Embedded Linux 技術與概念解析

在選擇解決方案時，若是決定采用Linux做為嵌入式操作系統，首先當然就是要確定廠商是否提供完整的BSP。不過，由于Linux是由社群所維護發展，因此，選擇目前Linux kernel內有支持的平臺，將會是較好的選擇，這也是為什么有許多大廠，主動貢獻并提交BSP給kernel.org的原因。

目前在kernel社群比較活躍的ARM9廠商，或是社群主動積極協助維護的SOC平臺，像是ATMEL、Samsung與TI OMAP等，這些都是kernel.org的Linux kernel就有支持的處理器，這表示讓Linux支持這些平臺的方式也很簡單，就是到kernel.org下載官方的Linux kernel即可。

Crosstool

針對ARM9或是其它平臺的開發，最重要的工具就是Cross Toolchain。Cross Toolchain的制作一直是Embedded Linux開發者的夢靨，大多數人選擇由網絡下載現成的開發工具，但經常會遇到缺乏鏈接庫的編譯錯誤。完整的Cross Toolchain包含1套基本的gcc cross compiler以及其它的應用鏈接庫;Cross Toolchain是制作基本gcc cross compiler的工具，透過crosstool即可制作ARM9的基本toolchain。

Root Filesystem概念

Root filesystem的建置，即是在建立1個基本的Linux系統(base system)，讓kernel在完成開機后，進入user mode執行使用者程序。Root filesystem的建置主要是以Busybox為主，并加入(移植)客制化的開放源碼(open source)與自由軟件(free software)。

因為嵌入式Linux的root filesystem是依照需求加入套件，與桌面環境的Linux distribution不同，因此都是用從頭打造的方式做起。在建立root filesystem時，鏈接庫相依 (library dependencies) 的議題是相當重要的項目。當root filesystem缺少必要的library時，程序當然無法執行，甚至系統也會無法順利啟動。分析應用程序所需的相依鏈接庫，觀念如下：

(1)先利用Cross Toolchain的objdump指令觀察ELF格式里的「NEEDED」項目。

(2)必須再檢查這些library是否相依其它library。

1個基本且可開機的root filesystem，也稱做bootstrap root filesystem，1個可用的bootstrap root filesystem只需要包含busybox與libc即可。傳統的Embedded Linux應用，大多是以NFS的方式來測試目標裝置的完整root filesystem(full root filesystem)。以NFS進行Embedded Linux開發測試，主要是針對目標裝置的full root filesystem做立即(right now)的系統執行測試(run-time)，免除不斷打包image file、開機的惡夢。這是1種流行很久的Embedded Linux系統測試與開發方式，其概念如下：

(1)將target的完整root filesystem(例如ARM9 root filesystem)建置后，存放于host端的某個目錄下，例如/home/rootfs。

(2)為target制作1個NFS root filesystem，也就是bootstrap root filesystem+ NFS功能，并使用NFS root filesystem將目標裝置開機。

(3)設定host端為NFS server。

(4)以NFS mount方式將host端上的root filesystem目錄mount進來，即可在目標裝置上執行full root filesystem里的應用程序。

這種方式不但簡單，而且方便，需要的基礎建設如下：

1.目標裝置使用的kernel必須支持NFS。

2.制作bootstrap root filesystem時，需要加入mount指令，并且開啟mount指令的NFS功能。

3.加入NFS functionality至bootstrap root filesystem。

4.設定NFS server。

制作完成的root filesystem必須做打包的動作，將整個root filesystem包裝成1個映像檔(image file)。根據目標裝置的不同，我們可以將映像檔包裝成ROM fs、Compress ROM fs、ext2fs或是compress RAM fs。

ROM file system

ROM file system(romfs)是1種只讀的檔案系統，在Embedded Linux里的主要應用為制作romfs格式的檔案系統映像文件。我們將root filesystem制作成romfs filesystem的imagen。開機后，整個filesystem僅能讀取。要使用romfs filesystem必須將Linux kernel里的CONFIG_ROMFS_FS功能選項打開。制作ROM fs映像檔所使用的工具為genromfs。

Compressed ROM file system

Compressed ROM file system(cromfs)即是壓縮過的ROM file system，其制作方式相當簡單，只要使用gzip將ROM file system的映像檔壓縮即可。

制作ext2fs映像檔

制作ext2fs映像檔的方式有2種。1種是使用dd指令產生1個空白的映像檔，接著再將此映像檔以mkfs.ext2指令格式化成ext2的格式。制作好的空白映像檔再以loopback mount方式掛載到1個目錄下，再將root filesystem整個復制到此目錄下，即可完成ext2fs映像檔的制作。

另外1種建立ext2fs映像檔的方式是使用genext2fs工具，此工具的好處是，當我們需要在root filesystem里預先建立(pre-built)裝置文件時(device file)，只需要編寫1個裝置文件表格，genext2fs工具會在打包映像檔時，自動在root filesystem里建立裝置文件。

Initial RAM disk(initrd)

RAM disk是存在于內存中的虛擬磁盤，也就是將RAM拿來當成磁盤使用。在Embedded Linux的應用中，我們通常會將ramdisk當成暫存目錄來使用。例如將/dev/ram1附掛到/tmp目錄，以便能讓應用程序存放暫時性檔案。/dev/ram?為ramdisk的device file。由于整個root filesystem是從真正的儲存裝置讀取并加載至ramdisk，因此有1個重要的特性是對file system所做的任何修改，都不會影響到真正root filesystem的內容。

initrd全名為initialize RAM disk，是1個特殊的RAM disk。bootloader會將initrd載至內存，Linux kernel則可在/dev/ram0找到initrd。initrd會在Linux kernel開機前就加載，initrd正式的用途是用來存放開機時所需要的驅動程序(因root filesystem尚未mount進來)。在Embedded Linux應用上，我們會利用initrd來存放整個檔案系統(root filesystem)，也就是將root filesystem制作成ext2或romfs格式(或其它檔案系統)的映像文件，并在開機時由bootloader加載內存，initrd均位于/dev/ram0。要使用RAM disk與initrd，必須將Linux kernel的CONFIG_BLK_DEV_RAM以及CONFIG_BLK_DEV_INITRD)。