嵌入式Linux系统构建

libq82024-11-25 11:04

参考资料

本篇内容主要参考 韦东山的《嵌入式Linux应用开发完全手册V5.2_IMX6ULL_Pro开发板.pdf》

具体课程见 百问网嵌入式专家-韦东山嵌入式专注于嵌入式课程及硬件研发

实践环境为百问网官方开发板 100ASK_IMX6ULL-Pro

目标系统组成

Linux系统启动流程

一个有效的根文件系统集成了第三方和内部的所有软件组件。涉及组件的下载、提取、配置、编译和安装，并可能修复问题和调整配置文件。

  • 一个基本的根文件系统至少需要

    • 传统的目录层次结构，包括/bin、/etc、/lib、/root、/usr/bin、/usr/lib、/usr/share、/usr/sbin、/var、/sbin。
    • 一套基本实用程序，至少提供 init 程序、shell 和其他传统的 UNIX 命令行工具。这通常由 BusyBox 提供。
    • 安装在/lib 中的 C 库和相关库（线程库、数学库等）。一些配置文件，如/etc/inittab，以及初始化脚本/etc/init.d。

  • 在大多数嵌入式 Linux 系统通用的基础之上，可以添加第三方或内部组件。

几种解决方案：

  • 手动操作
  • 系统构建工具
  • 发行版或现成的文件系统

组件构建工具

  • Makefile
  • autotools
  • CMake

系统构建工具

可以使用不同的工具来自动化构建目标系统的过程，包括内核，有时还包括工具链。

  • 以正确的顺序自动下载、配置、编译和安装所有组件，有时在应用补丁修复交叉编译问题之后。
  • 已经支持大量的包，应该符合您的主要要求，并且易于扩展。
  • 构建变得可重现，这允许轻松更改某些组件的配置、升级它们、修复错误等。

常见的系统构建工具

  • Buildroot，由社区开发，https://buildroot.org。

    • 项目主要特点

      • 制作启动映像
      • 从源代码构建所有组件
      • 注重简单

    • 支持：根文件系统映像、内核、引导加载程序、工具链的自由组合

  • OpenWRT，最初是无线路由器 Buildroot 的一个分支，现在是一个更通用的项目，https://openwrt.org。

  • OpenEmbedded，更灵活但也更复杂，http://www.openembedded.org 及其工业化版本 Yocto 项目。

发行版Linux系统

Linux系统

  • 一种自由和开放源码的类UNIX操作系统，内核创建于1991-10-5，加上用户空间和应用程序之后成为Linux系统。

  • 遵循 GNU通用公共许可证（GPL），任何个人和机构都可以自由使用，修改和再发布。

    • GNU 是一个自由的操作系统，其内容软件完全以GPL方式发布（编译套件 GCC，C库 glibc，核心工具组 coreutils，调试器 GDB等）

发行版Linux：Linux distribution（GNU/Linux 发行版，为一般用户预先集成好Linux操作系统和各种应用软件，以软件包管理系统进行应用管理）

  • 商业发行版本：Ubuntu（支持x86,arm等不同的处理器架构），Red Hat（主要支持x86），SUSE
  • 社区发行版本：Debain，Fedora， Arch
  • 国内衍生Linux发行版本：Deepin，优麒麟

嵌入式Linux系统

嵌入式Linux系统框架

嵌入式Linux系统构建

开发环境搭建

基础软件安装

百问网提供了 Ubuntu 配置命令脚本，支持一键下载安装

Bash 复制代码 
git clone https://e.coding.net/weidongshan/DevelopmentEnvConf.git

cd DevelopmentEnvConf

sudo ./Configuring_ubuntu.sh

配置交叉编译工具链

工具链：一组编程工具，用于开发软件，创建软件产品。包括编译器和链接器，C库，调试器，头文件，二进制实用程序等等

交叉编译工具链：一组工具，用来将源代码构建为可以运行在其他平台的二进制代码，将构建环境和目标环境分隔开（不同的CPU架构，ABI，OS，Clib）

SDK（software development kit）：一个更广泛的集合，除了工具链外，还包括为 Target 目标架构构建的库、头文件，以及示例代码、文档、开发指南等资源。

交叉编译构建过程：

  • Build（构建机器），使用 GCC 的源码，制作交叉编译工具链。
  • Host（主机），使用交叉编译工具链，编译出程序。
  • Target（目标机器），程序执行的地方。

本地工具链：build == host == target。

交叉编译工具链：build == host!= target

系统定义描述了一个系统：CPU 架构、芯片厂商、操作系统、ABI、C 库。

  • <arch>-<vendor>-<os>-<libc/abi>（完整名称）；
  • <arch>-<os>-<libc/abi>。

arm-foo-none-eabi，针对 ARM 架构的裸机工具链，来自供应商 foo。

arm-unknown-linux-gnueabihf，针对 ARM 架构的 Linux 工具链，使用来自未知供应商的 EABlhf ABI 和 glibc C 库。

armeb-linux-uclibcgnueabi，针对 ARM big-endian 的 Linux 工具链架构，使用 EABl ABI 和 uClibc C 库。

下载100ask_imx6ull 开发板的 BSP：

Bash 复制代码 
git clone https://e.coding.net/codebug8/repo.git

mkdir -p 100ask_imx6ull-sdk && cd 100ask_imx6ull-sdk

../repo/repo init -u https://gitee.com/weidongshan/manifests.git -b linux-sdk -m imx6ull/100ask_imx6ull_linux4.9.88_release.xml --no-repo-verify

../repo/repo sync -j4

交叉编译工具链配置

交叉工具链的主要内容

配置过程主要是设置 PATH， ARCH 和 CROSS_COMPILE 三个环境变量：

Bash 复制代码 
export ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=arm-buildroot-linux-gnueabihf-
export PATH=$PATH:/home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/arm-buildroot-linux-gnueabihf_sdk-buildroot/bin
  • 永久生效：修改用户配置文件 vim ~/.bashrc
  • 临时生效：直接执行命令，只对当前终端有效

系统构建

Bootloader: Uboot

Bootloader 是在操作系统运行之前运行的一段代码，用于引导操作系统，并支持下载和调试。

U-Boot 是一个开源的主引导加载程序，并含有多种命令以便调试系统。它适用于多种计算机体系结构，包括 ARM，RISC-V 和 x86。

不同的开发板对应不同的配置文件，配置文件位于 u-boot 源码的"configs/"目录。

对于 IMX6ULL Pro 版，u-boot 的编译过程如下(编译 uboot前必须先配置好工具链等开发环境)：

Bash 复制代码 
cd /home/book/100ask_imx6ull-sdk/Uboot-2017.03
make distclean
make mx6ull_14x14_evk_defconfig 
make

编译完成之后生成 u-boot-dtb.imx，可以烧在 TF 卡、EMMC 上

Bash 复制代码 
# 将u-boot-dtb.imx 文件烧写到 EMMC 上：
echo 0 > /sys/block/mmcblk1boot0/force_ro 
dd if=u-boot-dtb.imx of=/dev/mmcblk1boot0 bs=512 seek=2 
echo 1 > /sys/block/mmcblk1boot0/force_ro

Linux Kernel 和模块

编译驱动程序之前要先编译内核:

  • 驱动程序要用到内核文件
  • 编译驱动时用的内核、开发板上运行到内核，要保持一致
  • 同理，更换板子上的内核后，板子上的其他驱动也要更换

流程说明

  1. 获取配套的交叉编译工具链

    • SOC原厂提供：NXP ST Rockchip Amlogic Allwinnertech等。
    • 社区下载：Linrao Debian ARM Bootlin

  2. 下载kernel源码

  3. Host下配置开发环境

    • 安装必要依赖包
    • 解压配置合适的工具链

  4. 指定编译板子配置文件

    make BOARDNAME_defconfig

  5. 编译

    • 编译内核镜像 make -jN
    • 编译设备树 make dtbs
    • 编译安装模块驱动 make modules

编译内核

源码镜像

  • vmlinux，未压缩的原始内核映像，ELF 格式，用于调试目的，但无法启动。

  • arch/ /boot/*image，是最终可以启动的压缩后的内核镜像文件：

    • bzImage for x86，
    • zImage for ARM，
    • Image.gz for RISC-V，
    • vmlinux.bin.gz for ARC等。

  • arch/ /boot/Image，也可以引导的未压缩内核映像。

  • arch/ /boot/dts/*.dtb，编译的设备树文件（某些架构）。

  • 所有内核模块，分布在内核源代码树中，作为 .ko（内核目标）文件。

配置编译环境：指定架构和编译器，以及单板的配置文件

不同的开发板对应不同的配置文件，配置文件位于内核源码 arch/arm/configs/ 目录。

IMX6ULL_Pro开发板 kernel 的编译过程如下：

Bash 复制代码 
cd /home/book/100ask_imx6ull-sdk/Linux-4.9.88
make mrproper
make 100ask_imx6ull_defconfig
make zImage -j8
make dtbs

编译完成后，在 arch/arm/boot 目录下生成 zImage 内核文件, 在 arch/arm/boot/dts 目录下生成设备树的二进制文件 100ask_imx6ull14x14.dtb

编译安装内核模块

  • 使用内核模块可以支持更多不同的设备外设。
  • 模块使无需重启即可轻松开发驱动程序：加载、测试、卸载、重建、加载...
  • 有助于将内核映像大小保持在最小（在 PC 的 GNU/Linux 发行版中必不可少）。
  • 对于减少启动时间也很有用：您无需花时间初始化稍后才需要的设备和内核功能。

注意：一旦加载，在系统中拥有完全控制权和权限。没有特别的保护。这就是为什么只有 root 用户才能加载和卸载模块。

编译：

Bash 复制代码 
cd ~/100ask_imx6ull-sdk/Linux-4.9.88/
make modles

安装内核模块到Ubuntu内的某一个目录备用：

Bash 复制代码 
cd ~/100ask_imx6ull-sdk/Linux-4.9.88/
make ARCH=arm INSTALL_MOD_PATH=/home/book/nfs_rootfs modules_install

编译设备树

  • 目标单板所需的硬件设备信息。
  • 一般用于嵌入式设备。

设备树文件要与目标单板配套使用。一般和内核镜像存放同一位置。

内核源码目录下执行 make dtbs

安装内核和模块到开发板

Bash 复制代码 
mount -t nfs -o nolock,vers=3 192.168.5.11:/home/book/nfs_rootfs /mnt
cp /mnt/zImage /boot
cp /mnt/100ask_imx6ull-14x14.dtb /boot
cp /mnt/lib/modules /lib -rfd

替换对应的目录中文件，重启开发板即可完成更新 zImage、dtb、模块

完整的系统

根文件系统与 busybox

Linux 系统需要一组基本的程序才能工作，包括一个 init 程序、一个 shell 以及用于文件操作和系统配置的各种基本实用程序。在普通的 GNU/Linux 系统中，这些程序由不同的项目提供。

Busybox 本身包含了很多 Linux 命令，但是要编译其他程序或者某些依赖库，需要手工下载、编译。 如果想做一个极简的文件系统，可以使用 Busybox 手工制作。

文件系统是一套实现了数据的存储、分级组织、访问和获取等操作的抽象数据类型（Abstract data type）

  • 数据存取

    • 使用硬盘和光盘这样的存储设备，并维护文件在设备中的物理位置
    • 通过网络协议（如 NFS、SMB 等）提供的或者暂存于内存上
    • 虚拟文件（如 proc 文件系统）

  • 用户访问管理

    • 不必关心数据实际保存在硬盘（或者光盘）的地址为多少的数据块上，只需要记住这个文件的所属目录和文件名
    • 不必关心硬盘上的那个块地址没有被使用，硬盘上的存储空间管理（分配和释放）功能由文件系统自动完成

根文件系统：被挂载在特定层次结构的 root 位置，由"/"标识

  • mount 和 umount 是程序，是文件系统中的文件。所以在安装至少一个文件系统之前无法使用
  • 不能用普通的挂载命令挂载，由内核直接挂载，根据"root="内核选项进行设置。当没有可用的根文件系统时，内核会崩溃
  • 支持从不同位置挂载，包括存储设备（硬盘，SD卡等），NFS和内存。

busybox 在根文件系统：

Buildroot

Buildroot 是一组 Makefile 和补丁，可自动化地为嵌入式系统构建完整的、可启动的 Linux 环境(包括 bootloader、Linux 内核、包含各种 APP的文件系统)。

  • 可以自动构建所需的交叉编译工具链，创建根文件系统，编译 Linux 内核映像，并生成引导加载程序用于目标嵌入式系统。并支持所有步骤的任何独立组合。
  • 使用简单：类似内核的menuconfig
  • 支持大量的实用软件包，比如 QT等

构建说明

  • 所有的构建都会输出到顶层目录下的 output/目录内。O = output。另外也支持 out-of-tree 构建。
  • 配置文件作为.config 存储在顶级 Buildroot 源目录中。CONFIG_DIR = $(TOPDIR)，TOPDIR = $(shell pwd)

IMX6ULL_Pro 编译过程

Bash 复制代码 
cd ~/100ask_imx6ull-sdk/Buildroot_2020.02.x

#选择配置界面
make menuconfig

# 单独编译内核
make linux-rebuild

# 进入内核配置选项
make linux-menuconfig

# 单独编译 u-boot
make uboot-rebuild

# 单独编译某个软件包
make <pkg>-rebuild

# 进入 busybox 配置选项
make busy-box-menuconfig

# 生成系统 sdk
make sdk

配置文件说明

编译系统

Bash 复制代码 
cd /home/book/100ask_imx6ull-sdk/Buildroot_2020.02.x
make clean
make 100ask_imx6ull_pro_ddr512m_systemV_qt5_defconfig
make all -j4

镜像文件说明

buildroot2020.02.x/output/images/

  • 100ask_imx6ull-14x14.dtb【设备树文件】
  • rootfs.ext2
  • rootfs.ext4
  • rootfs.tar
  • rootfs.tar.bz2【打包并压缩的根文件系统，用于NFSROOT启动】
  • 100ask-imx6ull-pro-512d-systemv-v1.img【完整的系统镜像，用于烧写EMMC和SD卡】
  • uboot-dtb.imx【Uboot镜像】
  • zImage【内核镜像】

系统烧录

USB 模式烧录

使用 USB 烧写工具：

使用命令行

  • 执行脚本命令

    • sudo ./bin/uuu scripts/basic/emmc/write_all.clst #烧写整个系统

  • 对于裸机程序，名字各有不同，没有提供固定的脚本

    • sudo ./bin/uuu -b emmc(or sd) firmware/u-boot-dtb_fastboot_100ask.imx files/led.imx #把 led.imx 烧到 EMMC

在开发板上直接烧写

烧写 u-boot

  • 将uboot镜像u-boot-dtb.imx拷贝到开发板根目录

    • 烧写 EMMC

      bash 复制代码 
      echo 0 > /sys/block/mmcblk1boot0/force_ro 					//取消此分区的只读保护 
dd if=u-boot-dtb.imx of=/dev/mmcblk1boot0 bs=512 seek=2 	//实际烧写命令 
echo 1 > /sys/block/mmcblk1boot0/force_ro 					//打开此分区的只读保护

    • 烧写 SD/TF

      dd if=u-boot-dtb.imx of=/dev/mmcblk0 bs=512 seek=2

更新内核或设备树

开发板使用的内核名为 zImage，设备树名为 100ask_imx6ull-14x14.dtb。 保存在开发板的/boot 目录中，只要替换/boot 目录下的文件后重启即可完成更新

烧写 SD/TF 卡

Windows SD/TF 卡烧录工具

格式化：

烧写镜像：

Ubuntu下使用命令行烧录 SD/TF 卡

在 Ubuntu 下可以更精细地操作 SD/TF 卡：把 sdcoard.img 整个烧写到卡上，单独烧写 u-boot 到卡上，甚至挂接卡上的文件系统后单独更新里面的文件。

  • 识别 SD/TF 卡：使用 dmesg 命令获取设备挂载的设备节点

  • 更新整个系统镜像：使用 dd 命令烧写 sdcard.img 镜像文件到 /dev/sdb 设备

    • sudo dd if=sdcard.img of=/dev/sdb

  • 只更新卡上的 u-boot：使用 dd 命令烧写 uboot的imx 镜像文件到 /dev/sdb 设备

    • sudo dd if=u-boot-dtb.imx of=/dev/sdb bs=1k seek=1 conv=fsync

  • 更新 SD/TF 卡中的内核和设备树

    • 对于曾经烧写过的 SD/TF 卡，上面已经有分区。使用 vmware 连接 TF 卡设 备后，Ubuntu 系统系统会自动挂载 tf 卡内的分区文件系统

      • 执行df -h命令找到对应目录，将其中的内核镜像拷贝到开发板 /boot 目录后重启
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