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树莓派4 嵌入式Linux开发过程详解

树莓派4 嵌入式Linux开发过程详解

  • 1.概述
  • 2.开发环境概述
    • 2.1 安装虚拟机环境
    • 2.2 树莓派开发环境搭建
  • 3.交叉编译工具的安装与uboot的编译
    • 3.1 安装arm 64位交叉编译环境
    • 3.2 编译树莓派上的uboot
    • 3.3 将u-boot放到树莓派上运行
  • 4.树莓派4b上的Linux编译和下载
    • 4.1 编译树莓派Linux源代码
    • 4.2 将编译好的Linux固件运行
  • 5.根文件使用
    • 5.1 uboot中设置启动项
    • 5.2 插入SD卡挂在到虚拟机上
    • 5.3 修改文件脚本
  • 6.小结

1.概述

在这篇文章中,将会通过树莓派4的Linux的启动过程,描述如何进行嵌入式Linux系统开发的思路。通过树莓派4B的启动流程,看到一个Linux启动过程,同时,通过一步一步搭建一个完整的树莓派嵌入式Linux开发环境,来指导分析各部分的开发过程。

通过对本文的阅读,可以掌握一些嵌入式Linux开发和环境搭建的方法,也能够对树莓派4的运行流程以及Linux的运行流程有一个大致的了解,从romboot-->uboot-->kernel-->rootfs整个运行流程有了比较清楚的了解后,再去学习linux以及嵌入式底层,将会更加的清晰。

2.开发环境概述

嵌入式软件是独特的,它需要利用PC机编译嵌入式平台可以运行的机器码,这样就需要借助交叉编译工具链进行。在进行Linux的开发工作时,都会利用宿主机进行交叉编译后,将生成的目标代码下载到机器上运行。

一般来说,开发板和PC的连接渠道是串口和网线,UART可以看到基本的调试信息,而网线则可以用来将板子和电脑进行文件传输。

串口连接如下:

网线的连接一般可以将树莓派和PC都在同一个网段下。

当在同一个网段内进行开发时,比较的方便。做嵌入式Linux开发,使用Linux比较方便。由于大部分学习和工作都是在windows下,所以这里可以在Ubuntu下装一个虚拟机进行开发工作。

2.1 安装虚拟机环境

在windows上的虚拟机环境可以安装VMware Workstation 16 Player或者Oracle VM VirtualBox

2.1.1 镜像下载

比如VMware Workstation 16 Player这个软件,然后从ubuntu的官方下载特定版本。

可以从国内镜像下载,这样比较快。

http://mirrors.163.com/ubuntu-releases/20.04/

选择特定的版本进行安装

下一步开始安装ubuntu20.04

然后设置用户名和密码

选择虚拟机硬盘空间的大小,为了方便使用,这里设置40G空间。

接着点击完成开始安装。

等一段时间后,会进入自动安装的界面,全程无需干预。

完成安装后,会自动启动。

2.1.2 必要软件包的安装

下面列出了需要安装的软件包

软件名称

安装命令

说明

git

sudo apt install git

用于代码管理,代码下载

net-tools

sudo apt install net-tools

提供ifconfig等功能

vim

sudo apt install vim

文本编辑工具

tftp

sudo apt install tftpd-hpa

可以通过tftp与树莓派之间传输文件

nfs

sudo apt install nfs-kernel-server

可以提供网络共享文件

git

首先安装git

sudo apt install git

为了管理工程,首先需要创建一个Github的账号,然后配置git的用户名和密码。

git config --global user.name "YOUR_FIRST_NAME YOUR_LAST_NAME"
git config --global user.email "YOUR_GIT_ASSOCIATED_EMAIL"

net-tools

输入下面的命令可以进行安装工作

sudo apt install net-tools

要确保网络环境在一个网段,那么就需要设置网卡为桥接模式。

需要注意的是在选择网络适配器时,选择自己的网卡。

在Ubuntu上输入ifconfig,并且在window上输入ipconfig。只要前面的网段一样,最后不一样即可。这样就可以进行下一步的工作了。

tftp

TFTP (Trivial File Transfer Protocol) 是一个简化版的FTP,适合用于简洁的场景,比如嵌入式开发的时候向下位机传输文件。

安装tftp的目的是方便开发,在树莓派上,存储介质是SD卡,如果每次编译完成后,都需要插拔SD卡,然后将Linux的固件进行安装,这样非常的麻烦,这里可以采用uboot通过tftp加载Linux的固件的方式进行加载。

安装过程如下:

首先安装复位程序

sudo apt install tftpd-hpa
sudo apt install tftp-hpa

检查服务器的运行状态

sudo systemctl status tftpd-hpa

打开配置文件

sudo vim /etc/default/tftpd-hpa

编辑的内容如下:

TFTP_USERNAME="tftp" #tftpd程序使用的账户

TFTP_DIRECTORY="/srv/tftp" #目录

TFTP_ADDRESS=":69" #端口

TFTP_OPTIONS="--secure --create" #--secure 不设置会有跨目录的问题   --create是要自己添加的,给客户端写入数据的权力

设置访问目录的权限

sudo chown tftp:tftp /srv/tftp

重启tftp服务器

sudo systemctl restart tftpd-hpa

本地测试tftp服务器

1.首先在/srv/tftp目录中新建一个abc.txt文件。

sudo vim /srv/tftp/abc.txt

2.输入tftp 127.0.0.1

出现上述的现象,表示测试成功。

远程测试

需要保证tftp服务器没有问题,可以在windows上下载一个Tftp64的软件。打开后选择tftp client选择传输的文件即可。

选择put按钮,弹出下面的命令表示成功。如果不成功,需要注意电脑防火墙的设置问题。

检查tftp服务器中的文件,可以正常的见到文件,表示tftp环境搭建成功。

nfs

安装nfs目的是一旦开发Linux上的应用程序时,不希望频繁的传输文件,每次在宿主机上编译好应用程序后,直接拷贝到本地目录,嵌入式平台上的Linux可以通过nfs文件系统访问到宿主机上刚编译好的程序,这样更加的方便Linux的应用程序的开发工作。

sudo apt install nfs-kernel-server

然后创建一个nfs的共享目录,用于存放共享文件。

sudo mkdir /opt/nfs

修改配置文件

sudo vim  /etc/exports 

/opt/nfs 10.1.1.* (rw,async,root_squash) 

编辑/etc/exports中的文件如下:

其中10.1.1.*为自己网段的地址信息。

最后重启nfs即可

sudo systemctl restart nfs-kernel-server

测试nfs的安装情况

安装完成后,可以进行nfs客户端的安装

sudo apt install nfs-common

然后创建一个本地的文件夹目录

sudo mkdir -p /opt/nfs-client

最后挂载即可

sudo mount -t nfs 10.1.1.160:/opt/nfs  /opt/nfs-client

当在/opt/nfs下创建一个文件,/opt/nfs-client目录同样可以看到,表示成功。

2.2 树莓派开发环境搭建

2.2.1 硬件连接

树莓派4上的实际硬件引脚分布如上图所示,其中需要连接串口RXTXGND

准备一个8g以上的SD卡,然后打开Raspberry Pi Imager,选择树莓派镜像烧录进去。

进行这一步的目的,是因为树莓派启动流程需要从SD卡中加载第一阶段的启动文件。

默认情况下,烧录的固件,连接上串口后是没有输出的,需要自己修改sd卡中的config.txt文件。在末尾加上下面的一句话即可。

enable_uart=1

这样通过mobaxterm工具打开串口,并且连接上电源后,可以看到如下的输出

接着输入用户名,密码如下

raspberrypi login:pi
Password:raspberry

这样就可以使用默认的树莓派4串口调试功能了。

2.2.2 树莓派4b启动流程分析

简述一下树莓派4b的启动流程是,上电后,树莓派会自动加载位于SD卡文件中的bootcode.bin文件,该文件是加载到树莓派的GPU中运行,该程序初始化PLL,DDR等,接着读取SD卡文件中的start4.elf文件去执行,该文件执行过程中,会读取config.txt文件,根据配置脚本选择可以执行的固件。

往往做嵌入式开发,其底层的启动逻辑是要非常清晰的,这样才能在任何情况下梳理清楚问题所在,从而确保硬件和软件层面上的一致性。

上图基本上展示了一个通用的嵌入式Linux的启动流程,每一个阶段的特点和功能点都有着很好的描述。

而树莓派4b上的Broadcom BCM2711的启动遵循以下的流程。

第一阶段的bootloader:

  • 第一阶段的BootROM一般是固化在芯片的内部,在GPU中执行,此时ARM核处于复位状态。
  • 树莓派4b的BootROM通过EEPROM加载进来,4b之前都是SD卡上的bootcode.bin文件。

第二阶段的bootloader:

  • 这一阶段的boot固件的加载方式都是从SD卡、网络、USB等等。
  • 在树莓派4上,使用的是SD卡中的start.elf二进制文件。
  • start.elf文件去SD的文件系统中找到config.txt文件,然后根据里面的信息处理boot流程。

这篇文章中,主要修改config.txt配置文件,进行uboot的启动流程。

3.交叉编译工具的安装与uboot的编译

3.1 安装arm 64位交叉编译环境

因为需要编译64位的程序,所以这里需要安装arm的64位交叉编译环境。

https://www.linaro.org/downloads/

从上面的网站中进去

建议下载gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu.tar.xz

下载完成后,放到指定的目录。

#创建一个文件夹
sudo mkdir -p /opt/linaro
#解压到指定的文件夹路径
sudo tar -xvf gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu.tar -C /opt/linaro

更新环境变量

 sudo vim ~/.bashrc

在末尾添加如下的

alias crosscompiler='export KERNEL=kernel8;export ARCH=arm64;export CROSS_COMPILE=/opt/linaro/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin/aarch64-linux-gnu-'

更新环境

source ~/.bashrc

3.2 编译树莓派上的uboot

首先需要下载代码

 git clone https://github.com/u-boot/u-boot.git

正常的下载完成图如下:

接着切换分支,然后开始编译。

cd u-boot
git checkout v2020.04-rc3

在编译之前,首先需要安装编译必备的程序

sudo apt install u-boot-tools bison bc make flex libssl-dev ncurses-*

安装完成后,执行

crosscompiler

该命令为环境变量中定义的命令,可以设置环境变量。

 make rpi_4_defconfig

直接采用默认的配置编译即可。

make -j $(nproc)

编译完成后的uboot.bin文件就是可以直接在树莓派4b上执行的程序。

3.3 将u-boot放到树莓派上运行

到这一步就可以将编译好的u-boot程序放到树莓派4b上运行了。

将树莓派的SD卡插到电脑上,通过将SD卡中的config.txt重新命令为config.txt.bak。并且新建config.txt

arm_control=0x200
kernel=u-boot.bin
dtoverlay=disable-bt

这三行的意思是

arm_control=0x200 #因为树莓派4b支持的是64位的架构,这里用来表示运行64位程序

使用uboot

kernel=u-boot.bin # kernel表示运行的固件

使能串口

 dtoverlay=disable-bt #树莓派4设计的时候,如果打开了串口调试,则蓝牙无法使用

将SD卡插入电脑,可以看到uboot正常的启动。

4.树莓派4b上的Linux编译和下载

4.1 编译树莓派Linux源代码

目前已经完成了树莓派4b的uboot功能,接下来开始编译树莓派的Linux kernel了。

树莓派单独有维护Linux的代码分支,可以通过下面的命令进行下载。

git clone --branch rpi-5.6.y https://github.com/raspberrypi/linux

进入Linux的目录

创建一个新的目录存放编译好的固件

mkdir rpi_hw

开始编译

make O=rpi_hw bcm2711_defconfig

去掉MMC/SD/SDIO驱动

make O=rpi_hw menuconfig

进入Device Driver选择去掉MMC/SD/SDIO card support

保存配置后,就可以编译了。

make O=rpi_hw -j $(nproc)

为什么要去掉MMC/SD/SDIO驱动?

这是因为需要编译从网络启动的驱动,所以不需要在树莓派的SD卡里面进行操作。

编译完成后,可以在rpi_hw/arch/arm64/boot中找到编译好的文件。

将编译完成的Linux内核文件放到

 sudo cp rpi_hw/arch/arm64/boot/Image /srv/tftp/

4.2 将编译好的Linux固件运行

在将编译好的固件通过uboot加载到RAM中运行的期间,首先需要明白树莓派4b内存的分布情况。

通过uboot中的bdinfo命令,可以看到树莓派4b上有两块bank,第一块bank在0x00000000,第二块在0x40000000

而树莓派4b,当从SD卡中加载Image文件时,加载到DRAM的0x8000的地址处开始运行。

当然,地址也可以在uboot中设置,Linux会重新将代码重定位。

此时,需要在uboot中设置启动信息了.

首先设置uboot的静态ip地址

setenv ipaddr 10.1.1.100 #设置开发板的静态地址(自定义)
setenv serverip 10.1.1.160 #设置服务器的地址
setenv netmask 255.255.255.0
saveenv
reset

上述操作设置了ip地址接下来设置启动

setenv kernel_addr_r 0x8000
setenv kernel Image
setenv netboot 'tftp ${kernel_addr_r} ${kernel} && booti ${kernel_addr_r} - ${fdtcontroladdr}'
setenv bootcmd 'run netboot'
setenv bootargs 'console=ttyAMA0'
saveenv
reset

可以显示如下:

最后启动后报错

这个很正常,目前没有rootfs。但是现在Linux的内核可以正常的加载和调试了。

下面来挂在rootfs。

5.根文件使用

关于通用根文件系统的制作过程,这篇文章就不提了,现在主要描述如何使用。

5.1 uboot中设置启动项

首先在uboot中设置路径。

setenv nfsroot /opt/nfs/

设置启动参数

setenv bootargs "console=ttyAMA0,115200 root=/dev/nfs rw nfsroot=${serverip}:${nfsroot},v3,tcp ip=$ipaddr:$serverip::$netmask::eth0:off"

保存配置

saveenv

5.2 插入SD卡挂在到虚拟机上

首先将U盘挂载到虚拟机上

可以看到出现两个磁盘

其中:

  • rootfs为Linux根文件系统
  • boot为可以在windows上访问的ext32文件

可以将rootfs里的文件全部拷贝到/opt/nfs/

sudo cp * /opt/nfs/ -R

/opt/nfs目录下,新建一个file的文件夹,把boot里面的文件全部拷贝进去即可

sudo mkdir -p /opt/nfs/file
sudo cp * /opt/nfs/file/

5.3 修改文件脚本

需要修改

sudo vim etc/fstab

新增如下文件

10.1.1.160:/opt/nfs/file /boot nfs defaults,vers=4.1,proto=tcp 0 0

其目的是将默认的两个项列表屏蔽掉,只需要挂载nfs里面的文件系统即可。

改完后,插上SD卡,就可以正常从tftp中获取Linux的内核固件,并且能够从nfs文件系统中挂载根文件系统了。

如果发现需要密码,或者密码忘记了,可以进入

cd /opt/nfs/
sudo vim /etc/passwd

将中间的x删掉。

在Linux中,默认x表示需要密码进入。

6.小结

本文从树莓派整个Linux系统的环境搭建和树莓派的启动进行一定的分析。对树莓派的boot、u-boot加载Linux的kernel,以及挂载nfs文件系统做了一些实验。

最后的自己制作根文件系统的部分,采用了树莓派默认的根文件系统,如果需要自己裁剪制作,可以进行定制操作。

整个嵌入式Linux开发和环境搭建过程都可以在树莓派4b上很好的进行测试,万变不离其宗,掌握了嵌入式开发的流程和工具,做应用和做驱动开发都十分的方便和高效。

由于时间关系,当前还有一些实验没有完成,比如Linux上的应用开发,还有驱动开发等等,还有jlink调试等等。

树莓派4b上学习Linux的使用和启动非常的方便,价格也非常的合理,是一块不错的开发平台。

本文分享自微信公众号 - 嵌入式IoT(Embeded_IoT),作者:bigmagic

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原始发表时间:2021-03-12

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