利用 Linux Lab 完成嵌入式系统软件开发全过程

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

注意：该文档已经过期，请直接参考 Linux Lab 提供的中文用户手册

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

下面以 Ubuntu 系统为例，其他 Linux，Mac OSX 和 Windows 10 系统请先安装 Docker CE。老版本的 Windows 系统，请先下载并安装 Docker Toolbox。

安装完 docker 后如果想免 sudo 使用 linux lab，请务必把用户加入到 docker 用户组并重启系统。

$ sudo usermod -aG docker $USER

由于 docker 镜像文件比较大，有 1G 左右，下载时请耐心等待。另外，为了提高下载速度，建议通过配置 registry-mirror 更换镜像库为本地区的（以 ustc 为例），更换完记得重启 docker 服务。

• 阿里云 Docker 镜像使用文档
• USTC Docker 镜像使用文档

请务必注意，通过 Docker Toolbox 安装的 default 系统中默认的 /root 目录仅仅挂载在内存中，关闭系统后数据会丢失，请千万不要用它来保存实验数据。可以使用另外的目录来存放，比如 /mnt/sda1，它是在 Virtualbox 上外挂的一个虚拟磁盘镜像文件，默认有 17.9 G，足够存放常见的实验环境。

在下载实验源码之前，先找一处工作目录。在 Linux 或者 Mac 系统，可以随便在 ~/Downloads 或者 ~/Documents 下找一处工作目录，然后进入，比如：

$ cd ~/Documents

但是如果使用的是 Docker Toolbox 安装的 default 系统，该系统默认的工作目录为 /root，它仅仅挂载在内存中，因此在关闭系统后所有数据会丢失，所以需要换一处上面提到的 /mnt/sda1，它是外挂的一个磁盘镜像，关闭系统后数据会持续保存。

$ cd /mnt/sda1

接下来，首先把 Linux Lab 下载下来：

$ git clone https://gitee.com/tinylab/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

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/webvnc

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：

• Demo Page：基于 showterm.io 录制的命令行操作：http://showterm.io/6fb264246580281d372c6
• Help Page：直接链接到 Linux Lab 项目首页：https://tinylab.org/linux-lab
• Linux Lab：点击后可快速启动控制台并进入到开发环境所在的目录。

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://gitee.com/tinylab/u-boot.git
• linux-stable: https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/linux-stable.git
• buildroot: https://gitee.com/tinylab/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_SRC 和 ROOT_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。