【文章內(nèi)容簡介】 到Unix的商用價值，于是在后期使得其源代碼的研究收到限制，這使得以前教學(xué)中用到的源代碼分析不得不略去。但是這樣產(chǎn)生了一個問題，那就是只講理論而沒有實際的代碼研究使得學(xué)生們只有一種片面的認(rèn)識。 為了避免這樣的情況，有人決定編寫一個在用戶看來與Unix基本兼容，然后內(nèi)核卻是全新的一種操作系統(tǒng)Minix操作系統(tǒng)。它并沒有借鑒ATamp。T[32]的代碼，自然也就沒有收到其許可證的限制。就這樣，Minix被學(xué)校和個人用來學(xué)習(xí)，使得讀者可以完全解析一個操作系統(tǒng)是如何運作的。它非常簡潔、小巧。 和Uinx類似，Minix也是用C語言編寫的，由于C語言的可移植性很好，從而可以很容易的移植到其他機(jī)器上。Minix一直遵循“小而美”的原則，因此早期的系統(tǒng)若要運行的話，連硬盤都不需要。 Minix[33]發(fā)布后不久，就出現(xiàn)了一大部分人想向Minix中加入一些新特性，想使其更實用。甚至每天都有幾百人提供自己的建議，思想及代碼。但是Minix的作者一直沒有采納，原因就是想使其小巧，供學(xué)生學(xué)習(xí)使用，便于其理解。最終人們意識到繼續(xù)這樣下去不會有什么結(jié)果，于是后來才有了一個芬蘭學(xué)生Linus Torvalds決定編寫一個類Minix的系統(tǒng)，但是它特征繁多，更偏于使用，不適合教學(xué)，這才形成了所謂的Linux操作系統(tǒng)。 Linux操作系統(tǒng)的特點 細(xì)數(shù)Linux的的種種特性，會發(fā)現(xiàn)Linux有如下幾個優(yōu)點：① 極強的可移植性Linux完全由C語言編寫，這使得用戶在移植的時候只需稍加改動即可方便的移植到另一種硬件上。另外，由于源代碼完全公開，用戶可根據(jù)自己的情況先分析源代碼，再加以改動以完全適應(yīng)新的硬件。② 漏洞修補使用Linux后，一般供應(yīng)商都會提供最新的漏洞[34]修補或一些安全補丁及時來修復(fù)你的操作系統(tǒng)漏洞，而你的等待時間只是幾天或更快。③ 軟件資源不斷增加由于如今Linux操作系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，很多軟件廠商都意識到它的重要性，紛紛開始針對此系統(tǒng)編寫相應(yīng)的軟件。由于軟件與系統(tǒng)的相輔相成，又使得更多的公司或企業(yè)選擇了Linux。正是由于Linux操作系統(tǒng)種種優(yōu)點，本課題采用的操作系統(tǒng)正是Linux操作系統(tǒng)。 小結(jié) 本章是對嵌入式系統(tǒng)作出了一些簡單的介紹，對各個組成部分進(jìn)行了簡略說明，例如嵌入式處理器、操作系統(tǒng)等內(nèi)容，為本系統(tǒng)的開發(fā)墊定了理論基礎(chǔ)3 Linux操作系統(tǒng)的移植 引導(dǎo)程序引導(dǎo)程序，亦稱Bootloader，顧名思義，就是引導(dǎo)操作系統(tǒng)啟動的程序。Bootloader是引導(dǎo)程序的一種統(tǒng)稱，它的種類很多，如Lilo、grub、spfdisk等等都是引導(dǎo)程序。因為本課題使用的是Linux操作系統(tǒng)，所以先介紹一下PC上Linux操作系統(tǒng)的整個開機(jī)過程：① 加載BIOS的硬件信息，獲得第一個開機(jī)裝置的代號；② 讀取bootLoader的開機(jī)信息；③ 加載操作系統(tǒng)內(nèi)核Kernel，使其解壓縮并驅(qū)動所用到的硬件裝置；④ 內(nèi)核程序執(zhí)行init程序并獲得runlevel信息；⑤ init執(zhí)行runlevel的各個腳本⑥ 執(zhí)行/bin/login程序，并等待用戶登錄；⑦ 登陸后用Shell控制主機(jī)。在嵌入式Linux操作系統(tǒng)中，其啟動過程類似，是要由Bootloader直接去引導(dǎo)并啟動操作系統(tǒng)內(nèi)核，同時向其傳遞一些參數(shù)。本課題未進(jìn)行引導(dǎo)程序的編譯移植，直接使用友善之臂提供的引導(dǎo)程序——supervivi，在超級終端上的顯示界面如圖1所示：圖1 supervivi啟動 supervivi start Linux內(nèi)核的移植 Linux內(nèi)核下載 Linux內(nèi)核可以說是Linux操作系統(tǒng)最核心的部分，它的版本眾多。從Linux誕生之日開始，Linux內(nèi)核就一直沒有停止過更新、升級，，內(nèi)核版本越來越成熟、穩(wěn)定。 由于Linux內(nèi)核源碼是完全公開的，所以針對嵌入式開發(fā)者來說，要想做到內(nèi)核的精簡，則必須自己去下載相應(yīng)版本的Linux內(nèi)核源碼，然后根據(jù)自己的需要去配置內(nèi)核，最后再去編譯出來。Linux內(nèi)核源碼可在其官方網(wǎng)站下載，網(wǎng)址為。 由于開發(fā)階段，本課題使用的是友善之臂提供的開發(fā)板。整個內(nèi)核移植過程如下：首先要在上面提供的官網(wǎng)上下載對應(yīng)版本的源代碼，截圖如圖2所示： 圖2 內(nèi)核版本 kernel version 從圖中可以發(fā)現(xiàn)，，這兩種形式的區(qū)別只是在于壓縮的形式不同，解壓之后里面的內(nèi)容是完全一樣的，所以可以隨意選擇一種下載。 另外，它只是用來檢測對應(yīng)內(nèi)核文件的完整性的。一般從官網(wǎng)下載的文件都有一定的保證，所以此文件是否要用，隨用戶自己而定。 在官網(wǎng)上除了這些各個版本的內(nèi)核文件外，還有一些補丁文件。這些補丁文件是方便那些已經(jīng)下載并使用了一種內(nèi)核版本后想要再繼續(xù)升級的用戶。，并編譯后使用了。，那樣既麻煩又費時。此時我們就可以選用打補丁的方式。先下載一個補丁文件，然后放入系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的打補丁命令即可。還有一點要提的就是，并非胡編亂造，也是有其一定的含義的。第一次數(shù)字2，表示的是內(nèi)核的主版本號；第二個數(shù)字6，表示的是內(nèi)核的次版本號。次版本號有偶數(shù)和奇數(shù)之分，次版本號是奇數(shù)的版本為測試版本，不穩(wěn)定。次版本號是偶數(shù)的版本是穩(wěn)定的發(fā)布版本，所以在官網(wǎng)上我們只能看到穩(wěn)定版。 Linux內(nèi)核配置 在進(jìn)行Linux內(nèi)核的配置之前，先介紹一下我們選用的配置環(huán)境。既然是針對Linux內(nèi)核，那么自然是要在Linux操作系統(tǒng)中進(jìn)行配置。但是通常我們的PC機(jī)都是裝載的Windows操作系統(tǒng)，這就使得我們必須再另裝載一個Linux操作系統(tǒng)。方法有如下兩種：①裝雙系統(tǒng)。②裝一個虛擬軟件VMware[35]，在此軟件里虛擬一個Linux操作系統(tǒng)。 對于方案一，雖然有速度上的優(yōu)點（因為啟動Linux操作系統(tǒng)時整個硬件資源都被其使用），但是對于我們用慣了Windows操作系統(tǒng)的用戶，缺點也是隨之而來的。比如我們在編譯過程中要查看一些資料，由于很多資料無法使用Windows系統(tǒng)中的軟件打開而造成不便。另外就是在啟動過程，我們會發(fā)現(xiàn)裝載了雙系統(tǒng)之后，系統(tǒng)啟動時會先進(jìn)入Linux系統(tǒng)的引導(dǎo)程序中，然后才讓用戶選擇是進(jìn)入Windows還是進(jìn)入Linux，這就導(dǎo)致了Windows的引導(dǎo)程序被隔離了。這樣的后果就是當(dāng)用戶卸載Linux操作系統(tǒng)后，Windows系統(tǒng)也無法進(jìn)入了，從而導(dǎo)致Windows系統(tǒng)隨之癱瘓，必須重裝。 對于方案二，相比方案一來說，方案二不存在那些缺點。因為它只是使用了虛擬出的硬件資源，使用時與Windows系統(tǒng)是完全獨立開的，互不干擾，方便用 戶在兩個系統(tǒng)之間隨意切換。如果此時用戶想要卸載掉Linux操作系統(tǒng)，只需將VMware軟件為其建立的文件夾內(nèi)容刪除即可。 鑒于方案一的種種缺點，對于用慣了Windows系統(tǒng)的用戶來說，方案二自然是被優(yōu)先考慮的。 在安裝好VMware軟件后，就該在其中裝載Linux操作系統(tǒng)了。Linux操作系統(tǒng)發(fā)行版的種類很多，有Debian、Fedora、Ubuntu等等，這里我們選用的系統(tǒng)是Fedora9[36]，它是red hat公司支持的社區(qū)版本。具體的安裝過程網(wǎng)上有很多，這里不作介紹。安裝好的VMware軟件如圖3所示：圖3 VMware Workstation界面 VMware Workstation interface 安裝好的Fedora9系統(tǒng)的界面如圖4所示：圖4 Fedora9界面 Fedora9 interface 到此，操作系統(tǒng)部分已經(jīng)就緒了，下面就該安裝一個交叉編譯器了。交叉編譯器，指的就是在一個硬件平臺上用來編譯在另一個硬件平臺上運行的程序的編譯器。傳統(tǒng)的編譯器與此不同，它們編譯出來的可執(zhí)行程序都是在同一個硬件平臺執(zhí)行的。但是在嵌入式開發(fā)的過程中，我們并未采用傳統(tǒng)的編譯器，而是采用交叉編譯器，主要是因為arm處理器本身的硬件條件的限制。比如主頻的限制，這就導(dǎo)致編譯速度的落后。在配置較好的PC機(jī)上，編譯一個Linux內(nèi)核的時間也至少需要幾十分鐘，可想而知，在arm[37]平臺上編譯會多么慢，這對于開發(fā)人員是很不利的。[38]，其安裝過程比較簡單，這里不作介紹。當(dāng)上述條件滿足時，配置環(huán)境基本上已經(jīng)搭建好了。接下來就可以開始配置了。配置過程如下：① 解壓內(nèi)核源碼到/root/Desktop。與Windows操作系統(tǒng)不同，Linux操作系統(tǒng)的目錄形式是倒向的樹形式，所有的目錄與文件都由樹根“/”引出來，它們作為“根”的樹干與枝葉。比如上面提到的桌面Desktop，要先從根“/”引出來，找到“/”目錄下的root目錄，再從root目錄向下延伸找到Desktop。 而對于Windows操作系統(tǒng)，不嚴(yán)格的來看，它的目錄形式也可看做是倒向的樹形式，只不過它不止一根樹，而是有幾個分區(qū)就有幾棵樹，與Linux操作系統(tǒng)的區(qū)別就在于它的幾棵樹都是獨立開的，并未結(jié)合在一起。比如我們要找到Windows操作系統(tǒng)的桌面，首先是先進(jìn)入C盤（Windows系統(tǒng)安裝后桌面目錄默認(rèn)在C盤，當(dāng)然也有根據(jù)用戶自己改動，放在其他盤的可能），依此向下延伸，直到最后找到目錄——“C:\Documents and Settings\Administrator\桌面”，這就是Windows用戶最終的桌面。這就是一根屬于C分區(qū)的樹，“C:”就是這棵樹的樹根。我們不會也絕不可能在D分區(qū)去找到桌面，就是因為不同分區(qū)的樹是完全隔開的，它們的根不同，起點也就不同。 因為我們是要在Fedora9系統(tǒng)中解壓，那么自然要使用Linux系統(tǒng)的解壓命令。對應(yīng)的解壓命令為： tar zxvf –C /root/Desktop “tar”是解壓命令，“zxvf”是一些特定的解壓參數(shù)，“C”參數(shù)的作用是指定一個待解壓的目錄，這里的作用就是將內(nèi)核壓縮包解壓到桌面。 幾秒鐘之后，解壓結(jié)束。在終端上將其打開，就可以看到內(nèi)核源碼目錄，如圖5所示：圖5 內(nèi)核源碼目錄 kernel source directory 源碼上中的各個目錄都包含特定的內(nèi)容，比如arch目錄，里面就包含了與特定的硬件體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼，每一種硬件平臺對應(yīng)一個子目錄。比如我們要移植到arm平臺，在arch目錄下就可以找到一個arm目錄。再比如drivers目錄，里面就包含了各種設(shè)備的驅(qū)動程序。② 配置內(nèi)核[39]接下來就該配置內(nèi)核了。所謂配置內(nèi)核，就是對內(nèi)核中的選項進(jìn)行選擇，比如內(nèi)核運行的硬件平臺是哪種，內(nèi)核當(dāng)中要加入哪些設(shè)備的驅(qū)動等等，這些都需用用戶選擇。關(guān)于配置的具體方法，我們可以參看源碼中自帶的README文件，就如同我們拿到一樣新東西的時候，首先要做的就是看它的說明書。從中可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)核的配置命令主要有如下幾種： make config。 ——基于文本的配置界面，是最傳統(tǒng)的一種方式，但不方便，不推薦使用。 make xconfig?！缑媸腔赒t窗口圖形界面的，如果用戶并未安裝Qt，無法使用此命令。 make gconfig。——界面是基于Gtk窗口，要求GTK被安裝。 make menuconfig。——基于文本菜單的配置界面，簡單效果好，推薦使用。綜合上述各命令的特點，本課題采用命令“make menuconfig。”，在頂層目錄執(zhí)行該命令后，出現(xiàn)圖6所示的畫面：圖6 內(nèi)核配置界面 kernel configuration interface 內(nèi)核最初已經(jīng)有一個默認(rèn)配置，適合一般的PC機(jī)使用，當(dāng)使用該命令后直接推薦保存，[40]的隱藏文件，這里面就包含了內(nèi)核的默認(rèn)配置信息。 由于內(nèi)核的配置項目很多，如果我們一樣一樣的去選擇配置，工程量過大，極為不便，所以我們要先找到一個模板。由于友善之臂提供了一個針對自身開發(fā)板的模板文件config_mini2440_t35。此時再執(zhí)行“make menuconfig。”，可以發(fā)現(xiàn)相關(guān)的選項都已經(jīng)改變了。 編譯并下載Linux內(nèi)核 在配置完內(nèi)核之后，還需指定交叉編譯的變量。此時需打開頂層目錄的Makefile文件，將其中的語句： export KBUILD_BUILDHOST := $(SUBARCH) ARCH ?= $(SUBARCH) CROSS_COMPILE ?= 改為：export KBUILD_BUILDHOST := $(SUBARCH) ARCH ?= arm CROSS_COMPILE ?= armlinux然后就可執(zhí)行命令“make zImage?！保M(jìn)行內(nèi)核的編譯了，通常需要等待幾十分鐘（時間長短隨PC機(jī)的配置而定）。編譯完成后，會出現(xiàn)圖7所示的提示。圖7 內(nèi)核編譯結(jié)果 kernel package results 由此提示可知，最終生成的內(nèi)核文件為zImage,它存在于arch/arm/boot/目錄下，即arm平臺對應(yīng)的子目錄中。之后就可以通過超級終端上的bootloader的功能將zImage下載到板子上的Nandflash中（前提是已經(jīng)下載bootloader到Nandflash中了）運行，通過超級終端上顯示的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)核已經(jīng)可以正常啟動了。 裝載驅(qū)動 上一節(jié)編譯出來的內(nèi)核，雖然可以在arm平臺正常啟動了，但功能上是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足的。因為我們還沒有在其中添加各種外設(shè)的驅(qū)動。這就像是我們在自己的PC機(jī)上裝了一個Windows操作系統(tǒng)，但是很多驅(qū)動都沒有裝，從而導(dǎo)致鼠標(biāo)動不了，鍵盤按了沒有反應(yīng)，顯示器顯示效果很差等等情況，這些都是驅(qū)動的問題。所謂驅(qū)動，簡單來說，就是上層應(yīng)用程序的函數(shù)庫。開發(fā)人員通常為了給上層應(yīng)用程序的編寫提供方便，而把麻煩、復(fù)雜的事留給驅(qū)動程序來做。在涉及產(chǎn)品開發(fā)的時候，為了使用某種特定的硬件，則需要針對相應(yīng)的操作系統(tǒng)開發(fā)出對應(yīng)的驅(qū)動之后，才可方便的加以使用。比如說外設(shè)用到了按鍵，則需添加按鍵的驅(qū)動，用到了觸摸屏則需添加觸摸屏的驅(qū)動，用到了Nandflash還要添加Nandflash[41]驅(qū)動等等。驅(qū)動隱藏了硬件工作的細(xì)節(jié)，為上層應(yīng)用程序的編寫提供了方便。Linux系統(tǒng)下驅(qū)動程序是運行在內(nèi)核態(tài)的，是和內(nèi)核連接在一起的程序。如果運行在用