嵌入式系統Bootloader與Linux核心實戰

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在嵌入式系統開發中，Bootloader 和 Linux 核心扮演著至關重要的角色。Bootloader 負責初始化硬體並引導核心啟動，而核心則管理系統資源並提供各種服務。理解它們的運作機制對於構建穩定的嵌入式系統至關重要。本文將會深入探討 Bootloader（特別是 U-Boot）和 Linux 核心，從基礎概念到實際操作，涵蓋跨編譯、環境設定、命令使用、目錄結構解析等關鍵環節。同時，我們將以 Raspberry Pi 和 QEMU 為例，示範如何在模擬環境中進行系統啟動和測試，並簡要介紹 BusyBox 在嵌入式系統中的應用。

跨編譯

跨編譯則是指程式碼在一臺機器（宿主機）上編譯，但目標平臺是另一臺機器。這通常發生在目標平臺資源有限，無法在其上直接編譯程式碼的情況下。跨編譯允許開發者在更強大的宿主機上編譯程式，然後將編譯好的程式佈署到資源有限的目標平臺上。

設定工具鏈

為了實作跨編譯，需要設定適合的工具鏈。工具鏈是一套能夠支援跨編譯的工具集合，包括編譯器、連結器等。設定工具鏈的步驟通常包括下載和安裝工具鏈軟體，然後組態環境以使用這些工具。

工具鏈的特點

一個典型的工具鏈包括以下幾個部分：

  • 編譯器（Compiler）：負責將高階語言程式碼轉換成機器碼。
  • 連結器（Linker）：負責將多個物件檔案連結成可執行檔案。
  • 函式庫檔案（Library）：提供常用的函式和變數，以方便程式設計師使用。
  • 標頭檔案（Header File）：包含函式宣告、巨集定義等，供程式設計師使用。

例項：設定 Gene 工具鏈

假設我們已經下載並解壓縮了 Gene 工具鏈，現在需要探索它的特點並使用它進行跨編譯。首先，找到工具鏈的目錄，通常會有一個特定的版本號，如 2708，這代表著工具鏈的版本。

步驟 1：組態環境

進入工具鏈目錄，組態環境以使用這些工具。這可能涉及設定路徑變數，使系統能夠找到工具鏈中的工具。

步驟 2：瞭解工具鏈結構

探索工具鏈目錄，瞭解它包含哪些工具和函式庫檔案。通常，會有多個目錄分別存放不同架構的工具和函式庫。

步驟 3：跨編譯範例

選擇一個範例程式，使用工具鏈進行跨編譯。這涉及使用特定的編譯器和連結器選項，以確保程式碼能夠在目標平臺上正確執行。

Bootloader 概念介紹

在嵌入式系統中，Bootloader 是一段非常重要的程式，負責初始化硬體並將作業系統載入記憶體中。它是系統啟動過程中的第一個程式，負責初始化硬體環境，然後將控制權交給作業系統。

Bootloader 的必要性

Bootloader 是系統啟動過程中的第一個程式，它負責初始化硬體，組態記憶體，然後將控制權交給作業系統。沒有 Bootloader，系統就無法啟動。

Bootloader 的功能

Bootloader 的主要功能包括：

  • 初始化硬體環境
  • 載入作業系統
  • 組態記憶體
  • 提供作業系統啟動所需的資源

Bootloader 的工作流程

Bootloader 的工作流程如下：

  1. 初始化硬體環境
  2. 載入作業系統
  3. 組態記憶體
  4. 將控制權交給作業系統

Bootloader 的型別

Bootloader 有多種型別，包括：

  • Primary Bootloader：負責初始化硬體環境
  • Secondary Bootloader：負責載入作業系統

Bootloader 的實作

Bootloader 的實作可以使用多種語言，包括 C、C++、組合語言等。Bootloader 的開發需要對硬體有深入的瞭解，同時也需要對作業系統有深入的瞭解。

Bootloader 的優點

Bootloader 的優點包括：

  • 提供了一個安全的啟動過程
  • 可以初始化硬體環境
  • 可以組態記憶體
  • 可以提供作業系統啟動所需的資源

Bootloader 的挑戰

Bootloader 的挑戰包括：

  • 需要對硬體有深入的瞭解
  • 需要對作業系統有深入的瞭解
  • 需要處理多種不同的硬體平臺

Bootloader 的未來發展

Bootloader 的未來發展包括：

  • 支援多種不同的硬體平臺
  • 提供更安全的啟動過程
  • 支援更多的作業系統

Bootloader 的實踐

Bootloader 的實踐包括：

  • 使用 C 或 C++ 開發 Bootloader
  • 使用組合語言開發 Bootloader
  • 使用開源的 Bootloader 程式碼

Bootloader 的應用

Bootloader 的應用包括：

  • 嵌入式系統
  • 手機系統
  • 電腦系統
  • 其他需要啟動過程的系統

Bootloader 的設計

Bootloader 的設計需要考慮多種因素，包括：

  • 硬體環境
  • 作業系統
  • 記憶體組態
  • 安全性

Bootloader 的實作

Bootloader 的實作需要對硬體有深入的瞭解，同時也需要對作業系統有深入的瞭解。Bootloader 的實作需要使用多種語言，包括 C、C++、組合語言等。

  graph LR
    A[Bootloader] --> B[初始化硬體環境]
    B --> C[載入作業系統]
    C --> D[組態記憶體]
    D --> E[將控制權交給作業系統]

內容解密：

上述程式碼展示了 Bootloader 的基本流程，包括初始化硬體環境、載入作業系統、組態記憶體、將控制權交給作業系統等步驟。

圖表翻譯：

此圖表示 Bootloader 的工作流程，從初始化硬體環境開始，然後載入作業系統，組態記憶體，最後將控制權交給作業系統。這個流程是 Bootloader 的核心部分，負責初始化硬體環境，然後將控制權交給作業系統。

Bootloader 基礎概念

Bootloader 是一種程式，負責初始化硬體、載入作業系統核心和根檔案系統。它是開機過程中的第一步，負責設定 SDRAM 控制器、序列埠除錯和開機媒體等。

Bootloader 型別

Bootloader 可分為兩類：PC 用的 Bootloader 和嵌入式裝置用的 Bootloader。PC 用的 Bootloader 包括 GRUB 和 LILO，而嵌入式裝置用的 Bootloader 包括 U-Boot 和 RedBoot。

U-Boot 概念

U-Boot 是一種開源的 Bootloader，廣泛用於嵌入式平臺。它的全名是 Universal Bootloader，簡稱 U-Boot。U-Boot 可以載入作業系統核心和根檔案系統，支援多種電腦架構，包括 ARM、ARM 64 位、x86、MIPS 和 microblaze 等。

U-Boot 架構

U-Boot 可以分為兩個階段：第一階段和第二階段。第一階段負責設定記憶體控制器和 SDRAM，第二階段負責載入作業系統核心和根檔案系統。U-Boot 也可以分為兩個部分：SPL 和 U-Boot。SPL 是一個小型的 Bootloader，負責基本的硬體設定，然後將控制權交給 U-Boot。

U-Boot 環境

U-Boot 環境是 U-Boot 中的一個重要部分，負責儲存 U-Boot 和板級相關的設定和資訊。U-Boot 環境支援多種命令，包括 printenv、setenv 和 saveenv 等。

U-Boot 編譯

要編譯 U-Boot，需要選擇正確的組態檔案。組態檔案中包含了硬體設定和其他相關資訊。要跨編譯 U-Boot 程式碼，需要在組態檔名稱後面新增 “_defconfig”。

# 跨編譯 U-Boot 程式碼
make rpi_3_32b_defconfig
make

U-Boot 命令

U-Boot 支援多種命令，包括：

  • printenv：列出所有環境變數
  • setenv：設定環境變數
  • saveenv：儲存環境變數
# 列出所有環境變數
printenv

# 設定環境變數
setenv bootcmd "bootm 0x80000000"

# 儲存環境變數
saveenv

圖表翻譯：

  graph LR
    A[Bootloader] --> B[設定記憶體控制器]
    B --> C[載入作業系統核心]
    C --> D[載入根檔案系統]
    D --> E[啟動作業系統]

這個圖表顯示了 Bootloader 的啟動過程，包括設定記憶體控制器、載入作業系統核心和根檔案系統等步驟。

U-Boot 環境與命令

U-Boot 是一種開源的 Bootloader，廣泛用於嵌入式系統。瞭解 U-Boot 的環境和命令是使用它的基礎。首先，printenv 命令用於顯示當前的 U-Boot 環境變數。setenv 命令則用於設定環境變數，但這些設定只會儲存在 RAM 中，重啟後會失效。若要儲存設定，需要使用 saveenv 命令，將設定從 RAM 載入到非易失性記憶體。

Boot 命令

boot 命令會執行預設的組態檔案並啟動板卡。除了 boot 之外，還有 boots 和 bootm 等命令。bootm 用於從記憶體啟動應用程式映像。

Go 命令

go 命令非常重要，因為它允許在不啟動核心的情況下執行應用程式。這是 Bootloader 的一項強大功能，讓開發者可以在不需要完整作業系統的情況下測試和執行程式。

記憶體相關命令

  • md 命令用於顯示記憶體或 DDR（RAM）內容。
  • mm 命令則用於修改記憶體內容，適用於外部記憶體或 DDR 記憶體的修改。
  • mmc 命令用於分析 MMC 記憶體。
  • nfs 用於網路啟動。
  • ping 命令用於檢查網路連線。

重置和環境變數命令

  • reset 命令會重置 U-Boot 並重新啟動系統。
  • run 命令用於執行環境變數。

TFTP 和 USB 啟動

  • tftpboot 命令用於從 TFTP 伺服器啟動。
  • usb 命令與 USB 啟動有關。

建立 U-Boot 環境

要為真正的 Raspberry Pi 建立 U-Boot 環境，首先需要下載 U-Boot 並設定環境。接下來，需要組態和建構 U-Boot。這個過程涉及到多個步驟，包括下載 U-Boot 程式碼、設定環境、組態和建構。

下載和組態 U-Boot

首先，需要下載 U-Boot 的原始碼。由於最新版本的 U-Boot 可能不支援目前 Ubuntu 中的 GCC，所以可能需要簽出到較舊的分支。然後，需要清除現有的組態並簽出到目標分支。

安裝 Device Tree 編譯器

Device Tree 是一個描述硬體裝置資訊的檔案，最新的 U-Boot 需要 Device Tree 編譯器來建構。安裝 Device Tree 編譯器是一個必要的步驟。

組態 Cross Compiler

組態 Cross Compiler 是為了能夠跨平臺編譯 U-Boot。這需要安裝適當的工具鏈並設定環境變數。

組態硬體

組態硬體涉及到設定 U-Boot 對特定硬體平臺的支援，例如 Raspberry Pi。在 configs 目錄中可以找到與不同硬體平臺相關的組態檔案。需要根據所使用的硬體選擇合適的組態檔案。

編譯 U-Boot

在組態完成後，就可以開始編譯 U-Boot。編譯過程會產生 U-Boot 的可執行檔，這個檔案可以燒錄到板卡中，以實作 Bootloader 的功能。

U-Boot 的組態檔案

U-Boot 的組態檔案包含了許多設定選項，包括硬體支援、記憶體組態等。這些設定對於 U-Boot 的正常運作至關重要。組態檔案中的一些重要設定包括 ARM 架構、BCM283X 架構（適用於 Raspberry Pi）、MMC、USB、GPIO 等。

組態檔案結構

組態檔案的結構清晰，有不同的部分對應不同的設定。例如，ARM 架構的設定、特定硬體平臺的設定等。瞭解這些設定可以幫助使用者自定義 U-Boot 的行為。

u-boot 的基本組態和構建

u-boot 是一個開源的引導載入程式，廣泛用於嵌入式系統。要開始使用 u-boot，我們需要進行一些基本的組態和構建。在這個過程中，我們將瞭解 u-boot 的一些基本特性和可用的功能。

首先，我們需要組態 u-boot。組態過程包括選擇目標板和設定各種引數。目標板是指 u-boot 將要執行的硬體平臺。在我們的例子中，我們將使用 Raspberry Pi 作為目標板。組態完成後，我們可以開始構建 u-boot。

構建 u-boot 的過程涉及編譯和連結。我們可以使用 -j4 引數來加速構建過程，這將利用四個 CPU 核心來平行編譯。構建完成後，我們將得到 u-boot 的二進位制檔案，包括 u-boot 和 u-boot.bin。其中，u-boot.bin 是最終的可執行檔案，我們需要將其放入 SD 卡中，以便 Raspberry Pi 可以從中啟動。

為 QEMU 構建 u-boot

除了為 Raspberry Pi 構建 u-boot 外，我們還可以為 QEMU 構建 u-boot。QEMU 是一個模擬器，可以模擬各種硬體平臺。為 QEMU 構建 u-boot 的過程與為 Raspberry Pi 構建類似，但有一些不同之處。

首先，我們需要克隆 u-boot 程式碼函式庫，然後 checkout 到一個較舊的版本，因為最新版本可能不支援 QEMU 的 versatilepb 目標。之後，我們需要設定交叉編譯器，以便為 ARM 平臺編譯 u-boot。

組態和構建 u-boot 的過程與之前類似。我們需要組態 u-boot，為 versatilepb 目標設定引數，然後開始構建。構建完成後，我們將得到 u-boot 的二進位制檔案，包括 u-boot 和 u-boot.bin。

在 QEMU 上執行 u-boot

要在 QEMU 上執行 u-boot，我們需要使用 QEMU 命令列工具，並提供必要的引數，包括 u-boot 二進位制檔案的路徑和其他組態引數。執行 QEMU 後，我們將看到 u-boot 的命令列介面，在這裡我們可以執行各種命令，包括列印環境變數 (printenv) 等。

# 執行 QEMU 並載入 u-boot
qemu-system-arm -M versatilepb -m 128M -kernel u-boot.bin -serial stdio

在 u-boot 命令列介面中，我們可以使用 printenv 命令來檢視當前的環境變數設定，這些變數定義了板級的各種引數，如 baud 率、乙太網設定等。

# 在 u-boot 命令列中列印環境變數
printenv

總結

本文介紹了 u-boot 的基本組態、構建和執行過程，包括為 Raspberry Pi 和 QEMU 構建 u-boot，並在 QEMU 上執行 u-boot。透過這些步驟，我們可以更深入地瞭解 u-boot 的工作原理和其在嵌入式系統中的應用。下一步，我們將探索如何使用 TFTP 在 u-boot 中傳輸檔案，這是網路通訊中的一個重要方面。

Linux 核心概述

Linux 核心是作業系統的核心，負責管理系統的資源和提供基本的服務。沒有核心，作業系統就無法正常運作。核心的主要功能包括程式管理、記憶體管理、裝置控制、網路管理等。使用者若要存取任何資源，必須先向核心請求許可。

核心架構

作業系統可以分為三個層級：硬體層、核心層和使用者層。硬體層負責管理硬體裝置，核心層負責控制系統的資源，使用者層則是應用程式和工具的所在地。當使用者想要存取硬碟時，需要向核心請求許可，核心層會檢查是否有存取許可權，如果有，則允許使用者存取硬碟。

核心的必要性

即使沒有核心，也可以從 u-boot 執行應用程式，但是這樣做缺乏多個應用程式例項的優點，也沒有記憶體保護機制。這意味著無法執行多執行緒應用程式，且記憶體管理會出現問題。核心提供了記憶體管理、程式管理和裝置控制等功能，沒有這些功能，作業系統就無法順暢運作。

目錄結構

Linux 核心的目錄結構如下：

  graph TD
    A[根目錄] --> B[include]
    A --> C[arch]
    A --> D[drivers]
    A --> E[fs]
    A --> F[init]
    A --> G[ipc]
    A --> H[kernel]
    A --> I[lib]
    A --> J[mm]
    A --> K[net]
    A --> L[sound]
    A --> M[usr]

目錄解密：

  • 根目錄：Linux 核心的根目錄，包含所有核心檔案和目錄。
  • include：包含核心的頭檔案。
  • arch：包含與架構相關的程式碼。
  • drivers：包含硬體裝置驅動程式。
  • fs：包含檔案系統相關程式碼。
  • init：包含初始化程式碼。
  • ipc：包含程式間通訊相關程式碼。
  • kernel：包含核心的主要程式碼。
  • lib：包含核心的函式函式庫。
  • mm：包含記憶體管理相關程式碼。
  • net：包含網路管理相關程式碼。
  • sound：包含音訊管理相關程式碼。
  • usr：包含使用者層的程式碼。

圖表翻譯：

此圖表展示了 Linux 核心的目錄結構，根目錄包含所有核心檔案和目錄。每個目錄都有其特定的功能，例如 include 目錄包含核心的頭檔案，arch 目錄包含與架構相關的程式碼等。這個圖表幫助我們瞭解 Linux 核心的組織結構和各個部分的功能。

掌握 Linux 核心目錄結構的重要性

要深入理解 Linux 核心的運作機制，掌握其目錄結構是非常重要的。透過瞭解核心的組織方式，您可以輕鬆找到需要修改的程式碼，以適應您自定義的裝置或板卡。例如，如果您想要修改實際硬體裝置，如 Raspberry Pi 或其他 Linux 板卡，您需要知道哪部分程式碼需要修改。假設您已經修改了 RAM 的大小，或者改變了從 MMC 到 NAND 或 NOR 的啟動選項，甚至增加了 NAND 或 NOR 的大小，您就需要知道驅動程式所在的位置，以便您可以瀏覽到該目錄，瞭解程式碼並進行修改。

但是，在進行這些修改之前，瞭解基本驅動程式的概念和位置是至關重要的。為了理解核心原始碼，您不需要下載它，可以直接存取核心原始碼倉函式庫。以 Linux 4.9.142 核心原始碼為例，您可以看到其中包含了各種驅動程式和不同的資料夾。

核心目錄結構概覽

  • Documentation: 最重要的資料夾之一，包含了有助於理解程式碼工作流程和其他內容的檔案。
  • arch: 與架構相關的資料夾，包含了各種架構（如 arm、arm64、MIPS、microblaze 等）的程式碼。
  • block: 塊裝置驅動程式的資料夾。
  • drivers: 核心中最重要的部分，包含了大多數驅動程式的程式碼，佔據了核心程式碼的大部分大小。其中包括字元驅動程式、時鐘驅動程式、GPIO 驅動程式、I2C 驅動程式、MMC 驅動程式等。
  • fs: 檔案系統的資料夾，包含了 ext3、ext4、NFS 等檔案系統的驅動程式。
  • include: 包含了 Linux 核心的標頭檔案。
  • init: 初始化程式碼，當核心啟動時執行的程式碼。
  • kernel: 架構依賴的核心程式碼。
  • lib: 用於構建 Linux 核心的函式庫。
  • mm: 記憶體管理的資料夾。
  • net: 網路相關的實用程式，如 IPv4、IPv6 等。
  • scripts: 用於核心初始組態的指令碼資料夾。

瞭解這些資料夾的功能和位置，可以幫助您更好地掌握 Linux 核心的結構和工作原理，並在需要時進行有效的修改和定製。

混合語言開發環境下的板級支援套件（BSP）設計

在進行板級支援套件（BSP）的設計時，我們需要考慮到多種因素，包括硬體架構、晶片級別支援以及板級別支援。首先，我們需要了解主線核心對於開發板的支援情況，例如 Raspberry Pi 和 BeagleBone Black 等。然而，在大多數情況下，我們需要從板級或晶片供應商獲得 BSP。這些 BSP 可能會落後於主線核心，但不同供應商的支援程度也各不相同。因此，選擇合適的供應商以獲得適當的支援至關重要。

板級支援套件的分類

板級支援套件可以分為三個類別：架構級別、晶片級別和板級別。架構級別支援包括 ARM、PowerPC 等，而晶片級別支援則是針對特定的晶片，如 Raspberry Pi 或 TI 板相關支援。板級別支援則需要了解評估板支援和 COTS 板支援。評估板支援包括 TI EVM 和 Raspberry Pi 板，而 COTS 板則是由玄貓提供的。

COTS 板的特點

COTS 板，全稱為商用現貨（Commercial Off-The-Shelf），是指可以直接使用的板卡。這類板卡設計簡單，易於安裝，大部分軟體都可以直接購買使用，包括作業系統、辦公軟體、文書處理和郵件程式等。COTS 板的主要優點在於其批次生產導致的低成本。

晶片級別和板級別支援

晶片級別支援通常由玄貓完成，並且這種支援包含在核心樹中。另一方面，板級別支援也是由玄貓完成，根據 SOC 核心，並需要與板製造商聯絡以瞭解未來的變化或更新。

在 QEMU 上啟動 Raspberry Pi

要在 QEMU 上啟動 Raspberry Pi，首先需要下載必要的前置條件，包括跨編譯的核心程式碼和根檔案系統（rootfs）。然後，可以使用 QEMU 來啟動 Raspberry Pi，並瞭解各個引數的作用，包括核心檔案、initrd、根檔案系統等。

BusyBox 的理解

BusyBox 是嵌入式 Linux 中的一個重要工具，被稱為「瑞士軍刀」。它將許多常見的 Linux 公用程式合併成一個小型可執行檔案。每個公用程式都是 BusyBox 的符號連結，這意味著所有這些命令都是從 BusyBox 衍生而來的。 BusyBox 中的公用程式通常比其完整功能的 GNU 對應物具有更少的選項。

嵌入式系統開發的核心，Bootloader 和 Linux 核心，正朝向更精簡、高效的方向發展。本文深入剖析了從跨編譯工具鏈的設定、Bootloader 的工作原理、U-Boot 的組態與使用，到 Linux 核心架構及目錄結構，涵蓋了嵌入式系統開發的關鍵環節。分析了Bootloader 如何初始化硬體並引導系統，以及 U-Boot 的組態、編譯和常用命令，更進一步探討了在 QEMU 環境下模擬 Raspberry Pi 的流程，以及 BusyBox 在嵌入式系統中的重要作用。技術堆疊的各層級協同運作中體現，掌握這些技術對於構建和定製嵌入式系統至關重要。對於想要深入學習嵌入式系統的開發者，理解並掌握這些基礎概念是不可或缺的。玄貓認為，隨著物聯網和邊緣計算的蓬勃發展，精簡高效的嵌入式系統開發技術將持續成為市場的焦點，值得開發者投入更多精力深入研究。

玄貓

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技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。