萌宅鹿
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【嵌入式】构建嵌入式Linux系统（uboot、内核、文件系统）

嵌入式Linux系统

  • 知识架构及层次
  • 嵌入式Linux系统构成及启动略析
  • 嵌入式Linux三剑客之uboot技术
    • Bootloader概念
    • UBOOT
      • UBOOT简介
        • UBOOT优势
        • UBOOT功能
        • UBOOT工作模式
        • UBOOT源码目录
        • UBOOT编译过程
        • 典型uboot命令
  • 嵌入式Linux三剑客之内核技术
    • 内核介绍（功能）
    • Linux 内核源码及组织
    • Linux内核裁剪及编译
    • Kconfig 的五种基本结构
  • 嵌入式Linux三剑客之文件系统技术
    • BusyBox
    • Glibc
  • 课后作业
  • 小测验

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知识架构及层次

Linux内核由三部分构成：

  • Bootloader：启动引导系统（可执行文件）
  • Kernel：内核（可执行文件）
  • Root File System：根文件系统
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嵌入式Linux系统构成及启动略析

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嵌入式 Linux 启动类同4X100 米接力跑，是由多个部分共同完成，包括：

  • 第一棒：bootloader 初始化（PC 上则是 BIOS 初始化和 grub 启动两步）。
    首先完成内存初始化、微处理器配置、时钟初始化等基本工作，然后搬运Linux 内核到特定内存，并调用Linux 内核初始化函数（一般是head_armv.s 中的第一条指令），启动内核，把CPU 的控制权交给内核代码。
  • 第二棒：内核代码开始执行，初始化硬件，构建内存管理系统、进程管理系统、模块管理系统、中断管理系统等 Linux 各种重要功能系统，最后创建init 进程，并加载根文件系统，将控制权递交到根文件系统。
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  • 第三棒：内核挂载根文件系统（相当于将根文件系统内容解压缩）。
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  • 第四棒，根据 inittab 配置文件，加载应用程序，最后启动 shell 程序，Linux 启动完成。
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嵌入式Linux三剑客之uboot技术

Bootloader概念

Bootloader 是操作系统内核运行前运行的一段小程序。
功能：

  1. 初始化硬件设备，如对 CPU、SDRAM、Flash、串口等进行初始化；
  2. 加载内核到内存并执行内核代码；
  3. 提供一些命令工具，如操作flash、从PC机搬运内核到开发板等功能。

Bootloader 相当于PC机上 BIOS 和 GRUB 功能集合体。

UBOOT

常见的 Bootloader：
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UBOOT简介

U-Boot 是一个主要用于嵌入式系统的引导加载程序，可以支持多种不同的计算机系统结构，包括PPC、ARM、AVR32、MIPS、x86、68k、Nios 与 MicroBlaze。这也是一套在GNU通用公共许可证之下发布的自由软件。

这个项目起源于 Magnus Damm.在 8xx PowerPC 架构下写的引导加载程序：8xxROM。1999 年十月，Wolfgang Denk 将项目移转到 SourceForge.net，但 SourceForge.net 不允许数字开头的项目名称，所以改名为 PPCBoot。2002年11 月 PPCBoot 改名为 U-Boot。

UBOOT优势

  • 开放源码
  • 支持多种嵌入式操作系统内核，如 Linux、NetBSD、VxWorks、QNX、RTEMS、ARTOS、LynxOS、android
  • 支持多个处理器系列，如 PowerPC、ARM、x86、MIPS
  • 较高的可靠性和稳定性；
  • 高度灵活的功能设置，适合 U-Boot 调试、操作系统不同引导要求、产品发布等；
  • 丰富的设备驱动源码，如串口、以太网、SDRAM、FLASH、LCD、NVRAM、EEPROM、RTC、键盘等
  • 较为丰富的开发调试文档与强大的网络技术支持

UBOOT功能

  • 系统引导支持 NFS 挂载、RAMDISK (压缩或非压缩)形式的根文件系统；
    支持 NFS 挂载、从 FLASH 中引导压缩或非压缩系统内核；
  • 基本辅助功能强大的操作系统接口功能；
    可灵活设置、传递多个关键参数给操作系统，适合系统在不同开发阶段的调试要求与产品发布，尤以Linux支持最为强劲；
    支持目标板环境参数多种存储方式，如 FLASH、NVRAM、EEPROM；
  • CRC32 校验可校验 FLASH 中内核、RAMDISK 镜像文件是否完好
  • 设备驱动串口、SDRAM、FLASH、以太网、LCD、NVRAM、EEPROM、键盘、USB、PCMCIA、PCI、RTC等驱动支持；
  • 上电自检功能 SDRAM、FLASH 大小自动检测；SDRAM 故障检测；CPU型号；
  • 特殊功能 XIP 内核引导；

UBOOT工作模式

  • 启动加载模式是 Bootloader 的正常工作模式，嵌入式产品发布时，Bootloader 必须工作在这种模式下，Bootloader 将嵌入式操作系统从 FLASH 中加载到 SDRAM 中运行，整个过程是自动的。
  • 下载模式就是 Bootloader 通过某些通信手段将内核映像或根文件系统映像等从PC机中下载到目标板的 FLASH 中。

UBOOT源码目录

  • 源码
  • 配置文件及脚本解释器
  • Makefile文件

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UBOOT编译过程

  1. 解压缩uboot源码到目录下
  2. 根据开发板进行配置
    make smdk2440
  3. 编译uboot
    make
  4. 烧写uboot.bin到开发板（使用仿真器完成）
  5. 启动开发板后，uboot就运行起来
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典型uboot命令

  • nand分区命令：nand
  • 参数命令：setenv/printenv
  • 传输文件命令：load/tftp
  • 启动命令：bootm
  • 其它命令：nm/cp/date

打印环境变量：printenv
功能：打印开发板上的环境变量值
例：

Uboot> printenv
baudrate=115200
ipaddr=192.168.1.1
ethaddr=12:34:56:78:9A:BC
serverip=192.168.1.5
Environment size: 80/8188 bytes

设置环境变量：setenv 变量 值
功能：设置开发板上的环境变量值
例：

Uboot> setenv ethaddr 12:34:56:78:9A:BC
Uboot> setenv ipaddr 192.168.1.1
Uboot> setenv serverip 192.168.1.254   
			（tftp服务器的地址）

保存环境变量：saveenv
功能：保存开发板上的环境变量值

网络加载内核：tftp 待加载到的内存地址 待加载文件名
功能：通过网络将位于PC机上tftp服务器目录（如为/tftpdroot) 下的文件加载到开发板内存地址
例：把 server（IP=环境变量中设置的serverip）中 /tftpdroot/ 下的 vmlinux 通过 TFTP 读入到物理内存 32000000 处。

Uboot> tftp 32000000 vmlinux

启动内核命令：bootm 内核内存地址
功能：将位于内核内存地址处的内核启动起来
例：

Uboot> bootm 0x30008000
## Booting image at 30008000 ...
Starting kernel ...
Uncompressing
Linux......................................................................
done.

NandFlash 操作命令：nand 命令码 参数
功能：

  • 根据命令码对 nandflash 设备进行相关操作，命令码有以下几种
  • erase
    语法形式：nand erase EraseAddr EraseSize
    功能：擦除 nand 设备从 EraseAddr 地址处 EraseSize 块大小内容
  • write
    语法形式：nand write FromMemAddr ToNandAddr size
    功能：将内存地址为 FromMemAddr 处 size 字节数据写到 nand 设备 ToNandAddr 地址处。
  • Info
    语法形式：nand info
    功能：打印 nand 设备信息
  • read
    语法形式：nand read ToMemAddr FromNandAddr size
    功能：从 Nand 设备地址为 FromNandAddr 处读取 size 字节数据到内存 ToMemAddr 处。

嵌入式Linux三剑客之内核技术

内核介绍（功能）

内核是嵌入式Linux 系统的核心，负责管理系统的进程、内存、文件系统、网络和设备驱动等。如果把地球比作计算机系统，内核就是管理计算机资源的“政府”，内核中的每个功能模块相当于政府中的每个部门，如下图所示。
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从功能角度来看：
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内核就是一系列功能模块构成，包括：

  • 系统调度
  • 进程管理
    负责管理CPU资源，以便让各个进程可以以尽量公平的方式访问CPU。进程管理还包括控制活动进程。
  • 内存管理
    Linux的成功和它优秀的内存管理联系非常密切，因为一个系统的高效性欲稳定性往往决定于它的内存管理机制。
    为了解决容量，Linux 引入了虚拟存储系统；
    为了解决快速，Linux 引入了cache、交换机制等等；
    以使得存储系统在容量上接近硬盘，在速度上接近 cache。
  • 虚拟文件系统（VFS）
    VFS 隐藏各种文件系统的具体细节，为文件操作提供统一的接口。
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  • 网络协议栈
    内核协议栈为Linux提供了丰富的网络协议实现。其中TCP/IP协议栈提供了所有操作系统中最高效最简洁的实现模式。
  • 设备驱动
    Linux 内核中有大量代码（约60%）都在设备驱动程序中，它们以一种特定的模式管理底层硬件设备并以统一的接口向上层进程提供底层硬件的使用。
  • 中断管理系统
    linux中断管理系统是根据处理器底层硬件中断系统来建立合理高效的软硬件响应机制。Linux中断管理系统包括中断管理架构的建立、中断服务程序的编写以及包括对硬件中断的响应等多个 部分。
  • 系统调用接口
    系统调用层为用户空间提供了一套标准的系统调用函数来访问 Linux 内核，搭起了用户空间到内核空间的桥梁。

Linux内核中每个模块独立完成相应功能，并能与其它模块相互配合。

Linux 内核源码及组织

Linux内核源代码采用树形结构进行组织，非常合理地把功能相关的文件都放在同一个子目录下，使得程序更具可读性。

内核源代码下载地址：www.kernel.org

Linux内核源码目录：

  • 源码
  • 配置文件
    • 脚本解释器及 Kconfig
    • Makefile文件
    • 其它文件（如设备树）

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Linux内核裁剪及编译

  • make menuconfig
  • make uImage
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具体的先省略。。。我也没怎么看懂。。。

Kconfig 的五种基本结构

  • menu/endmenu
  • menuconfig
  • config
  • choice/endchoice
  • source

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嵌入式Linux三剑客之文件系统技术

此处的文件系统是应用程序等数据文件的集合体。
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BusyBox

BusyBox 最初是由 Bruce Perens 在 1996 年为 Debian GNU/Linux 安装盘编写的。

其目标是在一张软盘上创建一个可引导的 GNU/Linux 系统

BusyBox 使用了符号链接以便使一个可执行程序看起来像很多程序一样。对于 BusyBox 中包含的每个工具来说，都会这样创建一个符号链接，这样就可以使用这些符号链接来调用 BusyBox 了。BusyBox 然后可以通过 argv[0] 来调用内部工具。

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Glibc

Glibc 是提供系统调用和基本函数的 C 库。

glic 库通常使用于 X86 架构的 Linux 系统，它虽然非常完备，但是却非常庞大，对于嵌入式系统来说，使用它意味着内存的消耗也会非常巨大。

uClibc 是一个小型的 C 库，应用于嵌入式 Linux 系统开发。它基本实现了 glibc 的功能，几乎所有glibc 支持的应用程序都能在 uClibc 上运行。
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课后作业

1.嵌入式Linux操作系统包括（bootloader）、（Linux 内核） 、（根文件系统）三部分组成。
2.在PC机上Linux系统编译使用的编译器名为(gcc) ，ARM处理器嵌入式编译器名为(arm-linux-gcc)。
3.从C语言角度来理解，嵌入式Linux内核仅是众多（函数）的集合体，其有一个类似于main的函数，名称为 （start_kernel）。

4.简述 bootloader 的功能：

  1. 初始化硬件设备，如对 CPU、SDRAM、Flash、串口等进行初始化；
  2. 加载内核到内存并执行内核代码；
  3. 提供一些命令工具，如操作flash、从PC机搬运内核到开发板等功能。

5.在uboot中，打印开发板上环境变量值的命令为（printenv），设置IP地址为192.168.1.1的命令为（setenv ipaddr 192.168.1.1），假如嵌入式内核名为vmlinux，通过tftp加载内核的命令为 （tftp 32000000 vmlinux），启动嵌入式Linux内核的命令为（bootm 0x32000000）。

6.嵌入式Linux内核裁剪命令为（make menuconfig）；裁剪完成后生成配置选择文件(.config)；编译内核命令为(make zImage) 。

7.启动linux后常用的命令如 ifconfig、cp、ls 等通常位于（文件系统）中；嵌入式Linux环境下生成文件系统的常用工具为（mkyaffs2img）；以 yaffs 方法为例，将嵌入式文件夹压缩成一个 yaffs2 格式的文件系统命令为（mkyaffs2img 文件夹 镜像文件名） 。

8.构建嵌入式Linux系统时，烧写bootloader的工具为（hjtag）；烧写Linux内核一般使用（bootloader）来烧写，烧写文件系统一般使用（bootloader）来烧写。

测验：

写出嵌入式Linux内核裁剪基本步骤（要求写出具体命令）

make menuconfig
make zImage
# Ubuntu可以使用: make uImage

如果向内核添加RC5加密代码rc5.c，拟存储到linux内核文件夹crypt目录下，并要求能以图形方式供用户裁剪，关联宏为CONFIG_RC5_ENCRYPT。写出该文件夹下Makefile文件和Kconfig文件修改内容。
Kconfig 文件添加的内容：

config RC5ENCRYPT
	bool "RC5 ENCRYPT SUPORT"
	help 
		this is a simple test ,no use

Makefile 文件添加的内容：

obj-$(CONFIG_RC5_ENCRYPT) += rc5.o

小测验

1、构建嵌入式Linux系统是嵌入式开发的重要内容，包括bootloader裁剪和编译、Linux内核裁剪和编译以及文件系统裁剪和制作等流程。请简答：
(1) 简述通用bootloader核心功能（2分）。
(2) 写出嵌入式Linux内核裁剪基本步骤（要求写出具体命令）（3分）
(3) 如果向内核添加RC5加密代码rc5.c，拟存储到linux内核文件夹crypt目录下，并要求能以图形方式供用户裁剪，关联宏为CONFIG_RC5_ENCRYPT。写出该文件夹下Makefile文件和Kconfig文件修改内容。（3分）

(1)

  1. 初始化硬件设备，如对 CPU、SDRAM、Flash、串口等进行初始化；
  2. 加载内核到内存并执行内核代码；
  3. 提供一些命令工具，如操作flash、从PC机搬运内核到开发板等功能。

(2)

make menuconfig
make zImage

(3)
Kconfig 文件添加的内容：

config RC5ENCRYPT
	bool "RC5 ENCRYPT SUPORT"
	help 
		this is a simple test ,no use

Makefile 文件添加的内容：

obj-$(CONFIG_RC5_ENCRYPT) += rc5.o

2、简述sqilte的移植步骤（写出具体命令）。（2分）
(1)下载源码包并解压缩

(2)生成 Makefile

./configure CC=arm-linux-gcc –prefix=/opt/sqlite –host=arm-linux

(3)编译及安装

make
make install

安装后可以在/opt/sqilte下见到移植好的可执行程序及

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