ARM & Linux 基础学习 / 配置交叉编译工具链 / 编译 Linux 应用和驱动 / 编译内核

编辑整理 by Staok。

本文部分内容摘自 “100ask imx6ull” 开发板的配套资料（如 百问网的《嵌入式Linux应用开发完全手册》，在 百问网 imx6ull pro 开发板 页面 中的《2.1 100ASK_IMX6ULL_PRO：开发板资料》或《2.2 全系列Linux教程：在线视频与配套资料》里面可以下载到），还有参考 菜鸟教程、C语言中文网、红联的等等等等，比较广泛，侵删。进行了精髓提取，方便日后查阅。过于基础的内容不会在此提及。如有错误恭谢指出！

注：在 Github 上的原版文章日后可能会更新，在其它位置发的不会跟进。文章的 Gitee 仓库地址，Gitee 访问更流畅。

注意本文是基于 IMX6ULL 这个 SoC，即 A7 内核（ARM 各个内核介绍 【主线剧情 番外01】ARM 系列快速鸟瞰 - 欢迎来到 Staok - 瞰百易 (gitee.io)），本文所配置的交叉编译器也是对应的，即 ARMv7 32位，若是 i.mx8mm 这种基于 A53 内核的，就是对应 ARMv8 64位 的交叉编译器，要注意，不熟悉的仔细看一下~祝好

任何文章都有时效性，学习 linux 这种复杂系统，保持脑袋清醒和逻辑链清晰，耐下心来，共勉！

更全面的 Linux 应用 和 驱动编程，还见仓库 Github 仓库 或 Gitee 仓库 中，见里面相关的文件夹，东西真的很丰富~

Linux 驱动和应用的体验

Ubuntu 主机 的配置工作

• 首先换源，参考前面 “换源 和 添加系统变量” 一节。

• 配置 100ask Ubuntu 主机 的环境，执行：

  wget --no-check-certificate -O Configuring_ubuntu.sh https://weidongshan.coding.net/p/DevelopmentEnvConf/d/DevelopmentEnvConf/git/raw/master/Configuring_ubuntu.sh && sudo chmod +x Configuring_ubuntu.sh && sudo ./Configuring_ubuntu.sh

  这个会配置/安装一些基本应用如 NFS/TFTP 等，还建立 /home/book 目录，book 用户 等，具体看其 shell 程序。

• 百问网的 imx6ull pro 开发板的 SDK包（包括 Linux、uboot、buildroot 等源码和工具链，这个需要 windows 电脑 和 虚拟机 ubuntu 各存一份，前者用来阅读，后者用来编译）两个下载途径：

  1. 本地拷贝法：百问网 imx6ull pro 开发板 页面，找到 100ask_imx6ull_pro_2020.02.29_v2.0（这个很大，网盘下载），里面有固件、SDK包、原理图（底板+核心板）、应用例程、工具软件等等。其中 SDK包（包括 Linux、uboot、buildroot 等源码和工具链）在 07_Bsp_sdk (系统源码，包含uboot kernel rootfs 工具链 测试代码等)) 里面，自行拷贝到虚拟机 ubuntu 里面并解压。但是这是本地拷贝的不是最新的，最新的可以 git 下载（注意很大），看下面 “在线下载&更新法”。

  2. 在线下载&更新法：参考 百问网的《嵌入式Linux应用开发完全手册》里面 第二篇 的 《8.2 使用repo获取内核及工具链等》 里面的 《8.2.2 在线下载》。

     1. 配置 Git 邮箱和用户名：git config --global user.email "[email protected]"、git config --global user.name "100ask"。

     2. 执行四条命令：

        git clone https://e.coding.net/codebug8/repo.git
        ​
        mkdir -p 100ask_imx6ull-sdk && cd 100ask_imx6ull-sdk
        ​
        ../repo/repo init -u https://gitee.com/weidongshan/manifests.git -b linux-sdk -m imx6ull/100ask_imx6ull_linux4.9.88_release.xml --no-repo-verify
        ​
        ../repo/repo sync -j4

     3. 今后可以直接在 100ask_imx6ull-sdk 目录下执行 ../repo/repo sync -c 进行同步更新最新代码！

• 推荐在 windows 端 使用 Source Insight 来阅读 Linux 内核源码，详见 百问网的《嵌入式Linux应用开发完全手册》里面 第二篇 的《8.4 使用Source Insight阅读Linux内核源码》。

获取交叉编译工具链

这里提供三个获取方式。

用开发板厂家提供的 SDK 里的工具链

这里是 百问网的 imx6ull pro 开发板 的 SDK 中的工具链，在 /.../100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/arm-buildroot-linux-gnueabihf_sdk-buildroot/bin 里面，使用 Vim 工具编辑 ~/.bashrc 文件，在最后添加：

export ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=arm-buildroot-linux-gnueabihf-
export PATH=$PATH:/.../100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/arm-buildroot-linux-gnueabihf_sdk-buildroot/bin

并在终端键入 source ~/.bashrc 使其生效。

然后在终端测试一下 arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc -v。

ARM 官网下载 合适的工具链

1. ARM GUN-A 官方编译器下载页面： GNU Toolchain | GNU-A Downloads – Arm Developer。下面几个连接是对各个编译器命名的说明，必看。

   • arm-linux-gnueabihf、aarch64-linux-gnu等ARM交叉编译GCC的区别_Namcodream521的博客-CSDN博客。

   • 转：ARM交叉编译工具链分类说明 arm-linux-gnueabi和arm-linux-gnueabihf 的区别_Beyoungbehappy的博客-CSDN博客。

   • arm交叉编译器gnueabi、none-eabi、arm-eabi、gnueabihf等的区别 - 涛少& - 博客园 (cnblogs.com)。

   • 带有 “bare-metal” 的为不支持操作系统的。

   • 总的来说：

     • 经过 Codesourcery 公司基于GCC优化，带有 none 标识的编译器。

       • ARM GUN-A 官方编译器下载页面 Downloads | GNU-A Downloads – Arm Developer。要下载的编译器要运行在 x86_x64 机器的虚拟机里面的ubuntu 18.04 里面，因此找到 x86_64 Linux hosted cross toolchains 下面的各个编译器版本。

       • AArch32 target with hard float (arm-none-linux-gnueabihf) —— 可用于交叉编译ARMv7 32位 目标系统中所有环节的代码，包括裸机程序、u-boot、Linux kernel、filesystem和App应用程序。

       • AArch64 GNU/Linux target (aarch64-none-linux-gnu) —— 可用于交叉编译ARMv8 64位目标中的裸机程序、u-boot、Linux kernel、filesystem和App应用程序。

     • 由 Linaro 公司基于GCC推出。

       • Linaro Releases 页面 Linaro Releases。

       • arm-linux-gnueabihf-gcc：可用于交叉编译ARMv7 32位 目标系统中所有环节的代码，包括裸机程序、u-boot、Linux kernel、filesystem和App应用程序。

       • aarch64-linux-gnu-gcc：可用于交叉编译ARMv8 64位目标中的裸机程序、u-boot、Linux kernel、filesystem和App应用程序。

2. 在 x86_64 Linux hosted cross compilers下面找到 AArch32 target with hard float (arm-none-linux-gnueabihf)（i.mx6ull 为 A7 内核，即为 32 位的 armv7 指令集），并下载；（AArch64 Linux hosted cross compilers下的编译器可以运行在 64位的 嵌入式板子 SoC 的 Linux 上）；

3. 使用 tar xvf 命令解压。

最后，添加环境变量。使用 Vim 工具编辑 ~/.bashrc 文件，在最后添加：

export ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabihf-     # 添加名为 CROSS_COMPILE、ARCH 环境变量，写 makefile 用 make 工具编译的时候会用到
export PATH=$PATH:/<交叉编译器工具链的目录>/bin       # 交叉编译器工具链的 路径，可以直接在 shell 中 打编译器的名字来 执行编译器 bin 应用

并在终端键入 source ~/.bashrc 使其生效。

然后在终端测试一下 arm-none-linux-gnueabihf-gcc -v。

使用交叉编译工具链编译程序产生 固件/应用 后，通过 “PC 与 嵌入式板 传输文件的方式汇总” 一节提供的方法，传给 嵌入式 linux 开发板，再执行，也许需要添加执行的权限：chmod +x <应用>。

使用 Linaro GCC 编译器

p.s 这里作者没有试验，只是把说明放在这里。

正点原子的文章【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南V1.5.1在 4.3.1.2 小节里说到个别版本能编译通过但是不能运行，多换换版本试试。

到 Linaro Releases 下载适合的编译器，使用方法与上面类似。Linaro 的编译器对应的名字为 arm-linux-gnueabihf-。

第一个应用

略，略略略~。（在 百问网 imx6ull pro 开发板 页面 中的《2.2 全系列Linux教程：在线视频与配套资料》里面的 \01_all_series_quickstart\04_嵌入式Linux应用开发基础知识\source 里面）

第一个驱动

注意：

• 驱动程序用到 Linux 内核的 API，编译驱动程序之前要先编译内核。

• 编译驱动时用的内核和嵌入式板子上运行的内核，要一致（不一致的话，不能正常安装 .ko 模块，强装会有意想不到的问题）。

• 板子使用新编译出来的内核时，板子上原来的其他驱动也要更换为新编译出来的。

编译内核

不同的开发板对应不同的配置文件，配置文件位于内核源码 arch/arm/configs/ 目录。

在 Linux 源码目录里执行：

make mrproper
make xxx_imx6ull_defconfig
make zImage -j4
make dtbs

释义：

• make mrproper 命令会删除所有的编译生成文件、内核配置文件(.config文件)和各种备份文件，所以几乎只在第一次执行内核编译前才用这条命令。make clean 命令则是用于删除大多数的编译生成文件，但是会保留内核的配置文件 .config，还有足够的编译支持来建立扩展模块。所以你若只想删除前一次编译过程的残留数据，只需执行 make clean 命令。总而言之，make mrproper 删除的范围比 make clean 大，实际上，make mrproper 在具体执行时第一步就是调用 make clean。

得到 内核文件 和 设备树文件 这两个文件：

arch/arm/boot/zImage
arch/arm/boot/dts/100ask_imx6ull-14x14.dtb

编译内核模块

在 Linux 源码目录里执行：

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=<选择一个编译器，比如 Linaro 的 arm-linux-gnueabihf-> modules
sudo make ARCH=arm INSTALL_MOD_PATH=/home/book/nfs_rootfs modules_install # 编译出的模块 都装存到 /home/book/nfs_rootfs 下，自行更换

释义：

• 第一条，如果设置好了 ARCH 和 CROSS_COMPILE 环境变量，直接键入 make modules 也可。

• 第二条命令是把模块安装到 /home/book/nfs_rootfs 目录下备用 ， 会得到 /home/book/nfs_rootfs/lib/modules 目录。

更新目标板

有很多种方式传输文件，详见 "PC 与 嵌入式板 传输文件的方式汇总" 章节。将 zImage 、100ask_imx6ull-14x14.dtb 和 内核模块的 lib 目录 这三者 分别放到嵌入式板子的 /boot 、 /boot 和 /lib 目录，比如使用方便的 nfs 文件系统；然后存储 sync，重启 reboot。

编写、编译驱动

按照驱动程序的编写规则，写好驱动程序（hello_drv.c）和 对其进行编译的 Makefile 文件，以及 相应的 应用程序/测试程序（hello_drv_test.c）。

举例 Makefile 文件（这里面也同时将 测试程序 给编译了）：

# 修改为 Linux 内核所在目录
KERN_DIR = /home/book/100ask_roc-rk3399-pc/linux-4.4
​
all:
    make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules 
    $(CROSS_COMPILE)gcc -o hello_drv_test hello_drv_test.c # 这里就用到 环境变量 CROSS_COMPILE 了
​
clean:
    make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean
    rm -rf modules.order
    rm -f hello_drv_test
​
obj-m   += hello_drv.o

确保三个环境变量 ARCH、CROSS_COMPILE 和 PATH（交叉编译器的 /bin 目录）都以就绪。

1. 执行 make 或 make all。产生 驱动程序的内核模块（hello_drv.ko）和 测试程序 ARM 端的二进制可执行文件，共两个文件，转移其到 嵌入式目标板子上。

2. 在嵌入式 Linux 开发板上 安装驱动程序模块 insmod hello_drv.ko。

3. 在 lsmod 命令下可以看到 hello_drv 模块；执行 cat /proc/devices 可以看到 对应的设备及其主设备号；执行 ls -l /dev/<设备名称> 可以看到此设备的主、此设备号等更多信息。

4. 执行测试程序进行验证。

linux内核编译操作

make bzImage                    # 编译生成压缩的内核二进制文件
make vmlinux                    # 编译生成二进制内核文件
make modules                    # 编译生成内核模块
make modules_install            # 安装模块
make bzdisk|fdimage|isoimage    # 编译生成启动软盘镜像或者光盘镜像
make install                    # 安装内核文件
make all                        # 相当于vmlinux+modules+bzImage
make rpm                        # 构建内核rpm包
make foo/bar/foobar.ko          # 编译单个驱动
make header_install             # 安装内核头文件
make M=some/sub/dir             # 编译指定目录
make O=/path/to/some/dir        # 指定生成的文件放到该目录
make kernelversion              # 输出内核版本信息
make kernelrelease              # 输出内核发行标识
make rpm-pkg|deb-pkg|tar-pkg|targz-pkg|tarbz2-pkg   # 构建这种格式的内核包
make clean                      # 清除生成文件（保留.config和部分模块文件）
make mrproper                   # 清除全部文件（包括.config和备份文件）
make distclean                  # 在make mrproper上还清除编辑器其他的备份文件

学至此的一点启示

芯片厂家（大概）应该都会提供完整的 U-boot、 Linux 内核、芯片上硬件资源的驱动程序。

看韦东山的 imx6ull 板子的裸机开发源码，可以得知，启动文件 .s 文件需要看懂，都大同小异，然后官网会提供所有寄存器的 .h 文件及其结构体，然后每个外设似乎还会提供初始化、配置的代码（因为韦的源码里面，外设底层配置代码为英文注释的，99%的概率是官方提供的），这样就好了嘛，外设的底层驱动可以都扒官方例程。

构建系统简约步骤

这里只简约说明编译步骤，并非详细使用说明（以后的系列文章可能会有）。

每个部分单独手动简约步骤

以下工作进行前，先配置好环境变量和开发链工具等工作，详见 "准备交叉编译工具链" 章节。

1、编译 u-boot，配置文件位于 u-boot 源码的 configs/ 目录，生成 u-boot 启动镜像 u-boot-dtb.imx。在 Uboot 目录下执行：

make distclean
make mx6ull_14x14_evk_defconfig
make

2、编译内核，配置文件位于内核源码 arch/arm/configs/ 目录，生成 arch/arm/boot/zImage 内核文件 和 arch/arm/boot/dts/xxx_imx6ull-14x14.dtb 设备树文件。在 Linux 内核目录下执行：

Linux-4.9.88$ make mrproper
Linux-4.9.88$ make xxx_imx6ull_defconfig
Linux-4.9.88$ make zImage -j4
Linux-4.9.88$ make dtbs

3、编译内核模块，并把模块文件导入 /home/book/nfs_rootfs/lib/modules 目录。在 Linux 内核目录下执行：

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- modules
sudo make ARCH=arm INSTALL_MOD_PATH=/home/book/nfs_rootfs modules_install

使用 Buildroot 构建系统简约步骤

Linux 平台上有许多开源的嵌入式 linux 系统构建框架，这些框架极大的方便了开发者进行嵌入式系统的定制化构建，目前比较常见的有 OpenWrt, Buildroot, Yocto 等等。其中 Buildroot 功能强大，使用简单，而且采用了类似于 linux kernel 的配置和编译框架。

制作根文件系统方法比较：

• Busybox。Busybox 本身包含了很了 Linux 命令，但是要编译其他程序的话需要手工下载、编译，如果它需要某些依赖库，你还需要手工下载、编译这些依赖库。如果想做一个极简的文件系统，可以使用 Busybox 手工制作。

• Buildroot。它是一个自动化程序很高的系统，可以在里面配置、编译内核，配置编译 u-boot、配置编译根文件系统。在编译某些APP时，它会自动去下载源码、下载它的依赖库，自动编译这些程序。Buildroot 的语法跟一般的 Makefile 语法类似，很容易掌握。

• Yocto。NXP、 ST 等公司的官方开发包是使用 Yocto，Yocto 语法复杂，容量大（10GB 以上），编译时间长。

Buildroot 是一组 Makefile 和补丁，可简化并自动化地为嵌入式系统构建完整的、可启动的 Linux 环境（包括 bootloader、 Linux 内核、包含各种 APP 的文件系统）。 Buildroot 运行于 Linux 平台，可以使用交叉编译工具为多个目标板构建嵌入式 Linux 平台。 Buildroot 可以自动构建所需的交叉编译工具链，创建根文件系统，编译 Linux 内核映像，并生成引导加载程序用于目标嵌入式系统，或者它可以执行这些步骤的任何独立组合。例如，可以单独使用已安装的交叉编译工具链，而 Buildroot 仅创建根文件系统。

学习更多关于 Buildroot 知识请参考这里。

扩展学习：

• buildroot 下进入 menuconfig 包选择配置配置界面 make menuconfig。

• buildroot 下单独编译 u-boot make uboot-rebuild。

• buildroot 下进入内核 make menuconfig 配置选项界面 make linux-menuconfig。

• buildroot 下单独编译某个软件包 make -rebuild。

• buildroot 下进入 busybox 配置界面 make busybox-menuconfig。

• buildroot 下生成系统 sdk，最后生成的目录在 output/images/ 目录下 make sdk。

构建根文件系统：

在 Buildroot 目录下执行：

make clean
make xxx_imx6ull_defconfig
make all

漫长长长（2~6个小时，视电脑性能）的等待后编译完成。

可以配置多个不同的配置文件 xxx_imx6ull_defconfig，比如有的带 qt5 ，有的用于构建最精简的文件系统，有的用于另一块板子等待。

编译成功后文件输出路径为 output/images：

buildroot 20xx.xx
├── output
    ├── images
        ├── xxx_imx6ull-14x14.dtb             <--设备树文件
        ├── rootfs.ext2                       <--ext2 格式根文件系统
        ├── rootfs.ext4 -> rootfs.ext2        <--ext2 格式根文件系统
        ├── rootfs.tar
        ├── rootfs.tar.bz2                    <--打包并压缩的根文件系统，用于 NFSROOT 启动
        ├── sdcard.img                        <--完整的 SD 卡系统镜像
        ├── u-boot-dtb.imx                    <--u-boot 镜像
        └── zImage                            <--内核镜像

对应的文件更新到嵌入式板子的对应位置，或者使用 sdcard.img 或者 emmc.img 完整系统映像文件烧入 sd卡 或 emmc。