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利用 Linux Lab 完成嵌入式系统软件开发全过程

Wu Zhangjin 创作于 2016/10/03

By Falcon of TinyLab.org 2016-10-03 20:37:27

简介

早在 2013 年,本站发表过一篇文章:利用 qemu 模拟嵌入式系统制作全过程,该文详细介绍了如何利用 Qemu 来搭建一个基于 ARM 的嵌入式 Linux 系统,内容涵盖:

  • 配置/编译 Linux Kernel
  • 配置/编译 Busybox 并制作成 initramfs
  • 配置物理文件系统,切换根文件系统类型
  • 配置/编译 Uboot,加载 Linux Kernel

今年年中,本站又推出了一款 Linux Lab,它不仅适合做 Linux 内核开发,也提供了完整的嵌入式 Linux 系统开发环境;不仅涵盖上述过程,而且更加自动化和便捷。最核心的好处有:

  • 基于 Qemu,提供了大量免费的虚拟开发板
  • 开发环境可快速构建,基于 Docker 一键构建,避免执行一堆命令
  • Repeatable,在不同机器上有同样表现
  • 聚焦开发本身,避免浪费精力在环境搭建上

下面以类似的章节来对照介绍。

环境搭建

首先把 Linux Lab 下载下来:

$ git clone https://github.com/tinyclub/cloud-lab.git
$ cd cloud-lab && tools/docker/choose linux-lab

由于 Linux Lab 把所有的环境 docker 容器化了,只需要一条命令即可构建,以 Ubuntu 为例:

$ tools/docker/pull   # Pull from docker hub
or
$ tools/docker/build  # Build from source

$ tools/docker/identify    # 关闭登陆密码,允许无密登陆

接着就可以启动该环境,加载镜像,拉起一个 Linux Lab 容器:

$ tools/docker/run

上述命令启动容器并运行浏览器,浏览器打开后可点击页面右上角的 Connect 即可进入开发环境,退出浏览器后可用如下命令再次登录:

$ tools/docker/open

关机后可以通如下命令快速恢复:

$ tools/docker/start

也可先调用 tools/docker/rm 删除该容器后再通过 tools/docker/run 重构。

登进 Linux Lab 后,可在桌面看到三个快捷图标:

在进行下述完整过程之前,可以利用预编译的镜像快速上手体验:

$ make boot

上述命令会在 Qemu 虚拟的 versatilepb 板子上启动存放在 prebuilt/ 目录下的预编译好的内核镜像、DTB 和根文件系统。

下载 Uboot, Linux, Buildroot 源码

直接一键拉取所需的源码:

$ make core-source

也可单独下载:

$ make uboot-source
$ make kernel-source
$ make root-source

源码从如下镜像站获取:

  • u-boot: https://github.com/u-boot/u-boot.git
  • linux-stable: https://github.com/tinyclub/linux-stable.git
  • buildroot: https://github.com/buildroot/buildroot.git

说明:

  • buildroot 内含 Busybox 等大量嵌入式系统所需的软件包,用它可以大大简化根文件系统的制作。
  • 也可从其他源自行拉取所需源码,可使用默认目录:u-boot, linux-stable 和 buildroot,也可更新 Makefile 中对应的配置:UBOOT_SRC, KERNEL_SRCROOT_SRC

选择或者添加一款虚拟开发板

选择已有的板子

Linux Lab 理论上支持所有 Qemu 内置的十几款处理器架构和几十款开发板,目前已实际加入了 4 个架构(ARM、MIPS、PPC、X86),5 个开发板(versatilepb, vexpress-a9, malta, g3beige, pc):

$ make list
[ pc ]:
      ARCH     = x86
      CPU     ?= i686
      LINUX   ?= 4.6
      ROOTDEV ?= /dev/ram0
[ g3beige ]:
      ARCH     = powerpc
      CPU     ?= generic
      LINUX   ?= 4.6
      ROOTDEV ?= /dev/ram0
[ vexpress-a9 ]:
      ARCH     = arm
      CPU     ?= cortex-a9
      LINUX   ?= 4.6
      ROOTDEV ?= /dev/mmcblk0
[ malta ]:
      ARCH     = mips
      CPU     ?= mips32r2
      LINUX   ?= 4.6
      ROOTDEV ?= /dev/ram0
[ versatilepb ]:
      ARCH     = arm
      CPU     ?= arm926t
      LINUX   ?= 4.6
      ROOTDEV ?= /dev/ram0

可以这样选择一款已经添加的板子,类似那篇 利用 qemu 模拟嵌入式系统制作全过程,本文也以 versatilepb 为例:

$ make BOARD=versatilepb

添加一款新板子

如果要添加一款板子,可对照现有板子中的一个,复制一份 boards/BOARD/ 并做相应配置即可。

先来看看现在的板子,以 versatilepb 为例:

$ ls boards/versatilepb/
  • 板子配置:Makefile(TODO:部分变量名有待优化)
    • ARCH:处理器架构
    • XARCH: 包含大小端、指令长度等信息,为兼容 qemu-system-XARCH 而设置
    • CPU:指令集
    • MEM: 内存大小
    • UBOOT: Uboot 版本号
    • LINUX: Linux 版本号
    • KRN_ADDR: Uboot 加载内核镜像的地址
    • RDK_ADDR: Uboot 加载 Ramdisk 的地址
    • DTB_ADDR: Uboot 加载 DTB 的地址
    • UCONFIG: Uboot 板级配置文件,配置工具:tools/uboot/config.sh
    • NETDEV:网卡设备
    • SERIAL:串口设备
    • ROOTDEV:根文件系统类型,支持 /dev/ram, /dev/nfs, /dev/sda, /dev/mmcblk0
    • FSTYPE:根文件系统格式,默认为 ext2
    • ORIIMG:内核镜像原生路径,例如:arch/$(ARCH)/boot/zImage
    • UORIIMG:可用于 Uboot 加载的内核镜像文件路径,例如:arch/$(ARCH)/boot/uImage
    • ORIDTB:DTB 文件原生路径,例如:arch/$(ARCH)/boot/dts/versatile-pb.dtb
    • CCPRE:交叉编译工具前缀,例如:arm-linux-gnueabi-
    • BIMAGE:预先构建的 Bootloader 镜像文件路径
    • KIMAGE:预先构建的内核镜像文件路径
    • DTB :预先构建的 DTB 文件路径
    • UKIMAGE:预先构建的 Uboot 可加载内核镜像文件
    • ROOTFS :预先构建的 Ramdisk
    • UROOTFS:预先构建的 Uboot 可加载的 Ramdisk
    • HROOTFS:预先构建的根文件系统,虚拟硬盘版
  • Buildroot 配置文件:buildroot_arm926t_defconfig
  • Linux 配置文件:linux_2.6.35_defconfig, linux_2.6.36_defconfig, linux_4.6_defconfig
  • Uboot 配置文件:uboot_v2015.07_defconfig

配置板子时,可以参考 qemu-system-ARCH -M ?, doc/qemu-doc.html, buildroot/board/qemu/, linux-stable/arch/ARCH/configs/, buildroot/configs/, u-boot/configs/。详细的添加过程我们将用另外一篇文章进行深入介绍。

配置/编译 Linux Kernel

检出所需的内核版本(注:会 Reset 掉历史修改,请注意备份变更)

$ make kernel-checkout

使能默认配置文件:

$ make kernel-defconfig

添加/修改所需配置选项:

$ make kernel-menuconfig

交叉编译内核,如果配置了 UBOOT,会自动编译 uImage

$ make kernel

如果支持 DTB,也会自动生成 DTB 文件。

如果要保存内核配置文件(存回 boards/versatilepb/),可执行:

$ make kconfig-save

而要保存内核镜像文件、DTB 等(存到 prebuilt/kernel/),可执行:

$ make kernel-save

配置/编译 Buildroot 并生成根文件系统

用法跟上面几乎一致,使能默认配置文件:

$ make root-defconfig

添加/修改所需配置选项:

$ make root-menuconfig

交叉编译根文件系统,可在上面配置根文件系统类型,比如 Ramdisk 或者是磁盘镜像:

$ make root

Linux Lab 也提供了一个脚本:tools/rootfs/mkfs.sh 用于自动从 Ramdisk 生成所需格式的磁盘镜像文件,Linux Lab 会依据 ROOTDEV 自动搞定所有根文件系统的转换。

如果要保存 Buildroot 配置文件(存回 boards/versatilepb/),可执行:

$ make rconfig-save

而要保存文件系统镜像(存到 prebuilt/root/),可执行:

$ make root-save

加载 Linux Kernel 和根文件系统

有了 Linux 内核镜像、DTB 和根文件系统,Linux Lab 就可以自动引导了,U=0 禁用 Uboot。

$ make boot U=0
...
Welcome to Linux Lab:
linux-lab login: root
# uname -a
Linux linux-lab 4.6.4 ...

正常启动 Linux 后,会看到上述信息,输入 root 用户名,按下回车即可进入。

引导时可切换根文件系统类型,默认类型是 Ramdisk,例如换成磁盘镜像:

$ make boot ROOTDEV=/dev/sda

例如,换成 /dev/nfs,Linux Lab 会自动配置根文件系统的 NFS 服务:

$ make boot ROOTDEV=/dev/nfs

也可切换 Qemu 为串口输出模式,默认为 Framebuffer 输出:

$ make boot G=0   # G 为 Graphic 缩写,G=0 会设置 -nographic

对于串口输出模式,可通过另外一个控制台发送 pkill qemu 退出,也可以在当前控制台按下 “CTRL+a x” 组合键退出。

配置/编译 Uboot,加载 Linux Kernel

同样地,可配置和编译 Uboot:

检出所需的 Uboot 版本(注:会 Reset 掉历史修改,请注意备份变更)

$ make uboot-checkout

使能默认配置文件(会自动调用 tools/uboot/config.sh 配置 CONFIG_BOOTCOMMAND 等参数):

$ make uboot-defconfig

添加/修改所需配置选项:

$ make uboot-menuconfig

交叉编译 Uboot,

$ make uboot

通过 Uboot 引导内核,U=1 使能 Uboot:

$ make boot U=1

需要注意的是,由于不能简单地通过 qemu 传递参数给 Uboot,所有的 bootcmd 已经编译到了 Uboot 镜像中,如果这里引导时也要切换根文件系统类型,在配置时也需要相应传递 ROOTDEV 参数,并重新编译 Uboot。

启动 Uboot 的过程中,在 Hit any key to stop autoboot 出现前,按住任何按键,可以进入 Uboot 命令行,键入 print bootcmd 可打印 bootcmd

VersatilePB # print bootcmd
bootcmd=set ipaddr 10.66.33.70; set serverip 10.66.33.1; set bootargs 'router=10.66.33.1 console=tty0 console=ttyAMA0 root=/dev/ram0'; tftpboot 0x007fc0 uImage; tftpboot 0x907fc0 ramdisk; tftpboot 0x800000 dtb; bootm 0x007fc0 0x907fc0 0x800000

为了方便调试,可调整 bootcmd 中的命令并逐条执行。

如果要保存 Uboot 配置文件(存回 boards/versatilepb/),可执行:

$ make uconfig-save

而要保存 Uboot 镜像(存到 prebuilt/uboot/),可执行:

$ make uboot-save

结语

到这里,基于 Linux Lab,我们轻松地完成了嵌入式 Linux 系统的一般开发过程。

对于初学者而言,环境搭建的繁杂细节和不一致性往往会成为拦路虎,而 Linux Lab 恰恰很好地隐藏了那些细节,降低准入的门槛。

对于有经验的开发者而言,环境搭建往往变成一个重复而令人讨厌的工作,Linux Lab 彻底消除了这部分烦恼,允许大家更加聚焦于开发本身。

对于社区开发者而言,可以很好地利用 Linux Lab 来进行 Uboot、Linux、Buildroot 等项目的新特性开发,很方便利用 prebuilt/ 的镜像来做快速验证和测试。

对于学生而言,Linux Lab 借助 Qemu 提供的大量免费开发板可以大大节省学习开支。

在实际的嵌入式系统开发过程中,离不开一个很重要的环节,那就是ID、结构与硬件,涉及到 ID 设计、结构设计、原理图、PCB、电路板电源与信号完整性(PI/SI)、EMC(EMI/EMS)、ESD、散热等。而 Linux Lab 通过 Qemu 把硬件部分虚拟化了,开发者可以聚焦于软件部分。如果确实想研究硬件部分,那就需要购买或者自己设计一块真实的嵌入式开发板。

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