Linux 之八完整嵌入式 Linux 環(huán)境介紹及搭建過程詳解

看見就非常 2022-03-15

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??最近，有個需求需要驗證一下嵌入式 LINUX 系統(tǒng)在 STM32上使用效果，正好手里有一塊前幾年的 STM32F769I-EVAL 的評估板，如下圖所示的這個：
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這塊評估板的功能應(yīng)該是非常全了，價格也是不便宜（應(yīng)該算是挺貴）。ST 官網(wǎng)對于這塊評估板的介紹參見 Evaluation board with STM32F769NI MCU。
??熟悉 ST 的開發(fā)板的都知道，ST 的開發(fā)板主要有 ST 官方的 Nucleo 系列、Discovery Kits 系列、Evaluation 系列以及第三方開發(fā)板這些組成。其中，ST 自家開發(fā)板中 Evaluation 系列是功能最全的，也是價格最高的。第三方開發(fā)板差異就比加大了。

嵌入式 Linux 環(huán)境

??在開始實際的移植編譯工作之前，有必要先來說一下我們要搭建的完整的 Linux 運行環(huán)境是啥樣的，以及包含那些部分。廢話不多說，直接上圖：
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U-Boot 本質(zhì)就是就是一個復(fù)雜點的裸機程序（鏡像是 u-boot.bin），與我們通常編寫的 ARM 裸機程序沒有本質(zhì)區(qū)別。U-Boot 是無條件啟動的，從零開始啟動的。
Linux Kernel 本身也是一個裸機程序（鏡像是 zImage），和 U-Boot、裸機程序無本質(zhì)區(qū)別。要說不同的地方，那就是內(nèi)核運行起來后，在軟件上分為內(nèi)核層和應(yīng)用層，分層后兩層的權(quán)限不同，內(nèi)存訪問和設(shè)備操作的管理上更加精細(xì)（內(nèi)核可以隨便訪問各種硬件，而應(yīng)用程序只能被限制地訪問硬件和內(nèi)存地址）。
??內(nèi)核是不能開機自動完全從零開始啟動的，內(nèi)核啟動需要別人幫忙。U-Boot 需幫助內(nèi)核實現(xiàn)重定位，U-Boot 還要給內(nèi)核提供啟動參數(shù)。
我們的嵌入式 Linux 中的應(yīng)用程序所需的編譯工具鏈也需要我們自己編譯，現(xiàn)有的就只有 ARM 提供的 Cortex-A 系列的（有些開發(fā)板廠商也提供自己編譯好的 Linux 編譯套件）。這里需要注意，嵌入式 linux 編譯套件往往不是通用的！
根文件系統(tǒng)包括 Linux 啟動時所必須的目錄和關(guān)鍵性的文件，例如 Linux 啟動時都需要有 init 目錄下的相關(guān)文件。Linux 啟動時，第一個必須掛載的是根文件系統(tǒng);若系統(tǒng)不能從指定設(shè)備上掛載根文件系統(tǒng)，則系統(tǒng)會出錯而退出啟動。成功之后可以自動或手動掛載其他的文件系統(tǒng)。
這里的應(yīng)用程序必須使用我們自己編譯出的配套的編譯套件來編譯。根文件系統(tǒng)就是第一個需要使用我們自己的編譯套件來編譯的程序。

??嵌入式環(huán)境與我們熟悉的 PC 環(huán)境還是有很大區(qū)別的。尤其是對于部分芯片，它沒有 MMU，也就不能使用虛擬內(nèi)存相關(guān)的所有技術(shù)。也就意味著，嵌入式中的地址都是實際的物理地址。

??其次，嵌入式環(huán)境的另一個大特點就是資源非常緊張，這就導(dǎo)致了我們可能需要將最終的多部分的可執(zhí)行程序放到不同的地方。舉個例子，STM32 的 MCU 中，往往不能存放 Linux Kernel，我們需要將 Linux Kernel 放到一些外部存儲器中。

??對于 ARM 平臺，ARM 給出了兩個概念：加載域 和 執(zhí)行域，加載域?qū)?yīng)加載地址，執(zhí)行域?qū)?yīng)了一個執(zhí)行地址。關(guān)于 ARM 的分散加載機制，可以參見博文 ARM 之十三 armlink（Keil）分散加載機制詳解及分散加載文件的編寫即可。
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??進一步具體到 STM32 芯片，我們的程序是放到內(nèi)部的 FLASH 上的，F(xiàn)LASH 就是加載域，F(xiàn)LASH 上的具體地址就是加載域地址。同時，ST 芯片的設(shè)計可以從 FLASH 上執(zhí)行代碼（速度相對較慢），此時的加載域與執(zhí)行域是同一個；還有一種更高效的方式是將代碼放到 RAM 中執(zhí)行（存放還是在 FLASH），此時 RAM 就是執(zhí)行域，程序在 RAM 中的地址就是執(zhí)行域地址。

嵌入式系統(tǒng)啟動

??前面介紹了嵌入式系統(tǒng)的組成部分，接下來看看整個系統(tǒng)如何工作起來。一般 SoC 內(nèi)部會有個固化的引導(dǎo)程序，這個固化的 BootLoader 我在博文 STM32 之十四 System Memory、Bootloader 中有過詳細(xì)的介紹。這段程序的會初始化部分外設(shè)以與外部通信，具體可以參考官方手冊。
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嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建工具

??構(gòu)建一整套嵌入式 Linux 系統(tǒng)是一件很龐大的事情，需要做很多工作。因此，誕生了一些嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建工具，以幫助開發(fā)者簡化嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建過程，減少工作量。常用的嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建工具有如下幾個：

Buildroot： Linux 平臺上的一個用于構(gòu)建嵌入式 Linux 系統(tǒng)的框架。整個 Buildroot 是由 Makefile 腳本和 Kconfig 配置文件構(gòu)成的。使用它可以和編譯 Linux 內(nèi)核一樣，通過使用 Kbuild/Kconfig 系統(tǒng)編譯出一個完整的可以直接燒寫到機器上運行的 Linux 系統(tǒng)軟件（包含boot、kernel、rootfs 以及 rootfs 中的各種庫和應(yīng)用程序、交叉編譯工具鏈）。
??官方網(wǎng)站：https:///，提供了非常詳細(xì)的文檔。
Yocto： Yocto Project 推出的一個開源的協(xié)作軟件，提供模板、工具和方法幫你創(chuàng)建定制的 Linux 系統(tǒng)和嵌入式產(chǎn)品，而無需關(guān)心硬件體系。適合嵌入式Linux開發(fā)人員使用，極大地簡化你的開發(fā)過程。Yocto 推薦使用 OpenEmbedded 構(gòu)建系統(tǒng)。
??Yocto Project 是 Linux 基金會的一個協(xié)作開源項目，其目標(biāo)是生成工具和流程，以便為嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)軟件創(chuàng)建獨立于嵌入式硬件底層架構(gòu)的 Linux 發(fā)行版。官方網(wǎng)站：https://www./，提供了非常詳細(xì)的文檔。
OpenEmbedded： 一個開源的嵌入式 Linux 系統(tǒng)構(gòu)建環(huán)境，它允許開發(fā)人員為嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)建一個完整的 Linux 發(fā)行版。由OpenEmbedded 社區(qū)開發(fā)，該社區(qū)于 2003 年正式成立。OpenEmbedded 的構(gòu)建系統(tǒng)基于 BitBake 構(gòu)建工具，其操作行為與 Gentoo Linux ebuilds 相似。
??官方網(wǎng)站：http://www./wiki/Main_Page，提供了非常詳細(xì)的文檔。
PTXdist： Pengutronix 在 2001 年開發(fā)的一個構(gòu)建系統(tǒng)，用于生成固件鏡像。采用了 Linux 內(nèi)核中的配置系統(tǒng) Kconfig 來選擇和配置每個包。
??官方網(wǎng)站：https://www./，提供了非常詳細(xì)的文檔。

??當(dāng)然，我們也可以選擇自己動手，根據(jù)上面嵌入式 Linux 環(huán)境，一點一點來構(gòu)建其中的各個部分。后續(xù)，我就以手里的 STM32F769I-EVAL 的評估板為載體，盡量不使用已有的嵌入式構(gòu)建工具，來一步一步搭建這個嵌入式 Linux 環(huán)境。

搭建過程

??工欲善其事，必先利其器。第一步就是搭建 LINUX 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，為此特地在筆記本上安裝了 Ubuntu，具體使用的桌面開發(fā)環(huán)境是 Ubuntu 20.04.3 LTS。至于為啥選擇 Linux 系統(tǒng)，而不是直接使用 Windows 系統(tǒng)想必大家都清楚為啥。

??接下來準(zhǔn)備好一個目錄，后續(xù)所有的操作均在此目錄中進行。我的操作是新建 /home/zcshou/STM32LINUX 這個目錄，用于存放整個要為 STM32 嵌入式 Linux 環(huán)境編譯的源代碼，后續(xù)都在這個目錄中進行。如下圖所示：
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??最開始我想按照上面說的嵌入式環(huán)境的各個部分來分別寫幾篇博文來完整介紹整個搭建過程，然而寫著寫著內(nèi)容越來越多，最終超過了 CSDN 編輯器的限制！最終決定把內(nèi)容拆分成多篇文章。具體搭建過程就是如下幾步：