ARM-Linux驱动开发一:环境准备

问:作为嵌入式软件工程师,你会写驱动吗?
答:会呀,我会控制gpio输出把LED点亮!😂

我想这是我扎根嵌入式软件开发多年的尴尬之处——不太会写驱动!所以,我决定系统地学习一下这个领域,一来是工作需要弥补我在驱动层的空白,二来自己也想全面了解Linux内核机制。基本上我主要通过《Linux设备驱动开发详解,基于最新的Linux4.0内核》以及《Linux设备驱动程序》作为主要参考教材(毕竟手上就这两本书)。

废话结束


为了避免繁琐地硬件环境搭建,学习过程尽可能基于虚拟的arm开发板,既能保证环境统一,又能快速上手👍。

另外,我个人的“战果”全部放在git仓库:github/philon/varm

个人开发环境:

  • 宿主机:Ubuntu 18.04
  • 开发板:qemu+vexpress-a9
  • 编辑器:visual studio code
  • 编译器:arm-linux-gnueabihf-gcc

关于如何安装Linux虚拟机以及交叉编译环境的搭建这里就不写了,网上教程一大堆。所以从现在开始,阅读下文的前提是:Linux、arm-linux-gcc、各种源码编辑器环境已就绪。

好,下面亲手动手,来做一块arm开发板😅。

ARM虚拟机——QEMU

QEMU是一款免费开源且跨平台的虚拟机,可以虚拟各种架构的处理器,和vmware/virtualbox不同,我们更喜欢用它来仿真ARM环境,即一款ARM虚拟机。

第一步:下载并安装qemu

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# macOS用户
$ brew install qemu

# Ubuntu用户
$ sudo apt-get install qemu

# Windows用户麻烦把门口的小黄车挪一挪

第二步:选择一款arm

装好后可以通过以下命令qemu支持哪些arm处理器(开发板):

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$ qemu-system-arm -M help
akita Sharp SL-C1000 (Akita) PDA (PXA270)
ast2500-evb Aspeed AST2500 EVB (ARM1176)
borzoi Sharp SL-C3100 (Borzoi) PDA (PXA270)
...
vexpress-a15 ARM Versatile Express for Cortex-A15
vexpress-a9 ARM Versatile Express for Cortex-A9 # 👈没错就它了
...
witherspoon-bmc OpenPOWER Witherspoon BMC (ARM1176)
xilinx-zynq-a9 Xilinx Zynq Platform Baseboard for Cortex-A9
z2 Zipit Z2 (PXA27x)

选中自己喜欢的“硬件”环境后,理论上就可以“上电”了,不过且慢——操作系统还没装呢!所以接下来很重要的一步就是制作自己的Linux系统镜像。

制作Linux系统镜像

做嵌入式Linux的人都知道,一个完整的嵌入式Linux操作系统基本分为三大块:

  • u-boot:上电初始化并引导内核
  • kernel:Linux内核
  • rootfs:根文件系统,busybox

由于qemu可以直接引导内核,所以这里暂且略过u-boot的移植。其它两个源码建议选择“稳定版”,别给自己找麻烦。

第一步:移植内核

linux内核官网下载源码并解压(我嘞个去!Linux都步入5.0时代了,果断下载),然后根据以下命令移植:

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# 0. 可能需要安装flex、bsion,如果之前没装的话,否则编译镜像时会出错
$ sudo apt install flex bison

# 1. 解压源码并进入目录
~/varm/os$ tar xf linux-5.0.3.tar.xz && cd linux-5.0.3

# 2. 将内核设置为vexpress的配置,即vexpress-a9开发板
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- vexpress_defconfig

# 3. 编译内核镜像zImage
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- zImage -j8

# 4. 编译其它驱动模块,制作rootfs时候要用
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- modules -j8

# 5. 编译设备树
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- dtbs -j8

根据上述命令完成kernel移植之后,所有需要的镜像及其相关文件全部放在<kernel_dir>/arch/arm/boot中:

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# zImage和dts就是真正需要的东西
~/varm/os/linux-5.0.3$ ls arch/arm/boot/
Image bootp deflate_xip_data.sh install.sh
Makefile compressed dts zImage

# 为了之后操作方便,我把它们放到varm/os目录下
~/varm/os/linux-5.0.3$ cp -rf arch/arm/boot/zImage .. # 内核镜像
~/varm/os/linux-5.0.3$ cp -f arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb .. # 设备树描述

第二步:启动内核

既然有了内核镜像文件,就可以先小试牛刀了,qemu走起!

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~/varm/os/linux-5.0.3$ cd ..
~/varm/os$ qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel zImage -dtb vexpress-v2p-ca9.dtb -nographic

可以看到kernel被成功启动了,但由于没有文件系统,内核向你抛出了一个异常。
此外,上述命令比较长,简单解释下:

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qemu-system-arm \ # 虚拟机启动
-M vexpress-a9 \ # 指定开发板为vexpress-a9
-m 512M \ # 配置虚拟机内存为512M
-kernel zImage \ # 指定内核镜像文件
-dtb vexpress-v2p-ca9.dtb \ # 指定设备树文件
-nographic \ # 不需要图形界面(LCD)

还有一点,quem启动后是一个独立进程,所有的Ctrl+C和其他中断信号都会被这个进程来接,程序无法关闭,最好的办法是新建一个终端,用kill来杀!

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$ killall qemu-system-arm
# 也可以是ps先看qemu的pid,在用kill <pid>来杀,我只是觉得那样麻烦

第三步:移植busybox

同样先从busybox官网把源码包下载下来,然后开始移植:

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# 1. 解压源码并进入目录
~/varm/os$ tar xf busybox-1.30.1.tar.bz2 && cd busybox-1.30.1

# 2. 选择默认配置
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- defconfig

# 3. 编译busybox
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j8

# 4. 安装busybox到./_install目录
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- install

# 顺利完成上述步骤后,可以在`busybox/_install`
# 目录下看到各种`usr lib bin`之类的文件系统结构
# 这就是rootfs的雏形了,现在还需要在此基础上做些加工

# 5. 为了方便之后操作,一样将_install目录放到varm/os下,并重命名为rootfs
~/varm/os/busybox-1.30.1$ mv _install ../rootfs

第四步:制作根文件系统rootfs

busybox已经生成了linux常用的一些命令和简单的目录结构,现在还差两个东西:

  • busybox的命令执行是依赖于交叉编译工具的动态库的,所以要把动态库放入rootfs
  • 需要给文件系统一些默认的设备描述符,否则你想让它往哪输出
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# 1. 拷贝根文件系统的“必需品”到rootfs目录
~/varm/os/busybox-1.30.1$ cd ..
~/varm/os$ mkdir rootfs/lib # 创建系统库文件存放目录
~/varm/os$ cp -P /usr/arm-linux-gnueabihf/lib/*.so* rootfs/lib # 拷贝gcc动态库

# 2. 创建设备目录以及4个tty终端和调试串口
~/varm/os$ mkdir rootfs/dev # 创建设备描述符目录
~/varm/os$ for i in 1 2 3 4; do sudo mknod rootfs/dev/tty$i c 4 $i; done

第五步:创建rootfs镜像

所谓镜像可以理解为一张虚拟的光盘,存放操作系统。但玩过树莓派的同学应该都知道它的存储其实就是一个SD卡,那好,我们就创建一张虚拟的SD卡给qemu加载。

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# 1. 生成镜像文件(虚拟SD卡),且大小为32M
$ dd if=/dev/zero of=rootfs.ext3 bs=1M count=32 # 创建一个32M的空文件
$ mkfs.ext3 rootfs.ext3 # 将该文件格式化为ext3

# 2. 挂在镜像到/mnt目录,并将rootfs目录导入其中
$ sudo mount -o loop rootfs.ext3 /mnt
$ sudo cp -r rootfs/* /mnt
$ sudo umount /mnt

现在整个rootfs.ext3镜像制作完成,再加上zImage内核镜像,可以起飞了可以开机正常加载了,重新调整一下qemu的启动命令:

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~/varm/os$ qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel zImage -dtb vexpress-v2p-ca9.dtb -sd rootfs.ext3 -nographic -append "root=/dev/mmcblk0 console=ttyAMA0"

上边的命令大体上和内核启动时一样,主要是增加了-sd rootfs.ext3文件系统的SD卡和对应分区,以确保内核能正确加载文件系统。经过一分钟左右的等待,我们的最小Linux系统成功运行起来了😄:

如果顺利的话内核会成功挂在文件系统,从此可以愉快玩耍了。以上就是整个ArmLinux的虚拟机搭建过程,目前位置整个环境基本OK,但在真正写代码之前还有些事情要做,总之等遇到了再查缺补漏。

小结一下

  • QEMU是一款虚拟机,可以虚拟常见的通用处理器架构,包括ARM,支持很多开发板模拟
  • vexpress-a9是ARM官方出的一款开发板
  • QEMU可以直接引导内核,因此可以不用移植u-boot
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