嵌入式开发实验笔记（二）

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;

2. 把程序从NAND FLASH 拷贝到 SDRAM;
3. 设置栈;(后续需要执行C语言程序)
4. 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)

2. 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;

3. 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")))
(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)

3. 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

2. make uImage => ./arch/arm/Makefile;
3. 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;

2. 挂接根文件系统;

3. 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 => /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

5. 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;

2. 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

3. 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)

3. 重启nfs-kernel-server服务:

sudo /etc/init.d/nfs-kernel-server restart
OR
sudo service nfs-kernel-server restart

4. 在本机试挂载:

sudo mount -t nfs : 

5. 进入开发板进行挂载:

mkdir /mnt
mount -t nfs : >

6. 解决开机挂载nfs的问题: (进入u-boot启动设置界面[在等待时, 按进入])

set noinitrd root=/dev/nfs nfsroot=[:][,] ip=:::::: 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

7. 完成