前些日子寫的一些文章,大家可以看看...
為了適應(yīng)目前嵌入式系統(tǒng)操作平臺在性能、成本、可靠性等各方面的要求，論述了以Linux作為操作系統(tǒng)平臺的優(yōu)勢，分析了以PC104卡和CompactFlash卡構(gòu)造帶圖形用戶界面(GUI)的Linux系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù).
0 前言
嵌入式系統(tǒng)的商品化操作系統(tǒng)十分豐富，如Palm OS、VxWorks、pSOS、Neculeus和Windows CE等。高端嵌入式系統(tǒng)要求許多高級的功能，但其價格也相對昂貴，一般用戶難以接受。微軟的Windows CE也有此類功能，卻不具備大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)要求的實(shí)時性能，而且難以移植。
Linux為嵌入式系統(tǒng)提供了一個極有吸引力的選擇，對于嵌入式系統(tǒng)而言，性能、成本和可靠性是最至關(guān)重要的三個因素。首先，眾多文獻(xiàn)資料表明，Linux是當(dāng)前可獲得的最簡捷、最快速的操作系統(tǒng) ，其性能優(yōu)越之處，是把圖形處理為一個用戶級的應(yīng)用，圖形可根據(jù)需要被選擇是否運(yùn)行。Linux系統(tǒng)中存在適度復(fù)雜的圖形界面，但是它們并沒有與操作系統(tǒng)的內(nèi)核緊緊捆綁在一起，圖形界面可按需求關(guān)閉。這樣就可以在Linux內(nèi)核上運(yùn)行專門為嵌入式系統(tǒng)定制的圖形系統(tǒng)，從而獲得優(yōu)越的性能。其次，Linux系統(tǒng)源代碼完全公開，可以用非常便宜的價格得到各種Linux分發(fā)版，不必考慮許可成本，將用戶從許可證的限制中解脫出來，無需去為資金短缺而煩憂。Linux能正常運(yùn)行于內(nèi)存缺乏，容量緊張的系統(tǒng)中，減少在硬件升級上的開支。另外，在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，Linux幾乎不崩潰，Linux的穩(wěn)定性是由于它沒有像其它操作系統(tǒng)一樣內(nèi)核極其龐大?？疾熨Y料表明，Linux與其它Unix系統(tǒng)和大型操作系統(tǒng)如VMS、IBM大型機(jī)等一樣具有相同的可靠性。在上述優(yōu)勢之外，Linux還擁有眾多硬件支持的特點(diǎn)和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能。正因?yàn)長inux在價格、性能、穩(wěn)定性以及用戶定制等方面的突出優(yōu)勢，用它來構(gòu)建系統(tǒng)操作平臺是一個很不錯的解決方案。
1 開發(fā)中的關(guān)鍵問題及解決方案
1.1 硬件及軟件環(huán)境
Linux系統(tǒng)的硬件環(huán)境以PC104卡為核心，卡上集成美國國家半導(dǎo)體公司（NS Geode）GX1 300MHz CPU,SVGA/LCD/LAN接口以及增強(qiáng)型IDE硬盤接口，支持CompactFlash卡。硬盤和光驅(qū)接至PC104的IDE1口，設(shè)置跳線使硬盤為主設(shè)備（master），光驅(qū)為從設(shè)備（slave），CompactFlash裝在IDE2口，設(shè)為主設(shè)備，這樣Linux識別CompactFlah卡為/dev/hdc,而硬盤和光驅(qū)分別為/dev/had,/dev/hdb.我的Linux開發(fā)系統(tǒng)是Red Hat 7.2版，通過PC104上的光驅(qū)安裝在硬盤上。
CompactFlash卡容量為32M,如果系統(tǒng)的BIOS支持自動檢測，應(yīng)該可以直接探測到它。如果不行的話，需要自己輸入卡的各項(xiàng)參數(shù)。確保不要帶電插拔CompactFlash卡，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致卡上數(shù)據(jù)的丟失。
由于像Red Hat或Mandrake這樣的Linux分發(fā)版體積龐大（如果帶X-Windows基本都在1G以上），是不可能裝在容量只有32M的CompactFlash卡上的。目前有許多小型的嵌入式Linux版本，比較有名的有：
ETLinux — 設(shè)計用于在小型工業(yè)計算機(jī)，尤其是 PC/104 模塊上運(yùn)行的 Linux 的完全分發(fā)版。
LEM — 運(yùn)行在 386 上的小型（<8 MB）多用戶、網(wǎng)絡(luò) Linux 版本。
LOAF — "Linux On A Floppy"分發(fā)版,運(yùn)行在 386 上。
uClinux — 在沒有 MMU 的系統(tǒng)上運(yùn)行的 Linux。目前支持 Motorola 68K、MCF5206 和 MCF5207 ColdFire 微處理器。
出于深入了解Linux系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境和機(jī)制的想法，建議自己構(gòu)建Linux系統(tǒng)，這對于將來系統(tǒng)內(nèi)核版本的升級和應(yīng)用功能的拓展很有好處。選擇Red Hat 7.2的Linux版本。
1.2 系統(tǒng)分區(qū)和格式化
首先，需要在CompactFlash卡上建立分區(qū)和格式化，在Linux下用fdisk命令可以在CompactFlash卡上創(chuàng)建分區(qū)，命令格式為fdisk /dev/hdc,然后用mke2fs命令創(chuàng)建ext2文件系統(tǒng).
1.2 系統(tǒng)分區(qū)和格式化
首先，需要在CompactFlash卡上建立分區(qū)和格式化，在Linux下用fdisk命令可以在CompactFlash卡上創(chuàng)建分區(qū)，命令格式為fdisk /dev/hdc,然后用mke2fs命令創(chuàng)建ext2文件系統(tǒng).
1.3 編譯內(nèi)核
接下來要做的事情是編譯一個自己的內(nèi)核。內(nèi)核負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的進(jìn)程、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動程序、文件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。從技術(shù)上而言，Linux 是一個內(nèi)核，而且只是一個內(nèi)核。其余我們通常稱之為 "Linux" (例如一個 shell 和編譯器)的部分實(shí)質(zhì)上只是整個軟件包的一部分，它們從技術(shù)上而言是與 Linux (內(nèi)核)分開的。選擇與開發(fā)系統(tǒng)一樣的內(nèi)核版本2.4.7，在Linux內(nèi)核版本發(fā)布的官方網(wǎng)站 http://www.kernel.org 上可以找到內(nèi)核源代碼。
在編譯內(nèi)核的時候，由于內(nèi)核是在特定的機(jī)器上使用的，所以應(yīng)該對機(jī)器的情況了如指掌。另一方面，為了降低過高的復(fù)雜性，可以不用kernel module支持，把所有需要的東西直接編譯到內(nèi)核里。IDE支持是必不可少的，因?yàn)長inux認(rèn)CompactFlash卡為IDE硬盤，F(xiàn)rame buffer的支持也是必要的，這來源于GUI系統(tǒng)—MiniGUI的要求，網(wǎng)絡(luò)支持可以不要，但是如果認(rèn)為顯示屏將來有這方面的要求也可以把它加上。
1.4 創(chuàng)建根文件系統(tǒng)（Root Filesystem）
在編譯好內(nèi)核后，需要在CompactFlash卡上創(chuàng)建根文件系統(tǒng)。每臺機(jī)器都有根文件系統(tǒng)(一般在本地盤中，當(dāng)然也可以在RAM盤或網(wǎng)絡(luò)盤中)，它包含系統(tǒng)引導(dǎo)和使其他文件系統(tǒng)得以mount所必要的文件，根文件系統(tǒng)應(yīng)該有單用戶狀態(tài)所必須的足夠的內(nèi)容。還應(yīng)該包括修復(fù)損壞系統(tǒng)、恢復(fù)備份等的工具。
如果有一個任務(wù)比其它任務(wù)更能簡化從頭構(gòu)建 Linux 根文件系統(tǒng)過程的話，那就是構(gòu)建和安裝 BusyBox 軟件包。BusyBox 是一個可執(zhí)行文件，它提供許多其它常用命令行工具的功能，所有這些功能都合為一體。BusyBox 的文檔聲稱構(gòu)建一個有效系統(tǒng)所需要的全部就是 BusyBox 和"/dev、/etc 以及內(nèi)核"— 而且他們沒有開玩笑。
Busybox 編譯出一個單個的獨(dú)立執(zhí)行程序，就叫做 busybox。但是它可以根據(jù)配置，執(zhí)行 ash shell 的功能，以及幾十個各種小應(yīng)用程序的功能。這其中包括有一個迷你的 vi 編輯器，系統(tǒng)不可或缺的 /sbin/init 程序，以及其他諸如 sed, ifconfig, halt, reboot, mkdir, mount, ln, ls, echo, cat ... 等等這些都是一個正常的系統(tǒng)上必不可少的。但是如果我們把這些程序的原件拿過來的話，它們的體積加在一起，讓人吃不消?？墒?busybox 有全部的這么多功能，大小也不過 100K 左右。而且，用戶還可以根據(jù)自己的需要，決定到底要在 busybox 中編譯進(jìn)哪幾個應(yīng)用程序的功能。這樣的話，busybox 的體積就可以進(jìn)一步縮小了。Busybox的具體編譯和配置方法請參閱Busybox的官方文檔，用戶可以在http://www.busybox.net/上找到.
系統(tǒng)啟動后內(nèi)核調(diào)用的第一個進(jìn)程是/sbin/init。init進(jìn)程是系統(tǒng)所有進(jìn)程的起點(diǎn)，內(nèi)核在完成核內(nèi)引導(dǎo)以后，即在本線程（進(jìn)程）空間內(nèi)加載init程序，它的進(jìn)程號是1。init程序需要讀取/etc/inittab文件作為其行為指針，inittab是以行為單位的描述性（非執(zhí)行性）文本，inittab文件至少應(yīng)該包含下面幾行：
::sysinit:/etc/init.d/rcS //運(yùn)行系統(tǒng)公共腳本
::respawn:/bin/sh //立即進(jìn)入shell環(huán)境
::ctrlaltdel:/bin/umount -a //捕捉Ctrl+Alt+Del快捷鍵，退出系統(tǒng)
由于init進(jìn)程第一個執(zhí)行的腳本文件是/etc/init.d/rcS，編輯rcS文件：
#! /bin/sh
mount -a
接著還需要編寫/etc/fstab文件：
proc /proc proc defaults 0 0
none /var/shm shm defaults 0 0
1.5 安裝系統(tǒng)引導(dǎo)工具（boot loader）
現(xiàn)在CompactFlask卡上新的內(nèi)核已經(jīng)有了，文件系統(tǒng)也已經(jīng)建好了，接著要做的事情是安裝系統(tǒng)引導(dǎo)工具（boot loader）。目前可以選用的引導(dǎo)工具很多，象LILO或GRUB都是挺不錯的，用戶可以按自己的喜好來選擇。在這里我們選用LILO，它在硬盤開始的MBR寫入引導(dǎo)代碼，這些代碼不經(jīng)過文件系統(tǒng)，直接從硬盤扇區(qū)號讀內(nèi)核映象(kernel image)裝入內(nèi)存。那么要如何安裝LILO呢？首先需要根據(jù)用戶系統(tǒng)的搭建情況編輯/etc/lilo.conf文件，下面是我的/etc/lilo.conf文件，配有注釋，你可以根據(jù)自己的情況進(jìn)行更改，具體你可以參考LILO mini-HOWTO：
boot=/dev/hdc #從CompactFlash卡啟動
disk=/dev/hdc
bios=0x80 #使BIOS認(rèn)CompactFlash卡為啟動盤
delay=0 #可選，以秒為單位
vga=0x311 #可選，參照Frame buffer的配置
image=/boot/vmlinuz-2.4.7 #內(nèi)核文件位置
root=/dev/hdc1 #root分區(qū)位置
label=CompactFlash #嵌入式Linux的名字
read-write #以read-write方式mount根文件系統(tǒng)
編輯完/etc/lilo.conf后，將它寫到CompactFlash卡上，假設(shè)CompactFlash卡已經(jīng)被mount到了/mnt/CompactLinux目錄下，運(yùn)行命令：
/mnt/CompactLinux/sbin/lilo -r /mnt/CompactLinux -C etc/lilo.conf
使用這個命令時必須非常小心，它可能會破壞開發(fā)系統(tǒng)上的引導(dǎo)系統(tǒng)而使它不能啟動，為確保安全應(yīng)在運(yùn)行此命令前先創(chuàng)建系統(tǒng)引導(dǎo)軟盤。
嵌入式Linux系統(tǒng)的雛形建立完成后，應(yīng)先對其進(jìn)行簡單測試。關(guān)上PC104卡的電源，拔下接在IDE1口的硬盤和光驅(qū)，合上電源重啟PC104，在BIOS中設(shè)置IDE1口硬盤為None，存盤退出BIOS，進(jìn)入CompactFlash卡上的系統(tǒng)。如果系統(tǒng)可以一直運(yùn)行到出現(xiàn)shell提示符#,那就證明Linux平臺已經(jīng)初步搭建成功了。
1.6 MiniGUI
現(xiàn)在面向嵌入式Linux 系統(tǒng)的圖形用戶界面很多，如MicoroWindows/NanoX ，OpenGUI，Qt/Embedded，MiniGUI等，我們選用的是MiniGUI . MiniGUI是由魏永明主持，并由許多自由軟件開發(fā)人員支持的一個自由軟件項(xiàng)目（遵循 LGPL 條款發(fā)布），其目標(biāo)是為基于 Linux 的實(shí)時嵌入式系統(tǒng)提供一個輕量級的圖形用戶界面支持系統(tǒng)。該項(xiàng)目自 1998 年底開始到現(xiàn)在，歷經(jīng) 3 年多的開發(fā)過程，已經(jīng)非常成熟和穩(wěn)定。因?yàn)?MiniGUI 的靈活性非常好，可以應(yīng)用在包括手持設(shè)備、機(jī)頂盒、游戲終端等在內(nèi)的各種高端或者低端的嵌入式系統(tǒng)中，并且是免費(fèi)的，這使其在眾多GUI系統(tǒng)的競爭中脫穎而出，成為我們選擇它的一個很重要的理由。
從MiniGUI的官方網(wǎng)站（http://www.minigui.org）上下載MiniGUI的源代碼，在PC104的硬盤上進(jìn)行編譯安裝，MiniGUI的官方網(wǎng)站上有關(guān)于這方面的文檔，本文也就不再贅述了。因?yàn)镸iniGUI 是以源代碼的形式發(fā)布的，在硬盤上以編譯的方法產(chǎn)生的MiniGUI的libminigui 目錄下包含了這些源代碼以及編譯時生成的中間文件，所以需要的空間很大，是不可能將它全部安裝到CompactFlash卡上的，需要的文件有：
* MiniGUI的演示文件。
* MiniGUI 的函數(shù)庫，包括 libminigui、libmywins 和 libmgext 等。
* MiniGUI 的配置文件，即 MiniGUI.cfg 文件。
* MiniGUI 所使用的資源文件。
如果你覺得文件太大，參照下面的方法進(jìn)行修改：
1. 首先可以修改編譯選項(xiàng)，把不用的功能去掉，比如說繁體支持等。這樣庫會小一些。
2．去掉不需要的演示程序。
3. 去掉無用的資源，可以只保留一種字體，只保留一種輸入法，刪除一些位圖文件。
至此，帶圖形用戶界面的Linux系統(tǒng)已經(jīng)搭建完成，可以在開發(fā)系統(tǒng)上寫自己的基于MiniGUI的應(yīng)用程序，然后將它拷貝至CompactFlash卡上運(yùn)行。 1.6 MiniGUI
現(xiàn)在面向嵌入式Linux 系統(tǒng)的圖形用戶界面很多，如MicoroWindows/NanoX ，OpenGUI，Qt/Embedded，MiniGUI等，我們選用的是MiniGUI . MiniGUI是由魏永明主持，并由許多自由軟件開發(fā)人員支持的一個自由軟件項(xiàng)目（遵循 LGPL 條款發(fā)布），其目標(biāo)是為基于 Linux 的實(shí)時嵌入式系統(tǒng)提供一個輕量級的圖形用戶界面支持系統(tǒng)。該項(xiàng)目自 1998 年底開始到現(xiàn)在，歷經(jīng) 3 年多的開發(fā)過程，已經(jīng)非常成熟和穩(wěn)定。因?yàn)?MiniGUI 的靈活性非常好，可以應(yīng)用在包括手持設(shè)備、機(jī)頂盒、游戲終端等在內(nèi)的各種高端或者低端的嵌入式系統(tǒng)中，并且是免費(fèi)的，這使其在眾多GUI系統(tǒng)的競爭中脫穎而出，成為我們選擇它的一個很重要的理由。
從MiniGUI的官方網(wǎng)站（http://www.minigui.org）上下載MiniGUI的源代碼，在PC104的硬盤上進(jìn)行編譯安裝，MiniGUI的官方網(wǎng)站上有關(guān)于這方面的文檔，本文也就不再贅述了。因?yàn)镸iniGUI 是以源代碼的形式發(fā)布的，在硬盤上以編譯的方法產(chǎn)生的MiniGUI的libminigui 目錄下包含了這些源代碼以及編譯時生成的中間文件，所以需要的空間很大，是不可能將它全部安裝到CompactFlash卡上的，需要的文件有：
* MiniGUI的演示文件。
* MiniGUI 的函數(shù)庫，包括 libminigui、libmywins 和 libmgext 等。
* MiniGUI 的配置文件，即 MiniGUI.cfg 文件。
* MiniGUI 所使用的資源文件。
如果你覺得文件太大，參照下面的方法進(jìn)行修改：
1. 首先可以修改編譯選項(xiàng)，把不用的功能去掉，比如說繁體支持等。這樣庫會小一些。
2．去掉不需要的演示程序。
3. 去掉無用的資源，可以只保留一種字體，只保留一種輸入法，刪除一些位圖文件。
至此，帶圖形用戶界面的Linux系統(tǒng)已經(jīng)搭建完成，可以在開發(fā)系統(tǒng)上寫自己的基于MiniGUI的應(yīng)用程序，然后將它拷貝至CompactFlash卡上運(yùn)行。
2 一些補(bǔ)充
上面的Linux系統(tǒng)滿足了一個系統(tǒng)所需的基本要求，但是針對不同的硬件環(huán)境和軟件要求，還可以作出一些改進(jìn)。
首先是在體積上的裁減，在本文中采用的是32M的CompactFlash卡，所以這不是一個很迫切的問題，但如果是16M或8M容量DOC，片內(nèi)的空間可以說是寸土寸金，那就需要一些其他的方法：
* 內(nèi)核編譯 在編譯內(nèi)核時去掉不需要的功能，如網(wǎng)絡(luò)支持等。
* uClibc 每個 Linux 系統(tǒng)都需要一個 C 庫。C 庫提供了常用的文件操作（打開、讀和寫）、內(nèi)存管理操作（malloc 和 free）和許多其它使一個 Linux 系統(tǒng)名副其實(shí)的函數(shù)。大多數(shù) Linux 系統(tǒng)使用 gLibc。gLibc 是成熟的、經(jīng)過良好測試的，并且正在積極的開發(fā)中。遺憾的是，它使用的內(nèi)存數(shù)量相對較多,容量也較大。 uClibc是一個現(xiàn)代的、穩(wěn)定的、具有高度兼容性的 gLibc 替代品。uClibc 是針對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的，所以它力圖成為完整但輕量級的 C 庫。
如果系統(tǒng)在啟動后要求登錄的話，建議采用TinyLogin。TinyLogin 是一套 tiny UNIX 實(shí)用程序，它用于登錄嵌入式系統(tǒng)、接受其驗(yàn)證身份、為其修改密碼，并能維護(hù)其用戶和用戶組。為了增強(qiáng)系統(tǒng)安全性它還支持影子口令。正如它的名字所暗示的，TinyLogin 非常小，對嵌入式系統(tǒng)上的 BusyBox 是極好的補(bǔ)充。
3 結(jié)束語
在嵌入式應(yīng)用的領(lǐng)域里，從因特網(wǎng)設(shè)備到專用的控制系統(tǒng)，Linux 操作系統(tǒng)的前景都很光明。所有新造的微型計算機(jī)芯片中大約有 95% 都是用于嵌入式應(yīng)用的。由于 Linux 功能強(qiáng)大、可靠、靈活而且具有伸縮性，再加上它支持大量的微處理器體系結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)備、圖形支持和通信協(xié)議，因此大大擴(kuò)展了用途，使其作為許多方案和產(chǎn)品的軟件平臺越來越流行。相信在不久的將來，在許多其它的信息技術(shù)（IT）領(lǐng)域會出現(xiàn)更多的Linux產(chǎn)品！
參考文獻(xiàn)
* Linux bootdisk HOWTO
* LILO mini-HOWTO
* 王學(xué)龍. <<嵌入式Linux系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用>>. 清華大學(xué)出版社. 2001.8
* Darrick Addison. 嵌入式 Linux 應(yīng)用：概述. IBM developerWorks網(wǎng)站. 2001.8
* http://www.kernel.org/
* http://www.minigui.org/
* http://www.busybox.net/
