uclinux内核配置与裁减

嵌入式操作系统

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描述

  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。

  内核配置

  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。

  内核配置

  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。

  内核配置

  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。

 内核配置

  内核配置

  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。

 内核配置

  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。

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