嵌入式Linux基础教程（第2版）

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

......(更多)