跳至主要內容

嵌入式Linux系统移植的一些基本概念

丁毅桂2025/12/11大约 8 分钟电子嵌入式

嵌入式Linux系统移植的一些基本概念

目录

嵌入式Linux系统构成

典型嵌入式Linux系统的组成部分

  • bootloder 引导程序
  • kernel Linux内核
  • fs 文件系统
    • 存放用户态的可执行程序和数据
    • rootfs 系统级可执行程序
    • datafs/userfs 用户数据

什么是移植？

  • 修改bootloder源代码
  • 修改kernel源代码
  • 修改文件系统中用户态可执行程序源代码
  • 目的：使其能够在目标硬件平台运行

Bootloder

Bootloder的作用

在PC电脑上，操作系统的引导工作通常由 BIOS引导程序 和 MBR分区表的第一个扇区或GPT分区表的EFI分区 配合完成；
而嵌入式系统通常没有BIOS固件程序，因此整个系统的引导工作由bootloder来完成

  • 负责初始化硬件设备
  • 建立内存空间映射图
  • 准备好合适的软硬件环境
  • 以便最终调用操作系统内核程序

Bootloder的特点

  • Bootloder不是操作系统内核代码
  • Bootloder代码是针对特点CPU架构的汇编代码，不可移植。
  • Bootloder代码依赖CPU架构 同时依赖嵌入式系统板级配置

Bootloder程序的基本流程

  • 初始化硬件
  • 将操作系统内核从Flash（存储器）拷贝到SDRAM（内存）中；
  • 改写系统的内存映射
    • 由Flash起始地址为0 改为SDRAM起始地址为0
  • 设置堆栈指针 清零BSS段
    • 执行C程序和调用子函数要用到。
  • 提供Linux内核启动参数
  • 启动Linux内核
  • 改变PC寄存器的值，使得CPU开始执行真正的操作系统内核。

u-boot是什么？

  • U-Boot(Universal Boot Loader)，即通用Bootloader
    • 通用
      • 支持多架构CPU: PowerPC、MIPC、X86、ARM等;
      • 支持多系统OS: Linux、VxWorks、QNX、LynxOscar等操作系统
  • 德国DENX小组开发的用于多种嵌入式CPU的bootloader程序
  • 遵循GPL条款的开放源代码项目
  • Bootloader不属于操作系统内核，这一部分代码不具有可移植性;
  • 在移植操作系统时，这部分代码必须加以改写;
  • Bootloader不但依赖于CPU的体系结构，而且依赖于嵌入式系统板级设备的配置

u-boot特点

  • 代码结构清晰、易于移植
  • 支持多种处理器体系结构
  • 支持众多开发板
  • 支持网络协议、USB、SD等多种协议和设备
  • 支持文件系统

Kernel

Linux内核功能

  • 内存管理：
    • 裸板开发操作物理地址
    • linux软件开发可以malloc()获取虚拟地址
  • 进程管理/进程通信
    • 裸板开发通过RTOS实现多任务
    • linux软件开发通过fork()实现多任务
  • 文件系统
    • 裸板开发需要手动管理数据，精确到字节，需考虑存储地址、偏移、写入字节数
    • linux软件开发通过文件系统管理数据，精确到文件
  • 设备管理
  • 网络协议
    • linux是对网络协议支持最全的操作系统
    • TCP/UDP/IP 协议都在linux源代码中有实现

内核的本质

  • 从C语言角度看内核：c语言函数的集合。
  • 从硬件角度看内核：硬件的管理者和维护者。
  • 从应用程序角度看内核：服务提供者。

内核镜像生成的过程

# 经典路径（ARM32位架构）
a.o b.o c.o ->  vmlinux(ELF) -> Image(bin) -> zImage(自解压代码+压缩后的Image) -> uImage(64B头信息+zImage)

# 现代路径（ARM64位架构）
a.o b.o c.o ->  vmlinux(ELF) -> Image(bin) -> Image.gz(现代引导程序如u-boot可以直接处理) -> image.fit（满足更复杂的启动需求 如需要同时包含内核、设备树、初始内存磁盘等）

镜像格式简介

镜像格式说明主要用途
vmlinux最原始、未压缩的ELF内核文件，包含调试符号。主要用于内核调试，不适合直接引导系统。
Image经过 objcopy 处理后的纯二进制内核映像，移除了调试符号等元数据。是生成各种压缩格式的基础。
zImage适用于小内核的压缩映像，自解压到低端内存（第一个640K）。ARM 32位等平台的传统压缩格式。
uImage在zImage前添加64字节U-Boot专用头的映像格式。主要为兼容旧版U-Boot。
Image.gz直接对Image进行gzip压缩的格式，现代引导程序可直接加载解压。ARM64架构的默认压缩格式，简洁高效。
FIT Image一种灵活的容器格式，可包含内核、设备树、初始内存磁盘等。用于现代U-Boot，支持安全验证和复杂启动配置。

fs文件系统

嵌入式文件系统

  • 是一种对存储设备上的数据进行组织管理的控制机制
  • 是操作系统的一部分，负责管理和存储文件。

嵌入式Linux系统中典型的存储子系统层次化架构

  • 用户层 (User Layer)
    • 目录树：为用户和应用程序提供统一的文件访问视图。用户通过路径（如 /home/data/file.txt）来操作文件，完全无需关心文件实际存储在哪种介质上。
  • 内核层 (Kernel Layer)
    • 虚拟文件系统 (VFS)：这是整个架构的核心抽象层。它定义了一组标准的文件操作接口（如 open, read, write, close）。上层应用只需与VFS交互，而VFS负责将这些通用调用“翻译”并路由到下层的具体文件系统。
    • 具体文件系统：VFS之下是各种针对不同存储介质优化的文件系统实现：
      • JFFS2, YAFFS：专为Nand Flash设计的日志闪存文件系统，处理了闪存特有的擦除、读写均衡、坏块管理等问题。
      • Cramfs, Romfs：只读的压缩文件系统，常用于存放固件、系统程序等不变的数据，节省空间。
      • Ramdisk：将一部分内存（RAM）虚拟成块设备，作为临时性的高速文件系统，但掉电数据会丢失。
  • 驱动层 (Driver Layer)
    • MTD子系统：这是Linux内核为内存技术设备设计的统一驱动框架，专门用于管理各类闪存。
      • MTD设备驱动：直接操作具体的Flash硬件（如某型号的Nor或Nand Flash芯片），负责最底层的读写、擦除命令。
      • MTD字符/块设备：MTD向上提供的两种视图。
        • MTD字符设备：提供对闪存的原始、字节级访问（如用于烧写引导程序）。
        • MTD块设备：将闪存模拟成标准的块设备（类似硬盘），这样上层的文件系统（如JFFS2）就可以像操作普通磁盘一样在其上创建文件系统。
  • 硬件层 (Hardware Layer)
    • Nor Flash：支持芯片内执行，读写速度快，但价格高、容量小，常用于存储启动代码。
    • Nand Flash：容量大、成本低，是主要的存储介质，但需要复杂的坏块管理和磨损均衡。
    • RAM：易失性存储器，速度快，用于Ramdisk或作为系统缓存。
  • alt text
  • alt text

关键技术与数据流

  1. VFS的抽象作用：VFS是连接用户空间和多样存储后端的桥梁，它使得 ext4, FAT32, JFFS2 等不同文件系统可以在Linux中共存，对用户透明。
  2. MTD的标准化意义：在MTD出现之前，每种Flash都需要为其文件系统编写专用驱动，耦合度高。MTD定义了标准的Flash操作接口，将闪存驱动和闪存文件系统解耦。文件系统基于MTD接口开发，驱动则实现MTD接口，二者可以独立开发和替换。
  3. 完整数据访问路径示例
    当用户执行 cat /mnt/nand/example.txt 时：
    1. 用户层通过路径发起请求。
    2. VFS解析路径，发现 /mnt/nand 挂载的是YAFFS2文件系统。
    3. VFS调用YAFFS2文件系统的 read 方法。
    4. YAFFS2文件系统将文件操作转换为对逻辑块地址的请求，并通过MTD块设备接口下发。
    5. MTD子系统将块设备请求转换为对具体Nand Flash芯片的读操作序列。
    6. MTD设备驱动操控硬件，从Nand Flash中读取数据，并按原路返回给用户。

总结

bootloder

  • 硬件上电后固定跳转到该位置执行代码
  • 初始化相应硬件设备
  • 加载操作系统内核代码到内存
  • 跳转到内核代码的起始位置开始执行

kernel

  • 内核自解压ulmage
  • 初始化硬件设备
  • 初始化静态编译进内核的驱动模块
  • 挂载根文件系统
  • 执行第一个用户空间程序

第一个用户空间程序

  • 配置用户环境
  • 执行服务进程
贡献者: YiguiDing
MIT Licensed | Copyright © 2019-present Yigui-Ding