基于ARM技术的uClinux系统设计和应用分析
作者：卢剑翔，刘成安，胡和智，刘振刚
根文件系统是构建一个 uclinux嵌入式系统的重要组成部分。目前嵌入式系统可以选择的根文件系统有：romfs、cramfs、ramfs、jffs2、ext2等等，本系统采用 cramfs作为uclinux嵌入式系统的只读根文件系统。本文讨论了cramfs文件系统的特点，并详细的说明了nor flash上建立一个uclinux的cramfs根文件系统的一般步骤。
一、引言
随着电子产业的不断发展，基于 arm技术的系统设计和开发平台越来越多地在控制类、消费类、通信类等电子产品中广泛应用。从软件角度上看，构建基于arm技术的uclinux系统要涉及到引导加载程序、linux 内核、文件系统、用户应用程序几部分的设计。
文件系统是操作系统中用来管理用户文件的内核软件层。文件可能存在于磁盘、网络或者是一些虚拟的文件。文件系统包括根文件系统和建立于内存设备之上文件系统。根文件系统是uclinux系统的核心部分，包含系统使用的软件和库，以及所有用来为用户提供支持架构和用户使用的应用软件，并作为存储数据读写结果的区域。由于嵌入式设备中flash资源很紧张，如何有效地使用有限的存储空间是嵌入式开发者必须考虑的，合适的文件系统格式是解决这一问题的关键所在。本文讨论了只读压缩cramfs文件系统的特点，并详细的说明了nor flash上建立一个uclinux的cramfs根文件系统的一般步骤。
二、开发环境简介
本系统采用的是宿主机+目标板的开发模式，宿主机为pc+cygwin1.5.1 ，目标板为采用203mhz的arm920t内核的处理器s3c2410x+uclinux， uclinux版本为2.4.18。在宿主机上将uclinux和应用程序编译后，下载到目标板的nor flash中，启动运行。使用的sdram是2片16mb的hy57v561620，工作在16bit双字节模式下；使用的flash是2片amd am29lv160db，大小为2m字节，工作在16bit双字节模式下。在开发的时候，将boot loader烧入am29lv160db的1-5扇区；将linux内核映象文件zimage烧入6-17扇区；将cramfs文件系统映象文件烧入18-35扇区。
三、 cramfs文件系统简介
cramfs（compressed rom file system）是linux torvalds在transmeta任职时，所参与开发的文件系统。它是针对linux内核2.4之后的版本所设计的一种新型只读文件系统，采用了zlib 压缩，压缩比一般可以达到1：2，但仍可以作到高效的随机读取，linux系统中，通常把不需要经常修改的目录压缩存放，并在系统引导的时候再将压缩文件解开。因为cramfs不会影响系统的读取文件的速度，而且是一个高度压缩的文件系统。因此非常广泛应用于嵌入式系统中。
在嵌入式的环境之下，内存和外存资源都需要节约使用。如果使用ramdisk方式来使用文件系统，那么在系统运行之后，首先要把flash上的映像文件解压缩到内存中，构造起ramdisk环境，才可以开始运行程序。但是它也有很致命的弱点。在正常情况下，同样的代码不仅在flash中占据了空间（以压缩后的形式存在），而且还在内存中占用了更大的空间（以解压缩之后的形式存在），这违背了嵌入式环境下尽量节省资源的要求。
使用cramfs文件系统就是一种解决这个问题的方式。cramfs是一个压缩格式的文件系统，它并不需要一次性地将文件系统中的所有内容都解压缩到内存之中，而只是在系统需要访问某个位置的数据的时候，马上计算出该数据在cramfs中的位置，将它实时地解压缩到内存之中，然后通过对内存的访问来获取文件系统中需要读取的数据。cramfs中的解压缩以及解压缩之后的内存中数据存放位置都是由cramfs文件系统本身进行维护的，用户并不需要了解具体的实现过程，因此这种方式增强了透明度，对开发人员来说，既方便，又节省了存储空间。
一个完整的cramfs文件系统通常包含以下几个目录：
/linuxrc 启动脚本文件，由boot loader核心命令行确定init=/linuxrc，加载/etc目录为ramfs，（cramfs为只读文件系统），拷贝/mnt/etc到/etc，配置文件目录重新加载根文件系统和/etc文件系统，执行init进程。
/bin 引导启动所需的命令或用户可能用的命令。
/sbin 系统管理员服务程序，其中最重要的是供内核初始化之后执行的/sbin/init进程，系统启动时由init解释并运行/etc/inittab， inittab将指导int去调用一个系统初始化程序/etc/init.d/rcs。
/etc 特定机器的配置文件以及用户数据存放目录，其中的所有内容是在内核运行后，由linuxrc 从/mnt/etc拷贝得到的。
/lib 文件系统上的程序所需的动态库。
/dev 驱动程序存放目录，可以在这里存放自己编写的驱动程序。
/usr 用于存放用户程序和配置文件的目录，可以根据需要进行设置。目录下的/usr/etc/rc.local执行本地所需要的初始化，如安装核心模块，进行网络，运行应用程序，启动图形界面等。/etc/modules.conf在系统运行期间自动加载模块。
/mnt 用于设备安装的目录。/mnt/etc/init.d/rcs完成各个文件系统的mount，执行/usr/etc/rc.local；通过rcs可以调动dhcp程序配置网络。rcs执行完以后，就会打开shell。
/proc 系统状态文件目录， 目录中的文件可以用于访问有关内核的状态、计算机的属性、正在运行的进程的状态等信息。尽管 /proc 中的文件是虚拟的，但它们仍可以使用任何文件编辑器或像‘more’， ‘less’或 ‘cat’这样的程序来查看。
四、 cramfs文件系统的移植过程
文件系统是紧跟uclinux内核放置，由内核加载，主要存放用户应用程序和配置信息。cramfs文件系统的基本组成：初始化程序、shell程序以及其他linux常用工具、配置文件、链接库、图形界面程序和用户应用程序等。本节将介绍移植cramfs文件系统的具体操作方法。
4.1、在内核中加入对cramfs文件系统支持
想要在系统中提供cramfs的能力，我们必须要在编辑ucliunx内核时把支持cramfs的选项加入。尽管uclinux可以以模块的形式加载各种类型的设备驱动上，但我们选择直接把设备驱动及cramfs文件系统静态地编译进内核中。
在memory technology devices （mtd）选项中进行配置：
memory technology device （mtd） support［y/m/n/？］ y 内存技术设备支持
mtd partitioning support ［y/m/n/？］ y 支持mtd分区
direct char device access to mtd devices［y/m/n/？］ y mtd字符设备直接访问
caching block device access to mtd devices［y/m/n/？］ y mtd块设备缓冲访问
在file systems选项中进行配置：
compressed rom file system support ［y/m/n/？］ y rom文件系统的支持
完成上述修改并编译后，完成ucliunx内核对cramfs文件系统的支持。
4.2、拷贝需要加入的其他文件和链接库
（1）、busybox 是 debian gnu/linux 的大名鼎鼎的 bruce perens 首先开发的。busybox 编译出一个单个的独立执行程序，就叫做 busybox。但是它可以根据配置，执行 ash shell的功能，以及几十个各种小应用程序的功能。这其中包括有一个迷你的vi编辑器，系统不可或缺的/sbin/init程序，以及其他诸如 ifconfig， halt， reboot， mkdir， mount， ln， ls， echo， cat等等。而所有这一切功能却只有区区1m左右的大小，busybox已经成为构建嵌入式linux文件系统的必备软件。
首先我们从官方网站（http://www.busybox.org/）上下载busybox 的版本1.0.0。
#tar xvfz busybox-1.00.tar.gz
#cd busybox-1.00
#make menuconfig
下面是需要编译进busybox的功能选项，其他的可以根据需要自选。
build options
build busybox as a static binary （no shared libs）
这个选项是一定要选择的，这样才能把busybox编译成静态链接的可执行文件，运行时才独立于其他函数库，否则必需要其他库文件才能运行，在单个linux内核不能使他正常工作。
do you want to build busybox with a cross compiler
选择你自己定义的交叉编译环境。
installation options
don’t use /usr
这个选项也一定要选，否则make install 后busybox将安装在原系统的/usr下，这将覆盖系统原有的命令。选择这个选项后，make install后会在busybox目录下生成一个叫_install的目录，里面有busybox和指向他的链接。
其他选项都是一些linux基本命令选项，自己需要哪些命令就编译进去，一般用默认的就可以了，配置好后退出并保存。编译busybox，如果能成功编译busybox，就将编译好的busybox 复制到cramfs文件系统的/bin 目录下，然后创建常用命令的建立快捷方式。建立快捷方式很简单，只要建一个符号链接，比方ln -s /bin/busybox /bin/ls，那么，执行/bin/ls的时候，busybox 就会执行ls的功能，也会按照ls的方式处理命令行参数。
（2）、拷贝一些管理员控制程序到/sbin目录下，最重要的就是要包含一个init命令，可以使用busybox提供的系统工具。比如 ln -s /bin/busybox /sbin/init，这样我们就有了系统运行不可或缺的 /sbin/init 程序了。
（3）、拷贝应用程序运行时所需要的库到/lib，库文件可以从pc机上的交叉编译工具安装目录下拷贝，如libc-2.2.2.so、libcryt-2.2.2.so、libm-2.2.2.so、libutil-2.2.2.so等，为部分相应库建立快捷方式，提供一些应用程序按快捷方式名称调用。值得注意的是c库要采用c库的版本glibc， glibc位于/lib/libc.so.6。
4.3 、利用mkcramfs工具生成cramfs压缩文件系统
一般情况下都要把已经规划好的目录结构转换成一个映象文件，创建cramfs文件系统需要mkcramfs工具，mkcramfs能把相应的cramfs目录树压缩成为单一的映象文件，这个映象文件就是我们需要移植的文件系统。mkcramfs的命令格式为：
mkcramfs ［-h］ ［--e edition］ ［-i file］ ［-n name］ dirname outfile
#mkcramfs root cramfs.img
用以上的命令就可以生成我们需要的cramfs文件系统映象文件，我们可以发现原本为2.36mbytes大小的目录内容，被压缩成一个1.08mbytes的cramfs文件系统映象文件， 通过vivi或测试程序将其写入flash中就可以验证是否移植成功。
五、小结
cramfs是一个压缩格式的文件系统，如果系统存储资源比较紧张的话，采用cramfs作为嵌入式linux系统的根文件系统是一个不错的选择。
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随着电子产业的不断发展，基于 arm技术的系统设计和开发平台越来越多地在控制类、消费类、通信类等电子产品中广泛应用。从软件角度上看，构建基于arm技术的uclinux系统要涉及到引导加载程序、linux 内核、文件系统、用户应用程序几部分的设计。
文件系统是操作系统中用来管理用户文件的内核软件层。文件可能存在于磁盘、网络或者是一些虚拟的文件。文件系统包括根文件系统和建立于内存设备之上文件系统。根文件系统是uclinux系统的核心部分，包含系统使用的软件和库，以及所有用来为用户提供支持架构和用户使用的应用软件，并作为存储数据读写结果的区域。由于嵌入式设备中flash资源很紧张，如何有效地使用有限的存储空间是嵌入式开发者必须考虑的，合适的文件系统格式是解决这一问题的关键所在。本文讨论了只读压缩cramfs文件系统的特点，并详细的说明了nor flash上建立一个uclinux的cramfs根文件系统的一般步骤。
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本系统采用的是宿主机+目标板的开发模式，宿主机为pc+cygwin1.5.1 ，目标板为采用203mhz的arm920t内核的处理器s3c2410x+uclinux， uclinux版本为2.4.18。在宿主机上将uclinux和应用程序编译后，下载到目标板的nor flash中，启动运行。使用的sdram是2片16mb的hy57v561620，工作在16bit双字节模式下；使用的flash是2片amd am29lv160db，大小为2m字节，工作在16bit双字节模式下。在开发的时候，将boot loader烧入am29lv160db的1-5扇区；将linux内核映象文件zimage烧入6-17扇区；将cramfs文件系统映象文件烧入18-35扇区。
三、 cramfs文件系统简介
cramfs（compressed rom file system）是linux torvalds在transmeta任职时，所参与开发的文件系统。它是针对linux内核2.4之后的版本所设计的一种新型只读文件系统，采用了zlib 压缩，压缩比一般可以达到1：2，但仍可以作到高效的随机读取，linux系统中，通常把不需要经常修改的目录压缩存放，并在系统引导的时候再将压缩文件解开。因为cramfs不会影响系统的读取文件的速度，而且是一个高度压缩的文件系统。因此非常广泛应用于嵌入式系统中。
在嵌入式的环境之下，内存和外存资源都需要节约使用。如果使用ramdisk方式来使用文件系统，那么在系统运行之后，首先要把flash上的映像文件解压缩到内存中，构造起ramdisk环境，才可以开始运行程序。但是它也有很致命的弱点。在正常情况下，同样的代码不仅在flash中占据了空间（以压缩后的形式存在），而且还在内存中占用了更大的空间（以解压缩之后的形式存在），这违背了嵌入式环境下尽量节省资源的要求。
使用cramfs文件系统就是一种解决这个问题的方式。cramfs是一个压缩格式的文件系统，它并不需要一次性地将文件系统中的所有内容都解压缩到内存之中，而只是在系统需要访问某个位置的数据的时候，马上计算出该数据在cramfs中的位置，将它实时地解压缩到内存之中，然后通过对内存的访问来获取文件系统中需要读取的数据。cramfs中的解压缩以及解压缩之后的内存中数据存放位置都是由cramfs文件系统本身进行维护的，用户并不需要了解具体的实现过程，因此这种方式增强了透明度，对开发人员来说，既方便，又节省了存储空间。
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/linuxrc 启动脚本文件，由boot loader核心命令行确定init=/linuxrc，加载/etc目录为ramfs，（cramfs为只读文件系统），拷贝/mnt/etc到/etc，配置文件目录重新加载根文件系统和/etc文件系统，执行init进程。
/bin 引导启动所需的命令或用户可能用的命令。
/sbin 系统管理员服务程序，其中最重要的是供内核初始化之后执行的/sbin/init进程，系统启动时由init解释并运行/etc/inittab， inittab将指导int去调用一个系统初始化程序/etc/init.d/rcs。
/etc 特定机器的配置文件以及用户数据存放目录，其中的所有内容是在内核运行后，由linuxrc 从/mnt/etc拷贝得到的。
/lib 文件系统上的程序所需的动态库。
/dev 驱动程序存放目录，可以在这里存放自己编写的驱动程序。
/usr 用于存放用户程序和配置文件的目录，可以根据需要进行设置。目录下的/usr/etc/rc.local执行本地所需要的初始化，如安装核心模块，进行网络，运行应用程序，启动图形界面等。/etc/modules.conf在系统运行期间自动加载模块。
/mnt 用于设备安装的目录。/mnt/etc/init.d/rcs完成各个文件系统的mount，执行/usr/etc/rc.local；通过rcs可以调动dhcp程序配置网络。rcs执行完以后，就会打开shell。
/proc 系统状态文件目录， 目录中的文件可以用于访问有关内核的状态、计算机的属性、正在运行的进程的状态等信息。尽管 /proc 中的文件是虚拟的，但它们仍可以使用任何文件编辑器或像‘more’， ‘less’或 ‘cat’这样的程序来查看。
四、 cramfs文件系统的移植过程
文件系统是紧跟uclinux内核放置，由内核加载，主要存放用户应用程序和配置信息。cramfs文件系统的基本组成：初始化程序、shell程序以及其他linux常用工具、配置文件、链接库、图形界面程序和用户应用程序等。本节将介绍移植cramfs文件系统的具体操作方法。
4.1、在内核中加入对cramfs文件系统支持
想要在系统中提供cramfs的能力，我们必须要在编辑ucliunx内核时把支持cramfs的选项加入。尽管uclinux可以以模块的形式加载各种类型的设备驱动上，但我们选择直接把设备驱动及cramfs文件系统静态地编译进内核中。
在memory technology devices （mtd）选项中进行配置：
memory technology device （mtd） support［y/m/n/？］ y 内存技术设备支持
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direct char device access to mtd devices［y/m/n/？］ y mtd字符设备直接访问
caching block device access to mtd devices［y/m/n/？］ y mtd块设备缓冲访问
在file systems选项中进行配置：
compressed rom file system support ［y/m/n/？］ y rom文件系统的支持
完成上述修改并编译后，完成ucliunx内核对cramfs文件系统的支持。
4.2、拷贝需要加入的其他文件和链接库
（1）、busybox 是 debian gnu/linux 的大名鼎鼎的 bruce perens 首先开发的。busybox 编译出一个单个的独立执行程序，就叫做 busybox。但是它可以根据配置，执行 ash shell的功能，以及几十个各种小应用程序的功能。这其中包括有一个迷你的vi编辑器，系统不可或缺的/sbin/init程序，以及其他诸如 ifconfig， halt， reboot， mkdir， mount， ln， ls， echo， cat等等。而所有这一切功能却只有区区1m左右的大小，busybox已经成为构建嵌入式linux文件系统的必备软件。
首先我们从官方网站（http://www.busybox.org/）上下载busybox 的版本1.0.0。
#tar xvfz busybox-1.00.tar.gz
#cd busybox-1.00
#make menuconfig
下面是需要编译进busybox的功能选项，其他的可以根据需要自选。
build options
build busybox as a static binary （no shared libs）
这个选项是一定要选择的，这样才能把busybox编译成静态链接的可执行文件，运行时才独立于其他函数库，否则必需要其他库文件才能运行，在单个linux内核不能使他正常工作。
do you want to build busybox with a cross compiler
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installation options
don’t use /usr
这个选项也一定要选，否则make install 后busybox将安装在原系统的/usr下，这将覆盖系统原有的命令。选择这个选项后，make install后会在busybox目录下生成一个叫_install的目录，里面有busybox和指向他的链接。
其他选项都是一些linux基本命令选项，自己需要哪些命令就编译进去，一般用默认的就可以了，配置好后退出并保存。编译busybox，如果能成功编译busybox，就将编译好的busybox 复制到cramfs文件系统的/bin 目录下，然后创建常用命令的建立快捷方式。建立快捷方式很简单，只要建一个符号链接，比方ln -s /bin/busybox /bin/ls，那么，执行/bin/ls的时候，busybox 就会执行ls的功能，也会按照ls的方式处理命令行参数。
（2）、拷贝一些管理员控制程序到/sbin目录下，最重要的就是要包含一个init命令，可以使用busybox提供的系统工具。比如 ln -s /bin/busybox /sbin/init，这样我们就有了系统运行不可或缺的 /sbin/init 程序了。
（3）、拷贝应用程序运行时所需要的库到/lib，库文件可以从pc机上的交叉编译工具安装目录下拷贝，如libc-2.2.2.so、libcryt-2.2.2.so、libm-2.2.2.so、libutil-2.2.2.so等，为部分相应库建立快捷方式，提供一些应用程序按快捷方式名称调用。值得注意的是c库要采用c库的版本glibc， glibc位于/lib/libc.so.6。
4.3 、利用mkcramfs工具生成cramfs压缩文件系统
一般情况下都要把已经规划好的目录结构转换成一个映象文件，创建cramfs文件系统需要mkcramfs工具，mkcramfs能把相应的cramfs目录树压缩成为单一的映象文件，这个映象文件就是我们需要移植的文件系统。mkcramfs的命令格式为：
mkcramfs ［-h］ ［--e edition］ ［-i file］ ［-n name］ dirname outfile
#mkcramfs root cramfs.img
用以上的命令就可以生成我们需要的cramfs文件系统映象文件，我们可以发现原本为2.36mbytes大小的目录内容，被压缩成一个1.08mbytes的cramfs文件系统映象文件， 通过vivi或测试程序将其写入flash中就可以验证是否移植成功。
五、小结
cramfs是一个压缩格式的文件系统，如果系统存储资源比较紧张的话，采用cramfs作为嵌入式linux系统的根文件系统是一个不错的选择。
详解date命令的基础知识
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介绍三款最新发布的三轴MEMS加速度计产品
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