基于路由器的開源嵌入式操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)平臺

張曉華，張玉華

（華北水利水電學(xué)院 信息工程學(xué)院，鄭州450011）

引 言

近年來，隨著嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，裸機模式已無法適應(yīng)日益復(fù)雜的系統(tǒng)開發(fā)，嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)成為開發(fā)中不可或缺的核心軟件，對其進行學(xué)習(xí)研究的需求也日益突出。

嵌入式操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)平臺雖然多種多樣，但選擇一個合適的平臺卻并不簡單。商業(yè)系統(tǒng)通常有著完善的支持，但復(fù)雜的架構(gòu)、昂貴的價格和不公開的源代碼使得它們難以成為初學(xué)者學(xué)習(xí)的對象。主流的開源操作系統(tǒng)，雖然可以獲得源代碼實現(xiàn)，但龐大的代碼行，使得系統(tǒng)的機理被復(fù)雜的細節(jié)掩蓋，依然令人望而卻步。專門的教學(xué)操作系統(tǒng)，有針對地簡化了代碼實現(xiàn)，但又因為缺乏應(yīng)用實例而缺乏公信力。

此外還存在硬件平臺成本過高造成的軟硬件脫節(jié)的問題，完全脫離硬件平臺的軟件學(xué)習(xí)使人難以全面掌握嵌入式系統(tǒng)。基于虛擬環(huán)境進行仿真雖然一定程度上解決了這個問題，但是缺少硬件平臺的實踐終究無法獲得較深的感性認識，極易忽視很多真實環(huán)境的注意事項。

針對這些問題，本文提出了一種基于路由器設(shè)計嵌入式操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)平臺的思路，以Linksys WRT54GL路由器作為硬件平臺，選擇開源OpenWrt作為主操作系統(tǒng)用于高級實踐開發(fā)的學(xué)習(xí)，嵌入式Xinu作為從操作系統(tǒng)用于基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)。把兩個優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)集中到同一個硬件平臺，比較好地解決了當前嵌入式操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)平臺存在的功能繁簡不當、軟硬件容易脫節(jié)的問題，同時大大降低了學(xué)習(xí)成本。

1 平臺的架構(gòu)設(shè)計

1.1 硬件平臺選擇

現(xiàn)在，市面上常用的無線路由器大多采用的是ARM或MIPS的處理器，這些產(chǎn)品本身就是嵌入式系統(tǒng)的典型應(yīng)用。更為重要的是有很多產(chǎn)品不僅有著強大的運算能力和豐富的板載資源，而且支持眾多第三方固件，可以通過升級固件豐富功能，擴展能力極佳，作為嵌入式操作系統(tǒng)的硬件平臺非常合適。

Linksys公司的WRT54GL 是一個極易采購的經(jīng)典無線路由器，它擁有200MHz的處理器，板載4MB Flash和16 MB Ram 完全勝任嵌入式開發(fā)的學(xué)習(xí)、研究和開發(fā)。更為重要的是，在網(wǎng)絡(luò)上已有很多為它設(shè)計的開源項目，使得學(xué)習(xí)資源唾手可得。

1.2 軟件平臺架構(gòu)

考慮到學(xué)習(xí)研究的需要，源代碼的公開與否是選擇軟件平臺的首要條件，因此確立了以開源操作系統(tǒng)為選擇目標。同時考慮到功能的平衡——既要能夠用于操作系統(tǒng)基本原理的學(xué)習(xí)，又要能夠完成進一步的高級功能學(xué)習(xí)，繁簡得當?shù)碾p操作系統(tǒng)的軟件架構(gòu)就成為當然的選擇。這樣的架構(gòu)使得既可以在學(xué)習(xí)初期利用代碼較為簡潔的從操作系統(tǒng)完成理論的學(xué)習(xí)和實踐，又可以在后期利用功能強大的主操作系統(tǒng)完成進階學(xué)習(xí)，兩者結(jié)合相得益彰，貫穿整個嵌入式操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程。

1.2.1 主操作系統(tǒng)

在選定了WRT54GL 作為硬件平臺后，自然就需要為其選擇適當?shù)拈_源路由操作系統(tǒng)。開源路由操作系統(tǒng)非常之多，常見的有Vyatta、ClearOS、Endian、Untangle、RouterOS、HyperWRT、OpenWrt、DD-WRT 等。其中OpenWrt和DD-WRT 獲得了更為廣泛的支持，有著良好的社區(qū)資源，它們都可以被看作一個獨立的嵌入式設(shè)備的Linux發(fā)行版，而不僅僅是一個單一的、靜態(tài)的固件，支持的硬件相當豐富，WRT54GL也不例外。

DD-WRT 功能強大而且簡單易用，它重點關(guān)注的是Web配置方式，這使得DD-WRT 的Web功能比Open-Wrt強大得多，因此DD-WRT 的用戶群很龐大。

OpenWrt的優(yōu)勢是用戶可以隨意地安裝軟件。Open-Wrt的包管理提供了一個完全可寫的文件系統(tǒng)，并允許自定義設(shè)備和應(yīng)用軟件包，具有完全定制的能力。

DD-WRT 和OpenWrt各有優(yōu)缺點?？偟膩碚fDDWRT傾向于關(guān)注使用者的感受，因此較為易用，OpenWrt傾向于關(guān)注開發(fā)者的使用，因此更為開放。

但是就學(xué)習(xí)研究而言，OpenWrt的擴展性要更勝一籌?，F(xiàn)在的DD-WRT 雖然也可以自己裝軟件，但只能裝在jffs或mmc目錄中，除jffs、mmc、tmp目錄外其他的目錄是不可寫的，而OpenWrt則不存在這些限制。

此外，OpenWrt系統(tǒng)使用和Linux類似的庫文件，比如它所包含的uClibc的C庫使得開發(fā)人員通過簡單的補丁包即可輕松運行現(xiàn)有的Linux 程序。而且程序通過TFTP和CFE上傳到路由器后，用戶還可以使用串行口進行通信和調(diào)試。因此我們選擇OpenWrt作為主操作系統(tǒng)，便于在掌握了操作系統(tǒng)基本理論之后，進行高階的學(xué)習(xí)研究。

1.2.2 從操作系統(tǒng)

Xinu操作系統(tǒng)20世紀80年代中期誕生于美國普渡大學(xué)，目標主要是用于操作系統(tǒng)教學(xué)。它是一種小巧、優(yōu)雅的操作系統(tǒng)，支持動態(tài)創(chuàng)建進程、動態(tài)分配內(nèi)存等操作系統(tǒng)的功能，有shell命令和I／O 函數(shù)。同時支持TCP／IP協(xié)議，可以管理本地和遠程文件系統(tǒng)。

除了應(yīng)用于教育領(lǐng)域以外，由于Xinu的體積很小，功能強大，所以也非常適用于嵌入式環(huán)境，現(xiàn)在已被移植到從8位、16位到32位嵌入式處理器平臺上，并有多個工業(yè)級的應(yīng)用，有較好的應(yīng)用價值。

美國馬奎特大學(xué)的嵌入式Xinu項目對其進行了相應(yīng)的研究，并將其移植到嵌入式MIPS平臺。嵌入式Xinu是一個持續(xù)研究和實施的項目，當前版本支持Linksys公司的WRT54GL和WRT160NL的路由器，以及Qemu虛擬機。因此我們選擇嵌入式Xinu作為從操作系統(tǒng)進行基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)。

2 平臺的實現(xiàn)

2.1 硬件改造

由于WRT54GL無線路由器沒有把串口外接出來，為了便于OpenWrt和Xinu的移植，并能通過控制臺對它們進行交互調(diào)試，需要對其進行簡單的硬件改造。

該路由器電路本身就有兩個UART 接口，只是沒有從印刷電路板上用接插件引出來，因此將這兩個串口引出是平臺構(gòu)建的第一個步驟。

首先，需要將印刷電路板和路由器的外殼分離，找到Linksys公司提供的串行接頭連接，它位于電路板的右下角，有10 個針腳支持兩個串行接口（UART0 和UART1），可以用10-pin接插件將這10個針腳引出。

其次，由于路由器和PC 機串口的電平不同，所以還要進行相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換，把路由器的3.3 V 電平轉(zhuǎn)換為RS-232的串口電平。這就需要制作一個轉(zhuǎn)換電路，這里采用的串行接口電平轉(zhuǎn)換芯片為ADM202，參考電路如圖1所示。

然后把引出的串口固定在前面板上，復(fù)原外殼即可，這樣就得到有兩個外接串口的路由器。使用時把UART0通過串口線和PC 機的串口相連，通過任意串口通信軟件就可以進行數(shù)據(jù)通信了。

2.2 OpenWrt的移植

由于WRT54GL路由器支持第三方固件，所以O(shè)pen-Wrt移植并不困難，加之OpenWrt支持軟件包的定制安裝，不需完全從零開始構(gòu)建，所以可以直接利用現(xiàn)有比較穩(wěn)定可靠的鏡像資源加以改造。當然，如果要構(gòu)建相應(yīng)的交叉開發(fā)環(huán)境，從頭做起的話，也可以參考相應(yīng)文獻。由于步驟和Xinu類似，這里不作展開。

2.2.1 部署OpenWrt

首先在www.openwrt.org 網(wǎng)站下載WRT54Gsquashfs.bin固件，然后通過路由器管理菜單更新固件，相關(guān)步驟如下：http：／／192.168.1.1→Administration→Firmware Upgrade。需要注意的是，需要給PC分配192.168.1.2和192.168.1.254之間的一個靜態(tài)IP地址，以便使PC和路由器在同一個網(wǎng)段。當路由器重新啟動后，telnet到其IP地址為192.168.1.1，并發(fā)出以下命令：

圖1 電平轉(zhuǎn)換電路

如果覺得使用命令行配置路由器比較麻煩，還可以添加相應(yīng)的Web GUI包，命令如下：

然后用瀏覽器打開http：／／192.168.1.1，就能夠更容易地配置路由器了。

2.2.2 更新現(xiàn)有OpenWrt

OpenWrt的軟件包定制安裝和標準Linux沒什么區(qū)別，這里只介紹如何更新已經(jīng)運行了OpenWrt操作系統(tǒng)的路由器固件的方法。

步驟和部署OpenWrt極為相似，所不同的是不需要運行NVRAM 命令，另外固件文件名不同。第一次部署路由器固件時，需要用.bin文件，更新升級已有固件時則需要用.trx文件。原因是，.bin是將路由器的相關(guān)配置信息和.trx封裝在一起而生成的鏡像，在第一次部署固件鏡像文件時，需要提供這樣的信息，而在后續(xù)升級時則不再需要，用.trx文件即可，命令如下：

重啟后路由器就重新引導(dǎo)到新版本的固件。

2.3 嵌入式Xinu的編譯與移植

Xinu的移植和完整的OpenWrt移植一樣，涉及從交叉編譯工具環(huán)境構(gòu)成到鏡像生成及部署的一系列工作，下面作簡要介紹。

2.3.1 構(gòu)建MIPS交叉編譯環(huán)境

移植Linux需要專門的交叉編譯環(huán)境，選擇Linux環(huán)境構(gòu)建基于MIPS架構(gòu)平臺的交叉編譯工具鏈，如果采用Windows的環(huán)境也可基于Cygwin來構(gòu)建類似的交叉編譯工具鏈，下面的操作需要擁有ROOT 權(quán)限。

首先下載binutils，現(xiàn)在可以得到的較新版本是2.2.2，命令如下：

由于這里采用的Linux開發(fā)環(huán)境是ubuntu12.04操作系統(tǒng)，它的安全管理會把警告也強制轉(zhuǎn)化為錯誤處理，這就可能造成編譯錯誤。因此，還需要為configure 添加"--disable-werror"選項，或者待配置完后修改Makfile中的對應(yīng)選項。

第二步是為include目錄建立鏈接。

Xinu有自己的小型庫用于編譯，并不需要完整的UNIX 交叉編譯器環(huán)境，但是因為GCC 在編譯時需要關(guān)聯(lián)相應(yīng)的頭文件，所以這里還需要建立一個鏈接，將目標平臺相關(guān)的include 和宿主PC 機的include 目錄鏈接起來。

第三步是安裝GNU C Compiler編譯器，設(shè)計中采用的GCC是最新版本的4.7.2，下載解壓后進行編譯安裝。由于ubuntu12.04的環(huán)境，安裝4.6版本以上的GCC 需要GMP、MPFR、MPC這三個庫，所以還需要從網(wǎng)上下載三個庫的壓縮包。需要注意的是，由于MPFR 依賴GMP，而MPC依賴GMP和MPFR，所以要先安裝GMP，其次MPFR，最后才是MPC。這里三個庫在本設(shè)計實際使用的版本分別是gmp5.0.1、mpfr2.4.2 和mpc0.8.1。限于篇幅僅對安裝gcc-4.7.2作簡要敘述。

當以上步驟都完成，就在宿主機上構(gòu)建了基于littleendian的MIPS 架構(gòu)的gcc cross-compiler?？梢钥吹剑痷sr／local／project／mipsel-dev／bin／mipsel-gcc，表明安裝成功。

2.3.2 構(gòu)建Xinu鏡像

下載并解壓相應(yīng)的壓縮包，可以看到類似這樣的目錄結(jié)構(gòu)：device、lib、loader、system、compile、include、mailbox、shell、test。

和交叉編譯相關(guān)的主要是compile下的相關(guān)文件，由于采用的嵌入式Xinu是最新版本的xinu＿mips-2.01，它支持三種不同平臺wrt54gl、wrt160nl和虛擬器版本的mipsel-qemu。因此根據(jù)我們的硬件平臺，進入xinu＿mips-2.01／compile／platforms／wrt54gl 目錄，對其中的文件platformVars作對應(yīng)修改，去除CFLAGS 的-Werror選項，目的依然是防止把警告當成錯誤。另外最重要的一個設(shè)置是MIPS＿ROOT 變量，它指出了交叉編譯工具所在的目錄，如MIPS＿ROOT＝／usr／local／project／mipseldev／bin，這需要根據(jù)前面的交叉編譯工具的路徑相應(yīng)調(diào)整。然后在compile／目錄下運行make clean和make這兩個命令，就可以獲得相應(yīng)的鏡像文件xinu.boot。

2.3.3 部署Xinu鏡像

部署并運行編譯好的Xinu鏡像的第一步是在PC 機上運行TFTP服務(wù)器，它可以將鏡像文件通過網(wǎng)絡(luò)連接傳輸?shù)铰酚善魃?。Linux上安裝TFTP服務(wù)器相當簡單，只要下載tftp-server軟件包后安裝即可，這里不再詳述。

安裝完TFTP服務(wù)后，還需簡單的設(shè)置以使服務(wù)運行起來，xinetd是一個服務(wù)器守護程序，可以運行許多不同類型的服務(wù)器上。當tftp服務(wù)正常運行，且xinu.boot文件也正確復(fù)制后，就可以進行最后的引導(dǎo)工作了。由于路由器默認的IP地址是192.168.1.1，所以還需要把PC機的IP也設(shè)在相同的網(wǎng)段，如192.168.1.2。

這時已經(jīng)在物理上通過串口將作為后端的路由器和作為宿主機的PC機連接起來了，通過相應(yīng)的串口通信程序就可實現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)交互。如果一切正常，將可以看到路由器的命令提示符CFE＞。

命令格式為boot-elf［host ip］：xinu.boot，其中［host ip］就是鏈接了作為后端的路由器的PC 機，如CFE＞boot-elf 192.168.1.2：xinu.boot。

這樣就可以在路由器上將Xinu引導(dǎo)起來，順利的話將看到xsh＄提示符。Xinu提供了一些最基本的命令，可以用help來查看。

至此已經(jīng)完成了基本的嵌入式Xinu部署的整個流程，進一步的工作就是修改Xinu的源代碼，重新生成鏡像文件，用boot-elf［host ip］：xinu.boot命令重新引導(dǎo)運行新的系統(tǒng)。

結(jié) 語

本文詳細闡述了將WRT54GL路由器改造為適合于學(xué)習(xí)開源OpenWrt與Xinu操作系統(tǒng)的平臺的過程。整個改造過程簡單、易行，可以貫穿整個嵌入式操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程。

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