内核驱动开发之系统移植

系统移植

系统移植：定制linux操作系统

  • 系统移植是驱动开发的前导，
  • 驱动开发是系统运行起来之后，在内核中新增一些子功能而已

系统移植就四个部分：

  1. 交叉编译环境搭建好
  2. bootloader的选择和移植：BootLoader有一些很成熟的开源项目，项目中更多的是选型，选型后修改移植。
  3. 内核核心子系统编译：kernel的配置、编译、移植和调试
  4. 文件系统编译：根文件系统的制作

前两个步骤，芯片公司基本都已经做好了，没什么工作量。产品公司，根据需求，对内核的二次配置、开发和编译，以及根文件系统制作。所以，芯片公司重点在1、2，产品公司重点在3、4。

学习方法和思路：

  • 先整体（知道是什么，建立框架、地图），后局部（朝一个方向深入）
  • 理解嵌入式系统的启动流程

1 嵌入式系统启动流程

1.1 PC机启动流程

  1. 系统上电后，首先加载主板ROM上的BIOS程序。bios保存基本的输入输出程序、开机自检程序和系统自启动程序，主要功能是初始化CPU、内存、主板芯片组、显卡、外围设备。比如初始化CPU，会初始化CPU的时钟信号。
  2. BIOS自检完成后，运行引导加载程序bootloader，bootloader可以从硬盘装载到主内存中。引导程序的主要功能是加载操作系统到内存中运行。
    • linux常用的bootloader — GNU GRUB。GRUB是多启动规范的实现，它允许用户可以在计算机内同时拥有多个操作系统，并在计算机启动时选择希望运行的操作系统。
    • GRUB可用于选择操作系统分区上的不同内核，也可用于向这些内核传递启动参数。
    • LlLO：Linux引导程序
  3. 操作系统启动
  4. 挂载文件系统
  5. 运行应用程序

1.2 嵌入式系统启动流程

  1. 嵌入式系统没有BIOS，无法通过BIOS初始化硬件设备。芯片公司在设计芯片的时候，在片内的iROM一段区域（ARM核芯片一般是0地址开始）中写入了一段代码：对芯片基本硬件初始化，然后判断启动方式（判断启动管脚的高低电平），最后从判断的启动设备中将bootloader程序的一部分数据读到SRAM（iRAM）中；
  2. 运行bootloader第一阶段代码：在SRAM（是芯片内部的内存，很小，几十k）中运行。初始化系统时钟（让CPU主频更快）、初始化内存、自搬移bootloader代码到内存（可以是搬移剩下的，也可以整个搬移）
  3. 运行bootloader第二阶段代码（Secondary Program Loader，SPL）：在内存中运行。初始化外围硬件设备、加载linux内核到内存、跳转到linux内核地址
  4. 在内存中启动操作系统
  5. 挂载文件系统
  6. 运行应用程序

可见，嵌入式BootLoader = PC机的BIOS + 引导程序

2 交叉编译工具集介绍

2.1 为什么要有交叉编译？

没有arm硬件，想在x86宿主机编译arm的目标机内核。（要知道同一个命令，转换为二进制指令，arm和x86架构系统可能是不同的，所以要分别编译）
目标机和主机内核架构相同：称为普通编译；架构不同，称为交叉编译

file命令：可以查看文件的属性，可以知道是在什么架构下编译的。

# 如下：build文件是ELF头 64bit的**小端（LSB表示小端）**可执行程序，arm架构
linx:~# file build
build: ELF 64-bit LSB executable, ARM aarch64, version 1 (SYSV), dynamically linked, interpreter /lib/ld-linux-aarch64.so.1, for GNU/Linux 3.7.0, BuildID[sha1]=8d124a17e08ca48f653bb83666ac3a74f9872c6c, not stripped

2.2 交叉编译工具集：arm-linux-gnueabihf

名称说明：第一位架构；第二位厂商（一般为none，表示开源）；第三位工具适用的操作系统（比如这里的Linux）；第四位 GNU–表示开源规则，eabi–表示嵌入式标准库接口。

2.3 交叉编译工具集安装

1、arm-linux-gnueabihf安装：https://blog.csdn.net/qq_40296728/article/details/135458955

工具集中，用得最多的就是arm-linux-gnueabihf-gcc。

使用工具集时建议使用绝对路径，避免机器上存在多个版本的编译器时，用错编译器出各种问题。

2、32库安装：yum provides libstdc++.so.6查询匹配的32位版本，然后安装查询的匹配版本。

2.4 arm-linux-gnueabihf工具集常用命令简介

readelf：用于显示elf格式目标文件的信息（windows叫PE头，Linux叫ELF头），如readelf -h filename。

size:：读取可执行程序的大小。可以知道代码段、数据段有多少个字节，如size filename。

nm：查看目标文件符号表。符号表中T表示全局函数标签，D表示全局变量区，d表示本文件内有效的即被static修饰的变量区，t表示被static修饰的函数区。

strip：踢除符号表。编译出的目标文件，本身是包含符号表的，可以使用strip filename剔除符号表节省空间。可以ls -l obj_filename观察剔除前和剔除后目标文件的大小。

strings：查询可执行程序的常量字符串。

objdump：反汇编。objdump -d 。

objcopy：把某些代码段拷贝出来。

add2line：调试中可以把行号标示出来。

3 移植步骤

1、确定目标机、主机的连接方式。目标机是版子，成本低接口没有主机（PC）丰富，所以一定要确定目标机能够支持的数据传输接口。4种常用的连接接口：

  • 串口（UART异步串行通信接口，速率低，实用性强），比如路由器
  • USB串行通信接口（速度快、驱动要移植修改）
  • TCP/IP网络通信接口（速度快、驱动要移植）
  • debug jtag调试接口（方便快捷、价格奇高）

主机中的数据如何传递到开发板上？

第一种是普通的数据，如 uboot kernel，可以使用UART或者网络接口TFTP，一般用TFTP传输kernel数据。

第二种是调式：挂载调试。将主机的一块分区直接挂载到板子上。这样就需要使用TCP/IP的应用层NFS协议。

2、安装交叉编译器

  • 安装芯片厂商编译好的工具链（推荐）
  • 手动编译交叉工具链（一般不建议用）

3、搭建主机、目标机数据传输通道：相关服务安装。比如使用TCP/IP网络通信接口，需要TFTP服务，NFS服务。

4、编译三大子系统：bootloader功能子系统、内核子系统、文件系统子系统

5、烧写测试。

ps：串口一般与主机连接，用于显示printf信息，而不是用于数据传输。

4 台式机环境搭建

环境搭建的目的是保证主机和板子网络互通。可以将板子与主机连在同一个交换机上，配同一个子网。

5 系统移植

5.1 uboot和常用命令uboot

uboot是BootLoader的一个子功能（子软件）。常用命令：

1、print：查看uboot软件的环境变量

2、setenv：设置、修改、删除环境变量。setenv带环境变量名不带值，就是删除。设置/修改环境变量格式：setenv var var_value。

3、saveenv：将环境变量刷写到flash，持久化。

环境变量中，ipaddr变量，用于配置板子与主机的局域网，及网络层。如何测试网络通不通呢？注意，uboot配置网络层ICMP协议的时候，很精简，ping的echo响应数据包都省略了，所以不能从主机ping板子，只能通过板子ping主机。从板子ping主机的响应信息中有alive，代表是通的。

4、tftp：传输层协议，也是uboot中的命令。uboot中是采用基于udp的文件传输协议，即tftp协议。client:开发板，server:主机。

client：uboot中，环境变量serverip指定server IP，port由tftp命令写死了。所以使用tftp命令只需在后面跟上内存地址和下载的文件名，格式：tftp 20008000 filename。

server：windows server可直接搜索下载tftpd32软件。linux server搭建：

  • 安装tftp服务：apt-get install tftpd openbsc-xinetd

6 Linux内核与设备树编译

6.1 内核与设备树编译

内核编译包括内核image和设备树。

  • 设备树文件可在arch/arm/boot/dts/查看
  • 内核配置可在arch/arm/configs/查看

第一步：下载内核
内核版本：4.1.15.1.20.0
https://www.kernel.org/
https://github.com/nxp-imx/linux-imx

内核目录说明：
在这里插入图片描述

第二步：配置与编译

# 安装依赖
apt install make bison flex libssl-dev lzop libncurses5-dev

# 配置内核参数：
# 使用默认配置
make ARCH=arm imx_v7_defconfig
# 手动配置
make ARCH=arm menuconfig

# 编译内核：交叉编译工具只需要前缀；-j12表示并行编译任务数量
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j12 > /dev/null

# zImage：内核启动需要的是arch/arm/boot/zImage文件
# .ko：zImage并不包含.ko模块文件，操作系统使用.ko文件，需要手动加载

# ubantu22编译遇到的问题：<https://blog.csdn.net/longfeihuantian/article/details/135712016>

# 设备树编译：linux内核启动还需要设备树。因为设备树包含了硬件信息
# 设备信息与具体的产品相关，每种产品有哪些设备，内核并不感知。因此需要通过设备树指定包含哪些硬件信息。比如智能小车包含的外围硬件，需要通过设备树指定并编译
# nxp公司在研发imx6ull的时候，基于此芯片做了一个EVK开发板，同时提供了此开发板的设备树文件，在内核源码的设备树目录arch/arm/boot/dts/中可以找到evk.dts设备树文件。
# 所以，可以基于nxp提供的设备树文件进行修改适配:
cp arch/arm/boot/dts/imx6ull-14x14-evk.dts arch/arm/boot/dts/imx6ull-14x14-smartcar.dts
# 然后修改dts目录下的Makefile文件：搜索imx6ull位置，加入设备树二进制文件：imx6ull-14x14-smartcar.dtb。执行编译：
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- dtbs

工程化编译脚本：

if [ $# -lt 1 ];
then 
	echo "Usage:./build.sh <defconfig|menuconfig|kernel|dtb>" 
	exit
fi

case "$1" in 
	"defconfig")
		make ARCH=arm imx_v7_defconfig
		;;
	"menuconfig")
		make ARCH=arm menuconfig
		;;
	"kernel")
		make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j12
		cp arch/arm/boot/zImage ../../tftpboot/
		;;
	"dtb")
		make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- dtbs
		cp arch/arm/boot/dts/imx6ull-14x14-smartcar.dtb ../../tftpboot/
		;;
	*)
		echo "Usage:./build.sh <defconfig|menuconfig|kernel|dtb>"
		;;
esac

第三步：测试内核与设备树

# 将编译的文件复制到tftp目录中
cp arch/arm/boot/zImage ../../tftpboot/
cp arch/arm/boot/dts/imx6ull-14x14-smartcar.dtb ../../tftpboot/

# 设置uboot参数，
setenv bootcmd 'tftp 80800000 zImage; tftp 83800000 imx6ull-14x14-smartcar.dtb; bootz 80800000 - 83800000'
setenv bootargs console=ttymxc0,115200 root=/dev/nfs rw ip=dhcp nfsroot=192.168.1.102:/home/linux/imx6ull-iot-smart-car/fs/rootfs,v3,tcp

6.2 内核Image镜像分析

编译后，在linux内核顶层目录下的vmlinux镜像：普通的elf可执行文件，是直接编译出来的原生未压缩文件，其中还包含了很多符号信息。可直接用于调试的内核镜像。

  • 嵌入式设备一般不用这个，一个是体检太大，另一个是elf格式不能直接烧写

arch/arm/boot/目录下的Image镜像：将vmlinux使用objcopy工具处理的只包含二进制数据的内核代码，它已经不是elf格式了，没有进行压缩,可以用于执行的Linux内核的镜像

  • GNU使用工具程序objcopy作用是拷贝一个目标文件的内容到另一个目标文件中，也就是说，可以将一种格式的目标文件转换成另一种格式的目标文件. 通过使用binary作为输出目标(-o binary)，可产生一个原始的二进制文件，实质上是将所有的符号和重定位信息都将被抛弃，只剩下二进制数据

arch/arm/boot/compressed/目录下的vmlinux镜像：被gzip压缩后的vmlinux镜像，由 自解压代码 + gzip压缩后的vmlinux镜像构成。

arch/arm/boot/目录下的zImage镜像：被gzip压缩后的Image镜像，自解压代码 + gzip压缩后的Image镜像构成。

uImage：在zImage之前加上一个长度为0x40的头信息的uboot专用镜像格式。在头信息内说明了该镜像文件的类型、加载 位置、生成时间、大小等信息

# 上述编译内核默认不会生成uImage镜像，需要单独编译
# 编译uImage
# 安装uboot工具
apt install u-boot-tools
# 编译：需要指定LOADADDR地址
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j12 uImage LOADADDR=0x80800000

嵌入式开发中，zImage和uImage是常用的镜像。

7 Kconfig与Makefile说明

7.1 Kconfig与Makefile关系

在这里插入图片描述

  • .config来源于默认配置和menuconfig配置
  • 当执行make ARCH=arm menuconfig打开menuconfig界面的时候，menuconfig就会读取.config，
  • Kconfig文件提供了配置菜单信息，menuconfig中的目录就是来源于Kconfig，在memuconfig中修改的配置，最后保存退出就会保存到.config中。
  • Makefie中的非强制编译.o文件（通过obj-$(CONFIG_xxx)指定的.o文件），就是来源于.config。

总结：Kconfig的配置信息，影响这个目录下的Makefile，从而决定了对应的xx.c是否会被编译。

Linux源码中的文件是如何编译进内核的?

  • 答:（1）首先通过make menuconfig进行配置。Kconfig为它提供菜单信息，配置完以后，会将配置信息写入.config (例如:CONFIG_XXXX=y)
  • (2).config文件会被Makefile使用，Makefile将会根据.config 文件中CONFIG_XXX来决定对应的文件是否需要编译进内核

7.2 Makefile : 完成对文件或目录编译

(1)强制编译进内核

obj-y += dir/ 或 obj-y += file.o
表示对应目录需要编译进内核或指定的文件需要编译进内核

(2)通过配置选项进行编译

obj- ( C O N F I G X X X ) + = d i r / 或 o b j − (CONFIG_XXX) += dir/ 或 obj- (CONFIGX​XX)+=dir/或obj−(CONFIG_XXX) += file.o
表示对应目录或文件是否需要编译进内核，取决于CONFIG_XXX宏的定义,也就是在.config中是否有这个CONFIG_XXX=y的定义

7.3 Kconfig : 提供内核的配置菜单选项

# 格式：
config 选项名 
       属性1 
       属性2  
# 选项名是标识这个选项的名称，在选项被配置后，选项名会展开为CONFIG_选项名在.config文件中定义
# 属性是用来描述当前这个选项

# 各种属性说明：
# 1、类型属性
tristate(三态)      y:编译进内核 m:编译成模块 n:不编译       < >
bool                y:编译进内核 n:不编译                   [ ]
string              CONFIG_选项名="字符串"                  ( )
int                 CONFIG_选项名=整数                      ( )
hex                 CONFIG_选项名=十六进制数                 ( )

# 2、提示字符串
prompt "提示字符串" (配置菜单中显示)

# 3、range：指定值的范围
config HELLO7  
    hex  
    prompt "Hello7 hex" 
    range 0 5
    help
        "compile hello.c"

# 4、help帮助信息：
# default 当没有进行配置的时候，默认的选择是什么
[1]depends on 配置选项名 
[2]depends on 配置选项名1 || 配置选项名2
[3]depends on 配置选项名1 && 配置选项名2 
约定: 
    y:2 m:1 n:0
    && -> 最小值
    || -> 最大值
注意:
如果依赖的结果为 0:不可见 2:三态 1:两态

# 5、select 配置选项名
# 当前配置选项被选中的时候，同时选择select 指定的配置型选项
config HELLO 
    tristate  
    prompt "support Hello" 
    default n  
    select HELLO1  
    help 
        "Test select Hello1"

config HELLO1  
    tristate  
    prompt "support Hello1"

# 6、menu 配置目录
# 配置目录时，munuconfig界面中，menu内的config需要进入子目录配置
menu "Test menu support"

config HELLO1
	tristate 
	prompt "support HELLO1"

config HELLO2
	tristate
	prompt "support HELLO2"

endmenu

# 7、menuconfig
# 将menuconfig也配置为选项，要设置menuconfig后，才能进入menuconfig内，并配置其内的选项
menuconfig TEST_MENUCONFIG
	tristate
	prompt "support menuconfig"

if TEST_MENUCONFIG
	config HELLOx
		tristate 
		prompt "support HELLOx"

	config HELLOy
		tristate
		prompt "support HELLOy"
endif

# 8、choice，选项
# choice内的配置，只能选择其中一个
choice
	prompt "support choice"

config CHOICE1
	tristate "support choice1"

config CHOICE2
	tristate "support choice2"

endchoice

# 9、source 路径/Kconfig
# 将这个路径下的Kconfig文件包含进来，相当于c语言中的include
source "drivers/char/test/Kconfig"

8 在Linux 内核中添加自己的代码编译进内核

思路：

  1. 把自己的代码拷贝到内核源码树下
  2. 编写一个自己的Makefile和Kconfig
Makefile: obj-$(CONFIG_XXX) += file.o  

Kconfig: 
    config XXX 
    tristate "....."
  1. 在它的上一层目录下，修改Makefile和Kconfig包含下一层目录
  2. make ARCH=arm menuconfig 选中我们的配置选项
  3. 重新编译内核

8.1 实验：编写一个驱动程序到内核，并编译

9 Linux内核启动流程

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