Embedded Linux 技术与概念解析

在选择解决方案时，若是决定采用Linux做为嵌入式操作系统，首先当然就是要确定厂商是否提供完整的BSP。不过，由于Linux是由社群所维护发展，因此，选择目前Linux kernel内有支持的平台，将会是较好的选择，这也是为什么有许多大厂，主动贡献并提交BSP给kernel.org的原因。

目前在kernel社群比较活跃的ARM9厂商，或是社群主动积极协助维护的SOC平台，像是ATMEL、Samsung与TI OMAP等，这些都是kernel.org的Linux kernel就有支持的处理器，这表示让Linux支持这些平台的方式也很简单，就是到kernel.org下载官方的Linux kernel即可。

Crosstool

针对ARM9或是其它平台的开发，最重要的工具就是Cross Toolchain。Cross Toolchain的制作一直是Embedded Linux开发者的梦靥，大多数人选择由网络下载现成的开发工具，但经常会遇到缺乏链接库的编译错误。完整的Cross Toolchain包含1套基本的gcc cross compiler以及其它的应用链接库;Cross Toolchain是制作基本gcc cross compiler的工具，透过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个基本的Linux系统(base system)，让kernel在完成开机后，进入user mode执行使用者程序。Root filesystem的建置主要是以Busybox为主，并加入(移植)客制化的开放源码(open source)与自由软件(free software)。

因为嵌入式Linux的root filesystem是依照需求加入套件，与桌面环境的Linux distribution不同，因此都是用从头打造的方式做起。在建立root filesystem时，链接库相依 (library dependencies) 的议题是相当重要的项目。当root filesystem缺少必要的library时，程序当然无法执行，甚至系统也会无法顺利启动。分析应用程序所需的相依链接库，观念如下：

(1)先利用Cross Toolchain的objdump指令观察ELF格式里的「NEEDED」项目。

(2)必须再检查这些library是否相依其它library。

1个基本且可开机的root filesystem，也称做bootstrap root filesystem，1个可用的bootstrap root filesystem只需要包含busybox与libc即可。传统的Embedded Linux应用，大多是以NFS的方式来测试目标装置的完整root filesystem(full root filesystem)。以NFS进行Embedded Linux开发测试，主要是针对目标装置的full root filesystem做立即(right now)的系统执行测试(run-time)，免除不断打包image file、开机的恶梦。这是1种流行很久的Embedded Linux系统测试与开发方式，其概念如下：

(1)将target的完整root filesystem(例如ARM9 root filesystem)建置后，存放于host端的某个目录下，例如/home/rootfs。

(2)为target制作1个NFS root filesystem，也就是bootstrap root filesystem+ NFS功能，并使用NFS root filesystem将目标装置开机。

(3)设定host端为NFS server。

(4)以NFS mount方式将host端上的root filesystem目录mount进来，即可在目标装置上执行full root filesystem里的应用程序。

这种方式不但简单，而且方便，需要的基础建设如下：

1.目标装置使用的kernel必须支持NFS。

2.制作bootstrap root filesystem时，需要加入mount指令，并且开启mount指令的NFS功能。

3.加入NFS functionality至bootstrap root filesystem。

4.设定NFS server。

制作完成的root filesystem必须做打包的动作，将整个root filesystem包装成1个映像档(image file)。根据目标装置的不同，我们可以将映像档包装成ROM fs、Compress ROM fs、ext2fs或是compress RAM fs。

ROM file system

ROM file system(romfs)是1种只读的档案系统，在Embedded Linux里的主要应用为制作romfs格式的档案系统映像文件。我们将root filesystem制作成romfs filesystem的imagen。开机后，整个filesystem仅能读取。要使用romfs filesystem必须将Linux kernel里的CONFIG_ROMFS_FS功能选项打开。制作ROM fs映像档所使用的工具为genromfs。

Compressed ROM file system

Compressed ROM file system(cromfs)即是压缩过的ROM file system，其制作方式相当简单，只要使用gzip将ROM file system的映像档压缩即可。

制作ext2fs映像档

制作ext2fs映像档的方式有2种。1种是使用dd指令产生1个空白的映像档，接着再将此映像档以mkfs.ext2指令格式化成ext2的格式。制作好的空白映像档再以loopback mount方式挂载到1个目录下，再将root filesystem整个复制到此目录下，即可完成ext2fs映像档的制作。

另外1种建立ext2fs映像档的方式是使用genext2fs工具，此工具的好处是，当我们需要在root filesystem里预先建立(pre-built)装置文件时(device file)，只需要编写1个装置文件表格，genext2fs工具会在打包映像档时，自动在root filesystem里建立装置文件。

Initial RAM disk(initrd)

RAM disk是存在于内存中的虚拟磁盘，也就是将RAM拿来当成磁盘使用。在Embedded Linux的应用中，我们通常会将ramdisk当成暂存目录来使用。例如将/dev/ram1附挂到/tmp目录，以便能让应用程序存放暂时性档案。/dev/ram?为ramdisk的device file。由于整个root filesystem是从真正的储存装置读取并加载至ramdisk，因此有1个重要的特性是对file system所做的任何修改，都不会影响到真正root filesystem的内容。

initrd全名为initialize RAM disk，是1个特殊的RAM disk。bootloader会将initrd载至内存，Linux kernel则可在/dev/ram0找到initrd。initrd会在Linux kernel开机前就加载，initrd正式的用途是用来存放开机时所需要的驱动程序(因root filesystem尚未mount进来)。在Embedded Linux应用上，我们会利用initrd来存放整个档案系统(root filesystem)，也就是将root filesystem制作成ext2或romfs格式(或其它档案系统)的映像文件，并在开机时由bootloader加载内存，initrd均位于/dev/ram0。要使用RAM disk与initrd，必须将Linux kernel的CONFIG_BLK_DEV_RAM以及CONFIG_BLK_DEV_INITRD)。