為什么要定制？

　　以前，許多嵌入式項目都使用現(xiàn)成的發(fā)行版，然后出于種種原因，再將它們剝離到只剩下基本的必需的東西。首先，移除不需要的包以減少占用的存儲空間。在啟動時，嵌入式系統(tǒng)一般不需要大量的存儲空間以及可用存儲空間。在嵌入式系統(tǒng)運行時，可能從非易失性內(nèi)存中拷貝大量的操作系統(tǒng)文件到內(nèi)存中。第二，移除用不到的包可以降低可能的攻擊面。如果你不需要它們就沒有必要把這些可能有漏洞的包掛在上面。最后，移除用不到包可以降低發(fā)行版管理的開銷。如果在包之間有依賴關(guān)系，意味著任何一個包請求從上游更新，那么它們都必須保持同步。那樣可能就會出現(xiàn)驗證噩夢。

　　然而，從一個現(xiàn)有的發(fā)行版中去移除包并不像說的那樣容易。移除一個包可能會打破與其它包保持的各種依賴關(guān)系，以及可能在上游的發(fā)行版管理中改變依賴。另外，由于一些包原生集成在引導(dǎo)或者運行時進(jìn)程中，它們并不能輕易地簡單地移除。所有這些都是項目之外的平臺的管理，并且有可能會導(dǎo)致意外的開發(fā)延遲。

　　一個流行的選擇是使用上游發(fā)行版供應(yīng)商提供的構(gòu)建工具去構(gòu)建一個定制的發(fā)行版。無論是 Gentoo 還是 Debian 都提供這種自下而上的構(gòu)建方式。這些構(gòu)建工具中最為流行的可能是 Debian 的 debootstrap 實用程序。它取出預(yù)構(gòu)建的核心組件并允許用戶去精選出它們感興趣的包來構(gòu)建用戶自己的平臺。但是，debootstrap 最初僅在 x86 平臺上可用，雖然，現(xiàn)在有了 ARM（也有可能會有其它的平臺）選項。debootstrap 和 Gentoo 的 catalyst 仍然需要從本地項目中將依賴管理移除。

　　一些人認(rèn)為讓別人去管理平臺軟件（像 Android 一樣）要比自己親自管理容易的多。但是，那些發(fā)行版都是多用途的，當(dāng)你在一個輕量級的、資源有限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上使用它時，你可能會再三考慮從你手中被拿走的任何資源。

　　系統(tǒng)引導(dǎo)的基石

　　一個定制的 Linux 發(fā)行版要求許多軟件組件。其中第一個就是工具鏈toolchain。工具鏈?zhǔn)怯糜诰幾g軟件的一套工具集。包括（但不限于）一個編譯器、鏈接器、二進(jìn)制操作工具以及標(biāo)準(zhǔn)的 C 庫。工具鏈?zhǔn)菫橐粋€特定的目標(biāo)硬件設(shè)備專門構(gòu)建的。如果一個構(gòu)建在 x86 系統(tǒng)上的工具鏈想要用于樹莓派，那么這個工具鏈就被稱為交叉編譯工具鏈。當(dāng)在內(nèi)存和存儲都十分有限的小型嵌入式設(shè)備上工作時，最好是使用一個交叉編譯工具鏈。需要注意的是，即便是使用像 JavaScript 這樣的需要運行在特定平臺的腳本語言為特定用途編寫的應(yīng)用程序，也需要使用交叉編譯工具鏈編譯。

　　圖 1. 編譯依賴和引導(dǎo)順序

　　交叉編譯工具鏈用于為目標(biāo)硬件構(gòu)建軟件組件。需要的第一個組件是引導(dǎo)加載程序bootloader。當(dāng)計算機(jī)主板加電之后，處理器（可能有差異，取決于設(shè)計）嘗試去跳轉(zhuǎn)到一個特定的內(nèi)存位置去開始運行軟件。那個內(nèi)存位置就是保存引導(dǎo)加載程序的地方。硬件可能有內(nèi)置的引導(dǎo)加載程序，它可能直接從它的存儲位置或者可能在它運行前首先拷貝到內(nèi)存中。也可能會有多個引導(dǎo)加載程序。例如，第一階段的引導(dǎo)加載程序可能位于硬件的 NAND 或者 NOR 閃存中。它唯一的功能是設(shè)置硬件以便于執(zhí)行第二階段的引導(dǎo)加載程序——比如，存儲在 SD 卡中的可以被加載并運行的引導(dǎo)加載程序。

　　引導(dǎo)加載程序能夠從硬件中取得足夠的信息，將 Linux 加載到內(nèi)存中并跳轉(zhuǎn)到正確的位置，將控制權(quán)有效地移交到 Linux。Linux 是一個操作系統(tǒng)。這意味著，在這種設(shè)計中，它除了監(jiān)控硬件和向上層軟件（也就是應(yīng)用程序）提供服務(wù)外，它實際上什么都不做。Linux 內(nèi)核中通常是各種各樣的固件塊。那些預(yù)編譯的軟件對象，通常包含硬件平臺使用的設(shè)備的專用 IP（知識資產(chǎn)）。當(dāng)構(gòu)建一個定制發(fā)行版時，在開始編譯內(nèi)核之前，它可能會要求獲得一些 Linux 內(nèi)核源代碼樹沒有提供的必需的固件塊。

　　應(yīng)用程序保存在根文件系統(tǒng)中，這個根文件系統(tǒng)是通過編譯構(gòu)建的，它集合了各種軟件庫、工具、腳本以及配置文件。總的來說，它們都提供各種服務(wù)，比如，網(wǎng)絡(luò)配置和 USB 設(shè)備掛載，這些都是將要運行的項目應(yīng)用程序所需要的。

　　總的來說，一個完整的系統(tǒng)構(gòu)建要求下列的組件：

　　一個交叉編譯工具鏈

　　一個或多個引導(dǎo)加載程序

　　Linux 內(nèi)核和相關(guān)的固件塊

　　一個包含庫、工具以及實用程序的根文件系統(tǒng)

　　定制的應(yīng)用程序

　　使用適當(dāng)?shù)墓ぞ唛_始構(gòu)建

　　交叉編譯工具鏈的組件可以手工構(gòu)建，但這是一個很復(fù)雜的過程。幸運的是，現(xiàn)有的工具可以很容易地完成這一過程。構(gòu)建交叉編譯工具鏈的最好工具可能是 Crosstool-NG，這個工具使用了與 Linux 內(nèi)核相同的 kconfig 菜單系統(tǒng)來構(gòu)建工具鏈的每個細(xì)節(jié)和方面。使用這個工具的關(guān)鍵是，為目標(biāo)平臺找到正確的配置項。配置項通常包含下列內(nèi)容：

　　目標(biāo)架構(gòu)，比如，是 ARM 還是 x86。

　　字節(jié)順序：小端字節(jié)順序（一般情況下，Intel 采用這種順序）還是大端字節(jié)順序（一般情況下，ARM 或者其它的平臺采用這種順序）。

　　編譯器已知的 CPU 類型，比如，GCC 可以使用 -mcpu 或 --with-cpu。

　　支持的浮點類型，如果有的話，比如，GCC 可以使用 -mfpu 或 --with-fpu。

　　二進(jìn)制實用工具binutils、C 庫以及 C 編譯器的特定版本信息。

　　圖 2. Crosstool-NG 配置菜單

　　前四個一般情況下可以從處理器制造商的文檔中獲得。對于較新的處理器，它們可能不容易找到，但是，像樹莓派或者 BeagleBoards（以及它們的后代和分支），你可以在像 嵌入式 Linux Wiki 這樣的地方找到相關(guān)信息。

　　二進(jìn)制實用工具、C 庫、以及 C 編譯器的版本，將與任何第三方提供的其它工具鏈分開。首先，它們中的每一個都有多個提供者。Linaro 為最新的處理器類型提供了最先進(jìn)的版本，同時致力于將該支持合并到像 GNU C 庫這樣的上游項目中。盡管你可以使用各種提供者的工具，你可能依然想去使用現(xiàn)成的 GNU 工具鏈或者相同的 Linaro 版本。

　　在 Crosstool-NG 中的另外的重要選擇是 Linux 內(nèi)核的版本。這個選擇將得到用于各種工具鏈組件的頭文件headers，但是它沒有必要一定與你在目標(biāo)硬件上將要引導(dǎo)的 Linux 內(nèi)核相同。選擇一個不比目標(biāo)硬件的內(nèi)核更新的 Linux 內(nèi)核是很重要的。如果可能的話，盡量選擇一個比目標(biāo)硬件使用的內(nèi)核更老的長周期支持（LTS）的內(nèi)核。

　　對于大多數(shù)不熟悉構(gòu)建定制發(fā)行版的開發(fā)者來說，工具鏈的構(gòu)建是最為復(fù)雜的過程。幸運的是，大多數(shù)硬件平臺的二進(jìn)制工具鏈都可以想辦法得到。如果構(gòu)建一個定制的工具鏈有問題，可以在線搜索像 嵌入式 Linux Wiki 這樣的地方去查找預(yù)構(gòu)建工具鏈。

　　引導(dǎo)選項

　　在構(gòu)建完工具鏈之后，接下來的工作是引導(dǎo)加載程序。引導(dǎo)加載程序用于設(shè)置硬件，以便于越來越復(fù)雜的軟件能夠使用這些硬件。第一階段的引導(dǎo)加載程序通常由目標(biāo)平臺制造商提供，它通常被燒錄到類似于 EEPROM 或者 NOR 閃存這類的在硬件上的存儲中。第一階段的引導(dǎo)加載程序?qū)⑹乖O(shè)備從這里（比如，一個 SD 存儲卡）開始引導(dǎo)。樹莓派的引導(dǎo)加載程序就是這樣的，它樣做也就沒有必要再去創(chuàng)建一個定制引導(dǎo)加載程序。

　　盡管如此，許多項目還是增加了第二階段的引導(dǎo)加載程序，以便于去執(zhí)行一個多樣化的任務(wù)。在無需使用 Linux 內(nèi)核或者像 plymouth 這樣的用戶空間工具的情況下提供一個啟動動畫，就是其中一個這樣的任務(wù)。一個更常見的第二階段引導(dǎo)加載程序的任務(wù)是去提供基于網(wǎng)絡(luò)的引導(dǎo)或者使連接到 PCI 上的磁盤可用。在那種情況下，一個第三階段的引導(dǎo)加載程序，比如 GRUB，可能才是讓系統(tǒng)運行起來所必需的。

　　最重要的是，引導(dǎo)加載程序加載 Linux 內(nèi)核并使它開始運行。如果第一階段引導(dǎo)加載程序沒有提供一個在啟動時傳遞內(nèi)核參數(shù)的機(jī)制，那么，在第二階段的引導(dǎo)加載程序中就必須要提供。

　　有許多的開源引導(dǎo)加載程序可以使用。U-Boot 項目 通常用于像樹莓派這樣的 ARM 平臺。CoreBoot 一般是用于像 Chromebook 這樣的 x86 平臺。引導(dǎo)加載程序是特定于目標(biāo)硬件專用的。引導(dǎo)加載程序的選擇總體上取決于項目的需求以及目標(biāo)硬件（可以去網(wǎng)絡(luò)上在線搜索開源引導(dǎo)加載程序的列表）。

　　現(xiàn)在到了 Linux 登場的時候

　　引導(dǎo)加載程序?qū)⒓虞d Linux 內(nèi)核到內(nèi)存中，然后去運行它。Linux 就像一個擴(kuò)展的引導(dǎo)加載程序：它進(jìn)行進(jìn)行硬件設(shè)置以及準(zhǔn)備加載高級軟件。內(nèi)核的核心將設(shè)置和提供在應(yīng)用程序和硬件之間共享使用的內(nèi)存；提供任務(wù)管理器以允許多個應(yīng)用程序同時運行；初始化沒有被引導(dǎo)加載程序配置的或者是已經(jīng)配置了但是沒有完成的硬件組件；以及開啟人機(jī)交互界面。內(nèi)核也許不會配置為在自身完成這些工作，但是，它可以包含一個嵌入的、輕量級的文件系統(tǒng)，這類文件系統(tǒng)大家熟知的有 initramfs 或者 initrd，它們可以獨立于內(nèi)核而創(chuàng)建，用于去輔助設(shè)置硬件。

　　內(nèi)核操作的另外的事情是去下載二進(jìn)制塊（通常稱為固件）到硬件設(shè)備。固件是用特定格式預(yù)編譯的對象文件，用于在引導(dǎo)加載程序或者內(nèi)核不能訪問的地方去初始化特定硬件。許多這種固件對象可以從 Linux 內(nèi)核源倉庫中獲取，但是，還有很多其它的固件只能從特定的硬件供應(yīng)商處獲得。例如，經(jīng)常由它們自己提供固件的設(shè)備有數(shù)字電視調(diào)諧器或者 WiFi 網(wǎng)卡等。

　　固件可以從 initramfs 中加載，也或者是在內(nèi)核從根文件系統(tǒng)中啟動 init 進(jìn)程之后加載。但是，當(dāng)你去創(chuàng)建一個定制的 Linux 發(fā)行版時，創(chuàng)建內(nèi)核的過程常常就是獲取各種固件的過程。

　　輕量級核心平臺

　　Linux 內(nèi)核做的最后一件事情是嘗試去運行一個被稱為 init 進(jìn)程的專用程序。這個專用程序的名字可能是 init 或者 linuxrc 或者是由加載程序傳遞給內(nèi)核的名字。init 進(jìn)程保存在一個能夠被內(nèi)核訪問的文件系統(tǒng)中。在 initramfs 這種情況下，這個文件系統(tǒng)保存在內(nèi)存中（它可能是被內(nèi)核自己放置到那里，也可能是被引導(dǎo)加載程序放置在那里）。但是，對于運行更復(fù)雜的應(yīng)用程序，initramfs 通常并不夠完整。因此需要另外一個文件系統(tǒng)，這就是眾所周知的根文件系統(tǒng)。

　　圖 3. 構(gòu)建 root 配置菜單

　　initramfs 文件系統(tǒng)可以使用 Linux 內(nèi)核自身構(gòu)建，但是更常用的作法是，使用一個被稱為 BusyBox 的項目去創(chuàng)建。BusyBox 組合許多 GNU 實用程序（比如，grep 或者 awk）到一個單個的二進(jìn)制文件中，以便于減小文件系統(tǒng)自身的大小。BusyBox 通常用于去啟動根文件系統(tǒng)的創(chuàng)建過程。

　　但是，BusyBox 是特意輕量化設(shè)計的。它并不打算提供目標(biāo)平臺所需要的所有工具，甚至提供的工具也是經(jīng)過功能簡化的。BusyBox 有一個“姊妹”項目叫做 Buildroot，它可以用于去得到一個完整的根文件系統(tǒng)，提供了各種庫、實用程序，以及腳本語言。像 Crosstool-NG 和 Linux 內(nèi)核一樣，BusyBox 和 Buildroot 也都允許使用 kconfig 菜單系統(tǒng)去定制配置。更重要的是，Buildroot 系統(tǒng)自動處理依賴關(guān)系，因此，選定的實用程序?qū)ＷC該程序所需要的軟件也會被構(gòu)建并安裝到 root 文件系統(tǒng)。

　　Buildroot 可以用多種格式去生成一個根文件系統(tǒng)包。但是，需要重點注意的是，這個文件系統(tǒng)是被歸檔的。單個的實用程序和庫并不是以 Debian 或者 RPM 格式打包進(jìn)去的。使用 Buildroot 將生成一個根文件系統(tǒng)鏡像，但是它的內(nèi)容不是單獨的包。即使如此，Buildroot 還是提供了對 opkg 和 rpm 包管理器的支持的。這意味著，雖然根文件系統(tǒng)自身并不支持包管理，但是，安裝在根文件系統(tǒng)上的定制應(yīng)用程序能夠進(jìn)行包管理。

　　交叉編譯和腳本化

　　Buildroot 的其中一個特性是能夠生成一個臨時樹。這個目錄包含庫和實用程序，它可以被用于去交叉編譯其它應(yīng)用程序。使用臨時樹和交叉編譯工具鏈，使得在主機(jī)系統(tǒng)上而不是目標(biāo)平臺上對 Buildroot 之外的其它應(yīng)用程序編譯成為可能。使用 rpm 或者 opkg 包管理軟件之后，這些應(yīng)用程序可以在運行時使用包管理軟件安裝在目標(biāo)平臺的根文件系統(tǒng)上。

　　大多數(shù)定制系統(tǒng)的構(gòu)建都是圍繞著用腳本語言構(gòu)建應(yīng)用程序的想法去構(gòu)建的。如果需要在目標(biāo)平臺上運行腳本，在 Buildroot 上有多種可用的選擇，包括 Python、PHP、Lua 以及基于 Node.js 的 JavaScript。對于需要使用 OpenSSL 加密的應(yīng)用程序也提供支持。

　　接下來做什么

　　Linux 內(nèi)核和引導(dǎo)加載程序的編譯過程與大多數(shù)應(yīng)用程序是一樣的。它們的構(gòu)建系統(tǒng)被設(shè)計為去構(gòu)建一個專用的軟件位。Crosstool-NG 和 Buildroot 是元構(gòu)建metabuild。元構(gòu)建是將一系列有自己構(gòu)建系統(tǒng)的軟件集合封裝為一個構(gòu)建系統(tǒng)。可靠的元構(gòu)建包括 Yocto 和 OpenEmbedded。Buildroot 的好處是可以將更高級別的元構(gòu)建進(jìn)行輕松的封裝，以便于將定制 Linux 發(fā)行版的構(gòu)建過程自動化。這樣做之后，將會打開 Buildroot 指向到項目專用的緩存?zhèn)}庫的選項。使用緩存?zhèn)}庫可以加速開發(fā)過程，并且可以在無需擔(dān)心上游倉庫變化的情況下提供構(gòu)建快照。

　　一個實現(xiàn)高級構(gòu)建系統(tǒng)的示例是 PiBox。PiBox 就是封裝了在本文中討論的各種工具的一個元構(gòu)建。它的目的是圍繞所有工具去增加一個通用的 GNU Make 目標(biāo)架構(gòu)，以生成一個核心平臺，這個平臺可以構(gòu)建或分發(fā)其它軟件。PiBox 媒體中心和 kiosk 項目是安裝在核心平臺之上的應(yīng)用層軟件的實現(xiàn)，目的是用于去產(chǎn)生一個構(gòu)建平臺。Iron Man 項目 是為了家庭自動化的目的而擴(kuò)展了這種應(yīng)用程序，它集成了語音管理和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的管理。

　　但是，PiBox 如果沒有這些核心的軟件工具，它什么也做不了。并且，如果不去深入了解一個完整的定制發(fā)行版的構(gòu)建過程，那么你將無法正確運行 PiBox。而且，如果沒有 PiBox 開發(fā)團(tuán)隊對這個項目的長期奉獻(xiàn)，也就沒有 PiBox 項目，它完成了定制發(fā)行版構(gòu)建中的大量任務(wù)。