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嵌入式Linux系统构造解析
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2017-11-04
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目前嵌入式系统的应用越来越广泛，一台通用PC的外部设备就有5~10个嵌入式微处理器，如键盘、软驱、硬盘、显示器、打印机、扫描仪、USB接口等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通信电视、仪器仪表、汽车船舶、航空航天、消费类产品均是嵌入式系统的应用领域。嵌入式系统目前主要有：Windows CE、VxWorks、QNX等，它们都具较好的实时性，系统可靠性，任务处理随机性等优点。但是它们的价格普遍偏高，很多开发商承受不起。因而，Linux操作系统成为嵌入式操作系统的首选，原因如下：
在精简内核在编译内核之前，首先要明确需要那些驱动和模块，然后只选择需要的驱动和模块，例如，如果系统不需要网络支持，则可以去掉网络模块。内核一般是以压缩方式存放的，在系统启动时会自行解压。内核都是常驻内存的，当需要调用应用程序时，再把需要的程序从磁盘
调入内存运行。
构建内核常用的命令包括：
◆ make config：内核配置，调用 。/scripts/Configure 按照 arch/i386/config.in 来进行配置。
◆ make dep：寻找依赖关系。
◆ make clean：清除以前构建内核所产生的所有目标文件、模块文件、以及一些临时文件等。
◆ make rmproper：删除所有因构建内核过程中产生的所有文件，把内核恢复到最原始的状态。
◆ make：构核，通过各目录的Makefile 文件将会在各个目录下产生许多目标文件。如果内核没有错误，将产生文件vmlinux，这就是构建的内核。
◆ make zImage：在make 的基础上产生压缩的内核映象文件。/arch/$（ARCH）/boot/zImage 以及在 。/arch/$（ARCH）/boot/compresed/目录下产生临时文件。
◆ make bzImage：在make 的基础上产生压缩比例更大的内核映象文件。/arch/$（ARCH）/boot/bzImage 以及在 。/arch/$（ARCH）/boot/compresed/目录下产生临时文件。
◆ make modules：编译模块文件，在make config 时所配置的所有模块将在这时编译，形成模块目标文件，并把这些目标文件存放在modules 目录中。
◆ make modules_install：把上面编译好的模块目标文件放置在目录 。/lib/modules/$KERNEL_VERSION/ 中。上面的编译内核是在没有改变源代码的情况下实现的，如果觉得源代码提供的功能在某些方面不能满足要求，就要修改源代码了。源代码中主要有以下几个关键部分：有关进程管理的task_struct 结构，这个结构几乎包括了与进程有关的所有文件内容，还有任务队列、时钟管理和中断管理，各种进程间的通信机制，内存管理中各种内存分配函数的实现，虚拟文件系统。
系统启动
引导启动程序主要包括以下三个文件：bootsect.s，head.s和setup.s 这三个文件虽然都是汇编程序，但确使用了两种语法格式。bootsect.s和setup.s 采用了近似于Intel的汇编语言语法，需要使用Intel 8086 汇编器和连接器 as86和ld86。head.s 则使用了GUN的汇编格式，并且运行在保护模式下，需要用GUN的as 进行编译。这是一种AT&T语法的汇编语言格式。 Bootsect.s代码时磁盘引导块程序，驻留在磁盘的第一个扇区中，在PC机加电ROM-BIOS自检后，引导扇区由BIOS加载到内存0x7C00处，然后将自己移动到内存0x90000处。该程序的主要作用是首先将setup模块（由setup.s编译的）从磁盘加载到内存紧接着bootsect的后面位置（0x90200），然后利用BIOS中断0x13取磁盘参数表中当前启动引导盘的参数，接着在屏幕上显示“Loading system.。.”字符串。再将system模块从磁盘上加载到内存0x10000开始的地方。随后确定根文件系统的设备号。
Setup程序的作用主要是利用ROM-BIOS中断读取机器系统数据，并将这些数据保存到0x90000开始的位置（覆盖了bootsect程序所在的地方）。然后setup程序将system模块从0x10000整块向下移动到内存绝对地址0x0000处，接下来加载中断描述符表寄存器（idtr）和全局描述表寄存器（gdtr）。开启A20地址线，重新设置两个中断控制芯片8259A，将硬件中断号重新设置为0x20-0x2f。最后设置CPU的控制寄存器CR0（也称机器状态字），从而进入32位保护模式进行，并跳转到位于system模块最前面部分的head.s程序继续运行。 Head.s程序在被编译后，会被连接成system模块的最前面开始部分，即头部（head）程序。从这里开始，内核完全都是在保护模式下运行了。这段程序实际上处于内存绝对地址0处开始的地方。这个程序功能比较单一，首先是加载各个数据段寄存器，重新设置中断描述符表idt，共256项。然后重新设置中断描述符表gdt，接下来检测A20地址线是不是开启了，再检测PC机是否含有数学协处理器芯片，然后设置管理内存的分页处理机制，最后利用返回指令将预先放置在堆栈中的/init/main.c程序的入口地址弹出，去运行main（）内核初始化程序。
设备驱动程序
设备驱动程序在Linux内核中扮演着特殊的角色，它们是一个个独立的“黑盒子”，使某个特定的硬件响应一个定义良好的内部编程接口，同时完全隐藏了设备的工作细节。用户操作通过一组标准化的调用完成，而这些调用是和特定的驱动程序无关的。设备驱动程序提供的功能是同外设进行数据传送。设备包括三种类型：字符设备、块设备和网络接口。每个模块通常实现其中一种类型，相应地，模块可分为字符模块（char module）、块模块（block module）和网络模块（network module）三种。然而这种分类方式并不是十分严格，程序员可以构建一个大的模块，在其中实现不同类型的设备驱动程序。三种类型的设备如下：
在精简内核在编译内核之前，首先要明确需要那些驱动和模块，然后只选择需要的驱动和模块，例如，如果系统不需要网络支持，则可以去掉网络模块。内核一般是以压缩方式存放的，在系统启动时会自行解压。内核都是常驻内存的，当需要调用应用程序时，再把需要的程序从磁盘
调入内存运行。
构建内核常用的命令包括：
◆ make config：内核配置，调用 。/scripts/Configure 按照 arch/i386/config.in 来进行配置。
◆ make dep：寻找依赖关系。
◆ make clean：清除以前构建内核所产生的所有目标文件、模块文件、以及一些临时文件等。
◆ make rmproper：删除所有因构建内核过程中产生的所有文件，把内核恢复到最原始的状态。
◆ make：构核，通过各目录的Makefile 文件将会在各个目录下产生许多目标文件。如果内核没有错误，将产生文件vmlinux，这就是构建的内核。
◆ make zImage：在make 的基础上产生压缩的内核映象文件。/arch/$（ARCH）/boot/zImage 以及在 。/arch/$（ARCH）/boot/compresed/目录下产生临时文件。
◆ make bzImage：在make 的基础上产生压缩比例更大的内核映象文件。/arch/$（ARCH）/boot/bzImage 以及在 。/arch/$（ARCH）/boot/compresed/目录下产生临时文件。
◆ make modules：编译模块文件，在make config 时所配置的所有模块将在这时编译，形成模块目标文件，并把这些目标文件存放在modules 目录中。
◆ make modules_install：把上面编译好的模块目标文件放置在目录 。/lib/modules/$KERNEL_VERSION/ 中。上面的编译内核是在没有改变源代码的情况下实现的，如果觉得源代码提供的功能在某些方面不能满足要求，就要修改源代码了。源代码中主要有以下几个关键部分：有关进程管理的task_struct 结构，这个结构几乎包括了与进程有关的所有文件内容，还有任务队列、时钟管理和中断管理，各种进程间的通信机制，内存管理中各种内存分配函数的实现，虚拟文件系统。
系统启动
引导启动程序主要包括以下三个文件：bootsect.s，head.s和setup.s 这三个文件虽然都是汇编程序，但确使用了两种语法格式。bootsect.s和setup.s 采用了近似于Intel的汇编语言语法，需要使用Intel 8086 汇编器和连接器 as86和ld86。head.s 则使用了GUN的汇编格式，并且运行在保护模式下，需要用GUN的as 进行编译。这是一种AT&T语法的汇编语言格式。 Bootsect.s代码时磁盘引导块程序，驻留在磁盘的第一个扇区中，在PC机加电ROM-BIOS自检后，引导扇区由BIOS加载到内存0x7C00处，然后将自己移动到内存0x90000处。该程序的主要作用是首先将setup模块（由setup.s编译的）从磁盘加载到内存紧接着bootsect的后面位置（0x90200），然后利用BIOS中断0x13取磁盘参数表中当前启动引导盘的参数，接着在屏幕上显示“Loading system.。.”字符串。再将system模块从磁盘上加载到内存0x10000开始的地方。随后确定根文件系统的设备号。
Setup程序的作用主要是利用ROM-BIOS中断读取机器系统数据，并将这些数据保存到0x90000开始的位置（覆盖了bootsect程序所在的地方）。然后setup程序将system模块从0x10000整块向下移动到内存绝对地址0x0000处，接下来加载中断描述符表寄存器（idtr）和全局描述表寄存器（gdtr）。开启A20地址线，重新设置两个中断控制芯片8259A，将硬件中断号重新设置为0x20-0x2f。最后设置CPU的控制寄存器CR0（也称机器状态字），从而进入32位保护模式进行，并跳转到位于system模块最前面部分的head.s程序继续运行。 Head.s程序在被编译后，会被连接成system模块的最前面开始部分，即头部（head）程序。从这里开始，内核完全都是在保护模式下运行了。这段程序实际上处于内存绝对地址0处开始的地方。这个程序功能比较单一，首先是加载各个数据段寄存器，重新设置中断描述符表idt，共256项。然后重新设置中断描述符表gdt，接下来检测A20地址线是不是开启了，再检测PC机是否含有数学协处理器芯片，然后设置管理内存的分页处理机制，最后利用返回指令将预先放置在堆栈中的/init/main.c程序的入口地址弹出，去运行main（）内核初始化程序。
设备驱动程序
设备驱动程序在Linux内核中扮演着特殊的角色，它们是一个个独立的“黑盒子”，使某个特定的硬件响应一个定义良好的内部编程接口，同时完全隐藏了设备的工作细节。用户操作通过一组标准化的调用完成，而这些调用是和特定的驱动程序无关的。设备驱动程序提供的功能是同外设进行数据传送。设备包括三种类型：字符设备、块设备和网络接口。每个模块通常实现其中一种类型，相应地，模块可分为字符模块（char module）、块模块（block module）和网络模块（network module）三种。然而这种分类方式并不是十分严格，程序员可以构建一个大的模块，在其中实现不同类型的设备驱动程序。三种类型的设备如下：
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