嵌入式Linux系統(tǒng)構(gòu)造解析

目前嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，一臺通用PC的外部設(shè)備就有5~10個嵌入式微處理器，如鍵盤、軟驅(qū)、硬盤、顯示器、打印機、掃描儀、USB接口等均是由嵌入式處理器控制的。在制造工業(yè)、過程控制、通信電視、儀器儀表、汽車船舶、航空航天、消費類產(chǎn)品均是嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)目前主要有：Windows CE、VxWorks、QNX等，它們都具較好的實時性，系統(tǒng)可靠性，任務(wù)處理隨機性等優(yōu)點。但是它們的價格普遍偏高，很多開發(fā)商承受不起。因而，Linux操作系統(tǒng)成為嵌入式操作系統(tǒng)的首選，原因如下：
　　在精簡內(nèi)核在編譯內(nèi)核之前，首先要明確需要那些驅(qū)動和模塊，然后只選擇需要的驅(qū)動和模塊，例如，如果系統(tǒng)不需要網(wǎng)絡(luò)支持，則可以去掉網(wǎng)絡(luò)模塊。內(nèi)核一般是以壓縮方式存放的，在系統(tǒng)啟動時會自行解壓。內(nèi)核都是常駐內(nèi)存的，當(dāng)需要調(diào)用應(yīng)用程序時，再把需要的程序從磁盤
　　調(diào)入內(nèi)存運行。
　　構(gòu)建內(nèi)核常用的命令包括：
　　◆ make config：內(nèi)核配置，調(diào)用 。/scripts/Configure 按照 arch/i386/config.in 來進行配置。
　　◆ make dep：尋找依賴關(guān)系。
　　◆ make clean：清除以前構(gòu)建內(nèi)核所產(chǎn)生的所有目標(biāo)文件、模塊文件、以及一些臨時文件等。
　　◆ make rmproper：刪除所有因構(gòu)建內(nèi)核過程中產(chǎn)生的所有文件，把內(nèi)核恢復(fù)到最原始的狀態(tài)。
　　◆ make：構(gòu)核，通過各目錄的Makefile 文件將會在各個目錄下產(chǎn)生許多目標(biāo)文件。如果內(nèi)核沒有錯誤，將產(chǎn)生文件vmlinux，這就是構(gòu)建的內(nèi)核。
　　◆ make zImage：在make 的基礎(chǔ)上產(chǎn)生壓縮的內(nèi)核映象文件。/arch/$（ARCH）/boot/zImage 以及在 。/arch/$（ARCH）/boot/compresed/目錄下產(chǎn)生臨時文件。
　　◆ make bzImage：在make 的基礎(chǔ)上產(chǎn)生壓縮比例更大的內(nèi)核映象文件。/arch/$（ARCH）/boot/bzImage 以及在 。/arch/$（ARCH）/boot/compresed/目錄下產(chǎn)生臨時文件。
　　◆ make modules：編譯模塊文件，在make config 時所配置的所有模塊將在這時編譯，形成模塊目標(biāo)文件，并把這些目標(biāo)文件存放在modules 目錄中。
　　◆ make modules_install：把上面編譯好的模塊目標(biāo)文件放置在目錄 。/lib/modules/$KERNEL_VERSION/ 中。上面的編譯內(nèi)核是在沒有改變源代碼的情況下實現(xiàn)的，如果覺得源代碼提供的功能在某些方面不能滿足要求，就要修改源代碼了。源代碼中主要有以下幾個關(guān)鍵部分：有關(guān)進程管理的task_struct 結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)幾乎包括了與進程有關(guān)的所有文件內(nèi)容，還有任務(wù)隊列、時鐘管理和中斷管理，各種進程間的通信機制，內(nèi)存管理中各種內(nèi)存分配函數(shù)的實現(xiàn)，虛擬文件系統(tǒng)。
　　系統(tǒng)啟動
　　引導(dǎo)啟動程序主要包括以下三個文件：bootsect.s，head.s和setup.s 這三個文件雖然都是匯編程序，但確使用了兩種語法格式。bootsect.s和setup.s 采用了近似于Intel的匯編語言語法，需要使用Intel 8086 匯編器和連接器 as86和ld86。head.s 則使用了GUN的匯編格式，并且運行在保護模式下，需要用GUN的as 進行編譯。這是一種AT&T語法的匯編語言格式。 Bootsect.s代碼時磁盤引導(dǎo)塊程序，駐留在磁盤的第一個扇區(qū)中，在PC機加電ROM-BIOS自檢后，引導(dǎo)扇區(qū)由BIOS加載到內(nèi)存0x7C00處，然后將自己移動到內(nèi)存0x90000處。該程序的主要作用是首先將setup模塊（由setup.s編譯的）從磁盤加載到內(nèi)存緊接著bootsect的后面位置（0x90200），然后利用BIOS中斷0x13取磁盤參數(shù)表中當(dāng)前啟動引導(dǎo)盤的參數(shù)，接著在屏幕上顯示“Loading system.。.”字符串。再將system模塊從磁盤上加載到內(nèi)存0x10000開始的地方。隨后確定根文件系統(tǒng)的設(shè)備號。
　　Setup程序的作用主要是利用ROM-BIOS中斷讀取機器系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)保存到0x90000開始的位置（覆蓋了bootsect程序所在的地方）。然后setup程序?qū)ystem模塊從0x10000整塊向下移動到內(nèi)存絕對地址0x0000處，接下來加載中斷描述符表寄存器（idtr）和全局描述表寄存器（gdtr）。開啟A20地址線，重新設(shè)置兩個中斷控制芯片8259A，將硬件中斷號重新設(shè)置為0x20-0x2f。最后設(shè)置CPU的控制寄存器CR0（也稱機器狀態(tài)字），從而進入32位保護模式進行，并跳轉(zhuǎn)到位于system模塊最前面部分的head.s程序繼續(xù)運行。 Head.s程序在被編譯后，會被連接成system模塊的最前面開始部分，即頭部（head）程序。從這里開始，內(nèi)核完全都是在保護模式下運行了。這段程序?qū)嶋H上處于內(nèi)存絕對地址0處開始的地方。這個程序功能比較單一，首先是加載各個數(shù)據(jù)段寄存器，重新設(shè)置中斷描述符表idt，共256項。然后重新設(shè)置中斷描述符表gdt，接下來檢測A20地址線是不是開啟了，再檢測PC機是否含有數(shù)學(xué)協(xié)處理器芯片，然后設(shè)置管理內(nèi)存的分頁處理機制，最后利用返回指令將預(yù)先放置在堆棧中的/init/main.c程序的入口地址彈出，去運行main（）內(nèi)核初始化程序。
　　設(shè)備驅(qū)動程序
　　設(shè)備驅(qū)動程序在Linux內(nèi)核中扮演著特殊的角色，它們是一個個獨立的“黑盒子”，使某個特定的硬件響應(yīng)一個定義良好的內(nèi)部編程接口，同時完全隱藏了設(shè)備的工作細節(jié)。用戶操作通過一組標(biāo)準化的調(diào)用完成，而這些調(diào)用是和特定的驅(qū)動程序無關(guān)的。設(shè)備驅(qū)動程序提供的功能是同外設(shè)進行數(shù)據(jù)傳送。設(shè)備包括三種類型：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)接口。每個模塊通常實現(xiàn)其中一種類型，相應(yīng)地，模塊可分為字符模塊（char module）、塊模塊（block module）和網(wǎng)絡(luò)模塊（network module）三種。然而這種分類方式并不是十分嚴格，程序員可以構(gòu)建一個大的模塊，在其中實現(xiàn)不同類型的設(shè)備驅(qū)動程序。三種類型的設(shè)備如下：