)客制化的开放源码(open source)与自由软件(free software)。

       因为的root filesystem是依照需求加入套件，与桌面环境的Linux distribution不同，因此都是用从头打造的方式做起。在建立root filesystem时，链接库相依 (library dependencies) 的议题是相当重要的项目。当root filesystem缺少必要的library时，程序当然无法执行，甚至系统也会无法顺利启动。分析应用程序所需的相依链接库，观念如下：

      (1)先利用Cross Toolchain的objdump指令观察ELF格式里的「NEEDED」项目。

       (2)必须再检查这些library是否相依其它library。

       1个基本且可开机的root filesystem，也称做bootstrap root filesystem，1个可用的bootstrap root filesystem只需要包含busybox与libc即可。传统的Embedded Linux应用，大多是以NFS的方式来测试目标装置的完整root filesystem(full root filesystem)。以NFS进行Embedded Linux开发测试，主要是针对目标装置的full root filesystem做立即(right now)的系统执行测试(run-time)，免除不断打包image file、开机的恶梦。这是1种流行很久的Embedded Linux系统测试与开发方式，其概念如下：

       (1)将target的完整root filesystem(例如ARM9 root filesystem)建置后，存放于host端的某个目录下，例如/home/rootfs。

       (2)为target制作1个NFS root filesystem，也就是bootstrap root filesystem＋ NFS功能，并使用NFS root filesystem将目标装置开机。

       (3)设定host端为NFS server。

       (4)以NFS mount方式将host端上的root filesystem目录mount进来，即可在目标装置上执行full root filesystem里的应用程序。

      这种方式不但简单，而且方便，需要的基础建设如下：

      1.目标装置使用的kernel必须支持NFS。

      2.制作bootstrap root filesystem时，需要加入mount指令，并且开启mount指令的NFS功能。

       3.加入NFS functionality至bootstrap root filesystem。

       4.设定NFS server。

       制作完成的root filesystem必须做打包的动作，将整个root filesystem包装成1个映像档(image file)。根据目标装置的不同，我们可以将映像档包装成ROM fs、Compress ROM fs、ext2fs或是compress RAM fs。

       ROM file system

        ROM file system(romfs)是1种只读的档案系统，在Embedded Linux里的主要应用为制作romfs格式的档案系统映像文件。我们将root filesystem制作成romfs filesystem的image檔。开机后，整个filesystem仅能读取。要使用romfs filesystem必须将Linux kernel里的CONFIG_ROMFS_FS功能选项打开。制作ROM fs映像档所使用的工具为genromfs。

        Compressed ROM file system

       Compressed ROM file system(cromfs)即是压缩过的ROM file system，其制作方式相当简单，只要使用gzip将ROM file system的映像档压缩即可。

       制作ext2fs映像档

        制作ext2fs映像档的方式有2种。1种是使用dd指令产生1个空白的映像档，接着再将此映像档以mkfs.ext2指令格式化成ext2的格式。制作好的空白映像档再以loopback mount方式挂载到1个目录下，再将root filesystem整个复制到此目录下，即可完成ext2fs映像档的制作。

       另外1种建立ext2fs映像档的方式是使用genext2fs工具，此工具的好处是，当我们需要在root filesystem里预先建立(pre-built)装置文件时(device file)，只需要编写1个装置文件表格，genext2fs工具会在打包映像档时，自动在root filesystem里建立装置文件。

      Initial RAM disk(initrd)

       RAM disk是存在于内存中的虚拟磁盘，也就是将RAM拿来当成磁盘使用。在Embedded Linux的应用中，我们通常会将ramdisk当成暂存目录来使用。例如将/dev/ram1附挂到/tmp目录，以便能让应用程序存放暂时性档案。/dev/ram?为ramdisk的device file。由于整个root filesystem是从真正的储存装置读取并加载至ramdisk，因此有1个重要的特性是对file system所做的任何修改，都不会影响到真正root filesystem的内容。

         initrd全名为initialize RAM disk，是1个特殊的RAM disk。bootloader会将initrd载至内存，Linux kernel则可在/dev/ram0找到initrd。initrd会在Linux kernel开机前就加载，initrd正式的用途是用来存放开机时所需要的驱动程序(因root filesystem尚未mount进来)。在Embedded Linux应用上，我们会利用initrd来存放整个档案系统(root filesystem)，也就是将root filesystem制作成ext2或romfs格式(或其它档案系统)的映像文件，并在开机时由bootloader加载内存，initrd均位于/dev/ram0。要使用RAM disk与initrd，必须将Linux kernel的CONFIG_BLK_DEV_RAM以及CONFIG_BLK_DEV_INITRD)。

       使用initrd做为root filesystem装置

       将initial RAM disk当成root filesystem来使用，是在Embedded Linux应用上是相当常见的技巧，如果我们想将initial RAM disk当成存放root filesystem的装置来使用，在开机时，只需要配合root=的kernel开机参数即可。

        initramfs

        Linus本人在Linux 2.6时代所提出的 "initramfs" ，是1种更好的 "root=" 做法。简单来说，initramfs就是kernel 2.6 的 initrd，initramfs是属于1种compressed ramfs(ram filesystem)的映像档。

        C链接库

       在C链接库方面，除了标准的glibc也被广泛应用在系统领域外，也有一些专门针对应用所发展的C链接库，像是uClibc以及Diet libc。但是由于现在的ARM9处理器计算效能都很快，平台也多搭载大容量NAND闪存，所以许多实作都直接使用libc来实作root filesystem。

       Linux驱动程序

       由于整体来看，除了软件开发外，也包含硬件客制化，因此驱动程序在技术领域中，占了举足轻重的地位。学习驱动程序需要确实了解硬件的规格与微处理器架构，并且工程师还要能分得清楚哪些东西是接口(interfacing)，也就是与硬件无关的程序(machine-independent)；以及哪些是站在第一线做硬件控制的程序(machine-dependent)。各种软件硬接口与汇流排也都要精通。

       了解Linux驱动程序的架构，是进入领域的重点功课，因为许多针对ARM9平台的驱动程序都是参考框架、或是针对特定开发板的实作，因此必须了解Linux驱动程序的架构，并进行修改，以符合自己的开发板与外围规格。

       Linux驱动程序，采取严谨的分层式架构设计(layered architecture)，利用分层的架构设计来彻底区分generic device driver(machine independent)与machine dependent driver。

        Linux驱动程序透过注册与回呼的机制来清楚区分每1层的关系。分层架构的实作必须在下层将自己注册给上层，上层再回呼下层；上层的驱动程序必须提供注册函数供下层呼叫，下层驱动程序所使用的注册函数也将决定自己的上层架构。

       与user application如何互动，是撰写驱动程序时所要考虑的重要一环，因此撰写驱动程序时，要提供什么功能给应用程序引用，就必须事先定义清楚。Linux的 generic device driver层已经帮我们把这些功能定义清楚了。Linux驱动程序如何透过I/O port或I/O memory来控制装置，也就是与芯片组的沟通，方式是使用Linux kernel所提供的I/O函数来存取并控制实体硬件装置。

       Linux驱动程序的装置文件

        Device files是UNIX系统的独特观念，在UNIX系统底下我们把外部的周边装置均视为1个档案，并透过此档案与实体硬件沟通，这样的档案就叫做device files或special files。

        Device file的major number代表1个特定的装置，例如major number 1为”null”虚拟装置，major number定义于kernel文件目录Documentation/devices.txt。Minor number代表装置上的子装置，例如同1个硬盘上的分割区就用不同的major number来代表，但其major number相同。

        我们在设计device driver时，会先透过1个“注册”(register)的动作，将自己注册到kernel里，注册时，我们会指定1个major number参数，以指定此驱动程序所要实作的外围装置。当user开启device file时，kernel便会根据device file的 major number找到对应的驱动程序响应使用者。Minor number则是device driver内部所使用，kernel并不会处理不同的minor number。

        Linux 2.6的kobject模型

        Linux 2.6在驱动程序的架构方面，加入kobject的概念。kobject以更有系统、组织的方式维护系统里的driver(集中式管理)，但并非改变现有(kernel 2.4以来)的driver架构。在kobject的模型下，可以看到1个platform driver观念。所谓「platform driver」就是machine- dependent driver，当驱动程序设计师在kernel 2.6底下实作machine-dependent driver时，就要以platform driver的架构来实作。例如，针对我们的目标装置进行硬件层的驱动程序撰写时，就要以platform driver的方式来撰写，实作上，只是多1个注册到platform driver层的动作而已。

        Flash装置的支持

        针对经常使用的闪存(Flash)储存装置，Linux kernel支持JFFS2与NFTL 2个专门针对快闪记亿体设计的档案系统。JFFS2(Journaling Flash File System version 2)是专门针对 NOR 型闪存所设计的档案系统。NFTL(NAND Flash Translation Layer)则是专门针对NAND型闪存设计的档案系统。

        结论

        综合而言，Embedded Linux是1个平台、也是一些工具的集合、也是1个软件的开发环境；实作上，Embedded Linux除了会进行kernel的修改、驱动程序的移植或开发外，也会是系统管理与系统整合的再应用，这是一门集大成的技术，并不只是1个操作系统，也不只是1套开发工具。

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