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嵌入式开发实验笔记（二）

嵌入式开发实验笔记（二）

作者: 信则无 | 来源:发表于2018-03-19 09:33 被阅读4次

    实验笔记2

    2017-11-06

    概要: 理清u-boot的编译过程和工作过程, 掌握Linux Kernel的编译过程和文件结构; 根文件系统的过程分析;

    (u-boot和kernel的编译和烧录过程在实验笔记1中)

    u-boot (启动内核)

    具体可以参考u-boot中的README文件: ./README

    1. Makefile 分析

    1. 配置过程: make 100ask24x0_config

    具体执行的是:

    @$(MKCONFIG) $(@:_config=) arm arm920t 100ask24x0 NULL s3c24x0
MKCONFIG := $(SRCTREE)/mkconfig
$(@:_config=) -- 100ask24x0

/* 所以上述命令等效于: */
mkconfig 100ask24x0 arm arm920t 100ask24x0 NULL s3c24x0

    所以从Makefile中跳转到mkconfig中继续执行: mkconfig 是一个脚本文件(所以可以自阅)
    结果 :

    1. 确定开发板的名称: BOARD_NAME;
    2. 创建到平台/开发板的头文件的连接;
    3. 创建顶层Makefile包含的文件include/config.mk;
    4. 创建开发板相关的头文件inclue/config.h;

    2. 编译过程: make

    1. 编译cpu/$(CPU)/start.S;(不同的CPU, 可能还有其他的选项)
    2. 对于开发板/平台相关的每个目录, 使用每个目录各自的Makefile生成相应的库;
    3. 将前两步编译生成的 *.o, *.a 文件按照board/$(BOARDDIR)/config.mk 中指定的代码段起始地址,
      board/$(BOARDDIR)/u-boot.lds 连接脚本进行连接;
    4. 将上步生成的ELF格式的u-boot 转换为二进制格式;

    2. 代码分析

    裸板实验的流程(回忆)

    1. 初始化
    1. 关看门狗;
    2. 初始化时钟;
    3. 初始化SDRAM;
    1. 把程序从NAND FLASH 拷贝到 SDRAM;
    2. 设置栈;(后续需要执行C语言程序)
    3. 继续执行程序;

    u-boot 启动流程分析

    1. 硬件相关初始化:

    (裸板实验的流程)

    1. 设置栈, sp->内存; (然后调用C函数)
      以上过程可以看cpu/$(CPU)/start.S
    具体分析 (硬件相关初始化) [第一阶段]
    1. 进入设为管理模式(SVC);
    2. 关看门狗;
    3. 屏蔽中断;
    4. 初始化SDRAM;
    5. 设置SP;
    6. 时钟初始化;
    7. 重定位(程序从FLASH拷到SDRAM)
    8. 清理BSS段(未初始化的数据)
    9. 调用start_armboot;
    1. 读出内核
    具体分析
    1. 初始化NAND FLASH 和 NOR FLASH;
    2. 能支持FLASH的读和写;
    3. 环境变量初始化; (默认的 && FLASH上保存的)
    4. 调用main_loop;(死循环)

    5. u-boot 命令输入;
      图示过程:


      15-4.png
    命令实现 run_command()
    1. 输入字符串(Name);
    2. Name => 动作 => 函数;
    3. 命令结构体cmd_tbl_s{name, maxargs, repeatable, func*, usage, help};
    4. find_cmd(), 比较输入字符串与命令结构体中的Name;

    u-boot.lds => _u_boot_cmd_start; _u_boot_cmd_end;
    .u_boot_cmd -- #define struct_Section __attribute__((unused,section (".u_boot_cmd")))
    <Command.h>(include)
    #definn U_BOOT_CMD (name, maxargs, rep, cmd, usage, help)
    cmd_tbl_t __u_boot_cmd_##name Struct_Section = {#name, maxargs, rep, cmd, usage, help}
    comman/Makefile

    读出内核的命令 nand read.jffs2(这个后缀不需要页对齐) 0x30007FC0 kernel (mtd可见分区)

    命令等效于 nand read.jffs2 0x30007FC0 0x00060000 0x00200000

    Flash 存储的内核是 uImage => image_header + kernel;

    image_header => {ih_load(加载地址), ih_ep(入口地址)} => kernel可以存放在内存的任意地方

    bootm 命令 => 根据image_header移动kernel到合适的地方(加载地址) => 启动kernel(do_bootm_linux)

    do_bootm_linux => 设置kernel启动参数 => 跳到入口地址启动kernel(theKernel()函数

    u-boot和kernel数据交互: 在说定的地址以约定的格式, 存放数据。(地址: 0x30000100, 格式 struct tag)

    theKernel (0, bd->bi_arch_number, bd->bi_boot_params);
/* 
 * bd->bi_arch_number -- 机器ID, 用于确定kernel是否支持这款板子(芯片);
 * bd->bi_boot_params -- 入口地址
 */
// armlinux.c
setup_start_tag(bd);
setup_memory_tag (bd);
setup_command_line (bd, commandline);
setup_end_tag (bd);

    内核 (启动应用程序)

    配置

    1. 结果是生成了.config文件;
    2. .config里面的配置项有以下文件引用:
    • C源码;(宏来源于 ./include/linux/autoconf.h)
    • 子目录Makefile;

    obj-y += xxx.o -- xxx.c最终被编译进内核里
    obj-m += yyy.o -- yyy.c最终被编译成一个模块

    • ./include/config/auto.conf
    • ./include/linux/autoconf.h (基本所有宏定义为1)
    1. make uImage 时发生了下列事情:
    • .config => autoconf.h;
    • .config => auto.conf

    分析(./Documentation/kbuild/makefiles.txt)

    1. 字目录下的Makefile:
    • obj-y += yyy.o
    • obj-m += xxx.o
    1. make uImage => ./arch/arm/Makefile;
    2. uImage <= vmlinux <= $(vmlinux-lds) $(vmlinux-init) $(vmlinux-main) $(kallsyms.o) FORCE
    • vmlinux-init <= $(head-y) $(init-y)
    • vmlinux-main <= $(core-y) $(libs-y) $(drivers-y) $(net-y)
    • vmlinux-lds <= arch/$(ARCH)/kernel/vmlinux.lds

    启动

    1. 处理u-boot传递的参数; (arch/arm/kernel/head.S)
    1. 判断是否支持这个CPU;
    2. 判断是否支持这个单板; <= u-boot启动内核时传入的参数(机器ID);
    3. 建立页表;
    4. 使能MMU;
    5. 跳转 start_kernel;
    1. 挂接根文件系统;

    2. 最终目的, 运行应用程序;
      Linux内核启动过程图解:


      16-7(1).png
    16-7(2).png 
    /* 内核的启动流程 (函数调用) */
start_kernel
    setup_arch              // 解析u-boot传入的启动参数
    setup_command_line      // 解析u_boot传入的启动参数
    parse_early_param
        do_early_param
            From __setup_start To __setup_end 调用early函数
    unknown_bootoption
        obsolete checksetup
            From __setup_start To __setup_end 调用Non early函数
    rest_init
        kernel_init; (创建kernel thread)
            prepare_namespace
                mount_root   // 挂接根文件系统
            init_post
                // 执行应用程序 (打开 /dev/console)

    PS:
    分区的代码在内核中已经写定, 位置在: ./arch/arm/plat-s3c24x0/common-smdk.c

    struct mtd_partition smdk_default nand_part[]={};

    根文件系统 (应用程序的基础[平台])

    1. kernel how to start the first application:
    1. open ("/dev/console"); (console -- 终端)
    2. sys_dup(0); sys_dup(0); (复制文件, 参考系统调用dup())
    3. run_init_process(); (可以启动自己的定义, 没指定就是默认) // 参见: ./init/main.c

    busybox -- Linux 一些基础命令的集合;

    1. init_main 作用:
    1. 读取配置文件
    2. 解析配置文件
    3. 执行用户(程序)
    busy -> init_main
            parse_inittab
                fopen("INITTAB", "r"); //打开配置文件 /etc/inittab 
                //(inittab的说明文档在./examples/inittab)
                new_init_action ();
            run_actions(SYSINIT);
                waitfor (a, 0);           // 执行应用程序, 等待它执行完毕
                    run (a);              // 创建子进程process
                    waitpid(runpid, &status, 0);  // 等待它结束
                delete_init_action (a);   // 在init_action_list链表里删除
            run_actions(WAIT);
                waitfor (a, 0);           // 执行应用程序, 等待它执行完毕
                    run (a);              // 创建子进程process
                    waitpid(runpid, &status, 0);  // 等待它结束
                delete_init_action (a);   // 在init_action_list链表里删除
            run_actions(ONCE);
                run (a);              // 创建子进程process
                delete_init_action (a);   // 在init_action_list链表里删除
            while (1) {
                run_actions(RESPAWN);
                    if (a->pid == 0) {
                        a->pid = run (a);
                    }
                run_actions(ASKFIRST);
                    if (a->pid == 0) {
                        a->pid = run (a);
                    }
                wpid = wait(NULL);
                while (wpid > 0){
                    a->pid = 0;
                }
            }
/* inittab 的格式:
 * <id>:<runlevels>:<action>:<process>
 * id => /dev/id, 用于终端: stdin, stdout, stderr: printf, scanf, err;
 * runlevels => 应用程序优先级(暂时忽略)
 * action => 执行时机
 * process => 应用程序或程序
 * 从默认的 new_init_action 中推出的配置文件格式:
 *  ::ctrlaltdel:reboot
 *  ::shutdown:umount -a -r
 *  ::restart:init
 *  ::askfirst:~/bin/sh
 *  tty2::askfirst:~/bin/sh
 *  tty3::askfirst:~/bin/sh
 *  tty4::askfirst:~/bin/sh
 *  ::sysinit:/etc/init.d/rcS
 */
    static void new_init_action (int action, const char *command, const char *cons);
/* 1. 创建一个init_action 结构;
 * 2. 把这个结构放入init_action_list 链表
 */

    最小根文件系统所需的要素

    1. /dev/console ; /dev/null(当程序不指向标准输入，输出，错误时可以指向NULL)
    2. /etc/inittab
    3. 配置文件指定的程序
    4. 应用程序: init => busybox
    5. C库(若把BusyBox编译成静态的时候, 不需要C库)

    制作, 烧写根文件系统; 使用NFS, 编译使用驱动文件

    1. 编译, 配置BusyBox[实验版本: 1.7.0]

    1. 解压busybox:

      tar xjf busybox-x.x.x.tar.bz2
cd busybox-x.x.x

    2. 修改Makefile: (新版BusyBox可以在make menuconfig 设置交叉编译)

      CROSS_COMPILE ?= arm-linux-

    3. make menuconfig:

      Makefile:405: *** mixed implicit and normal rules:deprecated syntax
Makefile:1242: *** mixed implicit and normal rules:deprecated syntax

      出现上述情况可参考编译linux kernel 时的解决方案;

    4. make & make install:

    make install :
 make CONFIG_PREFIX=/path/from/root install
    1. Complete

    2. 构建最小根文件系统

    1. 创建/dev/console, /dev/null

      cd path/to/fs_mini
mkdir dev
cd dev
sudo mknod console c 5 1
sudo mknod null c 1 3

    2. 构造一个/etc/inittab

      cd path/to/fs_mini
mkdir etc
vi(vim) etc/inittab
 console::askfirst:-/bin/sh

    3. C库

      mkdir -p /path/to/fs_mini/lib
cd /path/to/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib
cp *.so* /path/to/fs_mini/lib -d (-d 保留链接文件)

    4. 进一步完善:

      创建 proc

      cd /path/to/fs_mini
mkdir proc
echo "::sysinit:/etc/init.d/rcS" >> etc/inittab
mkdir etc/init.d; vim etc/init.d/rcS
   mount -t proc none /proc (挂载proc虚拟文件系统,用于收集当前正在运行的程序的信息)
   mount -a (读取/etc/fstab, 根据文件内容挂载)
chmod +x etc/init.d/rcS
vim etc/fstab
   #参考PC机上的/etc/fstab文件挂载proc
   #device   mount-point  type    options    dump    fsck   order
   proc         /proc     proc    defaults    0       0

    5. 创建Dev目录: mdev (udev简化版本)[使用方法: 参考文档 -- ./docs/mdev.txt]

      1. 修改etc/fstab

        #device   mount-point  type    options    dump    fsck   order
sysfs       /sys       sysfs   defaults   0        0
tmpfs       /dev       tmpfs   defaults   0        0

      2. 修改etc/init.d/rcS

        mount -a
mkdir /dev/pts
mount -t devpts devpts /dev/pts
echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug
mdev -s

    6. Complete

    制作映像文件

    制作yaffs2映像文件
    cd /path/to/tools
tar xjf yaffs_source_util_larger_small_page_nand.tar.bz2
cd Development_util_ok
cd yaffs2/utils
make
sudo cp mkyaffs2image /usr/local/bin
sudo chmod +x /usr/local/bin/mkyaffs2image
cd path/to/fs_mini; cd ..
mkyaffs2image fs_mini fs_mini.yaffs2
    制作jffs2映像文件
    # 安装zlib压缩库
cd /path/to/zlib-x.x.x.tar.gz
tar xzf zlib-x.x.x.tar.gz ; cd zlib-x.x.x
./configure --shared --prefix=/usr
make ; sudo make install
# 安装mkfs.jffs2 压缩工具
cd /path/to/mtd-utils-x.x.x.tar.bz2
tar xjf mtd-utils-x.x.x.tar.bz2 ; cd mtd-utils-x.x.x/util
make && sudo make install
# 制作jffs2镜像文件
cd /path/to/fs_mini; cd ..
mkfs.jffs2 -n -s 2048 -e 128KiB -d fs_mini -o fs_mini.jffs2
# -s -- 一页的大小
# -e -- 可擦除块的大小
# 烧写jffs2文件系统镜像时需要强制指定文件系统类型
set bootargs noinitrd root=/dev/mtdblock3 rootfstype=jffs2 ....(其余选项不变)

    nfs的使用 (参考内核文档: ./Documentation/nfsroot.txt)

    1. 安装Ubuntu的NFS的服务
    sudo apt-get install nfs-kernel-server (推荐安装了一个: open-iscsi watchdog)
\\ 以防万一都装上吧;
    1. 设置/etc/exports:
    1. 确定你需要挂载的目录: /path/to/dir;
    2. 修改目录权限:
    sudo chmod -R /path/to/dir
    1. 进入文件/etc/exports输入:
    /path/to/dir  *(rw,sync,no_root_squash)
# 至于选项参考网站 [nfs安装与设置](http://www.cnblogs.com/mchina/archive/2013/01/03/2840040.html)
    1. 重启nfs-kernel-server服务:
    sudo /etc/init.d/nfs-kernel-server restart
OR
sudo service nfs-kernel-server restart
    1. 在本机试挂载:
    sudo mount -t nfs <ipaddr>:<path-to-dir> <target-dir>
    1. 进入开发板进行挂载:
    mkdir /mnt
mount -t nfs <ipaddr>:<path-to-dir> <target-dir>>
    1. 解决开机挂载nfs的问题: (进入u-boot启动设置界面[在等待时, 按<Space>进入])
    set noinitrd root=/dev/nfs nfsroot=[<server-ip>:]<root-dir>[,<nfs-options>] ip=<client-ip>:<server-ip>:<gw-ip>:<netmask>:<hostname>:<device>:<autoconf> init=/linuxrc console=ttySAC0
eg:
# kernel 2.22.6
set bootargs noinitrd root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.25:/home/yjh/WorkSpace/nfs_root/first_fs ip=192.168.1.17:192.168.1.25:192.168.1.1:255.255.255.0::eth0:off init=/linuxrc console=ttySAC0
# kernel 3.4.2
set bootargs noinitrd root=/dev/nfs nfsroot=192.168.0.25:/home/yjh/nfs_root/new_first_mini ip=192.168.0.17:192.168.0.25:192.168.0.1:255.255.255.0::eth0:off init=/linuxrc console=ttySAC0,115200
// 具体设置以及参数意义可以参考: ./Documentation/nfsroot.txt
save
    1. 完成

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