uclinux内核配置与裁减

　　uclinux表示micro-control linux.即“微控制器领域中的Linux系统”，是Lineo公司的主打产品，同时也是开放源码的嵌入式Linux的典范之作。uCLinux主要是针对目标处理器没有存储管理单元MMU（Memory Management Unit）的嵌入式系统而设计的。它已经被成功地移植到了很多平台上。由于没有MMU，其多任务的实现需要一定技巧。

　　uClinux是嵌入式Linux领域非常重要的分支，已成功应用于路由器、机顶盒、PDA等领域，与标准Linux在内存管理方面有着本质的区别。

　　Uclinux的配置和裁减也是利用的华恒科技提供的源码包（用于hhbf531学习板）。我们使用的开发板信息如下：

　　CPU：BF533

　　FLASH：S29AL004D-512KB

　　SDRAM：HY57V281620-16MB

　　这里我不敢说“uclinux的移植”，而只是以“配置与裁减”代之，是因为我觉得自己的工作真的谈不上什么移植。现成的源码包，所有的底层驱动都已经完成，我们所要做的只是选择自己需要的驱动、配置一下内核、做一些裁减工作而已。每每听到其他人提到“最近又完成了×××平台的linux移植”，我都会有点担心：国内有多少工程师能真正从最初始的工作开始，完成一个平台的系统移植——应该很少吧。

　　下面，我分以下步骤简单介绍一下我的配置过程。

　　一，配置并在RAM中运行内核（不带根文件系统）：

　　由于我们的flash空间有限，在没有裁减之前，就算不带根文件系统，也无法烧写到flash内保存；所以先尝试下载到RAM中运行。另外，我们目前的开发板上没有网络功能，只能通过串口下载，所以在这里配置内核的过程中，做一些简单裁减，以便节约下载时间。

　　解压源码包后，进入uclinux目录：

　　#cd uClinux-dist

　　设定交叉工具链：

　　#PATH=”/usr/local/bin/gcc-bfin-3.4-uclinux/bin/：$PATH”

　　进入配置：

　　#make menuconfig

　　运行后，进入“MainMenu”配置页，可以在此选择Vender/Product和Kernel/Library/Defaults等内容。根据我们使用的平台，我们选择：Vender-AnalogDevices，Product-HHBF533（或者HHBF531），Libc-uClibc；如果要配置内核和应用程序还要分别选中“Customize Kernel Settings”、“Customize Vender/User Settings”。退出保存后，将依次进入配置内核和配置应用程序页。

　　如果想单独配置内核，可以进入目录linux-2.6.x/内运行“make menuconfig”。配置应用程序在这个源码包里好像没有单独的config选项。这些关于内核源码包结构的基本知识，需要大家提前了解。

　　下面，我们来配置内核。

　　配置一个可以在我们的SDRAM中运行的内核很简单，因为底层工作都已经完成。我们只需要配置一下处理器相关内容即可。处理器选项位于内核配置页的“Blackfin Processer Options”。进入该配置页，进行如下配置：

　　CPU - BF533

　　System type - BF533-HHBF

　　Board Customizations - 根据你的开发板时钟、SDRAM信息配置，其他不用修改。

　　Clock Settings - 取消“Re-programClocks while Kernel boots”，默认为u-boot的时钟配置。

　　其他选项不用修改，各项配置功能介绍见文档《附.Linux 2.6.19.x内核编译配置选项简介》。

　　以上配置正确后，下载到你的开发板上，应该就可以运行了。但通过串口下载速度太慢，我们先去掉一些不需要的驱动。由于我们没有网络功能，所以把网络及其驱动全部取消，可以裁减150KB左右的空间；我们也不需要音视频功能，所以把音视频驱动也取消，又可以减小很大空间。如此配置后，我们可以尝试下载到SDRAM中运行了。

　　现在，我们还不想裁减根文件系统，所以，我们想得到一个不带根文件系统的压缩内核镜像。由于华恒提供的源码包，编译后不能得到压缩的不带根文件系统的镜像，所以我们要通过修改Makefile得到我们需要的编译结果。

　　需要修改的Makefile位于uClinux-dist目录下，打开该Makefile，在“.PHONY:linux”项的”ln –f $（LINUXDIR）/vmlinux $（LINUXDIR）/linux;\”语句后，添加以下内容。

　　

　　这样在uClinux-dist目录下执行“make linux”就可以生成压缩的不带根文件系统的内核镜像了，该镜像文件为uImage.bin，位于linux-2.6.x目录内。现在，可以将得到的内核下载到SDRAM中运行了。因为是压缩内核，所以运行时要使用u-boot的bootm命令。至于u-boot命令的使用方法，自行学习。

　　Makefile也是编译内核的基础知识，需要大家逐步掌握。

　　这样，该步的工作就可以告一段落了。

　　下载到SDRAM中，如果解压后无法运行，先检查一下上述配置操作是否有误。如果确定无误，就需要分析内核的执行过程，仔细分析问题了。接下来简单介绍一下内核执行流程。

　　二，内核执行流程：

　　承接上篇《u-boot引导uclinux过程分析》，介绍内核启动流程。

　　A，内核vmlinux入口

　　u-boot执行“（*appl）（cmdline）;”语句后，控制权就移交给linux内核，appl变量指向的地址就是linux内核的首地址。

　　Linux内核执行的第一个文件是/linux-2.6.x/arch/blackfin/mach-bf533/head.S。经过一系列的初始化，跳转到start_kernel（）函数，即进入linux系统初始化阶段。

　　B， Linux系统初始化

　　Start_kernel（）函数位于文件/linux-2.6.x/init/main.c中，是linux内核通用的初始化函数。无论对于什么体系结构的linux，都要执行这个函数。

　　

　　Start_kernel（）函数负责初始化内核各子系统，最后调用rest_init（），启动一个叫作init的内核线程，继续初始化。

　　

　　起始内核线程init的任务依然是初始化，只不过是一种更高层次的初始化。

　

　　

　　函数do_basic_setup（）是init进程中最重要的函数，与嵌入式系统关系最紧密的是其中的do_initcalls（）函数，该函数与设备驱动程序加载有关。

　　函数prepare_namespace（）函数主要目的是准备好系统的命名空间，其中最重要的函数是mount_root（），其功能是挂载根文件系统。

　　四个run_init_process（）函数查找init进程程序并尝试执行。如果没有找到一个可以执行的init程序，则报告错误“Noinit found”。

　　C，初始化设备驱动

　　参考B中的do_basic_setup（）函数。

　　D，挂接根文件系统

　　参考B中的prepare_namespace（）函数。

　　E， 启动用户空间init进程

　　当内核挂载了根文件系统后，内核的启动工作就全部结束了，但系统还不能正常启动起来，因为还需要通过根文件系统上的init程序来完成一下最后的设置工作。这个init程序一般在/sbin、/etc或/bin目录下。

　　三，裁减内核（不带根文件系统）并烧写到flash中：

　　该步承接上步的工作。由于上步已经做了一定的裁减，该步只需要在此基础上进一步裁减即可。该步工作相对叫简单，只需要将不需要的驱动选项取消即可，当然要注意保证内核的依赖关系。

　　我们的flash容量为512KB，u-boot占有64KB空间，剩下的只有448KB。另外，根文件系统大约还需要100KB空间，所以内核大小要控制在350KB以内。我们先尝试将不需要的驱动和选项全部取消，让内核运行起来。

　　在“二，配置并在RAM中运行内核（不带根文件系统）”的基础上，我们进一步删除的驱动包括：

　　l 取消“Loadble module support”支持

　　l 取消“Block layer”支持

　　l 取消“Bus options”所有支持

　　l 取消“Power management options”支持

　　l 取消“CPU Frequency scaling”支持

　　l 取消“Profiling Support”支持

　　l 取消“Security options”支持

　　l 取消“Cryptographic options”支持

　　l 取消除了串口和MTD以外的所有硬件驱动支持

　　l 取消内部RTC驱动

　　l 取消对ELF格式文件支持

　　取消以上选项后，内核可以控制在350KB以内了。所以，不需进一步修改Makefile来裁减内核了。这样就可以下载并烧写到flash内保存了。

　　四，配置应用程序和裁减根文件系统：

　　根文件系统挂载到内核有两种基本方式：独立于内核存放通过MTD分区识别并挂载和链接到内核数据段通过ramdisk挂载（两种方式都是我自己概括的，可能描述上有些不尽合理，仅供参考）。不论那种方式，都需要MTD驱动支持，所以内核要支持MTD并配置正确，保持华恒源码包原MTD配置即可。

　　HHBF5XX 的Linux BSP 使用ext2 格式的ramdisk 作为根文件系统，直接链接到内核数据段，所以这里介绍这种方式。另一种方式这里不作介绍，其相关资料更丰富。

　　与根文件系统（ramfs）相关的链接内容如下，位于文件/linux-2.6.x/arch/Blackfin/Kernel/vmlinux.lds.S中。

　

　　内核通过__initramfs_start和__initramfs_end找到根文件系统的img，这两个变量在文件/linux-2.6.x/init/Initramfs.c中被引用。

　　介绍完根文件系统的挂载方式，我们来介绍如何配置和裁减应用程序。

　　由于flash容量限制，而且我们也并不需要很多应用程序的支持，所以我们可以只保留最简单的init、sh、ls、cd等应用程序，其他应用全部裁减掉。注意必须保证要有init和sh，否则内核无法运行或没有shell界面。另外，为了进一步裁减体积，我们利用busybox制作根文件系统，busybox的介绍文档网上非常多，这里不再介绍。

　　按照以上分析，我们来配置应用程序和busybox。

　　按照“一，配置并在RAM中运行内核（不带根文件系统）”中介绍的方法进入应用程序配置页。只需选中Busybox内的BusyboxSVN，其余选项全部取消，完全用busybox代替。

　　然后，我们来配置busybox。进入busybox目录，运行配置命令：

　　#cd user/busybox-svn

　　#make menuconfig

　　除了按照我们上面介绍的，保留最基本的应用程序之外，其他全部取消；还有一点需要特别注意。就是在“Build options”选择中选中编译成静态库，而不要编译成共享库，这样在根文件系统挂载时省去很多麻烦，虽然最后得到的内核体积会稍微增大一下。共享库的应用可以在内核运行成功后，进一步学习。

　　这样配置得到的根文件系统已经裁减了很大体积，但下载到SDRAM中运行时会发现根文件系统占有的内存空间仍然很大，始终保持12.5MB空间。这是因为，根文件系统的运行空间是在生成镜像时指定的。要裁减占有的内存空间，可以如下修改。

　　#vi vender/HHTech/BF533-HHBF/Makefile

　　修改第14行的“BLOCKS = 12800”为较小的值，比如说4096等，必须是256的整数倍，否则内核运行时根文件系统报错。这样修改后，根文件系统占有的flash和SDRAM空间都会相应减小。

　　通过以上裁减后，带有根文件系统的内核镜像完全可以控制在448KB以内，下载保存到flash后运行，你就可以看到可爱的“uClinux”欢迎界面了。

　　如果要进一步裁减根文件系统，可以修改和删除vender/HHTech/BF533-HHBF/目录下的相关文件，具体操作不再详述。

　　uClinux的多进程处理

　　uClinux没有mmu管理存储器，在实现多个进程时（fork调用生成子进程）需要实现数据保护。 uClinux的fork和vfork：uClinux的fork等于vfork。实际上uClinux的多进程管理通过vfork来实现。这意味着 uClinux系统fork调用完程后，要么子进程代替父进程执行（此时父进程已经sleep）直到子进程调用exit退出，要么调用exec执行一个新的进程，这个时候将产生可执行文件的加载，即使这个进程只是父进程的拷贝，这个过程也不能避免。当子进程执行exit或exec后，子进程使用 wakeup把父进程唤醒，父进程继续往下执行。　　 uClinux的这种多进程实现机制同它的内存管理紧密相关。 uClinux针对nommu处理器开发，所以被迫使用一种flat方式的内存管理模式，启动新的应用程序时系统必须为应用程序分配存储空间，并立即把应用程序加载到内存。缺少了MMU的内存重映射机制，uClinux必须在可执行文件加载阶段对可执行文件reloc处理，使得程序执行时能够直接使用物理内存。