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1、-1-嵌入式嵌入式 Linux 操作系统在操作系统在 PC104 上的实现上的实现 马记平，彭楚武，蒙娟，张斌（湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082）摘要摘要：论文简要分析了 Linux 操作系统启动过程，介绍了 Busybox、MiniGUI 等优秀的嵌入式专用软件，以及以 PC104 主板和 CF（CompactFlash）卡构建带图象用户界面（GUI）的嵌入式 Linux 操作系统的关键技术。关键词关键词：启动过程；Linux；GUI；MiniGUI 中国分类号：中国分类号：TP36 TP36 文献标识码：文献标识码：B Implementation of Embedded L
2、inux on PC104 Motherboard MA Ji-ping，PENG Chu-wu，MENG Juan，ZHANG Bin（College of Electric and Information Engineering，Hunan University，Changsha，China 410082）Abstract:This paper analyses the startup process of linux,and introduces some embedded software such as Busybox、MiniGUI.The key technique of usi
3、ng PC104 board and CompactFlash card to design a Linux system with GUI(graphic user interface)are analysed.Keyword:startup process;Linux;GUI;MiniGUI 1 引言1 引言 Linux 从问世到现在，短短的十几年时间已经发展成为功能强大、设计完善的操作系统之一，可运行在 X86、MIPS、ARM、Motorola、NEC 等多种硬件平台，而且开放源代码，可以定制，在新兴的嵌入式操作系统领域获得了飞速的发展。采用 PC104 主板，可以大大减小体积，系统更
4、加紧凑可靠，而且 PC104主板上的 CPU 一般都是 X86 结构，方便于 linux 在其上的裁减和移植，Linux 在 PC104 上可成功移植为系统的后续快速开发奠定基础。2 Linux 的启动过程分析的启动过程分析 为了更好的理解嵌入式 Linux 操作系统在 PC104 上的实现，首先讨论一下 Linux 操作系统的启动过程，下面以内核引导程序 GRUB 为例，介绍 Linux 在 X86 PC 机上的启动过程。启动过程分为五个阶段：加电复位；BIOS 自举阶段；MBR 中的 GRUB 的启动；Linux 内核的运行及系统的初始化；init 进程的运行。系统加电或复位后，指令指针指
5、向地址 0 xFFFF0【6】，这个地址在系统的 ROM-BIOS 空间，存放 BIOS启动代码。进入 BIOS 启动后，首先上电自检，完成内存检验、键盘检验、DMA 控制器测试、8259 中断控制器测试等，然后对系统内的硬件设备进行监测和连接。若检查出致命错误则停机，并显示错误信息，把测试所得数据存放到 BIOS 的数据区。最后判断磁盘设备是否准备好，若无磁盘设备相连或没有主引导记录，则显示出错信息。否则将 MBR 的 Boot Loader 调至内存 0 x07C00 处【6】，并将控制权交给 Boot Loader。硬盘的 0 磁道的第一个扇区称为 MBR(Master Boot Rec
6、order),它的大小是 512 字节。Boot Loader 通常是一段汇编代码，存放在 MBR 中，作用是将系统启动代码读到内存中，GRUB（GRand Unified Bootloader）是一个独立于作业系统之外的开机程序，可以进行多操作系统的引导。若将 GRUB 安装在 MBR 中，GRUB将完成用户信息的显示、操作系统的选择、命令行参数的传递，然后加载操作系统内核，最后将控制权交给操作系统，内核接下来会完成一些硬件设备的初始化，初始化完成后，内核创建第一个进程(初始进程)，该进程为系统的第 0 号进程，接着初始化文件系统，挂载根文件系统，再执行 init 进程；系统自此进入了用户态
7、。init 程序接着将依照 inittab 配置文件中的选项依次执行来完成剩下的启动任务。到这里用户才得到真正实用操作系统了。init 读取/etc/inittab 时，首先找到标明 sysinit 的一行，并执行其后指定的脚本文件，这个脚本文件通常类似/etc/init.d/rcS，它是一组建立基本系统服务的 shell 指令，诸如：（1）挂载/etc/fstab 文 _ 湖南省2004年度重点科技攻关项目（04GK2012）-2-件中指定的分区到指定的目录；（2）载入一些编译内核时生成的模块；（3）启动 GUI 程序。当/etc/init.d/rcS执行结束后，控制权回到 init 上，接
8、下来 init 进程会根据/etc/inittab 的说明运行相应进程。至此 Linux 操作系统启动过程结束。3 Linux 在在 PC104 上的实现上的实现 在专用的嵌入式板子运行 GNU/Linux 系统已经变得越来越流行。一个嵌入式 Linux 系统从软件的角度看通常可以分为四个层次：引导加载程序、Linux 内核、文件系统、图形用户界面。以下就从这四个方面论述嵌入式 Linux 在 PC104 上的实现。3.1 引导加载程序引导加载程序 简单地说，Boot Loader 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将
9、系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。目前可选用的引导工具很多，如 LILO 或 GRUB。我们选用了 GRUB，安装 GRUB 首先要根据用户系统的搭建情况编辑/etc/grub.conf 文件，下面是/etc/grub.conf 文件：default=0 timeout=5 title cflinux root（hd0，0）kernel/boot/vmlinuz-2.4.18 ro root=/dev/hdc1 vga=0 x0314 首先将 cf 卡格式化，建立 grub 所需要的目录，在 cf 卡上安装 grub 引导程序，将/etc/grub
10、.conf 写到CF 卡上，开机重启，设置从 CF 卡启动，如果系统可以运行出现 cflinux 条符，说明 GRUB 安装成功。3.2 Linux 内核裁减内核裁减 内核，是 Linux 操作系统的核心。它负责管理系统的进程和进程调度、CPU、内存、设备驱动程序、文件、I/O 处理等，决定着系统的性能和稳定性。其它系统程序都必须通过它才可以使用系统资源，获取系统服务。一切系统行为无论巨细都要通过内核参与。标准 Linux 在 PC 机上的最大安装大约需要至少 2G 的磁盘空间，由于嵌入式系统中资源有限，不能使用标准 Linux 的安装，而且嵌入式系统是针对特定应用的，不同的应用要求突出嵌入式
11、操作系统某方面的功能，而对其他的功能则很少使用或者根本不需要，这就需要根据具体的应用对内核进行裁减，使其适应某专用系统。根据目标板的硬件特点配置内核的编译选项，为了减低不必要的复杂性，内核中不采用 kernel module支持，把需要的东西直接编译到内核里，根据 PC104 主板的配置需要将有关 CPU、内存管理、system V支持、doc 驱动、闪存 MTD 驱动、JFFS2 文件系统支持、串口支持、IDE 支持、Frame buffer 的支持（也是必要的，这来源于 MiniGUI 系统的要求）等功能编译进内核，这样编译出的内核只有 400KB 左右。3.3 文件系统的实现文件系统的实
12、现 文件系统是指在一个物理设备上的任何文件组织和目录，它构成了 Linux 系统上所有数据的基础，Linux 程序、库、系统文件和用户文件都驻留其中，因此它是系统中庞大复杂且又是最为基本和重要的资源。值得提出的是，Linux 系统中的文件不仅包括普通的文件和目录，每个和设备相关的实际实体也都被映射为一个文件，例如磁盘、打印机、终端等等，这样的设备文件又称为特殊文件。所以，Linux 下的文件是操作系统服务和设备的简单而又统一的接口，从某种意义上可以说，Linux 里的一切事物都是文件。Linux 支持 ext2、ext3、nfs、JFFS2 等类型的文件系统，由于我们的操作系统是放在 CF 卡
13、上的，所以我们选用了 JFFS2 文件系统，JFFS2 作为用于微型嵌入式设备的原始闪存芯片的实际文件系统而出现。JFFS2 文件系统是日志结构化的，相对于 Ext2 文件系统，JFFS2 有以下优点：JFFS2 在扇区级别上执行闪存擦除写读操作要比 Ext2 文件系统好。JFFS2 提供了比 Ext2fs 更好的崩溃掉电安全保护【5】。当需要更改少量数据时，Ext2 文件系统将整个扇区复制到内存（DRAM）中，在内存中合并新数据，并写回整个扇区。这意味着为了更改单个字，必须对整个扇区（64 KB）执行读擦除写例程这样做的效率非常低。要是运气差，当正在 DRAM 中合并数据时，发生了电源故障或
14、其它事故，那么将丢失整个数据集合，因为在将数据读入 DRAM 后就-3-擦除了闪存扇区。JFFS2 附加文件而不是重写整个扇区，并且具有崩溃掉电安全保护这一功能。JFFS2 是专门为象闪存芯片那样的嵌入式设备创建的，所以它的整个设计提供了更好的闪存管理【5】。根文件系统主要由配置文件、设备文件、Linux 基本命令、基本 C 语言库组成。后两者是主要的，也是占空间最大的，用 Busybox 和 uClibc 的组合够建这两部分内容，可以大大节省空间。Busybox 是一个集成了一百多个最常用 Linux 命令和工具的软件，用户可以根据自己的需要，在 Busybox 中编译进自己需要的应用程序的
15、功能，我们动态编译后的 Busybox 只有 133.7KB【1】。uClibc 是专用于嵌入式系统的基本 C 函数库，比 GNU 的基本 C 函数库 glibc 小很多，只要用 uClibc 提供的 C 语言编译器对应用程序的源代码进行重新编译，就可以在uClibc的基础上使用应用程序了。配置文件主要有/etc/inittab、/etc/init.d/rcS、/etc/fstab、/etc/MiniGUI.cfg(针对 GUI)，下面是/etc/inittab 文件：:sysinit:/etc/init.s/rcS:respawn:/sbin/getty 9600 ttyS0:respawn
16、:/bin/sh:ctrlaltdel:/bin/umount a r:shutdown:/bin/umount a r/etc/init.d/rcS 文件：#！/bin/sh mount-a cd/usr./minigui/etc/fstab 文件：/dev/hda1 /ext2 defaults 1 1 none /proc proc defaults 0 0 busybox 内建的 init 程序用到的 inittab 文件的语法和一般的不一样，不能直接把原系统/etc 下 inittab文件拷贝过来，可以把 busybox 目录下是示例文件拷贝过来修改用。3.4 图形用户界面图形用户界
17、面 现在面向嵌入式 Linux 系统的图形用户界面很多，如 MiniGUI、Qt/Eembedded、OpenGUI、MicoroWindows 等，我们选用 MiniGUI，其目标是为基于 Linux 嵌入式系统提供一个轻量级的图形用户界面支持系统。MiniGUI 主要运行于 Linux 控制台，是一个多窗口 GUI 支持系统，采用了类 Win32 的 API接口，遵循 LGPL 条款的纯自由软件，可以运行在任何具有 POSIX 兼容系统上。因为 MiniGUI 是以源代码的形式发布的，在硬盘上以编译的方法产生的 MiniGUI 的 libminigui 目录下包含了这些源代码以及编译时生成
18、的中间文件，所以需要的空间很大，是不可能将它全部拷贝到容量受限的嵌入式系统上的，我们需要的文件有：MiniGUI 的函数库，包括 libminigui、libvcongui 和 libmgext【3】等，还包括其他的应用程序函数库。MiniGUI 的配置文件，即/usr/local/etc/MiniGUI.cfg 文件。MiniGUI 所使用的资源文件，在 PC 上安装之后，MiniGUI 的资源文件保存在usr/local/lib/minigui/res 目录下。因为我们的 cf 卡空间有限制，需要对上述文件继续裁减：MiniGUI 的函数库的裁减，在运行./configure 时进行定制，
19、取消不需要的功能；裁减后的库大小为 500KB；MiniGUI 配置文件的修改，删除不需要的字体等配置选项；MiniGUI 资源文件裁减，根据配置文件将不需要的资源文件删除。裁减后的资源文件大小为318.1KB。此一个在拥有图形用户界面的嵌入式 Linux 操作平台已经搭建完成，用户可以在开发系统上写自己的应用程序了。Linux 的体系结构及其占用空间如表 1 所示.：-4-表 1 Linux 体系结构表 操作系统组成部分占用空间大小 Linux 内核 395KB busybox 基本命令578KB uClibc 400KB minigui 900KB 4 结束语结束语 本文通过分析 Linu
20、x 的启动过程，详细说明了 Linux 内核裁减、文件系统定制、MiniGUI 裁减的过程，即 Linux 在 PC104 主板上移植的工作。实现了一个小巧且拥有用户界面的嵌入式 Linux 操作系 统，具有体积小、网络功能强、执行效率高、用户界面友好等特点，有很好的推广应用前景。本文作者创新点本文作者创新点：在 PC104 上实现了一个具有人机交互界面的仅 2M 左右的 Linux 操作系统。参考文献：参考文献：1 busybox 主页EB.http:/ uclibc 主页EB.http:/uclibc.org/.3 minigui 主页EB.http:/minigui.org/.4 李善平
21、等.Linux 与嵌入式系统M.北京：清华大学出版社，2003 5 YAGHMOURV.构建嵌入式 Linux 系统M.北京：中国电力出版社，2004.12 6 DANIEL P.BOVET，MARCO CESATI.深入理解 Linux 内核M.北京：中国电力出版社，2004.7 张永强，田紫君，申利永，赵齐.基于 ARM 的 HM30C7202 平台的嵌入式 Linux 移植J.微计算机信息，2005，（4）125-126；作者简介：作者简介：马记平，女，1979 年出生，汉族，硕士研究生，研究方向：嵌入式系统的研究与应用；E-mail: 或 ；彭楚武，男，1949 年出生，教授，研究方向
22、：嵌入式系统及 CIMS 的研究；Author brief introduction:Ma Jiping,female,born in 1979,the Han nationality,a graduate student,Research Area:study and application of the embedded system;Peng Chuwu,male,born in 1949,Professor,Research Area:the embedded system and CIMS.（410082 长沙 湖南大学电气与信息工程学院）马记平 彭楚武 蒙娟 张斌(College of Electric and Information Engineering，Hunan University，Changsha410082，China）MaJjPing PengChuWu MengJuan Zhang Bin 联系地址：（410082 湖南大学电气与信息工程学院 407 室）马记平