前言
嵌入式系統發展至今，已逐漸成為明星級的產業了。它之所以成為眾所矚目的焦點，必然有其技術的特殊性與需求性。以目前家庭最常見的寬頻閘道器為例，若沒有嵌入式系統這項技術，則使用者將必須以一台PC系統，來完成原本寬頻閘道器要完成的功能。我們會發現，PC系統有很強的運算能力，但通常只用到一小部分，而為了這一小部分的運算功能，卻要耗費每小時可能幾百瓦的電力。扣除買電腦的成本與電費不算，要讓一台PC系統可以固定執行IP分享的功能，將會耗費掉使用者許多的心力去學習與設定，甚至可以說，那不是一般使用者做得到的事。總而言之，個人電腦絕對可以執行嵌入式系統所要完成的工作，但卻無法讓人接受。因此嵌入系統逐漸展露頭角，它有著低功耗、低成本、適當的CPU運算效能與友善的軟體介面......等優點。
然而嵌入式系統雖然有上述優點，卻有著高門檻的軟硬體開發技術需要建立。若所用的CPU是ARM或MIPS等RISC架構，則軟體還需要非常大的開發或移植成本。要完成一項嵌入式系統的產品研發，往往需要投入大量的人力，而產品的成功機率，更因此增添了許多不確定性。
本文所要介紹的嵌入式系統是使用金麗科技的x86 SoC，它有著低溫、低功耗和低成本等優點。低溫使整個系統無需使用風扇，而低於0.9瓦的功耗，則非常適合長時間待機使用。x86 SoC還能讓開發技術的門檻降低，使開發平台與目標平台的差距縮到最小，甚至目標平台可以看成是PC on a Chip。目前科技產品有許多創新的應用，皆是先由PC系統常用的軟體功能開始，進而獨立成為產品。例如MP3隨身聽，就是從電腦裡的MP3播放軟體獨立出來。因此，若想把PC系統裡獨具特色的軟體功能變為一項大眾化且易用的產品，也就是PC in Box的概念，使用金麗科技的x86 SoC將是最佳選擇。
目前最熱門的低價電腦即是一項PC in Box的應用，它有著嵌入式系統的優點，但仍然保有PC系統具有的軟體功能，可說是集兩者的優點於一身。而使用Linux作業系統，不但作業系統穩定且免費，更立即擁有充足的驅動程式支援，還有著極為豐富的自由軟體可應用。因此本文將從嵌入式Linux系統開始，進而分析Linux低價電腦的整個開發過程。
系統硬體架構
自從SoC(System-on-Chip)的技術逐漸成熟後，嵌入式系統皆使用高整合的SoC為主要晶片。也就是在一塊開發板裡，都盡量做到IC晶片越少越好。一顆高整合的SOC可以簡化生產流程，並且大幅降低成本。本文所使用的金麗科技x86 SOC，裡面包含一個333 MHz x86相容的CPU、南北橋晶片組和Ethernet MAC，也有PCI BUS可外接VGA顯示卡和USB 2.0 Host。圖1是採用RDC x86 SOC的PC in Box系統方塊圖。
圖1 PC in Box系統方塊圖
在系統方塊圖裡，DDR2共有64 MBytes，是系統執行時的主記憶體。另外SPI-Flash共有4 MBytes，它可以儲存BIOS的Firmware，使其成為像一般個人電腦一樣的啟動方式；也可以儲存Boot-Loader、Linux核心和檔案系統等等，也就是使用一般常見的嵌入式Linux系統架構。另外在VGA顯示卡的部分，使用的是XGI Z9s PCI顯示卡。一張VGA顯示卡通常都有一段VGA BIOS燒錄在顯示卡的EEPROM裡面，由於VGA BIOS是使用x86指令集，因此要使用這種VGA顯示卡，系統必須要有能力可以執行x86指令。目前SOC只有像金麗科技這種使用x86相容的CPU才有辦法執行。
在開發板外部，透過USB 2.0 Host，分別接USB Keyboard、USB Mouse、USB Audio和USB Flash。其中USB Flash就是目前最經濟實用的隨身碟。本文系統將以這個外接的隨身碟當成根目錄檔案系統，也就是相當於原本電腦硬碟的角色。另外由Ethernet PHY向外，將有一個RJ-45的LAN Port可接區域網路；以及一個VGA Port可外接LCD螢幕。結合上述幾項週邊，一部電腦的基本輸出入系統皆已備齊。從系統中也可看出，這樣的PC-in-Box系統架構與一般電腦比較起來，是極為低成本的設計。
嵌入式Linux系統分析
目前Linux在伺服器、PC系統以及嵌入式系統等領域，皆獲得廣大的採用。在嵌入式系統領域裡，若使用ARM或MIPS等RISC，則Linux核心將有別於PC系統，也就是Linux的核心將需要切換成特定的CPU架構，並且需要開發BSP；若使用x86 SOC，則Linux核心與PC系統所使用的相同。差別只在於嵌入式系統不像PC系統有硬碟等大型儲存裝置，因此啟動和儲存方式需要使用不同方法。
通常在開發嵌入式Linux時，一定會有三個主要部分需要開發，分別是Boot-Loader、Linux核心以及根目錄檔案系統(Root-Filesystem)。這三個部分通常會製作成映像檔(Image File)，並且儲存在Flash裡面，也就是Flash裡將會有三個映像檔分別存放在不同的區段。本文系統所用的位址區段如圖2所示，其中redboot.bin是Boot-Loader的映像檔，它是整個系統最先執行的程式，相當於一般PC主機板裡的BIOS。圖2下方的bzImage是Linux核心的映像檔所在位置，為了節省空間，它是以壓縮的方式儲存在Flash裡。圖2中間的initrd.gz則是Ramdisk的映像檔，它解開後會放到記憶體裡，並且由Linux核心掛載成為根目錄檔案系統。
目前Boot-Loader有許多選擇，常用的有uboot 或Redboot，有些SOC原廠甚至會提供自行開發的Boot-Loader。其主要功能是用來初始化CPU、Flash、SDRAM、UART和Ethernet MAC等等。嵌入式系統一般都是固定的硬體規格，也就是能夠做初始化的硬體通常都是固定不變的。因此若更換任何硬體元件，則Boot-Loader可能需要一些修改。另外Boot-Loader也負責把Linux核心和Ramdisk這兩個映像檔從Flash裡讀取出來，並且解壓縮放到SDRAM的定位上。當Linux核心和Ramdisk都已放到SDRAM後，Boot-Loader會把CPU控制權移轉給Linux核心，亦即結束Boot-Loader的工作，並開始Linux作業系統的執行。圖3是Boot-Loader執行時，Flash與SDRAM的使用過程。
Linux核心就是整個系統的作業系統，主要功能有記憶體管理、應用程式行程管理、檔案系統管理、硬體資源管理、驅動程式掛載以及提供網路通訊協定等等。Linux在上述的功能皆非常穩定，而且在檔案系統、網路通訊協定與驅動程式等等，皆有豐富的支援。當Linux核心執行時，它會先初始化作業系統的軟硬體部分，並掛載所需的驅動程式，最後才會掛載根目錄檔案系統。當根目錄檔案系統掛載完成，Linux核心會藉由執行檔名為init的檔案，來轉移系統執行的控制權到使用者空間，因此只要善加利用init這個檔案，就可使系統充分地客制化。圖4是Linux核心的主要功能方塊圖。
在一般情況下，Linux核心所執行的init，將會是整個系統的第一個行程(Process)。init執行時會去檢查inittab這個設定檔，並從檔案裡面的敘述，繼續尋找shell script來執行，通常那個shell script都設為/etc/rc.d/rc.sysinit。當系統執行到rc.sysinit時，也就代表Linux核心已完成初始化的工作，剩餘的工作要開始交由使用者來決定了。一個嵌入式Linux通常都有其特定的任務需要執行，因此藉由rc.sysinit這一script file，就可以設定許多的環境變數，並帶起系統真正要執行的應用程式。
轉變為低價電腦的關鍵點
嵌入式系統除了具有低功耗和低成本等優點外，還有系統穩定以及永續執行等軟體上的特質。因此嵌入式Linux皆把幾個主要的軟體製作成映像檔，除了可縮減儲存容量的成本，也可達到系統穩定與永續執行的需求。利用映像檔的方式，則不管日後系統開機幾次，都將和出廠時一樣；若是一般PC系統，開機數次之後，系統可能就和出廠時的狀態有些許不同，也可能從而增加軟體技術支援的需求。本文所設計的低價電腦，主要是由嵌入式Linux系統架構所衍生而來，因此除了有PC系統的使用介面外，還繼續保有嵌入式系統的穩定特質。
要從嵌入式系統架構擴充成為低價電腦，主要在於儲存系統與VGA顯示卡這兩部分。目前USB隨身碟算是最經濟實惠的選擇，也是最省電的儲存裝置。因此本文系統將會製作另一根目錄檔案系統的映像檔，大約250Mbytes的大小放在USB隨身碟裡，也就是整個系統將增加到四個映像檔，其中三個如前文所述放在Flash裡，第四個則放在USB隨身碟。若單就USB隨身碟來看，它仍然是出廠時的FAT16檔案系統，只是裡面放了一個檔案名為rimg的根目錄檔案系統映像檔。這樣的架構在日後大量生產時，將會非常方便，只要複製rimg到不同的USB隨身碟即可。另外也可在同一隨身碟儲存兩份rimg，這樣當系統出問題時，可以很容易地恢復成出廠時的狀態。在VGA顯示卡的部分，由於本文系統使用的是x86 SoC，因此PCI的VGA卡將是便宜又方便的選擇。透過此一VGA卡，外部顯示器可任意選擇尺寸。另外在建構X-Window時，只要以VESA模式即可輕易讓X-Server啟動，這是其他RISC所無法達到的便利性。
系統整合
低價電腦是一新興的產品，在設計系統時有許多考量與PC系統不同。其中最主要的是低成本與強韌性，因此本文從x86 SOC開始，進而介紹系統硬體，再到嵌入式Linux的許多特性分析，最後以USB隨身碟與PCI的VGA顯示卡來達到PC系統的基本功能。在下一篇文章裡，將剖析這些系統素材該如何整合在一起，繼續分享低價電腦的實作過程。
嵌入式系統發展至今，已逐漸成為明星級的產業了。它之所以成為眾所矚目的焦點，必然有其技術的特殊性與需求性。以目前家庭最常見的寬頻閘道器為例，若沒有嵌入式系統這項技術，則使用者將必須以一台PC系統，來完成原本寬頻閘道器要完成的功能。我們會發現，PC系統有很強的運算能力，但通常只用到一小部分，而為了這一小部分的運算功能，卻要耗費每小時可能幾百瓦的電力。扣除買電腦的成本與電費不算，要讓一台PC系統可以固定執行IP分享的功能，將會耗費掉使用者許多的心力去學習與設定，甚至可以說，那不是一般使用者做得到的事。總而言之，個人電腦絕對可以執行嵌入式系統所要完成的工作，但卻無法讓人接受。因此嵌入系統逐漸展露頭角，它有著低功耗、低成本、適當的CPU運算效能與友善的軟體介面......等優點。
然而嵌入式系統雖然有上述優點，卻有著高門檻的軟硬體開發技術需要建立。若所用的CPU是ARM或MIPS等RISC架構，則軟體還需要非常大的開發或移植成本。要完成一項嵌入式系統的產品研發，往往需要投入大量的人力，而產品的成功機率，更因此增添了許多不確定性。
本文所要介紹的嵌入式系統是使用金麗科技的x86 SoC，它有著低溫、低功耗和低成本等優點。低溫使整個系統無需使用風扇，而低於0.9瓦的功耗，則非常適合長時間待機使用。x86 SoC還能讓開發技術的門檻降低，使開發平台與目標平台的差距縮到最小，甚至目標平台可以看成是PC on a Chip。目前科技產品有許多創新的應用，皆是先由PC系統常用的軟體功能開始，進而獨立成為產品。例如MP3隨身聽，就是從電腦裡的MP3播放軟體獨立出來。因此，若想把PC系統裡獨具特色的軟體功能變為一項大眾化且易用的產品，也就是PC in Box的概念，使用金麗科技的x86 SoC將是最佳選擇。
目前最熱門的低價電腦即是一項PC in Box的應用，它有著嵌入式系統的優點，但仍然保有PC系統具有的軟體功能，可說是集兩者的優點於一身。而使用Linux作業系統，不但作業系統穩定且免費，更立即擁有充足的驅動程式支援，還有著極為豐富的自由軟體可應用。因此本文將從嵌入式Linux系統開始，進而分析Linux低價電腦的整個開發過程。
系統硬體架構
自從SoC(System-on-Chip)的技術逐漸成熟後，嵌入式系統皆使用高整合的SoC為主要晶片。也就是在一塊開發板裡，都盡量做到IC晶片越少越好。一顆高整合的SOC可以簡化生產流程，並且大幅降低成本。本文所使用的金麗科技x86 SOC，裡面包含一個333 MHz x86相容的CPU、南北橋晶片組和Ethernet MAC，也有PCI BUS可外接VGA顯示卡和USB 2.0 Host。圖1是採用RDC x86 SOC的PC in Box系統方塊圖。
圖1 PC in Box系統方塊圖
在系統方塊圖裡，DDR2共有64 MBytes，是系統執行時的主記憶體。另外SPI-Flash共有4 MBytes，它可以儲存BIOS的Firmware，使其成為像一般個人電腦一樣的啟動方式；也可以儲存Boot-Loader、Linux核心和檔案系統等等，也就是使用一般常見的嵌入式Linux系統架構。另外在VGA顯示卡的部分，使用的是XGI Z9s PCI顯示卡。一張VGA顯示卡通常都有一段VGA BIOS燒錄在顯示卡的EEPROM裡面，由於VGA BIOS是使用x86指令集，因此要使用這種VGA顯示卡，系統必須要有能力可以執行x86指令。目前SOC只有像金麗科技這種使用x86相容的CPU才有辦法執行。
在開發板外部，透過USB 2.0 Host，分別接USB Keyboard、USB Mouse、USB Audio和USB Flash。其中USB Flash就是目前最經濟實用的隨身碟。本文系統將以這個外接的隨身碟當成根目錄檔案系統，也就是相當於原本電腦硬碟的角色。另外由Ethernet PHY向外，將有一個RJ-45的LAN Port可接區域網路；以及一個VGA Port可外接LCD螢幕。結合上述幾項週邊，一部電腦的基本輸出入系統皆已備齊。從系統中也可看出，這樣的PC-in-Box系統架構與一般電腦比較起來，是極為低成本的設計。
嵌入式Linux系統分析
目前Linux在伺服器、PC系統以及嵌入式系統等領域，皆獲得廣大的採用。在嵌入式系統領域裡，若使用ARM或MIPS等RISC，則Linux核心將有別於PC系統，也就是Linux的核心將需要切換成特定的CPU架構，並且需要開發BSP；若使用x86 SOC，則Linux核心與PC系統所使用的相同。差別只在於嵌入式系統不像PC系統有硬碟等大型儲存裝置，因此啟動和儲存方式需要使用不同方法。
通常在開發嵌入式Linux時，一定會有三個主要部分需要開發，分別是Boot-Loader、Linux核心以及根目錄檔案系統(Root-Filesystem)。這三個部分通常會製作成映像檔(Image File)，並且儲存在Flash裡面，也就是Flash裡將會有三個映像檔分別存放在不同的區段。本文系統所用的位址區段如圖2所示，其中redboot.bin是Boot-Loader的映像檔，它是整個系統最先執行的程式，相當於一般PC主機板裡的BIOS。圖2下方的bzImage是Linux核心的映像檔所在位置，為了節省空間，它是以壓縮的方式儲存在Flash裡。圖2中間的initrd.gz則是Ramdisk的映像檔，它解開後會放到記憶體裡，並且由Linux核心掛載成為根目錄檔案系統。
目前Boot-Loader有許多選擇，常用的有uboot 或Redboot，有些SOC原廠甚至會提供自行開發的Boot-Loader。其主要功能是用來初始化CPU、Flash、SDRAM、UART和Ethernet MAC等等。嵌入式系統一般都是固定的硬體規格，也就是能夠做初始化的硬體通常都是固定不變的。因此若更換任何硬體元件，則Boot-Loader可能需要一些修改。另外Boot-Loader也負責把Linux核心和Ramdisk這兩個映像檔從Flash裡讀取出來，並且解壓縮放到SDRAM的定位上。當Linux核心和Ramdisk都已放到SDRAM後，Boot-Loader會把CPU控制權移轉給Linux核心，亦即結束Boot-Loader的工作，並開始Linux作業系統的執行。圖3是Boot-Loader執行時，Flash與SDRAM的使用過程。
Linux核心就是整個系統的作業系統，主要功能有記憶體管理、應用程式行程管理、檔案系統管理、硬體資源管理、驅動程式掛載以及提供網路通訊協定等等。Linux在上述的功能皆非常穩定，而且在檔案系統、網路通訊協定與驅動程式等等，皆有豐富的支援。當Linux核心執行時，它會先初始化作業系統的軟硬體部分，並掛載所需的驅動程式，最後才會掛載根目錄檔案系統。當根目錄檔案系統掛載完成，Linux核心會藉由執行檔名為init的檔案，來轉移系統執行的控制權到使用者空間，因此只要善加利用init這個檔案，就可使系統充分地客制化。圖4是Linux核心的主要功能方塊圖。
在一般情況下，Linux核心所執行的init，將會是整個系統的第一個行程(Process)。init執行時會去檢查inittab這個設定檔，並從檔案裡面的敘述，繼續尋找shell script來執行，通常那個shell script都設為/etc/rc.d/rc.sysinit。當系統執行到rc.sysinit時，也就代表Linux核心已完成初始化的工作，剩餘的工作要開始交由使用者來決定了。一個嵌入式Linux通常都有其特定的任務需要執行，因此藉由rc.sysinit這一script file，就可以設定許多的環境變數，並帶起系統真正要執行的應用程式。
轉變為低價電腦的關鍵點
嵌入式系統除了具有低功耗和低成本等優點外，還有系統穩定以及永續執行等軟體上的特質。因此嵌入式Linux皆把幾個主要的軟體製作成映像檔，除了可縮減儲存容量的成本，也可達到系統穩定與永續執行的需求。利用映像檔的方式，則不管日後系統開機幾次，都將和出廠時一樣；若是一般PC系統，開機數次之後，系統可能就和出廠時的狀態有些許不同，也可能從而增加軟體技術支援的需求。本文所設計的低價電腦，主要是由嵌入式Linux系統架構所衍生而來，因此除了有PC系統的使用介面外，還繼續保有嵌入式系統的穩定特質。
要從嵌入式系統架構擴充成為低價電腦，主要在於儲存系統與VGA顯示卡這兩部分。目前USB隨身碟算是最經濟實惠的選擇，也是最省電的儲存裝置。因此本文系統將會製作另一根目錄檔案系統的映像檔，大約250Mbytes的大小放在USB隨身碟裡，也就是整個系統將增加到四個映像檔，其中三個如前文所述放在Flash裡，第四個則放在USB隨身碟。若單就USB隨身碟來看，它仍然是出廠時的FAT16檔案系統，只是裡面放了一個檔案名為rimg的根目錄檔案系統映像檔。這樣的架構在日後大量生產時，將會非常方便，只要複製rimg到不同的USB隨身碟即可。另外也可在同一隨身碟儲存兩份rimg，這樣當系統出問題時，可以很容易地恢復成出廠時的狀態。在VGA顯示卡的部分，由於本文系統使用的是x86 SoC，因此PCI的VGA卡將是便宜又方便的選擇。透過此一VGA卡，外部顯示器可任意選擇尺寸。另外在建構X-Window時，只要以VESA模式即可輕易讓X-Server啟動，這是其他RISC所無法達到的便利性。
系統整合
低價電腦是一新興的產品，在設計系統時有許多考量與PC系統不同。其中最主要的是低成本與強韌性，因此本文從x86 SOC開始，進而介紹系統硬體，再到嵌入式Linux的許多特性分析，最後以USB隨身碟與PCI的VGA顯示卡來達到PC系統的基本功能。在下一篇文章裡，將剖析這些系統素材該如何整合在一起，繼續分享低價電腦的實作過程。
