01嵌入式 Linux 从零构建全栈手册 (基于 Vexpress-A9)

2024-01-09 技术笔记 #嵌入式 #Linux #ARM

📘 嵌入式 Linux 从零构建全栈手册 (基于 Vexpress-A9)

目录索引：

  1. 环境搭建：地基与工具链
  2. U-Boot 移植：编译、裁剪与设备树命令开启
  3. Linux 内核：源码下载、配置、编译与“防卡死”处理
  4. 根文件系统：BusyBox 静态编译与 Init 脚本
  5. 应用开发：编写 C 程序并植入系统
  6. SD 卡持久化：分区、格式化与脱机运行

第零章：环境搭建 (一切的开始)

我们要在一个 x86 的 PC (Ubuntu) 上，生成能跑在 ARM 开发板上的代码。

0.1 安装基础工具

打开 Ubuntu 终端，执行：

# 1. 更新软件源
sudo apt update

# 2. 安装构建工具 (Make, GCC, git, 解压工具等)
sudo apt install build-essential libncurses-dev bison flex libssl-dev libelf-dev u-boot-tools qemu-system-arm git wget

# 3. 安装交叉编译器 (核心工具)
# 作用：把 C 代码翻译成 ARM 架构的汇编/机器码
sudo apt install gcc-arm-linux-gnueabihf

0.2 创建工作目录结构

为了防止文件乱放，我们需要统一规划。

# 回到家目录
cd ~

# 创建主工作目录
mkdir Embedded_study
cd Embedded_study

# 创建 TFTP 服务器目录 (用于后续网络传输实验)
# 后面 QEMU 会把这个目录映射为网络服务器的根目录
mkdir ~/tftp_root

第一章：Bootloader (U-Boot)

U-Boot 是系统的“第一棒”。它的核心任务是初始化 DDR 内存，并将内核搬运到内存中。

1.1 下载源码

cd ~/Embedded_study
# 克隆 U-Boot 官方仓库
git clone https://github.com/u-boot/u-boot.git
cd u-boot

# 切换到一个稳定的版本 (我们实验用的版本)
git checkout v2023.07

1.2 配置与裁剪 (关键步骤)

我们需要开启 fdt 命令，否则后续无法查看和操作设备树。

  1. 应用板级默认配置：

    # 指定架构和编译器
    export ARCH=arm
    export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-

    # 加载 Vexpress 开发板配置
    make vexpress_ca9x4_defconfig

  2. 强制开启 fdt 命令 (最稳妥的方法)：

    • 直接修改配置文件，防止在 Menuconfig 里找不着。
    # 打开配置文件
    nano .config
    • 按 Ctrl+W 搜索 CONFIG_CMD_FDT。
    • 如果找不到，直接滑到文件最后一行，新起一行输入：
      CONFIG_CMD_FDT=y
    • 按 Ctrl+O 回车保存，Ctrl+X 退出。

1.3 编译 U-Boot

# -j8 表示用 8 个线程编译，速度快
make -j8
  • 产物：编译完成后，当前目录下会生成 u-boot (带调试信息) 和 u-boot.bin (二进制)。

1.4 启动与设备树实验 (核心原理)

我们要在 U-Boot 里验证它是否能读取设备树。

  1. 启动 QEMU：

    qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -nographic -kernel u-boot

  2. 寻找设备树地址 (原理)：
    U-Boot 启动时会把内置的设备树（dtb）放在内存的某个位置。我们需要找到它。
    在 => 提示符下输入：

    bdinfo
    • 现象：输出中有一行 fdt_blob 或 fdt address，记录后面的十六进制地址（例如 0x608xxxxx 或 0x7fxxxxxx）。

  3. 挂载设备树：
    假设你上一步看到的地址是 0x6087d8b0 (请替换为你实际看到的)：

    fdt addr 0x6087d8b0
    • 原理：告诉 fdt 命令工具，“去这个内存地址解析数据”。

  4. 查看内容：

    fdt print /
    • 现象：屏幕打印出类似于 JSON 的树状结构。
    • 意义：证明 U-Boot 功能正常，且具备解析硬件描述的能力。

  5. 退出 QEMU：按 Ctrl+A，松开，按 x。

第二章：Linux 内核 (Kernel)

内核是系统的“大脑”。我们要下载源码，并解决两个著名的坑：“指令集不支持”和“启动卡死”。

2.1 下载源码 (v5.15)

cd ~/Embedded_study

# 使用清华源加速下载 (推荐)，或者直接用 kernel.org
# --depth=1 表示只下载最近的提交，省时间省流量
git clone --depth=1 -b v5.15 https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/linux.git linux-5.15

cd linux-5.15

2.2 配置内核

我们需要开启 Early Printk，否则内核启动时如果出错，会直接卡死且没有任何打印（沉默死亡）。

  1. 生成默认配置：

    # 显式指定架构，防止环境变量失效
    make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- vexpress_defconfig

  2. 进入菜单开启调试：

    make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig
    • 操作路径：
      1. Kernel hacking —>
      2. Kernel low-level debugging functions (按 Y 选中)
      3. Early printk (按 Y 选中)
    • 保存并退出。

2.3 编译内核 (防坑指南)

Ubuntu 新版 GCC 可能会把代码编译成旧版 ARM 指令，导致报错。我们必须强制指定指令集。

# zImage: 压缩内核
# dtbs: 编译设备树
# KCFLAGS: 强制指定 ARMv7-A 架构
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- zImage dtbs -j8 KCFLAGS="-march=armv7-a"
  • 产物：
    • 内核：arch/arm/boot/zImage
    • 设备树：arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb

第三章：根文件系统 (RootFS)

内核启动后需要运行程序，这些程序存放在文件系统里。我们用 BusyBox 制作一个最小系统。

3.1 下载与解压

cd ~/Embedded_study
# 下载源码
wget https://busybox.net/downloads/busybox-1.36.1.tar.bz2
# 解压
tar -jxvf busybox-1.36.1.tar.bz2
cd busybox-1.36.1

3.2 静态编译配置 (至关重要)

如果不静态编译，程序在板子上运行时会找不到库文件（Error -2）。

  1. 打开配置菜单：
    make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig
  2. 设置静态链接：
    • 进入 Settings —>
    • 找到 Build static binary (no shared libs)，按 Y 选中变成 [*]。
    • 保存退出。

3.3 编译与安装

# 编译
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j8
# 安装 (生成 _install 目录)
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- install

3.4 完善文件系统结构

cd _install
# 创建系统必须的目录
mkdir -p dev proc sys tmp var etc home root

3.5 编写 Init 脚本 (PID 1)

内核启动的第一个程序。

# 创建 init 文件
nano init

填入以下内容：

#!/bin/sh
# 挂载虚拟文件系统
mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys
mount -t tmpfs none /tmp

# 打印信息
echo "-----------------------------------"
echo "  Welcome to My Embedded Linux!"
echo "-----------------------------------"

# 启动 Shell，永不退出
exec /bin/sh

赋予权限：

chmod +x init

第四章：应用开发 (用户程序)

我们要写一个 C 程序，让它开机自动运行。

4.1 编写与交叉编译

cd ~
# 创建 main.c
nano main.c

内容：

#include <stdio.h>
int main() {
    printf("\n[APP] Hello from LemonSuqing's Application!\n\n");
    return 0;
}

编译 (必须静态)：

arm-linux-gnueabihf-gcc main.c -o lemon_app -static

4.2 植入文件系统

把这个程序放到我们刚才做的 RootFS 里。

cp ~/main.c ~/Embedded_study/busybox-1.36.1/_install/bin/lemon_app
# 修正：应该是 cp ~/lemon_app ... 
cp ~/lemon_app ~/Embedded_study/busybox-1.36.1/_install/bin/

4.3 修改 Init 脚本调用它

修改 ~/Embedded_study/busybox-1.36.1/_install/init，在 exec /bin/sh 之前加入：

/bin/lemon_app

第五章：打包与网络启动 (集成测试)

5.1 制作 uRamdisk (RootFS 镜像)

U-Boot 需要特定格式的文件系统镜像。

cd ~/Embedded_study/busybox-1.36.1/_install

# 1. 归档并压缩
find . | cpio -o --format=newc > ../rootfs.img
gzip -c ../rootfs.img > ../rootfs.img.gz

# 2. 加 U-Boot 头 (mkimage)
# 产出文件放到 tftp 目录以便下载
mkimage -A arm -O linux -T ramdisk -C gzip -n "RootFS" -d ../rootfs.img.gz ~/tftp_root/uRamdisk

5.2 搬运内核与设备树

把编译好的内核和设备树也放到 TFTP 目录。

cd ~/Embedded_study
cp linux-5.15/arch/arm/boot/zImage ~/tftp_root/
cp linux-5.15/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb ~/tftp_root/

检查点：ls -l ~/tftp_root/ 应该有 zImage, vexpress-v2p-ca9.dtb, uRamdisk 三个文件。

5.3 启动 QEMU (网络模式)

cd ~/Embedded_study/uboot_study/u-boot

# 注意：tftp 路径必须用绝对路径
qemu-system-arm \
    -M vexpress-a9 \
    -m 512M \
    -nographic \
    -kernel u-boot \
    -net nic \
    -net user,tftp=/home/lemonsuqing/tftp_root

5.4 U-Boot 启动命令

在 U-Boot => 下依次输入：

  1. 下载文件 (地址要隔开，防止覆盖)：
    tftp 0x60100000 zImage
    tftp 0x61000000 uRamdisk
    tftp 0x62000000 vexpress-v2p-ca9.dtb
  2. 设置启动参数 (告诉内核根文件系统在内存 ram0)：
    setenv bootargs 'console=ttyAMA0,115200n8 debug earlyprintk root=/dev/ram0 rdinit=/init'
  3. 启动：
    bootz 0x60100000 0x61000000 0x62000000

成功标志：看到 Welcome to My Embedded Linux! 和 [APP] Hello... 的打印。

第六章：SD 卡持久化 (最终形态)

网络启动断电数据就丢了。我们要把系统装进“虚拟 SD 卡”。

6.1 制作 SD 卡镜像

退出 QEMU，回到 Ubuntu。

  1. 创建空文件 (512MB)：

    cd ~/Embedded_study
    dd if=/dev/zero of=sd.img bs=1M count=512

  2. 分区 (fdisk)：

    fdisk sd.img
    • 输入 n -> p -> 1 -> 2048 -> +64M (创建分区1)
    • 输入 n -> p -> 2 -> 回车 -> 回车 (创建分区2)
    • 输入 t -> 1 -> c (修改分区1类型为 FAT32)
    • 输入 w (保存)

  3. 格式化：

    # 关联回环设备
    sudo losetup -f --show -P sd.img
    # 假设输出 /dev/loop0

    # 格式化 P1 (Boot, FAT32)
    sudo mkfs.vfat -F 32 -n "BOOT" /dev/loop0p1
    # 格式化 P2 (RootFS, EXT4)
    sudo mkfs.ext4 -L "ROOTFS" /dev/loop0p2

6.2 烧写文件

# 挂载
mkdir -p mount_boot mount_root
sudo mount /dev/loop0p1 mount_boot
sudo mount /dev/loop0p2 mount_root

# 复制内核与设备树到 Boot 分区
sudo cp linux-5.15/arch/arm/boot/zImage mount_boot/
sudo cp linux-5.15/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb mount_boot/

# 复制文件系统到 RootFS 分区 (解压状态)
# 注意：这里不是复制 uRamdisk，而是复制 _install 目录下的原始文件
sudo cp -a busybox-1.36.1/_install/* mount_root/

# 修正权限 (必须是 root)
sudo chown -R root:root mount_root/

# 卸载
sudo umount mount_boot mount_root
sudo losetup -d /dev/loop0

6.3 SD 卡启动验证

  1. 启动 QEMU (插入 SD 卡)：

    cd ~/Embedded_study/uboot_study/u-boot
    qemu-system-arm \
        -M vexpress-a9 \
        -m 512M \
        -nographic \
        -kernel u-boot \
        -sd ~/Embedded_study/sd.img

  2. U-Boot 操作：

    # 1. 初始化 MMC
    mmc rescan

    # 2. 从 SD 卡读取文件到内存
    # load mmc <设备>:<分区> <地址> <文件名>
    load mmc 0:1 0x60100000 zImage
    load mmc 0:1 0x62000000 vexpress-v2p-ca9.dtb

    # 3. 设置启动参数 (关键修改)
    # root=/dev/mmcblk0p2: 告诉内核根文件系统在 SD 卡第 2 分区
    # rootfstype=ext4: 文件系统类型
    # rw: 可读写
    setenv bootargs 'console=ttyAMA0,115200n8 debug earlyprintk root=/dev/mmcblk0p2 rootfstype=ext4 rw init=/init'

    # 4. 启动 (中间没有 Ramdisk 了，用 - 代替)
    bootz 0x60100000 - 0x62000000

  3. 持久化验证：
    进入系统后，执行：

    echo "Data Saved!" > /root/test.txt

    强制重启 QEMU，再次进入系统，执行 cat /root/test.txt，如果内容还在，说明全栈开发实战圆满成功！

02嵌入式 Linux 编写第一个内核驱动 (Hello World)