如何進(jìn)行嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)？

樹莓派4 嵌入式Linux開發(fā)過程詳解

1.概述

2.開發(fā)環(huán)境概述

2.1 安裝虛擬機(jī)環(huán)境

2.2 樹莓派開發(fā)環(huán)境搭建

3.交叉編譯工具的安裝與uboot的編譯

3.1 安裝arm 64位交叉編譯環(huán)境

3.2 編譯樹莓派上的uboot

3.3 將u-boot放到樹莓派上運(yùn)行

4.樹莓派4b上的Linux編譯和下載

4.1 編譯樹莓派Linux源代碼

4.2 將編譯好的Linux固件運(yùn)行

5.根文件使用

5.1 uboot中設(shè)置啟動(dòng)項(xiàng)

5.2 插入SD卡掛在到虛擬機(jī)上

5.3 修改文件腳本

6.小結(jié)

1.概述

在這篇文章中，將會(huì)通過樹莓派4的Linux的啟動(dòng)過程，描述如何進(jìn)行嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)的思路。通過樹莓派4B的啟動(dòng)流程，看到一個(gè)Linux啟動(dòng)過程，同時(shí)，通過一步一步搭建一個(gè)完整的樹莓派嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境，來指導(dǎo)分析各部分的開發(fā)過程。

通過對(duì)本文的閱讀，可以掌握一些嵌入式Linux開發(fā)和環(huán)境搭建的方法，也能夠?qū)漭?的運(yùn)行流程以及Linux的運(yùn)行流程有一個(gè)大致的了解，從romboot--》uboot--》kernel--》rootfs整個(gè)運(yùn)行流程有了比較清楚的了解后，再去學(xué)習(xí)linux以及嵌入式底層，將會(huì)更加的清晰。

2.開發(fā)環(huán)境概述

嵌入式軟件是獨(dú)特的，它需要利用PC機(jī)編譯嵌入式平臺(tái)可以運(yùn)行的機(jī)器碼，這樣就需要借助交叉編譯工具鏈進(jìn)行。在進(jìn)行Linux的開發(fā)工作時(shí)，都會(huì)利用宿主機(jī)進(jìn)行交叉編譯后，將生成的目標(biāo)代碼下載到機(jī)器上運(yùn)行。

一般來說，開發(fā)板和PC的連接渠道是串口和網(wǎng)線，UART可以看到基本的調(diào)試信息，而網(wǎng)線則可以用來將板子和電腦進(jìn)行文件傳輸。

串口連接如下：

網(wǎng)線的連接一般可以將樹莓派和PC都在同一個(gè)網(wǎng)段下。

當(dāng)在同一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行開發(fā)時(shí)，比較的方便。做嵌入式Linux開發(fā)，使用Linux比較方便。由于大部分學(xué)習(xí)和工作都是在windows下，所以這里可以在Ubuntu下裝一個(gè)虛擬機(jī)進(jìn)行開發(fā)工作。

2.1 安裝虛擬機(jī)環(huán)境

在windows上的虛擬機(jī)環(huán)境可以安裝VMware Workstation 16 Player或者Oracle VM VirtualBox。

2.1.1 鏡像下載

比如VMware Workstation 16 Player這個(gè)軟件，然后從ubuntu的官方下載特定版本。

可以從國內(nèi)鏡像下載，這樣比較快。

選擇特定的版本進(jìn)行安裝

下一步開始安裝ubuntu20.04

然后設(shè)置用戶名和密碼

選擇虛擬機(jī)硬盤空間的大小，為了方便使用，這里設(shè)置40G空間。

接著點(diǎn)擊完成開始安裝。

等一段時(shí)間后，會(huì)進(jìn)入自動(dòng)安裝的界面，全程無需干預(yù)。

完成安裝后，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)。

2.1.2 必要軟件包的安裝

下面列出了需要安裝的軟件包

gitsudo apt install git用于代碼管理，代碼下載

net-toolssudo apt install net-tools提供ifconfig等功能

vimsudo apt install vim文本編輯工具

tftpsudo apt install tftpd-hpa可以通過tftp與樹莓派之間傳輸文件

nfssudo apt install nfs-kernel-server可以提供網(wǎng)絡(luò)共享文件

軟件名稱安裝命令說明

git

首先安裝git

sudo apt install git

為了管理工程，首先需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)Github的賬號(hào)，然后配置git的用戶名和密碼。

git config --global user.name “YOUR_FIRST_NAME YOUR_LAST_NAME” git config --global user.email “YOUR_GIT_ASSOCIATED_EMAIL”

net-tools

輸入下面的命令可以進(jìn)行安裝工作

sudo apt install net-tools

要確保網(wǎng)絡(luò)環(huán)境在一個(gè)網(wǎng)段，那么就需要設(shè)置網(wǎng)卡為橋接模式。

需要注意的是在選擇網(wǎng)絡(luò)適配器時(shí)，選擇自己的網(wǎng)卡。

在Ubuntu上輸入ifconfig，并且在window上輸入ipconfig。只要前面的網(wǎng)段一樣，最后不一樣即可。這樣就可以進(jìn)行下一步的工作了。

tftp

TFTP （Trivial File Transfer Protocol） 是一個(gè)簡(jiǎn)化版的FTP，適合用于簡(jiǎn)潔的場(chǎng)景，比如嵌入式開發(fā)的時(shí)候向下位機(jī)傳輸文件。

安裝tftp的目的是方便開發(fā)，在樹莓派上，存儲(chǔ)介質(zhì)是SD卡，如果每次編譯完成后，都需要插拔SD卡，然后將Linux的固件進(jìn)行安裝，這樣非常的麻煩，這里可以采用uboot通過tftp加載Linux的固件的方式進(jìn)行加載。

安裝過程如下：

首先安裝復(fù)位程序

sudo apt install tftpd-hpa sudo apt install tftp-hpa

檢查服務(wù)器的運(yùn)行狀態(tài)

sudo systemctl status tftpd-hpa

打開配置文件

sudo vim /etc/default/tftpd-hpa

編輯的內(nèi)容如下：

TFTP_USERNAME=“tftp” #tftpd程序使用的賬戶 TFTP_DIRECTORY=“/srv/tftp” #目錄 TFTP_ADDRESS=“：69” #端口 TFTP_OPTIONS=“--secure --create” #--secure 不設(shè)置會(huì)有跨目錄的問題 --create是要自己添加的，給客戶端寫入數(shù)據(jù)的權(quán)力

設(shè)置訪問目錄的權(quán)限

sudo chown tftp:tftp /srv/tftp

重啟tftp服務(wù)器

sudo systemctl restart tftpd-hpa

本地測(cè)試tftp服務(wù)器

1.首先在/srv/tftp目錄中新建一個(gè)abc.txt文件。

sudo vim /srv/tftp/abc.txt

2.輸入tftp 127.0.0.1

出現(xiàn)上述的現(xiàn)象，表示測(cè)試成功。

遠(yuǎn)程測(cè)試

需要保證tftp服務(wù)器沒有問題，可以在windows上下載一個(gè)Tftp64的軟件。打開后選擇tftp client選擇傳輸?shù)奈募纯伞?/p>

選擇put按鈕，彈出下面的命令表示成功。如果不成功，需要注意電腦防火墻的設(shè)置問題。

檢查tftp服務(wù)器中的文件，可以正常的見到文件，表示tftp環(huán)境搭建成功。

nfs

安裝nfs目的是一旦開發(fā)Linux上的應(yīng)用程序時(shí)，不希望頻繁的傳輸文件，每次在宿主機(jī)上編譯好應(yīng)用程序后，直接拷貝到本地目錄，嵌入式平臺(tái)上的Linux可以通過nfs文件系統(tǒng)訪問到宿主機(jī)上剛編譯好的程序，這樣更加的方便Linux的應(yīng)用程序的開發(fā)工作。

sudo apt install nfs-kernel-server

然后創(chuàng)建一個(gè)nfs的共享目錄，用于存放共享文件。

sudo mkdir /opt/nfs

修改配置文件

sudo vim /etc/exports /opt/nfs 10.1.1.* （rw，async，root_squash）

編輯/etc/exports中的文件如下：

其中10.1.1.*為自己網(wǎng)段的地址信息。

最后重啟nfs即可

sudo systemctl restart nfs-kernel-server

測(cè)試nfs的安裝情況

安裝完成后，可以進(jìn)行nfs客戶端的安裝

sudo apt install nfs-common

然后創(chuàng)建一個(gè)本地的文件夾目錄

sudo mkdir -p /opt/nfs-client

最后掛載即可

sudo mount -t nfs 10.1.1.160:/opt/nfs /opt/nfs-client

當(dāng)在/opt/nfs下創(chuàng)建一個(gè)文件，/opt/nfs-client目錄同樣可以看到，表示成功。

2.2 樹莓派開發(fā)環(huán)境搭建

2.2.1 硬件連接

樹莓派4上的實(shí)際硬件引腳分布如上圖所示，其中需要連接串口RX、TX、GND。

準(zhǔn)備一個(gè)8g以上的SD卡，然后打開Raspberry Pi Imager，選擇樹莓派鏡像燒錄進(jìn)去。

進(jìn)行這一步的目的，是因?yàn)闃漭蓡?dòng)流程需要從SD卡中加載第一階段的啟動(dòng)文件。

默認(rèn)情況下，燒錄的固件，連接上串口后是沒有輸出的，需要自己修改sd卡中的config.txt文件。在末尾加上下面的一句話即可。

enable_uart=1

這樣通過mobaxterm工具打開串口，并且連接上電源后，可以看到如下的輸出

接著輸入用戶名，密碼如下

raspberrypi login:pi Password:raspberry

這樣就可以使用默認(rèn)的樹莓派4串口調(diào)試功能了。

2.2.2 樹莓派4b啟動(dòng)流程分析

簡(jiǎn)述一下樹莓派4b的啟動(dòng)流程是，上電后，樹莓派會(huì)自動(dòng)加載位于SD卡文件中的bootcode.bin文件，該文件是加載到樹莓派的GPU中運(yùn)行，該程序初始化PLL，DDR等，接著讀取SD卡文件中的start4.elf文件去執(zhí)行，該文件執(zhí)行過程中，會(huì)讀取config.txt文件，根據(jù)配置腳本選擇可以執(zhí)行的固件。

往往做嵌入式開發(fā)，其底層的啟動(dòng)邏輯是要非常清晰的，這樣才能在任何情況下梳理清楚問題所在，從而確保硬件和軟件層面上的一致性。

上圖基本上展示了一個(gè)通用的嵌入式Linux的啟動(dòng)流程，每一個(gè)階段的特點(diǎn)和功能點(diǎn)都有著很好的描述。

而樹莓派4b上的Broadcom BCM2711的啟動(dòng)遵循以下的流程。

第一階段的bootloader：

第一階段的BootROM一般是固化在芯片的內(nèi)部，在GPU中執(zhí)行，此時(shí)ARM核處于復(fù)位狀態(tài)。

樹莓派4b的BootROM通過EEPROM加載進(jìn)來，4b之前都是SD卡上的bootcode.bin文件。

第二階段的bootloader：

這一階段的boot固件的加載方式都是從SD卡、網(wǎng)絡(luò)、USB等等。

在樹莓派4上，使用的是SD卡中的start.elf二進(jìn)制文件。

start.elf文件去SD的文件系統(tǒng)中找到config.txt文件，然后根據(jù)里面的信息處理boot流程。

這篇文章中，主要修改config.txt配置文件，進(jìn)行uboot的啟動(dòng)流程。

3.交叉編譯工具的安裝與uboot的編譯

3.1 安裝arm 64位交叉編譯環(huán)境

因?yàn)樾枰幾g64位的程序，所以這里需要安裝arm的64位交叉編譯環(huán)境。

https://www.linaro.org/downloads/

從上面的網(wǎng)站中進(jìn)去

建議下載gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu.tar.xz。

下載完成后，放到指定的目錄。

#創(chuàng)建一個(gè)文件夾 sudo mkdir -p /opt/linaro #解壓到指定的文件夾路徑 sudo tar -xvf gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu.tar -C /opt/linaro

更新環(huán)境變量

sudo vim ~/.bashrc

在末尾添加如下的

alias crosscompiler=‘export KERNEL=kernel8;export ARCH=arm64;export CROSS_COMPILE=/opt/linaro/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin/aarch64-linux-gnu-’

更新環(huán)境

source ~/.bashrc

3.2 編譯樹莓派上的uboot

首先需要下載代碼

git clone https://github.com/u-boot/u-boot.git

正常的下載完成圖如下：

接著切換分支，然后開始編譯。

cd u-boot git checkout v2020.04-rc3

在編譯之前，首先需要安裝編譯必備的程序

sudo apt install u-boot-tools bison bc make flex libssl-dev ncurses-*

安裝完成后，執(zhí)行

crosscompiler

該命令為環(huán)境變量中定義的命令，可以設(shè)置環(huán)境變量。

make rpi_4_defconfig

直接采用默認(rèn)的配置編譯即可。

make -j $（nproc）

編譯完成后的uboot.bin文件就是可以直接在樹莓派4b上執(zhí)行的程序。

3.3 將u-boot放到樹莓派上運(yùn)行

到這一步就可以將編譯好的u-boot程序放到樹莓派4b上運(yùn)行了。

將樹莓派的SD卡插到電腦上，通過將SD卡中的config.txt重新命令為config.txt.bak。并且新建config.txt。

arm_control=0x200 kernel=u-boot.bin dtoverlay=disable-bt

這三行的意思是

arm_control=0x200 #因?yàn)闃漭?b支持的是64位的架構(gòu)，這里用來表示運(yùn)行64位程序

使用uboot

kernel=u-boot.bin # kernel表示運(yùn)行的固件

使能串口

dtoverlay=disable-bt #樹莓派4設(shè)計(jì)的時(shí)候，如果打開了串口調(diào)試，則藍(lán)牙無法使用

將SD卡插入電腦，可以看到uboot正常的啟動(dòng)。

4.樹莓派4b上的Linux編譯和下載

4.1 編譯樹莓派Linux源代碼

目前已經(jīng)完成了樹莓派4b的uboot功能，接下來開始編譯樹莓派的Linux kernel了。

樹莓派單獨(dú)有維護(hù)Linux的代碼分支，可以通過下面的命令進(jìn)行下載。

git clone --branch rpi-5.6.y https://github.com/raspberrypi/linux

進(jìn)入Linux的目錄

創(chuàng)建一個(gè)新的目錄存放編譯好的固件

mkdir rpi_hw

開始編譯

make O=rpi_hw bcm2711_defconfig

去掉MMC/SD/SDIO驅(qū)動(dòng)

make O=rpi_hw menuconfig

進(jìn)入Device Driver選擇去掉MMC/SD/SDIO card support。

保存配置后，就可以編譯了。

make O=rpi_hw -j $（nproc）

為什么要去掉MMC/SD/SDIO驅(qū)動(dòng)？

這是因?yàn)樾枰幾g從網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)的驅(qū)動(dòng)，所以不需要在樹莓派的SD卡里面進(jìn)行操作。

編譯完成后，可以在rpi_hw/arch/arm64/boot中找到編譯好的文件。

將編譯完成的Linux內(nèi)核文件放到

sudo cp rpi_hw/arch/arm64/boot/Image /srv/tftp/

4.2 將編譯好的Linux固件運(yùn)行

在將編譯好的固件通過uboot加載到RAM中運(yùn)行的期間，首先需要明白樹莓派4b內(nèi)存的分布情況。

通過uboot中的bdinfo命令，可以看到樹莓派4b上有兩塊bank，第一塊bank在0x00000000，第二塊在0x40000000。

而樹莓派4b，當(dāng)從SD卡中加載Image文件時(shí)，加載到DRAM的0x8000的地址處開始運(yùn)行。

當(dāng)然，地址也可以在uboot中設(shè)置，Linux會(huì)重新將代碼重定位。

此時(shí)，需要在uboot中設(shè)置啟動(dòng)信息了。

首先設(shè)置uboot的靜態(tài)ip地址

setenv ipaddr 10.1.1.100 #設(shè)置開發(fā)板的靜態(tài)地址（自定義） setenv serverip 10.1.1.160 #設(shè)置服務(wù)器的地址 setenv netmask 255.255.255.0 saveenv reset

上述操作設(shè)置了ip地址接下來設(shè)置啟動(dòng)

setenv kernel_addr_r 0x8000 setenv kernel Image setenv netboot ‘tftp ${kernel_addr_r} ${kernel} && booti ${kernel_addr_r} - ${fdtcontroladdr}’ setenv bootcmd ‘run netboot’ setenv bootargs ‘console=ttyAMA0’ saveenv reset

可以顯示如下：

最后啟動(dòng)后報(bào)錯(cuò)

這個(gè)很正常，目前沒有rootfs。但是現(xiàn)在Linux的內(nèi)核可以正常的加載和調(diào)試了。

下面來掛在rootfs。

5.根文件使用

關(guān)于通用根文件系統(tǒng)的制作過程，這篇文章就不提了，現(xiàn)在主要描述如何使用。

5.1 uboot中設(shè)置啟動(dòng)項(xiàng)

首先在uboot中設(shè)置路徑。

setenv nfsroot /opt/nfs/

設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)

setenv bootargs “console=ttyAMA0，115200 root=/dev/nfs rw nfsroot=${serverip}：${nfsroot}，v3，tcp ip=$ipaddr：$serverip：：$netmask:off”

保存配置

saveenv

5.2 插入SD卡掛在到虛擬機(jī)上

首先將U盤掛載到虛擬機(jī)上

可以看到出現(xiàn)兩個(gè)磁盤

其中：

rootfs為L(zhǎng)inux根文件系統(tǒng)

boot為可以在windows上訪問的ext32文件

可以將rootfs里的文件全部拷貝到/opt/nfs/

sudo cp * /opt/nfs/ -R

在/opt/nfs目錄下，新建一個(gè)file的文件夾，把boot里面的文件全部拷貝進(jìn)去即可

sudo mkdir -p /opt/nfs/file sudo cp * /opt/nfs/file/

5.3 修改文件腳本

需要修改

sudo vim etc/fstab

新增如下文件

10.1.1.160:/opt/nfs/file /boot nfs defaults，vers=4.1，proto=tcp 0 0

其目的是將默認(rèn)的兩個(gè)項(xiàng)列表屏蔽掉，只需要掛載nfs里面的文件系統(tǒng)即可。

改完后，插上SD卡，就可以正常從tftp中獲取Linux的內(nèi)核固件，并且能夠從nfs文件系統(tǒng)中掛載根文件系統(tǒng)了。

如果發(fā)現(xiàn)需要密碼，或者密碼忘記了，可以進(jìn)入

cd /opt/nfs/ sudo vim /etc/passwd

將中間的x刪掉。

在Linux中，默認(rèn)x表示需要密碼進(jìn)入。

6.小結(jié)

本文從樹莓派整個(gè)Linux系統(tǒng)的環(huán)境搭建和樹莓派的啟動(dòng)進(jìn)行一定的分析。對(duì)樹莓派的boot、u-boot加載Linux的kernel，以及掛載nfs文件系統(tǒng)做了一些實(shí)驗(yàn)。

最后的自己制作根文件系統(tǒng)的部分，采用了樹莓派默認(rèn)的根文件系統(tǒng)，如果需要自己裁剪制作，可以進(jìn)行定制操作。

整個(gè)嵌入式Linux開發(fā)和環(huán)境搭建過程都可以在樹莓派4b上很好的進(jìn)行測(cè)試，萬變不離其宗，掌握了嵌入式開發(fā)的流程和工具，做應(yīng)用和做驅(qū)動(dòng)開發(fā)都十分的方便和高效。

由于時(shí)間關(guān)系，當(dāng)前還有一些實(shí)驗(yàn)沒有完成，比如Linux上的應(yīng)用開發(fā)，還有驅(qū)動(dòng)開發(fā)等等，還有jlink調(diào)試等等。

樹莓派4b上學(xué)習(xí)Linux的使用和啟動(dòng)非常的方便，價(jià)格也非常的合理，是一塊不錯(cuò)的開發(fā)平臺(tái)。

原文標(biāo)題：樹莓派4 嵌入式Linux開發(fā)過程詳解

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