构建嵌入式linux平台下的用户应用

1.引言

在专用的嵌入式板子运行 GNU/Linux 系统已经变得越来越流行。一个嵌入式 Linux 系统从软件的角度看通常可以分为四个层次,如图1-1所示：

(1)引导程序。包括固化在固件(firmware)中的 boot 代码(可选)，和 Boot Loader 两大部分。

(2)Linux 内核。针对于嵌入式板子的定制内核以及内核的启动参数。

(3)文件系统。包括根文件系统和建立于 Flash 内存设备之上文件系统。通常用 ram disk 来作为根文件系统

(4)用户应用程序。特定于用户的应用程序。有时在用户应用程序和内核层之间可能还会包括一个嵌入式图形用户界面。常用的嵌入式 GUI 有：MicroWindows 和 MiniGUI 。

下面就在linux-2.4.x内核上如何正确组织、连接这几个部分来自动运行用户应用程序进行分析。

2.linux的启动过程

在系统复位后首先远行的程序就是引导程序（Boot loader）。 引导程序可以放在专用的ROM中，也可以和内核影像、文件系统影像共用闪存芯片或固态硬盘如下图所示。引导程序首先负责初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。Uboot是Sourceforge上的一个开源的引导程序，提供了对PowerPC(MPC5xx、MPC8xx、MPC82x、MPC7xx、MP74xx、4xx)、ARM(ARM7、ARM9、StrongArm、Xsacle)、MIPS、x86等处理器的支持。下载站点是http://sourceforge.net/projects/u-boot

U-boot在ARM9系统启动流程：

1、跳转到reset代码（将CPU设置成SVC,ARM工作模式，SDRAM初始化）

2、将U-boot代码拷贝到RAM空间。可以调用C函数

3、调用初始化函数

（CPU_init(),board_init(),interrupt_init(),serial_init()）

4、初始化flash设备

5、初始化系统内存分配函数

6、初始化NAND设备

7、初始化显示设备

8、初始化网络设备

9、进入命令循环，接收用户从串口传来的命令，如果延时10秒钟无用户操作则自动加载linux内核。首先将linux内核影像（kernel Image）拷贝到ram空间，然后跳转到linux内核代码的第一条指令处，将控制权交给linux内核。

3. 挂接自己的嵌入式文件系统

3.1. 嵌入式文件系统的层次结构

嵌入式文件系统的任务是对文件进行管理，其工作包括提供对逻辑文件的操作（包括检索、新增、修改、删除、拷贝）接口，方便用户操作文件和目录。文件系统内部，则根据存储设备的特点，使用不同的文件组织模式来实现文件的逻辑结构，比如磁带中使用的顺序文件以及大多数操作系统使用的树状文件。此外文件系统也管理文件的安全性、完整性以及多进程访问控制。文件系统不能实现对物理设备的直接控制，对物理设备的访问是通过MTD/FTL层实现的。MTD/FNL层向上将闪存设备抽象成逻辑设备（逻辑页面和块），为文件系统提供对物理设备操作接口；向下实现对闪存设备的读写、清零、ECC校验等工作。在linux系统中实现了对闪存操作的底层函数。下图给出了文件系统的层次关系。

3.2. 几种针对闪存的嵌入式文件系统的比较

3.3. 挂接JFFS2文件系统

(1) 修改设备号

由于ROM设备和MTDBlock设备的主设备号（major）都是31，所以如果你不想把JFFS2作为根文件系统的话，必须修改他们之一的major。如果你要修改JFFS2的设备major，在/linux-2.4.x/include/linux/mtd/mtd.h中把

＃define MTD_BLOCK_MAJOR 31

改成

＃define MTD_BLOCK_MAJOR 30

(2) 编写Maps文件

添加在flash上的map文件。在/kernel/drivers/mtd/maps下添加flash(如intel NOR型28f128j3a)的map。

(3) 将配置加入/kernel/drivers/mtd/maps/Config.in中

dep_tristate ' CFI Flash device mapped on S3C2410' CONFIG_MTD_S3C2410 $CONFIG_MTD_CFI

(4) 配置内核使其支持jffs2。

这里要特别注意Memory Technology Devices (MTD)的选项支持及其子项

RAM/ROM/Flash chip drivers --->

Mapping drivers for chip access --->

的选项支持；

还有File systems下选项支持。

具体的配置选择请参考附录1

(5) 制作jffs2映象

首先取得jffs2的制作工具：mkfs.jffs2（可从网上取得）

执行如下命令即可生成所要的映象：

chmod 777 mkfs.jffs2 //取得mkfs.jffs2的执行权限，即mkfs.jffs2成为可执行文件

./mkfs.jffs2 －d jffs2/ －o jffs2.img //生成jffs2文件映象，其中目录jffs2可以是任意的目录，这里的jffs2是我新建的一个目录

(6) Jffs2的下载

烧写完引导程序（boot loader）、内核影像（zImage）、根文件系统（ramdisk.image.gz）之后，接着烧写jffs2.img，具体烧写如下：

tftp 30800000 jffs2.img

fl 1800000 30800000 20000 （其中20000可根据jffs2的大小适当调整，理论上只要比jffs2.img略大即可，但要为20000的整数倍。1800000是Jffs2在闪存中的起始位置，3800000是将jffs2.img下载到内存中的位置）

(7) 在根文件系统上自动挂接Jffs2

在ramdisk.image.gz的mnt/etc/init.d/rc$文件中加入如下指令以便启动时自动挂载jffs2文件系统。

Mount －t jffs2 /dev/mtdblock/4 /mnt （其中的/dev/mtdblock/4是flash上的jffs2分区）

4.启动用户应用程序

在嵌入式应用系统中,往往不需要进入linux的界面（命令行窗口或图形桌面），而是需要直接启动专用的用户程序。下面介绍一种实现方法。

在制作根文件系统影像（ramdisk.image.gz）前在根目录下创建myproc目录，将MyApp应用程序复制到此目录下。在ramdisk.image.gz的mnt/etc/init.d/rc$文件中加入如下指令以便自动启动用户应用程序MyApp。

#cd /myproc（ 进入myproc目录）

＃./MyApp

MyApp是一个小的应用程序，它的处理流程如下（其中Mystart假定为用户最终的应用程序） ：

5. 总结

Linux 正在嵌入式开发领域稳步发展。因为 Linux 基于 GPL，所以任何对将 Linux 定制于 PDA、掌上机或者工控设备感兴趣的人都可以从因特网免费下载其内核和应用程序，并开始移植或开发。目前许多 优秀的Linux 系统可供用户选择。它们包括 RTLinux（实时 Linux）、uClinux（用于非 MMU 设备的 Linux）、Montavista Linux（用于 ARM、MIPS、PPC 的商用 Linux 分发版）、ARM-Linux（ARM 上的 Linux）等。利用现有的大量的共享资源，构建自己的嵌入式linux平台，开发linux应用已经列入许许多多公司的发展战略之中。

6.参考资料

[1] 王学龙.嵌入式Linux系统设计与应用. 清华大学出版社,2001年8月

[2] 马忠梅等.ARM&Linux嵌入式系统教程.北京航空航天大学出版社，2004年9月

[3] 陈莉君.深入分析Linux内核源代码.人民邮电出版社，2002年8月

附录：配置Linux内核支持Jffs2

Linux Kernel v2.4.18-rmk7-pxa1 Configuration

Linux Kernel v2.4.18-rmk7-pxa1 Configuration

------------------------------------------------------------------------------

+-------------------- Memory Technology Devices (MTD) --------------------+

| Arrow keys navigate the menu. <enter></enter>selects submenus --->. |

| Highlighted letters are hotkeys. Pressing <y></y>includes, <n></n>excludes, |

| <m></m>modularizes features. Press <esc></esc><esc></esc>to exit, for Help. |

| Legend: [*] built-in [ ] excluded <m></m>module < > module capable |

| +---------------------------------------------------------------------+ |

| | <*> Memory Technology Device (MTD) support | |

| | [*] Debugging | |

| | (3) Debugging verbosity (0 = quiet, 3 = noisy) | |

| | <*> MTD partitioning support | |

| | <*> MTD concatenating support | |

| | < > RedBoot partition table parsing | |

| | < > Command line partition table parsing | |

| | < > ARM Firmware Suite partition parsing | |

| | --- User Modules And Translation Layers | |

| | <*> Direct char device access to MTD devices | |

| | <*> Caching block device access to MTD devices | |

| < > FTL (Flash Translation Layer) support | |

| | < > NFTL (NAND Flash Translation Layer) support | |

| | RAM/ROM/Flash chip drivers ---> | |

| | Mapping drivers for chip access ---> | |

| | Self-contained MTD device drivers ---> | |

| | NAND Flash Device Drivers ---> | |

| +---------------------------------------------------------------------+ |

+------------------------

| +---------v(+)--------------------------------------------------------+ |

+-------------------------------------------------------------------------+

| < Exit > < Help > | +--------------------------------------------------- Linux Kernel v2.4.18-rmk7-pxa1 Configuration ------------------------------------------------------------------------------ +---------------------- RAM/ROM/Flash chip drivers -----------------------+ | Arrow keys navigate the menu. <enter></enter> selects submenus --->. | | Highlighted letters are hotkeys. Pressing <y></y> includes, <n></n> excludes, | | <m></m> modularizes features. Press <esc></esc><esc></esc> to exit, for Help. | | Legend: [*] built-in [ ] excluded <m></m> module < > module capable | | +---------------------------------------------------------------------+ | | |<*> Detect flash chips by Common Flash Interface (CFI) probe | | | |<*> Detect JEDEC JESD21c compatible flash chips | | | |[ ] Flash chip driver advanced configuration options | | | |<*> Support for Intel/Sharp flash chips | | | |< > Support for AMD/Fujitsu flash chips | | | |< > Support for RAM chips in bus mapping | | | |< > Support for ROM chips in bus mapping | | | |< > Support for absent chips in bus mapping | | | |[ ] Older (theoretically obsoleted now) drivers for non-CFI chips | | | | | | | | | | | +---------------------------------------------------------------------+ | +-------------------------------------------------------------------------+ | < Exit > < Help > |

+-------------------------------------------------------------------------+

Linux Kernel v2.4.18-rmk7-pxa1 Configuration

------------------------------------------------------------------------------

+-------------------- Mapping drivers for chip access --------------------+

| Arrow keys navigate the menu. <enter></enter>selects submenus --->. |

| Highlighted letters are hotkeys. Pressing <y></y>includes, <n></n>excludes, |

| <m></m>modularizes features. Press <esc></esc><esc></esc>to exit, for Help. |

| Legend: [*] built-in [ ] excluded <m></m>module < > module capable |

| +---------------------------------------------------------------------+ |

| | <*> CFI Flash device in physical memory map | |

| | (800000) Physical start address of flash mapping | |

| | (800000) Physical length of flash mapping | |

| | (2) Bus width in octets | |

| | <*> CFI Flash device mapped on S3C2410 | |

| | | |

| | | |

| | | |

| | | |

| | | |

| | | |

| +---------------------------------------------------------------------+ |

+-------------------------------------------------------------------------+

| < Exit > < Help > | +-------------------------------------------------------------------------+ Linux Kernel v2.4.18-rmk7-pxa1 Configuration ------------------------------------------------------------------------------ +----------------------------- File systems ------------------------------+ | Arrow keys navigate the menu. <enter></enter> selects submenus --->. | | Highlighted letters are hotkeys. Pressing <y></y> includes, <n></n> excludes, | | <m></m> modularizes features. Press <esc></esc><esc></esc> to exit, for Help. | | Legend: [*] built-in [ ] excluded <m></m> module < > module capable | | +---------------------------------------------------------------------+ | | | [ ] Quota support | | | | < > Kernel automounter support | | | | < > Kernel automounter version 4 support (also supports v3) | | | | < > Reiserfs support | | | | < > ADFS file system support | | | | < > Amiga FFS file system support (EXPERIMENTAL) | | | | < > Apple Macintosh file system support (EXPERIMENTAL) | | | | < > BFS file system support (EXPERIMENTAL) | | | | <*> Ext3 journalling file system support (EXPERIMENTAL) | | | | [ ] JBD (ext3) debugging support | | | | <*> DOS FAT fs support | | | < > MSDOS fs support | | | | <*> VFAT (Windows-95) fs support | | | | < > EFS file system support (read only) (EXPERIMENTAL) | | | | < > Journalling Flash File System (JFFS) support | | | | <*> Journalling Flash File System v2 (JFFS2) support | | | | (2) JFFS2 debugging verbosity (0 = quiet, 2 = noisy) | | | | <*> Compressed ROM file system support | | | | [*] Virtual memory file system support (former shm fs) | | | | <*> Simple RAM-based file system support | | | | < > ISO 9660 CDROM file system support | | | | < > Minix fs support | < > FreeVxFS file system support (VERITAS VxFS(TM) compatible) | | | | < > NTFS file system support (read only) | | | | < > OS/2 HPFS file system support | | | | [*] /proc file system support | | | | [*] /dev file system support (EXPERIMENTAL) | | | | [*] Automatically mount at boot | | | | [ ] Debug devfs | | | | [*] /dev/pts file system for Unix98 PTYs | | | | < > QNX4 file system support (read only) (EXPERIMENTAL) | | | | < > ROM file system support | | | | <*> Second extended fs support | [ ] Debug devfs | | | | [*] /dev/pts file system for Unix98 PTYs | | | | < > QNX4 file system support (read only) (EXPERIMENTAL) | | | | < > ROM file system support | | | | <*> Second extended fs support | | | | < > System V/Xenix/V7/Coherent file system support | | | | < > UDF file system support (read only) | | | | < > UFS file system support (read only) | | | | Network File Systems ---> | | | | Partition Types ---> | | | | Native Language Support ---> | +--v(+)---------------------------------------------------------------+ | +-------------------------------------------------------------------------+ | < Exit > < Help > |

+-------------------------------------------------------------------------+