Встраиваемые системы на основе Linux

Крис Симмондс

Встраиваемые системы  

на основе Linux

Chris Simmonds

Mastering Embedded  
Linux Programming

Harness the power of Linux  
to create versatile and robust  
embedded solutions

 
       BIRMINGHAM – MUMBAI

Крис Симмондс

Встраиваемые системы  

на основе Linux

Москва, 2017

УДК 004.453/.453: 004.451.9Linux
ББК 32.972.1
С37

Симмондс К.

С37 
Встраиваемые системы на основе Linux / пер. с англ. А. А. Слинкина. – М.:
ДМК Пресс, 2017. – 360 с.: ил.

ISBN 978-5-97060-483-0

Вкнигеподробнорассказаноотом,каксконструироватьвстраиваемуюLinux-системуизсвобод
ных программ с открытым исходным кодом, получив в результате надежный и эффективный продукт. Рассмотрены наборы инструментов, начальные загрузчики, ядро Linux и конфигурирование
корневойфайловойсистемы.Показано,какработатьссистемамисборкиBuildrootиYoctoProject.
Описаны процессы, потоки и управление памятью. Не обделены вниманием вопросы отладки и
оптимизации платформы, а также выполнение приложений реального времени.

Издание рассчитано на разработчиков программного обеспечения на платформе Linux и си
стемных программистов, уже знакомых со встраиваемыми системами. Предполагаются знание
основ языка C и опыт системного программирования.

УДК 004.453/.453: 004.451.9Linux
ББК 32.972.1

Copyright © Packt Publishing 2016. First published in the English language under the title

‘Mastering Embedded Linux Programming (9781784392536)’.

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой

бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав.

Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность

технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную
точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

ISBN 978-1-78439-253-6 (анг.) 
Copyright © 2015 Packt Publishing

ISBN 978-5-97060-483-0 (рус.) 
© Оформление, издание, перевод, ДМК Пресс, 2017

Содержание

Предисловие..................................................................15
Об.авторе.......................................................................16
О.рецензентах................................................................17
Вступление....................................................................19

Глава.1..Приступая.к.работе..............................................25
Выбор правильной операционной системы ................................................................................26
Игроки .....................................................................................................................................................27
Жизненный цикл проекта .................................................................................................................28
Четыре составные части встраиваемой Linux-системы ....................................................29
Программное обеспечение с открытым исходным кодом .....................................................30
Лицензии ...........................................................................................................................................30
Оборудование для встраиваемых Linux-систем .......................................................................31
Используемое оборудование............................................................................................................33
Плата BeagleBone Black  ...............................................................................................................33
QEMU .................................................................................................................................................34
Используемое программное обеспечение ...................................................................................35
Резюме .....................................................................................................................................................35

Глава.2..О.наборах.инструментов.......................................36
Что такое набор инструментов? ......................................................................................................36
Типы наборов инструментов – платформенные и перекрестные .......................................38
Архитектура процессора ..............................................................................................................39
Выбор библиотеки C ...........................................................................................................................40
Получение набора инструментов ...................................................................................................42
Сборка набора инструментов с помощью crosstool-NG ....................................................43
Установка crosstool-NG .................................................................................................................43
Выбор набора инструментов .......................................................................................................44
Анатомия набора инструментов .....................................................................................................46
Получение информации о кросс-компиляторе ....................................................................46
sysroot, библиотека и файлы-заголовки .................................................................................48
Другие элементы набора инструментов .......................................................................................48
Компоненты библиотеки C .........................................................................................................49
Статическая и динамическая компоновка с библиотеками ..................................................50
Статические библиотеки ..............................................................................................................50
Разделяемые библиотеки .............................................................................................................51

 Содержание

Искусство кросс-компиляции .........................................................................................................53
Простые make-файлы ....................................................................................................................54
Autotools .............................................................................................................................................54
Конфигурирование пакета ..........................................................................................................57
Проблемы кросс-компиляции .........................................................................................................58
Резюме .....................................................................................................................................................58

Глава.3..Все.о.начальных.загрузчиках.................................60
Что делает начальный загрузчик? ..................................................................................................60
Последовательность начальной загрузки ....................................................................................61
Этап 1: код в ПЗУ ...........................................................................................................................62
Этап 2: SPL ........................................................................................................................................63
Этап 3: TPL .......................................................................................................................................63
Загрузка из UEFI-прошивки ...........................................................................................................64
Переход от начального загрузчика к ядру ...................................................................................65
Введение в деревья устройств .........................................................................................................66
Основные сведения о деревьях устройств ..................................................................................66
Свойство reg .....................................................................................................................................67
Указатели на описатели и прерывания ...................................................................................68
Включаемые файлы деревьев устройств ................................................................................69
Компиляция дерева устройств ...................................................................................................71
Выбор начального загрузчика .........................................................................................................71
U-Boot ......................................................................................................................................................72
Сборка U-Boot .................................................................................................................................72
Установка U-Boot ...........................................................................................................................73
Работа с U-Boot ...............................................................................................................................74
Загрузка Linux .................................................................................................................................78
Kconfig и U-Boot .............................................................................................................................79
Сборка и тестирование .................................................................................................................82
Режим Сапсан ..................................................................................................................................82
Barebox .....................................................................................................................................................82
Получение Barebox .........................................................................................................................83
Сборка Barebox ................................................................................................................................83
Резюме .....................................................................................................................................................84

Глава.4..Портирование.и.конфигурирование.ядра.................86
Что делает ядро?...................................................................................................................................86
Выбор ядра .............................................................................................................................................88
Цикл разработки ядра ...................................................................................................................88
Стабильные и долгосрочные версии ........................................................................................89
Поддержка со стороны производителя ...................................................................................90
Сборка ядра ............................................................................................................................................90
Получение исходного кода ..........................................................................................................90

Содержание  7

О конфигурировании ядра ..........................................................................................................91
Использование переменной LOCALVERSION для идентификации ядра .................95
Модули ядра .....................................................................................................................................96
Компиляция ...........................................................................................................................................96
Компиляция образа ядра ..............................................................................................................97
Компиляция деревьев устройств ..............................................................................................99
Компиляция модулей ....................................................................................................................99
Удаление артефактов сборки ......................................................................................................99
Загрузка ядра .......................................................................................................................................100
BeagleBone Black ...........................................................................................................................100
QEMU ...............................................................................................................................................100
Паника ядра ....................................................................................................................................101
Подготовка пользовательского пространства ....................................................................102
Сообщения ядра ............................................................................................................................102
Командная строка ядра ...............................................................................................................103
Портирование Linux на новую плату ..........................................................................................104
С деревом устройств ....................................................................................................................104
Без дерева устройств ...................................................................................................................105
Дополнительная литература ..........................................................................................................107
Резюме ...................................................................................................................................................107

Глава.5..Построение.корневой.файловой.системы..............109
Что должно быть в корневой файловой системе? ..................................................................109
Структура каталогов ....................................................................................................................111
Каталог технологической подготовки ...................................................................................111
Программы в корневой файловой системе ...............................................................................114
Программа init ...............................................................................................................................114
Оболочка ..........................................................................................................................................115
Утилиты ............................................................................................................................................115
BusyBox спешит на помощь! .....................................................................................................115
ToyBox – альтернатива BusyBox .............................................................................................117
Библиотеки для корневой файловой системы ........................................................................118
Уменьшение размера путем удаления таблицы символов .............................................119
Узлы устройств ...................................................................................................................................119
Файловые системы proc и sysfs .....................................................................................................120
Монтирование файловых систем ............................................................................................121
Модули ядра ........................................................................................................................................122
Перенос корневой файловой системы на целевое устройство ...........................................122
Создание загрузочного ram-диска ................................................................................................123
Автономный ram-диск .................................................................................................................123
Загрузка ram-диска ......................................................................................................................124
Встраивание ram-диска в формате cpio в образ ядра .......................................................125
Старый формат initrd ..................................................................................................................126

 Содержание

Программа init .....................................................................................................................................126
Конфигурирование учетных записей пользователей ............................................................127
Добавление учетных записей пользователей в корневую файловую систему ........129
Запуск процесса-демона ..................................................................................................................129
Улучшенный способ управления узлами устройств ..............................................................129
Пример использования devtmpfs ..................................................................................................130
Пример использования mdev ...................................................................................................130
А так ли плохи статические узлы устройств? .....................................................................131
Конфигурирование сети ..................................................................................................................131
Сетевые компоненты для glibc .................................................................................................132
Создание образов файловой системы с помощью таблиц устройств ..............................133
Копирование корневой файловой системы на карту SD ................................................134
Монтирование корневой файловой системы по NFS ...........................................................134
Тестирование в эмуляторе QEMU ..........................................................................................135
Тестирование с платой BeagleBone Black .............................................................................136
Проблемы с правами доступа к файлам ...............................................................................136
Загрузка ядра по протоколу TFTP ..............................................................................................137
Дополнительная литература ..........................................................................................................138
Резюме ...................................................................................................................................................138

Глава.6..Выбор.системы.сборки.......................................139
Довольно самопальных встраиваемых систем ........................................................................139
Системы сборки ..................................................................................................................................139
Форматы пакетов и менеджеры пакетов ...................................................................................141
Buildroot ................................................................................................................................................141
История ............................................................................................................................................142
Стабильные версии и поддержка ............................................................................................142
Установка .........................................................................................................................................142
Конфигурирование ......................................................................................................................143
Выполнение ....................................................................................................................................144
Создание специального BSP-пакета ......................................................................................145
Добавление своего кода ..............................................................................................................146
Соответствие лицензионным требованиям .........................................................................148
Yocto Project .........................................................................................................................................149
История ............................................................................................................................................149
Стабильные версии и поддержка ............................................................................................150
Установка Yocto Project...............................................................................................................151
Конфигурирование ......................................................................................................................151
Сборка ...............................................................................................................................................152
Выполнение ....................................................................................................................................153
Слои ...................................................................................................................................................154
Настройка образов с помощью local.conf .............................................................................159
Рецепт создания образа ..............................................................................................................159

Содержание  9

Создание SDK ................................................................................................................................160
Контроль лицензий ......................................................................................................................162
Дополнительная литература ..........................................................................................................162
Резюме ...................................................................................................................................................162

Глава.7..Выбор.стратегии.хранения..................................164
Типы запоминающих устройств ...................................................................................................164
Флэш-память типа NOR ............................................................................................................165
NAND-память.................................................................................................................................166
Управляемая флэш-память .......................................................................................................168
Доступ к флэш-памяти из начального загрузчика .................................................................169
U-Boot и флэш-память типа NOR ..........................................................................................170
U-Boot и флэш-память типа NAND .......................................................................................170
U-Boot и карты MMC, SD и eMMC .......................................................................................170
Доступ к флэш-памяти из Linux ...................................................................................................170
Устройства на основе технологии памяти ............................................................................171
Драйвер блочного устройства MMC .....................................................................................176
Файловые системы для флэш-памяти ........................................................................................177
Уровень флэш-преобразования ...............................................................................................177
Файловые системы для флэш-памяти типа NOR и NAND.................................................178
JFFS2 .................................................................................................................................................178
YAFFS2 .............................................................................................................................................181
UBI и UBIFS ..................................................................................................................................182
Файловые системы для управляемой флэш-памяти .............................................................186
Flashbench ........................................................................................................................................187
Discard и TRIM ..............................................................................................................................188
Ext4 ....................................................................................................................................................189
F2FS ...................................................................................................................................................190
FAT16/32 ..........................................................................................................................................190
Сжатые неизменяемые файловые системы ..............................................................................191
squashfs ..............................................................................................................................................191
Временные файловые системы .....................................................................................................192
Превращение корневой файловой системы в неизменяемую ............................................193
Варианты выбора файловой системы .........................................................................................194
Обновление в месте эксплуатации ..............................................................................................194
Степень детализации: файл, пакет или образ? ...................................................................195
Атомарное обновление образа ..................................................................................................196
Дополнительная литература ..........................................................................................................197
Резюме ...................................................................................................................................................198

Глава.8..Введение.в.драйверы.устройств...........................199
Роль драйверов устройств ..............................................................................................................199
Символьные устройства ..................................................................................................................200

 Содержание

Блочные устройства ..........................................................................................................................202
Сетевые устройства ...........................................................................................................................203
Получение информации о драйверах на этапе выполнения ...............................................205
Получение информации из sysfs..............................................................................................207
Устройства: /sys/devices .............................................................................................................207
Драйверы: /sys/class ....................................................................................................................208
Блочные устройства: /sys/block ..............................................................................................209
Поиск подходящего драйвера устройства .................................................................................209
Драйверы устройств в пользовательском пространстве ......................................................210
GPIO..................................................................................................................................................210
Светодиоды .....................................................................................................................................213
Шина I2C .........................................................................................................................................214
Шина SPI .........................................................................................................................................216
Написание драйвера устройства ...................................................................................................216
Проектирование интерфейса символьного устройства ..................................................216
Анатомия драйвера устройства ................................................................................................218
Загрузка модулей ядра .....................................................................................................................222
Определение конфигурации оборудования .............................................................................222
Деревья устройств ........................................................................................................................223
Платформенные данные .............................................................................................................223
Связывание оборудования с драйверами .............................................................................224
Дополнительная литература ..........................................................................................................226
Резюме ...................................................................................................................................................226

Глава.9..Инициализация.системы.–.программа.init..............228
После того как ядро загрузилось ..................................................................................................228
Введение в программы init .............................................................................................................229
BusyBox init ..........................................................................................................................................229
Скрипты инициализации в Buildroot ....................................................................................231
System V init .........................................................................................................................................231
inittab .................................................................................................................................................233
Скрипты init.d ................................................................................................................................235
Добавление нового демона ........................................................................................................235
Запуск и остановка служб .........................................................................................................236
systemd ...................................................................................................................................................237
Сборка systemd в Yocto Project и Buildroot .........................................................................237
Как systemd загружает систему................................................................................................239
Добавление своей службы ..............................................................................................................240
Добавление сторожевого таймера ...........................................................................................241
Применение во встраиваемых Linux-системах ..................................................................242
Дополнительная литература ..........................................................................................................243
Резюме ...................................................................................................................................................243