1、第第4 4章章 構建嵌入式構建嵌入式LinuxLinux操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)目前流行的嵌入式操作系統(tǒng)有目前流行的嵌入式操作系統(tǒng)有Linux、WinCE、VxWorks等。等。Linux作為一種免費的類作為一種免費的類UNIX操作系統(tǒng)，由于其功能強大操作系統(tǒng)，由于其功能強大，在嵌入式產品的應用中非常廣泛。本章將對，在嵌入式產品的應用中非常廣泛。本章將對Linux操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)做簡單的介紹，并簡述怎么自己構建一個可以運行的做簡單的介紹，并簡述怎么自己構建一個可以運行的Linux操操作系統(tǒng)。作系統(tǒng)。4.1 Linux4.1 Linux操作系統(tǒng)的介紹操作系統(tǒng)的介紹Linux操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的主流操作

2、系統(tǒng)，本節(jié)將操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的主流操作系統(tǒng)，本節(jié)將對對Linux操作系統(tǒng)進行簡要的介紹。同時對操作系統(tǒng)進行簡要的介紹。同時對Linux操作系統(tǒng)適操作系統(tǒng)適用與嵌入式系統(tǒng)的原因進行簡要分析。用與嵌入式系統(tǒng)的原因進行簡要分析。4.1.1 Linux4.1.1 Linux操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)Linux操作系統(tǒng)是一個類操作系統(tǒng)是一個類Unix計算機操作系統(tǒng)。計算機操作系統(tǒng)。Linux操作操作系統(tǒng)的內核的名字也是系統(tǒng)的內核的名字也是“Linux”。Linux這個詞本身只表示這個詞本身只表示Linux內核，但在實際上人們已經習慣了用內核，但在實際上人們已經習慣了用Linux來形容整個基來形容整個基于于Li

3、nux內核的操作系統(tǒng)。內核的操作系統(tǒng)。Linux的最初版本由的最初版本由Linus Torvalds開開發(fā)，此后得到互聯(lián)網上很多計算機高手的支持，目前的版本已發(fā)，此后得到互聯(lián)網上很多計算機高手的支持，目前的版本已經到了經到了2.6，已經是一個非常成熟穩(wěn)定的操作系統(tǒng)。下面從不同，已經是一個非常成熟穩(wěn)定的操作系統(tǒng)。下面從不同方面對方面對Linux操作系統(tǒng)進行簡要的介紹。操作系統(tǒng)進行簡要的介紹。4.1.2 Linux4.1.2 Linux操作系統(tǒng)的優(yōu)點操作系統(tǒng)的優(yōu)點Linux操作系統(tǒng)有很多優(yōu)點，具有十分豐富的應用功能。操作系統(tǒng)有很多優(yōu)點，具有十分豐富的應用功能。這些功能特別適用于嵌入式系統(tǒng)，這些優(yōu)點

4、如下所示：這些功能特別適用于嵌入式系統(tǒng)，這些優(yōu)點如下所示：1價格低廉價格低廉2高效性和靈活性高效性和靈活性3廣泛性廣泛性4.2.2 4.2.2 內存管理內存管理內存是計算機的主要資源之一，可以將內存理解為一個線性內存是計算機的主要資源之一，可以將內存理解為一個線性的存儲結構。用來管理內存的策略是決定系統(tǒng)性能的主要因素。的存儲結構。用來管理內存的策略是決定系統(tǒng)性能的主要因素。內核在有限的資源上為每一個進程創(chuàng)建一個虛擬地址空間，并對內核在有限的資源上為每一個進程創(chuàng)建一個虛擬地址空間，并對虛擬地址空間進行管理。為了方便內存的管理，內核提供了一些虛擬地址空間進行管理。為了方便內存的管理，內核提供了一些

5、重要的函數。這些函數包括重要的函數。這些函數包括kmalloc c、kfree等。另外設備驅動程序等。另外設備驅動程序需要使用內存分配，不同的分配方式對驅動程序的影響不同，所需要使用內存分配，不同的分配方式對驅動程序的影響不同，所以需要對內存分配有比較清晰的了解。以需要對內存分配有比較清晰的了解。4.2.3 4.2.3 文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)在在Linux操作系統(tǒng)中，文件系統(tǒng)是用來組織、管理、存放操作系統(tǒng)中，文件系統(tǒng)是用來組織、管理、存放文件的一套管理機制。文件的一套管理機制。Linux文件系統(tǒng)的一大優(yōu)點是，它幾乎文件系統(tǒng)的一大優(yōu)點是，它幾乎可以支持所有的文件格式。任何一種新的文件格式，都可以容可以

6、支持所有的文件格式。任何一種新的文件格式，都可以容易的寫出相應的支持代碼，并無縫的添加入內核中。雖然不同易的寫出相應的支持代碼，并無縫的添加入內核中。雖然不同文件格式的文件以不同的存儲方式存放在磁盤設備中，但是在文件格式的文件以不同的存儲方式存放在磁盤設備中，但是在用戶看來，文件總以樹形結構顯示給用戶。用戶看來，文件總以樹形結構顯示給用戶。4.2.4 4.2.4 設備管理設備管理無論是桌面系統(tǒng)還是嵌入式系統(tǒng)，都存在各種類型的設備。無論是桌面系統(tǒng)還是嵌入式系統(tǒng)，都存在各種類型的設備。操作系統(tǒng)的一個重要功能就是對這些進行統(tǒng)一的管理。由于設備操作系統(tǒng)的一個重要功能就是對這些進行統(tǒng)一的管理。由于設備的

7、種類繁多，不同設備的操作方法都不一樣，使管理設備成為操的種類繁多，不同設備的操作方法都不一樣，使管理設備成為操作系統(tǒng)中非常復雜的部分。作系統(tǒng)中非常復雜的部分。Linux系統(tǒng)通過某種方式較好的解決系統(tǒng)通過某種方式較好的解決了這個問題，使設備的管理得到了統(tǒng)一。了這個問題，使設備的管理得到了統(tǒng)一。設備管理的一個主要任務是完成數據從設備到內存的傳輸。設備管理的一個主要任務是完成數據從設備到內存的傳輸。一個完全的數據傳輸過程是：數據首先從設備傳入內存，然后一個完全的數據傳輸過程是：數據首先從設備傳入內存，然后CPU對其進行處理，處理完后將數據傳入內存或設備中。對其進行處理，處理完后將數據傳入內存或設備中

8、。4.2.5 4.2.5 網絡功能網絡功能網絡功能也由操作系統(tǒng)來完成。大部分的網絡操作與用戶網絡功能也由操作系統(tǒng)來完成。大部分的網絡操作與用戶進程都是分離的，數據包的接收和發(fā)送操作都是由相應的驅動進程都是分離的，數據包的接收和發(fā)送操作都是由相應的驅動程序來完成的，而與用戶進程無關。進程處理數據之前，驅動程序來完成的，而與用戶進程無關。進程處理數據之前，驅動程序必須先收集，標識和發(fā)送或重組數據。當數據準備好后，程序必須先收集，標識和發(fā)送或重組數據。當數據準備好后，系統(tǒng)負責用戶進程和網絡接口之間的數據傳送。另外內核也負系統(tǒng)負責用戶進程和網絡接口之間的數據傳送。另外內核也負責實現(xiàn)網絡通信協(xié)議。責實現(xiàn)

9、網絡通信協(xié)議。4.3 Linux4.3 Linux源代碼結構分析源代碼結構分析了解了解Linux源代碼結構對理解源代碼結構對理解Linux如何實現(xiàn)各項功能如何實現(xiàn)各項功能是非常重要的。對驅動程序的編寫也非常重要，這樣，驅動是非常重要的。對驅動程序的編寫也非常重要，這樣，驅動開發(fā)人員知道應該在何處找到相關的驅動程序，一方面可以開發(fā)人員知道應該在何處找到相關的驅動程序，一方面可以對其進行改寫移植，另一個方面可以模仿以往的驅動程序，對其進行改寫移植，另一個方面可以模仿以往的驅動程序，寫出新的驅動程序。寫出新的驅動程序。Linux源代碼以目錄的方式組織，每一源代碼以目錄的方式組織，每一個目錄中有相關的

10、內核代碼。下面對各個主要的目錄進行介個目錄中有相關的內核代碼。下面對各個主要的目錄進行介紹。紹。4.3.1 arch4.3.1 arch目錄目錄隨著隨著Linux操作系統(tǒng)的廣泛應用，特別是操作系統(tǒng)的廣泛應用，特別是Linux在嵌入在嵌入式領域的發(fā)展，越來越多的人開始投身到式領域的發(fā)展，越來越多的人開始投身到 Linux驅動的開發(fā)驅動的開發(fā)中。面對日益龐大的中。面對日益龐大的Linux內核源代碼，驅動開發(fā)者在完成內核源代碼，驅動開發(fā)者在完成自己的內核代碼后，都將面臨著同樣的問題，即如何將源代自己的內核代碼后，都將面臨著同樣的問題，即如何將源代碼融入到碼融入到Linux內核中，增加相應的內核中，增

11、加相應的Linux配置選項，并最終配置選項，并最終被編譯進被編譯進Linux內核。這就需要對內核。這就需要對Linux源代碼結構進行詳細源代碼結構進行詳細的介紹，首先介紹的介紹，首先介紹arch目錄。目錄。4.3.2 drivers4.3.2 drivers目錄目錄drivers目錄中包含了目錄中包含了Linux內核支持的大部分驅動程序。內核支持的大部分驅動程序。每種驅動程序都占用一個子目錄。每種驅動程序都占用一個子目錄。4.3.3 fs4.3.3 fs目錄目錄fs目錄中包含了目錄中包含了Linux所支持的所有文件系統(tǒng)相關的代碼。所支持的所有文件系統(tǒng)相關的代碼。每一個子目錄中包含一種文件系統(tǒng)，

12、例如每一個子目錄中包含一種文件系統(tǒng)，例如msdos和和ext3。Linux幾幾乎支持目前所有的文件系統(tǒng)，如果發(fā)現(xiàn)一種沒有支持的新文件系乎支持目前所有的文件系統(tǒng)，如果發(fā)現(xiàn)一種沒有支持的新文件系統(tǒng)，那么可以很方便的在統(tǒng)，那么可以很方便的在fs目錄中添加一個新的文件系統(tǒng)目錄，目錄中添加一個新的文件系統(tǒng)目錄，并實現(xiàn)一種文件系統(tǒng)。并實現(xiàn)一種文件系統(tǒng)。4.3.4 4.3.4 其他目錄其他目錄除了上面介紹的目錄外，內核中還有其他一些重要的除了上面介紹的目錄外，內核中還有其他一些重要的目錄和文件。每一個目錄和文件都有自己特殊的功能。目錄和文件。每一個目錄和文件都有自己特殊的功能。4.4 4.4 內核配置選項內

13、核配置選項自己構建嵌入式自己構建嵌入式Linux操作系統(tǒng)，首先需要對內核源代操作系統(tǒng)，首先需要對內核源代碼進行相應的配置。這些配置決定了嵌入式碼進行相應的配置。這些配置決定了嵌入式Linux操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)所支持的功能，為了理解編譯程序是怎樣通過配置文件配置所支持的功能，為了理解編譯程序是怎樣通過配置文件配置系統(tǒng)的，下面對配置編譯過程進行詳細的講解。系統(tǒng)的，下面對配置編譯過程進行詳細的講解。4.4.1 4.4.1 配置編譯過程配置編譯過程面對日益龐大的面對日益龐大的Linux內核源代碼，要手動的編譯內核內核源代碼，要手動的編譯內核是十分困難的。幸好是十分困難的。幸好Linux提供了一套優(yōu)秀的機

14、制，簡化了提供了一套優(yōu)秀的機制，簡化了內核源代碼的編譯。這套機制由以下幾個方面組成：內核源代碼的編譯。這套機制由以下幾個方面組成：Makefile文件文件Kconfig文件文件配置文件配置文件配置工具配置工具4.4.2 4.4.2 常規(guī)配置常規(guī)配置常規(guī)配置包含關于內核的大量配置，這寫配置包含代常規(guī)配置包含關于內核的大量配置，這寫配置包含代碼成熟度、版本信息、模塊配置等碼成熟度、版本信息、模塊配置等 。4.4.3 4.4.3 模塊配置模塊配置模塊作為模塊作為Linux的一種非常重要的組件，其有很多參數的一種非常重要的組件，其有很多參數和功能可以配置。和功能可以配置。4.4.4 4.4.4 塊設備

15、層配置塊設備層配置塊設備層包含對系統(tǒng)使用的塊設備的配置，其主要包塊設備層包含對系統(tǒng)使用的塊設備的配置，其主要包含調度器的配置，硬盤設備的配置。含調度器的配置，硬盤設備的配置。4.4.5 CPU4.4.5 CPU類型和特性配置類型和特性配置Linux內核幾乎支持所有體系結構上的內核幾乎支持所有體系結構上的CPU。內核不能。內核不能自動識別相應的自動識別相應的CPU類型和一些相關的特性，需要在配置內類型和一些相關的特性，需要在配置內核時根據實際的情況進行相應的配置。核時根據實際的情況進行相應的配置。4.4.6 4.4.6 電源管理配置電源管理配置電源管理是操作系統(tǒng)中一個非常重要的模塊，隨著硬電源管

16、理是操作系統(tǒng)中一個非常重要的模塊，隨著硬件設備省電節(jié)能能力的增強，該模塊越來越重要。在嵌入式件設備省電節(jié)能能力的增強，該模塊越來越重要。在嵌入式系統(tǒng)中，由于一般以電池供電，有低功耗的要求，所以在為系統(tǒng)中，由于一般以電池供電，有低功耗的要求，所以在為嵌入式系統(tǒng)配置內核時，需要對相應的硬件配置電源管理模嵌入式系統(tǒng)配置內核時，需要對相應的硬件配置電源管理模塊。塊。4.4.7 4.4.7 總線配置總線配置4.4.8 4.4.8 網絡配置網絡配置網絡是嵌入式系統(tǒng)與外部通信的主要方式。目前，許網絡是嵌入式系統(tǒng)與外部通信的主要方式。目前，許多嵌入式設備都具有網絡功能，為了使內核支持網絡功能，多嵌入式設備都具

17、有網絡功能，為了使內核支持網絡功能，需要對其做一些特殊的配置。需要對其做一些特殊的配置。4.4.9 4.4.9 設備驅動配置設備驅動配置Linux內核實現(xiàn)了一些常用的驅動程序，如鼠標、鍵盤、內核實現(xiàn)了一些常用的驅動程序，如鼠標、鍵盤、常見的常見的U盤驅動等。這些驅動非常繁多，許多驅動對于嵌入式盤驅動等。這些驅動非常繁多，許多驅動對于嵌入式系統(tǒng)來說，并不需要。在實際的應用中，為了使配置的內核高系統(tǒng)來說，并不需要。在實際的應用中，為了使配置的內核高效和小巧，值需要配置主要的一些驅動程序。效和小巧，值需要配置主要的一些驅動程序。4.4.10 4.4.10 文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的主要組成

18、部分。文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的主要組成部分。Linux支持很多支持很多文件系統(tǒng)，為了內核的高效和小巧性，支持哪些文件系統(tǒng)都文件系統(tǒng)，為了內核的高效和小巧性，支持哪些文件系統(tǒng)都是可以配置。是可以配置。4.5 4.5 嵌入式文件系統(tǒng)基礎知識嵌入式文件系統(tǒng)基礎知識對于嵌入式系統(tǒng)來說，除了一個嵌入式操作系統(tǒng)以外，還對于嵌入式系統(tǒng)來說，除了一個嵌入式操作系統(tǒng)以外，還需要一個嵌入式文件系統(tǒng)來管理和存儲數據和程序。目前，嵌需要一個嵌入式文件系統(tǒng)來管理和存儲數據和程序。目前，嵌入式入式Linux操作系統(tǒng)支持很多種文件系統(tǒng)，具體使用哪種文件系操作系統(tǒng)支持很多種文件系統(tǒng)，具體使用哪種文件系統(tǒng)需要根據存儲介質、訪問速度

19、、存儲容量等來選擇。本章將統(tǒng)需要根據存儲介質、訪問速度、存儲容量等來選擇。本章將對嵌入式文件系統(tǒng)的基礎知識進行簡單的介紹，首先需啊喲對對嵌入式文件系統(tǒng)的基礎知識進行簡單的介紹，首先需啊喲對嵌入式系統(tǒng)的存儲介質有一定的了解。嵌入式系統(tǒng)的存儲介質有一定的了解。4.5.1 4.5.1 嵌入式文件系統(tǒng)嵌入式文件系統(tǒng)Linux支持多種文件系統(tǒng)，包括支持多種文件系統(tǒng)，包括ext2、ext3、vfat、ntfs、iso9660、jffs、romfs、cramfs和和nfs等，為了對各類文件系統(tǒng)等，為了對各類文件系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理，進行統(tǒng)一管理，Linux引入了虛擬文件系統(tǒng)引入了虛擬文件系統(tǒng)VFS(Virtua

20、l File System)，為各類文件系統(tǒng)提供一個統(tǒng)一的操作界面和應用編，為各類文件系統(tǒng)提供一個統(tǒng)一的操作界面和應用編程接口。程接口。4.5.1 4.5.1 嵌入式系統(tǒng)的存儲介質嵌入式系統(tǒng)的存儲介質Linux操作系統(tǒng)支持大量的文件系統(tǒng)，在嵌入式領域，使用操作系統(tǒng)支持大量的文件系統(tǒng)，在嵌入式領域，使用哪種文件系統(tǒng)需要根據存儲芯片的類型來決定。目前市場上，嵌哪種文件系統(tǒng)需要根據存儲芯片的類型來決定。目前市場上，嵌入式系統(tǒng)主流的兩種存儲介質是入式系統(tǒng)主流的兩種存儲介質是NOR和和NAND Flash。Intel公司公司于于1988年首先開發(fā)了年首先開發(fā)了NOR Flash存儲器。存儲器。NOR F

21、lash 的特點是芯的特點是芯片內執(zhí)行（片內執(zhí)行（XIP ，eXecute In Place），這樣應用程序可以直接在），這樣應用程序可以直接在Flash閃存內運行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)閃存內運行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。中。NOR 的傳的傳輸效率很高，在輸效率很高，在14MB的小容量時具有很高的成本效益，但是很的小容量時具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大影響到它的性能。低的寫入和擦除速度大大影響到它的性能。4.5.2 JFFS4.5.2 JFFS文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)瑞典的瑞典的Axis Communications公司基于公司基于Linux2.0的內核為的內核為嵌入式操作系統(tǒng)

22、開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)的JFFS文件系統(tǒng)。其升級版文件系統(tǒng)。其升級版JFFS2是是RedHat公司基于公司基于JFFS開發(fā)的閃存文件系統(tǒng)，最初是針對開發(fā)的閃存文件系統(tǒng)，最初是針對RedHat公司的嵌入式產品公司的嵌入式產品eCos開發(fā)的嵌入式文件系統(tǒng)，所以開發(fā)的嵌入式文件系統(tǒng)，所以JFFS2也可以用在也可以用在Linux, uCLinux等操作系統(tǒng)之中。等操作系統(tǒng)之中。JFFS的的全稱是日志閃存文件系統(tǒng)。全稱是日志閃存文件系統(tǒng)。4.5.3 YAFFS4.5.3 YAFFS文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)YAFFS是第一個專門為是第一個專門為NAND Flash存儲器設計的嵌入存儲器設計的嵌入式文件系統(tǒng)，適用

23、于大容量的存儲設備；并且是在式文件系統(tǒng)，適用于大容量的存儲設備；并且是在GPL（General Public License）協(xié)議下發(fā)布的，可在其網站免費獲）協(xié)議下發(fā)布的，可在其網站免費獲得源代碼。得源代碼。YAFFS文件系統(tǒng)有文件系統(tǒng)有4個優(yōu)點，分別是速度快、占個優(yōu)點，分別是速度快、占用內存少、不支持壓縮和只支持用內存少、不支持壓縮和只支持NAND Flash存儲器。存儲器。4.6 4.6 構建根文件系統(tǒng)構建根文件系統(tǒng)當內核啟動后，第一件要做的事情就是到存儲設備上當內核啟動后，第一件要做的事情就是到存儲設備上找到根文件系統(tǒng)。根文件系統(tǒng)包含了使系統(tǒng)運行的主要程序找到根文件系統(tǒng)。根文件系統(tǒng)包含了

24、使系統(tǒng)運行的主要程序和數據。本節(jié)對系統(tǒng)運行所必須的根文件系統(tǒng)進行詳細的分和數據。本節(jié)對系統(tǒng)運行所必須的根文件系統(tǒng)進行詳細的分析。析。4.6.1 4.6.1 根文件系統(tǒng)概述根文件系統(tǒng)概述根文件系統(tǒng)是根文件系統(tǒng)是Linux操作系統(tǒng)運行需要的一個文件系統(tǒng)。根操作系統(tǒng)運行需要的一個文件系統(tǒng)。根文件系統(tǒng)被存儲在文件系統(tǒng)被存儲在Flash存儲器中，存儲器被分為多個分區(qū)，例存儲器中，存儲器被分為多個分區(qū)，例如分區(qū)如分區(qū)1 1、分區(qū)分區(qū)2 2、分區(qū)分區(qū)3等，如圖等，如圖4.6所示。分區(qū)所示。分區(qū)1一般存儲一般存儲Linux內核映象文件，在內核映象文件，在Linux操作系統(tǒng)中，內核映象文件一般存儲在操作系統(tǒng)中，

25、內核映象文件一般存儲在單獨的分區(qū)中。分區(qū)單獨的分區(qū)中。分區(qū)2存放根文件系統(tǒng)，根文件系統(tǒng)中存放著系存放根文件系統(tǒng)，根文件系統(tǒng)中存放著系統(tǒng)啟動必須的文件和程序。這些文件和程序包括：提供用戶界統(tǒng)啟動必須的文件和程序。這些文件和程序包括：提供用戶界面的面的shell程序程序、應用程序依賴的庫應用程序依賴的庫、配置文件等。配置文件等。4.6.2 Linux4.6.2 Linux根文件系統(tǒng)目錄結構根文件系統(tǒng)目錄結構根文件系統(tǒng)以樹形結構來組織目錄和文件的結構。系統(tǒng)啟根文件系統(tǒng)以樹形結構來組織目錄和文件的結構。系統(tǒng)啟動后，根文件系統(tǒng)被掛接到根目錄動后，根文件系統(tǒng)被掛接到根目錄“/”上，這是根目錄下就包上，這是根目錄下就包含了根文件系統(tǒng)的各個目錄和文件，例如含了根文件系統(tǒng)的各個目錄和文件，例如/bin n、/sbin n、/mnt等等。根文件系統(tǒng)應該包含的目錄和文件遵循。根文件系統(tǒng)應該包含的目錄和文件遵循FHS標準（標準（File