嵌入式Linux基础教程

目　录

第1章　入门　1

1.1　为什么选择Linux　1

1.2　嵌入式Linux现状　2

1.3　开源和GPL　2

1.4　标准及相关组织　3

1.4.1　Linux标准基础　3

1.4.2　Linux基金会　4

1.4.3　电信级Linux　4

1.4.4　移动Linux计划：Moblin　4

1.4.5　服务可用性论坛　5

1.5　小结　5

第2章　综述　6

2.1　嵌入与非嵌入　6

2.2　剖析嵌入式系统　7

2.2.1　典型的嵌入式Linux开发环境　8

2.2.2　启动目标板　9

2.2.3　引导内核　10

2.2.4　内核初始化：概述　12

2.2.5　第一个用户空间进程：init　13

2.3　存储　14

2.3.1　闪存　14

2.3.2　NAND型闪存　15

2.3.3　闪存的用途　16

2.3.4　闪存文件系统　17

2.3.5　内存空间　17

2.3.6　执行上下文　19

2.3.7　进程虚拟内存　20

2.3.8　交叉开发环境　21

2.4　嵌入式Linux发行版　22

2.4.1　商业Linux发行版　24

2.4.2　打造自己的Linux发行版　24

2.5　小结　24

第3章　处理器基础　26

3.1　独立处理器　26

3.1.1　IBM 970FX　27

3.1.2　英特尔奔腾M　27

3.1.3　英特尔凌动TM　28

3.1.4　飞思卡尔MPC7448　28

3.1.5　配套芯片组　28

3.2　集成处理器：片上系统　30

3.2.1　Power架构　30

3.2.2　飞思卡尔Power架构　30

3.2.3　飞思卡尔PowerQUICC I　31

3.2.4　飞思卡尔PowerQUICC II　32

3.2.5　PowerQUICC II Pro　32

3.2.6　飞思卡尔PowerQUICC III　33

3.2.7　飞思卡尔QorIQTM　34

3.2.8　AMCC Power架构　36

3.2.9　MIPS　38

3.2.10　Broadcom MIPS　38

3.2.11　其他MIPS　39

3.2.12　ARM　40

3.2.13　德州仪器ARM　40

3.2.14　飞思卡尔ARM　42

3.2.15　其他ARM处理器　43

3.3　其他架构　43

3.4　硬件平台　43

3.4.1　CompactPCI　43

3.4.2　ATCA　44

3.5　小结　44

第4章　Linux内核：不同的视角　46

4.1　背景知识　46

4.1.1　内核版本　47

4.1.2　内核源码库　48

4.1.3　使用git下载内核代码　49

4.2　Linux内核的构造　49

4.2.1　顶层源码目录　49

4.2.2　编译内核　50

4.2.3　内核主体：vmlinux　52

4.2.4　内核镜像的组成部分　53

4.2.5　子目录的布局　56

4.3　内核构建系统　57

4.3.1　.config文件　57

4.3.2　配置编辑器　58

4.3.3　Makefile目标　61

4.4　内核配置　66

4.4.1　定制配置选项　68

4.4.2　内核Makefile　71

4.5　内核文档　72

4.6　获得定制的Linux内核　72

4.7　小结　73

第5章　内核初始化　75

5.1　合成内核镜像：Piggy及其他　75

5.1.1　Image对象　78

5.1.2　与具体架构相关的对象　78

5.1.3　启动加载程序　79

5.1.4　引导消息　80

5.2　初始化时的控制流　83

5.2.1　内核入口：head.o　84

5.2.2　内核启动：main.c　85

5.2.3　架构设置　86

5.3　内核命令行的处理　87

5.4　子系统初始化　92

5.5　init线程　94

5.5.1　通过initcalls进行初始化　95

5.5.2　initcall_debug　96

5.5.3　最后的引导步骤　97

5.6　小结　98

第6章　用户空间初始化　100

6.1　根文件系统　100

6.1.1　FHS：文件系统层次结构标准　101

6.1.2　文件系统布局　101

6.1.3　最小化的文件系统　102

6.1.4　嵌入式根文件系统带来的挑战　103

6.1.5　试错法　104

6.1.6　自动化文件系统构建工具　104

6.2　内核的最后一些引导步骤　104

6.2.1　第一个用户空间程序　106

6.2.2　解决依赖关系　106

6.2.3　定制的初始进程　107

6.3　init进程　107

6.3.1　inittab　109

6.3.2　Web服务器启动脚本示例　111

6.4　初始RAM磁盘　112

6.4.1　使用initrd进行引导　113

6.4.2　引导加载程序对initrd的支持　113

6.4.3　initrd的奥秘所在：linuxrc　115

6.4.4　initrd探究　116

6.4.5　构造initrd镜像　116

6.5　使用initramfs　117

6.6　关机　119

6.7　小结　120

第7章　引导加载程序　122

7.1　引导加载程序的作用　122

7.2　引导加载程序带来的挑战　123

7.2.1　DRAM控制器　123

7.2.2　闪存与RAM　123

7.2.3　镜像的复杂性　124

7.2.4　执行环境　126

7.3　通用引导加载程序：Das U-Boot　126

7.3.1　获取U-Boot　127

7.3.2　配置U-Boot　127

7.3.3　U-Boot的监控命令　129

7.3.4　网络操作　130

7.3.5　存储子系统　132

7.3.6　从磁盘引导　133

7.4　移植U-Boot　133

7.4.1　EP405的U-Boot移植　133

7.4.2　U-Boot Makefile中的配置目标　134

7.4.3　EP405的第一次构建　135

7.4.4　EP405 处理器初始化　136

7.4.5　与具体板卡相关的初始化　138

7.4.6　移植总结　141

7.4.7　U-Boot镜像格式　141

7.5　设备树对象（扁平设备树）　143

7.5.1　设备树源码　145

7.5.2　设备树编译器　148

7.5.3　使用DTB的其他内核镜像　148

7.6　其他引导加载程序　149

7.6.1　Lilo　149

7.6.2　GRUB　150

7.6.3　其他更多的引导加载程序　151

7.7　小结　152

第8章　设备驱动程序基础　154

8.1　设备驱动程序的概念　154

8.1.1　可加载模块　155

8.1.2　设备驱动程序架构　155

8.1.3　最小设备驱动程序示例　156

8.1.4　模块构建的基础设施　157

8.1.5　安装设备驱动程序　160

8.1.6　加载模块　160

8.1.7　模块参数　161

8.2　模块工具　162

8.2.1　insmod　162

8.2.2　lsmod　163

8.2.3　modprobe　163

8.2.4　depmod　164

8.2.5　rmmod　165

8.2.6　modinfo　165

8.3　驱动程序方法　166

8.3.1　驱动程序中的文件系统操作　166

8.3.2　设备号的分配　169

8.3.3　设备节点和mknod　169

8.4　综合应用　170

8.5　在内核源码树外构建驱动　171

8.6　设备驱动程序和GPL　172

8.7　小结　173

第9章　文件系统　174

9.1　Linux文件系统概念　175

9.2　ext2　176

9.2.1　挂载文件系统　177

9.2.2　检查文件系统的完整性　178

9.3　ext3　180

9.4　ext4　182

9.5　ReiserFS　182

9.6　JFFS2　183

9.7　cramfs　185

9.8　网络文件系统　187

9.9　伪文件系统　190

9.9.1　/proc文件系统　191

9.9.2　sysfs　194

9.10　其他文件系统　196

9.11　创建简单的文件系统　197

9.12　小结　199

第10章　MTD子系统　201

10.1　MTD概述　201

10.1.1　开启MTD服务　202

10.1.2　MTD基础　203

10.1.3　在目标板上配置MTD　205

10.2　MTD分区　205

10.2.1　使用Redboot分区表进行分区　206

10.2.2　使用内核命令行传递分区信息　210

10.2.3　映射驱动　211

10.2.4　闪存芯片驱动　213

10.2.5　与具体板卡相关的初始化　214

10.3　MTD工具　215

10.4　UBI文件系统　219

10.4.1　配置UBIFS　219

10.4.2　构建UBIFS镜像　220

10.4.3　使用UBIFS作为根文件系统　222

10.5　小结　222

第11章　BusyBox　224

11.1　BusyBox简介　224

11.2　BusyBox的配置　225

11.3　BusyBox的操作　227

11.3.1　BusyBox的init　230

11.3.2　rcS初始化脚本示例　232

11.3.3　BusyBox在目标板上的安装　233

11.3.4　BusyBox小应用　235

11.4　小结　235

第12章　嵌入式开发环境　237

12.1　交叉开发环境　237

12.2　对主机系统的要求　241

12.3　为目标板提供服务　242

12.3.1　TFTP服务器　242

12.3.2　BOOTP/DHCP 服务器　243

12.3.3　NFS服务器　245

12.3.4　目标板使用NFS挂载根文件系统　247

12.3.5　U-Boot中使用NFS挂载根文件系统的例子　248

12.4　小结　250

第13章　开发工具　252

13.1　GNU调试器（GDB）　252

13.1.1　调试核心转储　253

13.1.2　执行GDB　255

13.1.3　GDB中的调试会话　257

13.2　数据显示调试器　258

13.3　cbrowser/cscope　260

13.4　追踪和性能评测工具　261

13.4.1　strace　261

13.4.2　strace命令行选项　264

13.4.3　ltrace　266

13.4.4　ps　267

13.4.5　top　269

13.4.6　mtrace　270

13.4.7　dmalloc　272

13.4.8　内核oops　274

13.5　二进制工具　276

13.5.1　readelf　277

13.5.2　使用readelf查看调试信息　278

13.5.3　objdump　280

13.5.4　objcopy　281

13.6　其他二进制实用程序　281

13.6.1　strip　281

13.6.2　addr2line　282

13.6.3　strings　282

13.6.4　ldd　282

13.6.5　nm　283

13.6.6　prelink　283

13.7　小结　284

第14章　内核调试技术　286

14.1　内核调试带来的挑战　286

14.2　使用KGDB进行内核调试　287

14.2.1　KGDB的内核配置　288

14.2.2　在开启KGDB时引导目标板　289

14.2.3　一些有用的内核断点　293

14.2.4　KGDB与控制台共享一个串行端口　294

14.2.5　调试非常早期的内核代码　295

14.2.6　主线内核对KGDB的支持　296

14.3　内核调试技术　297

14.3.1　gdb远程串行协议　298

14.3.2　调试优化的内核代码　300

14.3.3　GDB的用户自定义命令　307

14.3.4　有用的内核GDB宏　307

14.3.5　调试可加载模块　315

14.3.6　printk调试　319

14.3.7　Magic SysReq key　320

14.4　硬件辅助调试　321

14.4.1　使用JTAG探测器对闪存进行编程　322

14.4.2　使用JTAG探测器进行调试　323

14.5　不能启动的情况　326

14.5.1　早期的串行端口调试输出　326

14.5.2　转储printk的日志缓冲区　327

14.5.3　使用KGDB调试内核异常　328

14.6　小结　329

第15章　调试嵌入式Linux应用程序　331

15.1　目标调试　331

15.2　远程(交叉)调试　331

15.3　调试共享程序库　335

15.4　调试多个任务　340

15.4.1　调试多个进程　340

15.4.2　调试多线程应用程序　342

15.4.3　调试引导加载程序/闪存代码　345

15.5　其他远程调试选项　345

15.5.1　使用串行端口进行调试　345

15.5.2　附着到运行的进程上　346

15.6　小结　346

第16章　开源构建系统　348

16.1　为什么使用构建系统　348

16.2　Scratchbox　349

16.2.1　安装Scratchbox　349

16.2.2　创建一个交叉编译目标　350

16.3　Buildroot　351

16.3.1　安装Buildroot　352

16.3.2　配置Buildroot　352

16.3.3　构建Buildroot　353

16.4　OpenEmbedded　354

16.4.1　OpenEmbedded的组成　355

16.4.2　BitBake元数据　355

16.4.3　配方基础　356

16.4.4　任务　358

16.4.5　类　359

16.4.6　配置元数据　360

16.4.7　构建镜像　361

16.5　小结　362

第17章　实时Linux　363

17.1　什么是实时　363

17.1.1　软实时　363

17.1.2　硬实时　364

17.1.3　Linux调度　364

17.1.4　延时　364

17.2　内核抢占　365

17.2.1　抢占的障碍　366

17.2.2　抢占模式　367

17.2.3　SMP内核　368

17.2.4　抢占延时的根源　369

17.3　实时内核补丁　369

17.3.1　实时补丁的特性　370

17.3.2　O(1)调度器　371

17.3.3　创建实时进程　372

17.4　实时内核的性能分析　373

17.4.1　使用Ftrace追踪内核行为　373

17.4.2　检测抢占被关闭的延时　374

17.4.3　检测唤醒延时　375

17.4.4　检测中断被关闭的延时　377

17.4.5　检测Soft Lockup　378

17.5　小结　378

第18章　通用串行总线　379

18.1　USB概述　379

18.1.1　USB的物理拓扑结构　379

18.1.2　USB的逻辑拓扑结构　381

18.1.3　USB版本　382

18.1.4　USB连接器　382

18.1.5　USB线缆　383

18.1.6　USB模式　384

18.2　配置USB　384

18.3　sysfs和USB设备命名　388

18.4　实用的USB工具　390

18.4.1　USB文件系统　390

18.4.2　使用usbview　392

18.4.3　USB 实用程序(lsusb)　394

18.5　通用USB子系统　395

18.5.1　USB大容量存储类　395

18.5.2　USB HID类　397

18.5.3　USB CDC类驱动　398

18.5.4　USB网络支持　400

18.6　USB调试　401

18.6.1　usbmon　402

18.6.2　实用USB杂记　403

18.7　小结　403

第19章　udev　405

19.1　什么是udev　405

19.2　设备发现　406

19.3　udev的默认行为　407

19.4　理解udev规则　409

19.4.1　Modalias　411

19.4.2　典型的udev规则配置　414

19.4.3　udev的初始系统设置　415

19.5　加载平台设备驱动程序　417

19.6　定制udev的行为　419

19.7　持久的设备命名　420

19.8　udev和busybox配合使用　423

19.8.1　busybox mdev　423

19.8.2　配置mdev　425

19.9　小结　425

附录A　可配置的U-Boot命令　427

附录B　BusyBox命令　430

附录C　SDRAM接口注意事项　440

附录D　开源资源　447

附录E　简单的BDI-2000配置文件　449

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