Linux驱动-系统移植

结束了ARM架构的学习，现在开始Linux驱动模块的学习。首先是Linux系统移植，我们需要把Linux系统移植到硬件平台。今天从头到尾完整实操了整套流程：从理解Linux内核基础概念、搭建Ubuntu虚拟机开发环境，配置双网卡网络，使用烧写工具烧写U‑Boot，完成U‑Boot编译、Linux内核编译，用BusyBox制作根文件系统，学习Linux完整启动流程。

一、关于Linux系统

一、为什么要将Linux系统移植到硬件平台？

1.屏蔽底层不同的硬件平台，为上层应用提供统一接口，从而简化应用层的编程，使得应用软件具备通用性。

2.Linux操作系统的五大核心功能：

1.内存管理（文本区、数据区、堆区、栈区、内核、虚拟空间、物理地址空间、进程空间）

2.多任务管理（进程和线程、任务的调度）

3.进程间通信（管理、信号、消息队列）

4.文件系统管理

5.网络协议（通信栈）

3.Linux系统分为两层：

1.用户层：shell（c语言利用库函数及系统调用编写的一些功能命令）、库函数（对系统调用的封装）

2.内核层：五大功能

3.两者之间的交互方法：系统调用、信号、文件系统

二、如何移植Linux系统？

1.开发板启动方式：

1.USB启动（第一次启动、调试时使用USB启动）

2.SD卡启动（调试阶段使用SD卡启动）选用这种方式完成Linux系统烧录

3.EMMC启动（出厂时固化已经调试好的代码）

4.Nand Flash启动（批量化生产）

2.Linux系统所需要烧录的文件：

1.uboot 在Linux内核启动前，为加载内核做准备的一段逻辑代码

2.zImage 压缩的内核镜像文件，Linux系统的五大功能

3.dtb文件设备树文件（描述硬件资源）

4.rootfs文件系统提供人机交换的一个系统

3.如何将Linux系统（4个镜像文件）烧录到SD卡上？

使用芯片原厂提供的烧录工具mfgtool完成烧录

1.windows工具烧录（mfgtool)

2.Ubuntu烧录（mksdboot.sh)

三、Linux系统如何在开发板上启动加载的？

1.BotROM阶段

1.上电启动执行，芯片执行0x0地址的一段BotRom代码，这段代码是由厂家出场时固化，不允许修改

2.BotROM可以利用片内128K的SRAM执行代码

3.做一些芯片校验工作后，根据拨码开关设置的启动方式在对应的位置找uboot的代码

4.如果设置SD卡启动，BotROM会找到SD卡中的uboot.imx文件，uboot.imx文件是由3部分组成（IVT、uboot.bin、DCD）组成

5.BotROM会根据IVT向量表记录的位置找到DCD数据，DCD中包含了对DDR初始化的寄存器及时钟配置

6.BotROM初始化根据DCD初始化DDR

7.将uboot.bin拷贝到DDR中

8.跳转执行uboot.bin，uboot.bin是一段裸机代码

2.uboot阶段

1.初始化相应的外设

2.找到zImage和DTB文件，并将它们加载到DDR中

3.启动zImage内核，将DTB文件及其文件系统以参数的形式传入内核中

3.zImage内核阶段

1.Linux内核五大功能

2.找到文件系统

4.rootfs文件系统

1.启动文件系统

2.启动shell

二、开发环境搭建：Ubuntu双网卡配置

想要实现模式三网络启动，虚拟机网络配置是第一步。给VMware虚拟机添加两块网卡，分工明确：

网卡1：NAT模式，用来让Ubuntu访问外网，执行apt下载各类软件包。

网卡2：桥接模式，网线直连IMX6ULL开发板，充当TFTP、NFS服务器；虚拟机静态IP设置192.168.1.100，开发板IP设置为192.168.1.50。

桥接模式网卡，一定要桥接到电脑有线网卡，如果桥接无线网卡，开发板网络大概率不通。
默认网关要交给NAT网卡，不能把网关设置到桥接网卡，否则Ubuntu无法访问互联网。这里我写了systemd开机自启服务，开机自动修改路由，保证同时可以访问外网，又可以和开发板通信。
Windows系统防火墙尽量关闭，不然会出现ping丢包、网络访问异常。

网络调通之后，安装全套开发需要工具：

将apt软件源替换为阿里源，更新软件索引。
安装minicom串口工具，用来接收开发板串口输出日志。
安装tftpd‑hpaTFTP服务器、nfs‑kernel‑serverNFS服务器。
部署交叉编译工具链gcc‑linaro‑4.9.4，把工具链路径加入环境变量PATH。

TFTP服务器配置

修改配置文件/etc/default/tftpd‑hpa，指定共享目录/home/linux/tftpboot，zImage和dtb设备树文件放到这个目录，开发板就可以通过网络下载镜像。给目录开放权限，重启tftpd‑hpa服务。

NFS服务器配置

修改/etc/exports，配置根文件系统目录共享权限：

复制代码

/home/linux/nfs/rootfs *(rw,sync,no_subtree_check,no_root_squash)

修改完成重启nfs‑kernel‑server服务。这个共享目录就是开发板挂载的根文件系统，在Ubuntu这边修改程序，开发板可以直接运行，不需要拷贝到板载存储。

三、U‑Boot编译与烧写

U‑Boot是整个系统的入口，先编译源码得到镜像文件。

shell 复制代码

# 清理历史编译产物
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- distclean
# 加载开发板默认配置
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- imx_alientek_emmc_defconfig
# 编译
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j16

编译结束生成u‑boot.imx镜像。

烧写操作：使用烧写工具在Windows下将U‑Boot烧写到SD卡。开发板拨码开关设置为SD卡启动，上电后打开minicom，就能看到U‑Boot打印信息，按下任意按键可以进入uboot命令交互行。

注意：烧写的时候虚拟机需要关闭，不能占用开发板的OTG设备，否则烧写工具识别不到硬件。

四、Linux内核编译

接下来编译Linux内核源码：

shell 复制代码

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- distclean
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- imx_alientek_emmc_defconfig
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- all -j16

编译完成得到两个核心产物：

arch/arm/boot/zImage：Linux内核镜像，复制到tftpboot目录
arch/arm/boot/dts/imx6ull‑alientek‑emmc.dtb：设备树文件，复制到tftpboot目录

五、BusyBox构建根文件系统rootfs

光有内核还不够，内核本身没有ls、cd这些用户命令，需要制作根文件系统。这里使用BusyBox来构建最小化根文件系统：

解压BusyBox源码，修改顶层Makefile，指定ARCH=arm，配置交叉编译器CROSS_COMPILE=arm‑linux‑gnueabihf‑。
make defconfig加载默认配置，打开make menuconfig，取消静态编译选项。
执行make && make install CONFIG_PREFIX=/home/linux/nfs/rootfs，生成基础文件。
把交叉工具链里面的库文件拷贝到rootfs的lib目录，手动创建dev、proc、sys、tmp等必要文件夹。
编写系统启动相关配置文件：/etc/inittab、/etc/init.d/rcS、/etc/fstab，完成根文件系统搭建。

六、模式三网络启动配置

三种主流启动方式

模式一：全套系统烧写到SD卡，适用于刷机、系统恢复、量产测试。

模式二：全套系统烧写到板载EMMC，适用于产品成品，设备独立运行

模式三：SD卡启动U‑Boot，TFTP下载内核设备树，NFS挂载根文件系统。

模式三是嵌入式开发调试阶段非常好用的启动方式，不用反复烧录SD卡或者EMMC。只要修改内核、设备树或者应用程序，把文件放到Ubuntu对应的服务目录，重启开发板就能加载新版本镜像，省去频繁烧卡的时间，调试效率提升非常明显。

模式三工作逻辑：SD卡存放U‑Boot；上电运行U‑Boot，通过TFTP协议从Ubuntu服务器下载zImage内核和dtb设备树，加载到DDR内存；再通过NFS网络挂载Ubuntu主机上的rootfs作为根文件系统，完整启动Linux操作系统。

进入uboot命令行，配置环境变量：

shell 复制代码

setenv ipaddr 192.168.1.50          #开发板本地IP
setenv serverip 192.168.1.100      #Ubuntu服务器IP
setenv gatewayip 192.168.1.1
setenv netmask 255.255.255.0
setenv ethaddr 00:04:9f:04:d2:35

# bootcmd：开机自动执行，tftp下载内核、设备树，bootz启动内核
setenv bootcmd 'tftp 80800000 zImage;tftp 83000000 imx6ull-alientek-emmc.dtb;bootz 80800000 - 83000000'

# bootargs：内核启动参数，指定使用NFS作为根文件系统
setenv bootargs 'console=ttymxc0,115200 root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.100:/home/linux/nfs/rootfs,proto=tcp,nfsvers=3 rw ip=192.168.1.50:192.168.1.100:192.168.1.1:255.255.0::eth0:off'

saveenv    #保存环境变量，重启不丢失

配置完毕复位开发板，U‑Boot自动执行bootcmd，网络下载内核与设备树，挂载NFS根文件系统，串口成功进入Linux shell交互终端。

裸机开发是我们直接读写寄存器操作硬件，而进入Linux系统移植之后开发思路完全转变。U‑Boot、Linux内核已经帮我们处理了绝大部分底层硬件初始化工作，我们更多的工作集中在配置、裁剪、编译、调试。