嵌入式Linux文件系統(tǒng)管理

　　隨著預(yù)算的減少、產(chǎn)品生命周期的縮短以及更多的功能被集成到電子設(shè)備中，開發(fā)人員感受到了交付高級軟件的壓力。雖然 Linux 和開源通常是嵌入式開發(fā)的正確選擇，但它們不能發(fā)揮神奇的作用。一些成本仍然與選擇開源開發(fā)工具相關(guān)。在決定使用哪些工具時，開發(fā)人員必須考慮他們是否將時間花在真正具有創(chuàng)新性和差異化的東西上，還是花在諸如集成和支持之類的繁忙工作上。

　　工具選擇可以幫助或阻礙開發(fā)人員獲得項(xiàng)目控制權(quán)的努力。真正有價值的工具的試金石是它們是否可以幫助開發(fā)人員在產(chǎn)品的短暫生命周期內(nèi)啟用正確的功能。

　　遭受這種失控的嵌入式 Linux 開發(fā)的一個領(lǐng)域是構(gòu)建 Linux 所依賴的通常復(fù)雜的文件系統(tǒng)的過程。平臺開發(fā)人員需要集成和安裝數(shù)十個甚至數(shù)百個獨(dú)立的軟件組件，但手動創(chuàng)建目標(biāo)文件系統(tǒng)既耗時、困難又復(fù)雜。如果沒有合適的工具，這個過程很容易出錯。這些時間和精力可以更好地用于開發(fā)使產(chǎn)品與競爭對手區(qū)分開來的功能。Linux 文件系統(tǒng)配置是最困難且在某種意義上回報最少的活動。

　　傳統(tǒng)Linux開發(fā)

　　Linux 的第一個版本是在目標(biāo)位于主機(jī)本身或類似機(jī)器上的環(huán)境中開發(fā)的。正因?yàn)槿绱耍殡S的工具傳統(tǒng)上是針對主機(jī)開發(fā)環(huán)境量身定制的。從根本上說，開發(fā)人員更容易為與他們正在開發(fā)的機(jī)器類似的機(jī)器進(jìn)行開發(fā)。隨著目標(biāo)環(huán)境離宿主環(huán)境越來越遠(yuǎn)，開發(fā)者面臨的挑戰(zhàn)也越來越大。

　　為主機(jī)或類似環(huán)境進(jìn)行開發(fā)不需要太多額外的工作。事實(shí)上，一些嵌入式系統(tǒng)與 PC 非常相似，開發(fā)人員可以運(yùn)行他們選擇的實(shí)際 Linux 發(fā)行版，例如 SuSe 或 Fedora。但是，針對當(dāng)今市場上的一種不同處理器架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)可能是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

　　嵌入式Linux開發(fā)和交叉開發(fā)

　　當(dāng)資源受到限制并且目標(biāo)處理器正在運(yùn)行許多可用的非 x86 處理器之一時，環(huán)境會變得更加復(fù)雜。在這種環(huán)境中，在具有許多資源的主機(jī)上進(jìn)行開發(fā)，然后交叉編譯為特定處理器架構(gòu)開發(fā)二進(jìn)制文件會更有效率。

　　由于其模塊化設(shè)計，Linux 可以在小型設(shè)備上高效運(yùn)行。開發(fā)人員可以選擇他們想要實(shí)現(xiàn)的功能并刪除他們不需要的功能。完成此任務(wù)并微調(diào)特定設(shè)備的功能和用戶界面需要真正的技巧。

　　但僅僅因?yàn)樗悄K化的，并不意味著有一條明確的成功之路。開發(fā)人員必須考慮兩種方法：遵循基于包的安裝，利用大多數(shù)可用的 Linux 發(fā)行版，或者將包集成到構(gòu)建系統(tǒng)環(huán)境中。構(gòu)建系統(tǒng)的一個問題是它與 Linux 的分發(fā)方式不一致，通常是像 .deb 或 .rpm 這樣的包。另一個挑戰(zhàn)是任何特定構(gòu)建系統(tǒng)所需的學(xué)習(xí)曲線。以下討論將介紹包管理器并解釋它們?nèi)绾螏椭驌p害開發(fā)人員構(gòu)建嵌入式 Linux 文件系統(tǒng)的能力。

　　選擇嵌入式 Linux 文件系統(tǒng)管理器

　　Debian GNU/Linux 發(fā)行版的創(chuàng)始人 Ian Murdock 將包管理描述為“Linux 為行業(yè)帶來的最大進(jìn)步?！彼J(rèn)為包管理模糊了操作系統(tǒng) （OS） 和應(yīng)用程序之間的界限，使其“更容易”推動新的創(chuàng)新，“??進(jìn)入市場”，“??和發(fā)展操作系統(tǒng)。”，?ù

　　可用于構(gòu)建嵌入式 Linux 文件系統(tǒng)的工具在跨平臺和資源受限的環(huán)境中變得更加有用。開發(fā)人員在選擇特定工具或集成開發(fā)環(huán)境 （IDE） 之前提出幾個問題非常重要?？紤]一下：您從哪里獲得 Linux 源代碼，以及它是如何打包交付的？您將文件系統(tǒng)用于什么目的，如何針對特定目標(biāo)對其進(jìn)行優(yōu)化？開發(fā)人員選擇的軟件包安裝程序可以在優(yōu)化的文件系統(tǒng)和嵌入式設(shè)備的糟糕借口之間產(chǎn)生差異。

　　管理嵌入式 Linux 文件系統(tǒng)的常用方法是使用 RPM 或 dpkg 之類的包管理器來安裝和刪除非 root 目錄，使用 fakeroot 來執(zhí)行不需要 root 權(quán)限的 chroot 的偷偷摸摸的方式，或者使用虛擬目標(biāo)進(jìn)行開發(fā)，例如Linux QEMU 處理器仿真器或 Virtutech，??s Simics 虛擬平臺。這些不同的選項(xiàng)中的每一個都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，可以通過替代解決方案來彌補(bǔ)：平臺圖像構(gòu)建器。

　　包管理器

　　文件系統(tǒng)管理的衛(wèi)冕冠軍是 RPM 包管理器。RPM 很有用，因?yàn)樗菢?biāo)準(zhǔn)的并且在大多數(shù) Linux 系統(tǒng)上都可用。與其他同類產(chǎn)品一樣，RPM 具有安裝到非系統(tǒng)根目錄的內(nèi)置功能，這是有利的，因?yàn)槁斆鞯拈_發(fā)人員不希望意外破壞其主機(jī)文件系統(tǒng)的能力。但是 RPM 并沒有解決包依賴問題；它只是確定是否滿足依賴關(guān)系。它要求開發(fā)人員已經(jīng)知道依賴關(guān)系，因此不會去檢查各種包以確定需要解析哪些包來構(gòu)建文件系統(tǒng)。

　　要解決依賴關(guān)系，開發(fā)人員必須添加另一個工具，例如 Yellowdog Updater （yum） 或 Advanced Packaging Tool （apt）。作為一個 C++ 函數(shù)庫，創(chuàng)建 apt 是為了在升級期間處理依賴關(guān)系和處理配置文件時有效地安裝包。但是，apt 和 yum 僅限于命令行。如果開發(fā)人員不熟悉 Linux 或這些工具，他們可能會面臨相對陡峭的學(xué)習(xí)曲線。此外，所有信息都是文本的，并且相對于圖形文件系統(tǒng)管理器通常難以導(dǎo)航。

　　偽裝根

　　Linux 可以適當(dāng)?shù)卦O(shè)置權(quán)限，以保護(hù)系統(tǒng)免受與修改或刪除文件相關(guān)的惡意意圖、無知或健忘。Linux 有一個包含所有子目錄的基本根目錄。這個基本根，通常稱為 ??ú/??ù（發(fā)音為斜線），受到 Linux 系統(tǒng)用戶的保護(hù)。管理員限制對“?ú/”?ù 的訪問，并在其下為每個用戶提供可修改的主子目錄。這使用戶能夠訪問系統(tǒng)并以適當(dāng)?shù)臋?quán)限和能力完成他們的任務(wù)。

　　但是，某些文件系統(tǒng)創(chuàng)建操作需要 root 權(quán)限。如果沒有 root 權(quán)限，開發(fā)人員無法創(chuàng)建其他用戶擁有的文件、創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)或提交更改 root 操作。這些限制限制了配置文件系統(tǒng)的能力。

　　一種選擇是使用像 fakeroot 這樣的工具，它可以在用戶主機(jī)系統(tǒng)的目錄中創(chuàng)建一個虛擬的“?ú/”文件系統(tǒng)樹。它通過重新定義主機(jī)系統(tǒng)庫中的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)來提供一個假的“?ú/”?ù 環(huán)境。通過這種方式，它更改了引用文件的實(shí)用程序并捕獲有關(guān)文件的特權(quán)信息，而無需 root 特權(quán)來創(chuàng)建它們。此外，它可以與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用程序一起使用，而無需特殊工具。與 RPM 一樣，fakeroot 不解決依賴關(guān)系，將這項(xiàng)艱巨的任務(wù)留給了開發(fā)人員。

　　在這里，RPM 和 fakeroot 都面臨一個額外的挑戰(zhàn)：開發(fā)人員可能希望在目標(biāo)目錄中執(zhí)行代碼，如果該代碼用于與主機(jī)不同的體系結(jié)構(gòu)，它根本不會運(yùn)行。

　　虛擬開發(fā)

　　構(gòu)建文件系統(tǒng)的第三種替代方法是使用虛擬環(huán)境，如 QEMU、Simics 或 VMware Workstation。這解決了包管理器和 fakeroot 工具都面臨的挑戰(zhàn)，即無法在與目標(biāo)架構(gòu)不同的主機(jī)上運(yùn)行代碼。虛擬環(huán)境還提供了使用主機(jī)上所有可用資源（例如內(nèi)存、存儲和快速處理器）為虛擬目標(biāo)進(jìn)行開發(fā)的能力，享受 PC 上自托管開發(fā)的許多優(yōu)勢。

　　使用虛擬環(huán)境通常比在目標(biāo)本身上進(jìn)行開發(fā)要快，但它會增加復(fù)雜性，相對于交叉開發(fā)降低處理器能力。

　　平臺鏡像生成器

　　如本文開頭所述，平臺開發(fā)人員需要集成和安裝數(shù)十個（如果不是數(shù)百個）單獨(dú)的軟件組件，但手動創(chuàng)建目標(biāo)文件系統(tǒng)既耗時、困難又復(fù)雜。創(chuàng)建文件系統(tǒng)后，必須將其轉(zhuǎn)換為目標(biāo)圖像（參見側(cè)欄）。更高級的工具可以簡化組裝、調(diào)整和創(chuàng)建文件系統(tǒng)映像的任務(wù)。

　　平臺映像生成器通過提供系統(tǒng)的可視化地圖來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，用于選擇 Linux 目標(biāo)包、集成自定義包和內(nèi)核、動態(tài)確定文件系統(tǒng)大小、自動解決依賴關(guān)系和沖突，以及生成多種標(biāo)準(zhǔn)格式的文件系統(tǒng)。

　　平臺圖像構(gòu)建器對于從最終圖像中修剪組件很有用，無論它們是單個文件還是整個層次結(jié)構(gòu)（例如，文檔和示例配置文件）。能夠?qū)黠@地分類為文檔、字體、圖形或解釋器等組，可以讓開發(fā)人員快速訪問和更快地消除不必要的包（參見圖 1）。

　　圖1

　　此功能還使用戶能夠通過樹層次結(jié)構(gòu)對文件和目錄進(jìn)行下鉆和排序。要刪除文件，只需取消選中相鄰的框（圖 2）。除了刪除單個文件外，開發(fā)人員還可以選擇將整個所需的支持包標(biāo)記為“?úphantom”。?ù 這樣的包是構(gòu)建其他包所必需的，但不是最終構(gòu)建所必需的，因此在運(yùn)行時不包括在內(nèi)。

　　圖 2

　　在設(shè)置平臺映像項(xiàng)目 （.pib） 時，開發(fā)人員可以包含和集成自定義包和內(nèi)核。這種靈活性提供了競爭差異化和控制嵌入式開發(fā)人員在如此快節(jié)奏的市場中的需求。

　　平臺映像生成器提供了許多影響映像文件大小的選項(xiàng)。它通過以下方式做到這一點(diǎn)：

　　優(yōu)化庫占用空間并減小一些共享庫的大小

　　預(yù)鏈接可執(zhí)行文件，加快啟動速度

　　從最終的二進(jìn)制文件中刪除調(diào)試符號，使它們更小更快

　　這些措施不僅是為了減小圖像的大小，而且是為了提高性能。

　　平臺映像生成器使用 RPM 包中包含的依賴信息來根據(jù)需要自動包含支持包（圖 3）。這與 Linux 通常的分發(fā)方式是一致的，并且消除了手動計算依賴項(xiàng)的平凡任務(wù)。但是，在進(jìn)行包選擇時，可以選擇相互沖突的包。由于這會導(dǎo)致錯誤并阻止項(xiàng)目成功構(gòu)建，因此開發(fā)人員必須在創(chuàng)建映像之前解決沖突。平臺映像生成器通過將所有沖突標(biāo)記和列出為錯誤來提供幫助，從而可以輕松查看和更改它們，直到所有沖突都被消除。

　　圖 3

　　最后，借助平臺鏡像生成器等文件系統(tǒng)管理工具，平臺開發(fā)人員可以生成常用的文件格式，包括 ext2、JFFS2、cpio、CRAMFS 和 ext3。根據(jù)格式，可以使用不同的選項(xiàng)來配置映像和設(shè)置掛載點(diǎn)。

　　與前面提到的為嵌入式 Linux 開發(fā)創(chuàng)建和管理文件系統(tǒng)的方法相比，平臺映像生成器具有圖形用戶界面，不需要模擬環(huán)境，因此不會使用與虛擬機(jī)相關(guān)的資源。平臺映像生成器將文件系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為映像，沒有復(fù)雜性和較慢的處理能力，為開發(fā)人員提供嵌入式 Linux 交叉開發(fā)項(xiàng)目所需的生產(chǎn)力。

　　工具試金石

　　嵌入式 Linux 開發(fā)人員可以使用平臺映像生成器等工具獲得對構(gòu)建復(fù)雜文件系統(tǒng)的更多控制，這使得組裝、調(diào)整和創(chuàng)建文件系統(tǒng)映像更容易完成。這使開發(fā)人員能夠花時間開發(fā)使產(chǎn)品與競爭對手區(qū)分開來的功能。請記住，真正有價值的工具的試金石是它們是否可以幫助開發(fā)人員在產(chǎn)品的短生命周期內(nèi)啟用更多正確的功能。

　　關(guān)于作者：

　　Troy Kitch 是位于加利福尼亞州圣克拉拉的 MontaVista Software 開發(fā)工具團(tuán)隊(duì)的高級產(chǎn)品經(jīng)理。Troy 在開發(fā)和安全軟件行業(yè)工作了十多年，專注于開發(fā)人員的生產(chǎn)力、數(shù)據(jù)存儲和災(zāi)難恢復(fù)。在 MontaVista，Troy 負(fù)責(zé)通過管理 MontaVista DevRocket 集成開發(fā)環(huán)境來幫助組織充分利用開源。Troy 在圣路易斯奧比斯波的加州理工學(xué)院獲得農(nóng)業(yè)綜合企業(yè)學(xué)士學(xué)位。

　　Joe Green 是 MontaVista Software 開發(fā)工具團(tuán)隊(duì)的經(jīng)理。Joe 已經(jīng)在 MontaVista Software、IBM 和 SGI 等公司使用 Linux 和 UNIX 系統(tǒng)工作了 20 年，并且從 0.12 版開始就愉快地使用 Linux。他特別喜歡內(nèi)核和圖形代碼以及實(shí)時和嵌入式系統(tǒng)。他擁有邁阿密大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位。

　　審核編輯：郭婷