uclinux內(nèi)核配置與裁減

　　uclinux表示micro-control linux.即“微控制器領(lǐng)域中的Linux系統(tǒng)”，是Lineo公司的主打產(chǎn)品，同時(shí)也是開放源碼的嵌入式Linux的典范之作。uCLinux主要是針對(duì)目標(biāo)處理器沒有存儲(chǔ)管理單元MMU（Memory Management Unit）的嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。它已經(jīng)被成功地移植到了很多平臺(tái)上。由于沒有MMU，其多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)需要一定技巧。

　　uClinux是嵌入式Linux領(lǐng)域非常重要的分支，已成功應(yīng)用于路由器、機(jī)頂盒、PDA等領(lǐng)域，與標(biāo)準(zhǔn)Linux在內(nèi)存管理方面有著本質(zhì)的區(qū)別。

　　Uclinux的配置和裁減也是利用的華恒科技提供的源碼包（用于hhbf531學(xué)習(xí)板）。我們使用的開發(fā)板信息如下：

　　CPU：BF533

　　FLASH：S29AL004D-512KB

　　SDRAM：HY57V281620-16MB

　　這里我不敢說(shuō)“uclinux的移植”，而只是以“配置與裁減”代之，是因?yàn)槲矣X得自己的工作真的談不上什么移植?，F(xiàn)成的源碼包，所有的底層驅(qū)動(dòng)都已經(jīng)完成，我們所要做的只是選擇自己需要的驅(qū)動(dòng)、配置一下內(nèi)核、做一些裁減工作而已。每每聽到其他人提到“最近又完成了×××平臺(tái)的linux移植”，我都會(huì)有點(diǎn)擔(dān)心：國(guó)內(nèi)有多少工程師能真正從最初始的工作開始，完成一個(gè)平臺(tái)的系統(tǒng)移植——應(yīng)該很少吧。

　　下面，我分以下步驟簡(jiǎn)單介紹一下我的配置過(guò)程。

　　一，配置并在RAM中運(yùn)行內(nèi)核（不帶根文件系統(tǒng)）：

　　由于我們的flash空間有限，在沒有裁減之前，就算不帶根文件系統(tǒng)，也無(wú)法燒寫到flash內(nèi)保存；所以先嘗試下載到RAM中運(yùn)行。另外，我們目前的開發(fā)板上沒有網(wǎng)絡(luò)功能，只能通過(guò)串口下載，所以在這里配置內(nèi)核的過(guò)程中，做一些簡(jiǎn)單裁減，以便節(jié)約下載時(shí)間。

　　解壓源碼包后，進(jìn)入uclinux目錄：

　　#cd uClinux-dist

　　設(shè)定交叉工具鏈：

　　#PATH=”/usr/local/bin/gcc-bfin-3.4-uclinux/bin/：$PATH”

　　進(jìn)入配置：

　　#make menuconfig

　　運(yùn)行后，進(jìn)入“MainMenu”配置頁(yè)，可以在此選擇Vender/Product和Kernel/Library/Defaults等內(nèi)容。根據(jù)我們使用的平臺(tái)，我們選擇：Vender-AnalogDevices，Product-HHBF533（或者HHBF531），Libc-uClibc；如果要配置內(nèi)核和應(yīng)用程序還要分別選中“Customize Kernel Settings”、“Customize Vender/User Settings”。退出保存后，將依次進(jìn)入配置內(nèi)核和配置應(yīng)用程序頁(yè)。

　　如果想單獨(dú)配置內(nèi)核，可以進(jìn)入目錄linux-2.6.x/內(nèi)運(yùn)行“make menuconfig”。配置應(yīng)用程序在這個(gè)源碼包里好像沒有單獨(dú)的config選項(xiàng)。這些關(guān)于內(nèi)核源碼包結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)，需要大家提前了解。

　　下面，我們來(lái)配置內(nèi)核。

　　配置一個(gè)可以在我們的SDRAM中運(yùn)行的內(nèi)核很簡(jiǎn)單，因?yàn)榈讓庸ぷ鞫家呀?jīng)完成。我們只需要配置一下處理器相關(guān)內(nèi)容即可。處理器選項(xiàng)位于內(nèi)核配置頁(yè)的“Blackfin Processer Options”。進(jìn)入該配置頁(yè)，進(jìn)行如下配置：

　　CPU - BF533

　　System type - BF533-HHBF

　　Board Customizations - 根據(jù)你的開發(fā)板時(shí)鐘、SDRAM信息配置，其他不用修改。

　　Clock Settings - 取消“Re-programClocks while Kernel boots”，默認(rèn)為u-boot的時(shí)鐘配置。

　　其他選項(xiàng)不用修改，各項(xiàng)配置功能介紹見文檔《附.Linux 2.6.19.x內(nèi)核編譯配置選項(xiàng)簡(jiǎn)介》。

　　以上配置正確后，下載到你的開發(fā)板上，應(yīng)該就可以運(yùn)行了。但通過(guò)串口下載速度太慢，我們先去掉一些不需要的驅(qū)動(dòng)。由于我們沒有網(wǎng)絡(luò)功能，所以把網(wǎng)絡(luò)及其驅(qū)動(dòng)全部取消，可以裁減150KB左右的空間；我們也不需要音視頻功能，所以把音視頻驅(qū)動(dòng)也取消，又可以減小很大空間。如此配置后，我們可以嘗試下載到SDRAM中運(yùn)行了。

　　現(xiàn)在，我們還不想裁減根文件系統(tǒng)，所以，我們想得到一個(gè)不帶根文件系統(tǒng)的壓縮內(nèi)核鏡像。由于華恒提供的源碼包，編譯后不能得到壓縮的不帶根文件系統(tǒng)的鏡像，所以我們要通過(guò)修改Makefile得到我們需要的編譯結(jié)果。

　　需要修改的Makefile位于uClinux-dist目錄下，打開該Makefile，在“.PHONY:linux”項(xiàng)的”ln –f $（LINUXDIR）/vmlinux $（LINUXDIR）/linux;\”語(yǔ)句后，添加以下內(nèi)容。

　　這樣在uClinux-dist目錄下執(zhí)行“make linux”就可以生成壓縮的不帶根文件系統(tǒng)的內(nèi)核鏡像了，該鏡像文件為uImage.bin，位于linux-2.6.x目錄內(nèi)?，F(xiàn)在，可以將得到的內(nèi)核下載到SDRAM中運(yùn)行了。因?yàn)槭菈嚎s內(nèi)核，所以運(yùn)行時(shí)要使用u-boot的bootm命令。至于u-boot命令的使用方法，自行學(xué)習(xí)。

　　Makefile也是編譯內(nèi)核的基礎(chǔ)知識(shí)，需要大家逐步掌握。

　　這樣，該步的工作就可以告一段落了。

　　下載到SDRAM中，如果解壓后無(wú)法運(yùn)行，先檢查一下上述配置操作是否有誤。如果確定無(wú)誤，就需要分析內(nèi)核的執(zhí)行過(guò)程，仔細(xì)分析問(wèn)題了。接下來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下內(nèi)核執(zhí)行流程。

　　二，內(nèi)核執(zhí)行流程：

　　承接上篇《u-boot引導(dǎo)uclinux過(guò)程分析》，介紹內(nèi)核啟動(dòng)流程。

　　A，內(nèi)核vmlinux入口

　　u-boot執(zhí)行“（*appl）（cmdline）;”語(yǔ)句后，控制權(quán)就移交給linux內(nèi)核，appl變量指向的地址就是linux內(nèi)核的首地址。

　　Linux內(nèi)核執(zhí)行的第一個(gè)文件是/linux-2.6.x/arch/blackfin/mach-bf533/head.S。經(jīng)過(guò)一系列的初始化，跳轉(zhuǎn)到start_kernel（）函數(shù)，即進(jìn)入linux系統(tǒng)初始化階段。

　　B， Linux系統(tǒng)初始化

　　Start_kernel（）函數(shù)位于文件/linux-2.6.x/init/main.c中，是linux內(nèi)核通用的初始化函數(shù)。無(wú)論對(duì)于什么體系結(jié)構(gòu)的linux，都要執(zhí)行這個(gè)函數(shù)。

　　Start_kernel（）函數(shù)負(fù)責(zé)初始化內(nèi)核各子系統(tǒng)，最后調(diào)用rest_init（），啟動(dòng)一個(gè)叫作init的內(nèi)核線程，繼續(xù)初始化。

　　起始內(nèi)核線程init的任務(wù)依然是初始化，只不過(guò)是一種更高層次的初始化。

　　函數(shù)do_basic_setup（）是init進(jìn)程中最重要的函數(shù)，與嵌入式系統(tǒng)關(guān)系最緊密的是其中的do_initcalls（）函數(shù)，該函數(shù)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序加載有關(guān)。

　　函數(shù)prepare_namespace（）函數(shù)主要目的是準(zhǔn)備好系統(tǒng)的命名空間，其中最重要的函數(shù)是mount_root（），其功能是掛載根文件系統(tǒng)。

　　四個(gè)run_init_process（）函數(shù)查找init進(jìn)程程序并嘗試執(zhí)行。如果沒有找到一個(gè)可以執(zhí)行的init程序，則報(bào)告錯(cuò)誤“Noinit found”。

　　C，初始化設(shè)備驅(qū)動(dòng)

　　參考B中的do_basic_setup（）函數(shù)。

　　D，掛接根文件系統(tǒng)

　　參考B中的prepare_namespace（）函數(shù)。

　　E， 啟動(dòng)用戶空間init進(jìn)程

　　當(dāng)內(nèi)核掛載了根文件系統(tǒng)后，內(nèi)核的啟動(dòng)工作就全部結(jié)束了，但系統(tǒng)還不能正常啟動(dòng)起來(lái)，因?yàn)檫€需要通過(guò)根文件系統(tǒng)上的init程序來(lái)完成一下最后的設(shè)置工作。這個(gè)init程序一般在/sbin、/etc或/bin目錄下。

　　三，裁減內(nèi)核（不帶根文件系統(tǒng)）并燒寫到flash中：

　　該步承接上步的工作。由于上步已經(jīng)做了一定的裁減，該步只需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步裁減即可。該步工作相對(duì)叫簡(jiǎn)單，只需要將不需要的驅(qū)動(dòng)選項(xiàng)取消即可，當(dāng)然要注意保證內(nèi)核的依賴關(guān)系。

　　我們的flash容量為512KB，u-boot占有64KB空間，剩下的只有448KB。另外，根文件系統(tǒng)大約還需要100KB空間，所以內(nèi)核大小要控制在350KB以內(nèi)。我們先嘗試將不需要的驅(qū)動(dòng)和選項(xiàng)全部取消，讓內(nèi)核運(yùn)行起來(lái)。

　　在“二，配置并在RAM中運(yùn)行內(nèi)核（不帶根文件系統(tǒng)）”的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步刪除的驅(qū)動(dòng)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以外的所有硬件驅(qū)動(dòng)支持

　　l 取消內(nèi)部RTC驅(qū)動(dòng)

　　l 取消對(duì)ELF格式文件支持

　　取消以上選項(xiàng)后，內(nèi)核可以控制在350KB以內(nèi)了。所以，不需進(jìn)一步修改Makefile來(lái)裁減內(nèi)核了。這樣就可以下載并燒寫到flash內(nèi)保存了。

　　四，配置應(yīng)用程序和裁減根文件系統(tǒng)：

　　根文件系統(tǒng)掛載到內(nèi)核有兩種基本方式：獨(dú)立于內(nèi)核存放通過(guò)MTD分區(qū)識(shí)別并掛載和鏈接到內(nèi)核數(shù)據(jù)段通過(guò)ramdisk掛載（兩種方式都是我自己概括的，可能描述上有些不盡合理，僅供參考）。不論那種方式，都需要MTD驅(qū)動(dòng)支持，所以內(nèi)核要支持MTD并配置正確，保持華恒源碼包原MTD配置即可。

　　HHBF5XX 的Linux BSP 使用ext2 格式的ramdisk 作為根文件系統(tǒng)，直接鏈接到內(nèi)核數(shù)據(jù)段，所以這里介紹這種方式。另一種方式這里不作介紹，其相關(guān)資料更豐富。

　　與根文件系統(tǒng)（ramfs）相關(guān)的鏈接內(nèi)容如下，位于文件/linux-2.6.x/arch/Blackfin/Kernel/vmlinux.lds.S中。

　　內(nèi)核通過(guò)__initramfs_start和__initramfs_end找到根文件系統(tǒng)的img，這兩個(gè)變量在文件/linux-2.6.x/init/Initramfs.c中被引用。

　　介紹完根文件系統(tǒng)的掛載方式，我們來(lái)介紹如何配置和裁減應(yīng)用程序。

　　由于flash容量限制，而且我們也并不需要很多應(yīng)用程序的支持，所以我們可以只保留最簡(jiǎn)單的init、sh、ls、cd等應(yīng)用程序，其他應(yīng)用全部裁減掉。注意必須保證要有init和sh，否則內(nèi)核無(wú)法運(yùn)行或沒有shell界面。另外，為了進(jìn)一步裁減體積，我們利用busybox制作根文件系統(tǒng)，busybox的介紹文檔網(wǎng)上非常多，這里不再介紹。

　　按照以上分析，我們來(lái)配置應(yīng)用程序和busybox。

　　按照“一，配置并在RAM中運(yùn)行內(nèi)核（不帶根文件系統(tǒng)）”中介紹的方法進(jìn)入應(yīng)用程序配置頁(yè)。只需選中Busybox內(nèi)的BusyboxSVN，其余選項(xiàng)全部取消，完全用busybox代替。

　　然后，我們來(lái)配置busybox。進(jìn)入busybox目錄，運(yùn)行配置命令：

　　#cd user/busybox-svn

　　#make menuconfig

　　除了按照我們上面介紹的，保留最基本的應(yīng)用程序之外，其他全部取消；還有一點(diǎn)需要特別注意。就是在“Build options”選擇中選中編譯成靜態(tài)庫(kù)，而不要編譯成共享庫(kù)，這樣在根文件系統(tǒng)掛載時(shí)省去很多麻煩，雖然最后得到的內(nèi)核體積會(huì)稍微增大一下。共享庫(kù)的應(yīng)用可以在內(nèi)核運(yùn)行成功后，進(jìn)一步學(xué)習(xí)。

　　這樣配置得到的根文件系統(tǒng)已經(jīng)裁減了很大體積，但下載到SDRAM中運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)根文件系統(tǒng)占有的內(nèi)存空間仍然很大，始終保持12.5MB空間。這是因?yàn)?，根文件系統(tǒng)的運(yùn)行空間是在生成鏡像時(shí)指定的。要裁減占有的內(nèi)存空間，可以如下修改。

　　#vi vender/HHTech/BF533-HHBF/Makefile

　　修改第14行的“BLOCKS = 12800”為較小的值，比如說(shuō)4096等，必須是256的整數(shù)倍，否則內(nèi)核運(yùn)行時(shí)根文件系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)。這樣修改后，根文件系統(tǒng)占有的flash和SDRAM空間都會(huì)相應(yīng)減小。

　　通過(guò)以上裁減后，帶有根文件系統(tǒng)的內(nèi)核鏡像完全可以控制在448KB以內(nèi)，下載保存到flash后運(yùn)行，你就可以看到可愛的“uClinux”歡迎界面了。

　　如果要進(jìn)一步裁減根文件系統(tǒng)，可以修改和刪除vender/HHTech/BF533-HHBF/目錄下的相關(guān)文件，具體操作不再詳述。

　　uClinux的多進(jìn)程處理

　　uClinux沒有mmu管理存儲(chǔ)器，在實(shí)現(xiàn)多個(gè)進(jìn)程時(shí)（fork調(diào)用生成子進(jìn)程）需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保護(hù)。 uClinux的fork和vfork：uClinux的fork等于vfork。實(shí)際上uClinux的多進(jìn)程管理通過(guò)vfork來(lái)實(shí)現(xiàn)。這意味著 uClinux系統(tǒng)fork調(diào)用完程后，要么子進(jìn)程代替父進(jìn)程執(zhí)行（此時(shí)父進(jìn)程已經(jīng)sleep）直到子進(jìn)程調(diào)用exit退出，要么調(diào)用exec執(zhí)行一個(gè)新的進(jìn)程，這個(gè)時(shí)候?qū)a(chǎn)生可執(zhí)行文件的加載，即使這個(gè)進(jìn)程只是父進(jìn)程的拷貝，這個(gè)過(guò)程也不能避免。當(dāng)子進(jìn)程執(zhí)行exit或exec后，子進(jìn)程使用 wakeup把父進(jìn)程喚醒，父進(jìn)程繼續(xù)往下執(zhí)行?！　?uClinux的這種多進(jìn)程實(shí)現(xiàn)機(jī)制同它的內(nèi)存管理緊密相關(guān)。 uClinux針對(duì)nommu處理器開發(fā)，所以被迫使用一種flat方式的內(nèi)存管理模式，啟動(dòng)新的應(yīng)用程序時(shí)系統(tǒng)必須為應(yīng)用程序分配存儲(chǔ)空間，并立即把應(yīng)用程序加載到內(nèi)存。缺少了MMU的內(nèi)存重映射機(jī)制，uClinux必須在可執(zhí)行文件加載階段對(duì)可執(zhí)行文件reloc處理，使得程序執(zhí)行時(shí)能夠直接使用物理內(nèi)存。