内核驱动开发之系统移植

系统移植

系统移植：定制linux操作系统

• 系统移植是驱动开发的前导，
• 驱动开发是系统运行起来之后，在内核中新增一些子功能而已

系统移植就四个部分：

1. 交叉编译环境搭建好
2. bootloader的选择和移植：BootLoader有一些很成熟的开源项目，项目中更多的是选型，选型后修改移植。
3. 内核核心子系统编译：kernel的配置、编译、移植和调试
4. 文件系统编译：根文件系统的制作

前两个步骤，芯片公司基本都已经做好了，没什么工作量。产品公司，根据需求，对内核的二次配置、开发和编译，以及根文件系统制作。所以，芯片公司重点在1、2，产品公司重点在3、4。

学习方法和思路：

• 先整体（知道是什么，建立框架、地图），后局部（朝一个方向深入）
• 理解嵌入式系统的启动流程

1 嵌入式系统启动流程

1.1 PC机启动流程

1. 系统上电后，首先加载主板ROM上的BIOS程序。bios保存基本的输入输出程序、开机自检程序和系统自启动程序，主要功能是初始化CPU、内存、主板芯片组、显卡、外围设备。比如初始化CPU，会初始化CPU的时钟信号。
2. BIOS自检完成后，运行引导加载程序bootloader，bootloader可以从硬盘装载到主内存中。引导程序的主要功能是加载操作系统到内存中运行。
   • linux常用的bootloader — GNU GRUB。GRUB是多启动规范的实现，它允许用户可以在计算机内同时拥有多个操作系统，并在计算机启动时选择希望运行的操作系统。
   • GRUB可用于选择操作系统分区上的不同内核，也可用于向这些内核传递启动参数。
   • LlLO：Linux引导程序
3. 操作系统启动
4. 挂载文件系统
5. 运行应用程序

1.2 嵌入式系统启动流程

1. 嵌入式系统没有BIOS，无法通过BIOS初始化硬件设备。芯片公司在设计芯片的时候，在片内的iROM一段区域（ARM核芯片一般是0地址开始）中写入了一段代码：对芯片基本硬件初始化，然后判断启动方式（判断启动管脚的高低电平），最后从判断的启动设备中将bootloader程序的一部分数据读到SRAM（iRAM）中；
2. 运行bootloader第一阶段代码：在SRAM（是芯片内部的内存，很小，几十k）中运行。初始化系统时钟（让CPU主频更快）、初始化内存、自搬移bootloader代码到内存（可以是搬移剩下的，也可以整个搬移）
3. 运行bootloader第二阶段代码（Secondary Program Loader，SPL）：在内存中运行。初始化外围硬件设备、加载linux内核到内存、跳转到linux内核地址
4. 在内存中启动操作系统
5. 挂载文件系统
6. 运行应用程序

可见，嵌入式BootLoader = PC机的BIOS + 引导程序

2 交叉编译工具集介绍

2.1 为什么要有交叉编译？

没有arm硬件，想在x86宿主机编译arm的目标机内核。（要知道同一个命令，转换为二进制指令，arm和x86架构系统可能是不同的，所以要分别编译）
目标机和主机内核架构相同：称为普通编译；架构不同，称为交叉编译

file命令：可以查看文件的属性，可以知道是在什么架构下编译的。

# 如下：build文件是ELF头 64bit的**小端（LSB表示小端）**可执行程序，arm架构
linx:~# file build
build: ELF 64-bit LSB executable, ARM aarch64, version 1 (SYSV), dynamically linked, interpreter /lib/ld-linux-aarch64.so.1, for GNU/Linux 3.7.0, BuildID[sha1]=8d124a17e08ca48f653bb83666ac3a74f9872c6c, not stripped

2.2 交叉编译工具集：arm-linux-gnueabihf

名称说明：第一位架构；第二位厂商（一般为none，表示开源）；第三位工具适用的操作系统（比如这里的Linux）；第四位 GNU–表示开源规则，eabi–表示嵌入式标准库接口。

2.3 交叉编译工具集安装

1、arm-linux-gnueabihf安装：https://blog.csdn.net/qq_40296728/article/details/135458955

工具集中，用得最多的就是arm-linux-gnueabihf-gcc。

使用工具集时建议使用绝对路径，避免机器上存在多个版本的编译器时，用错编译器出各种问题。

2、32库安装：yum provides libstdc++.so.6查询匹配的32位版本，然后安装查询的匹配版本。

2.4 arm-linux-gnueabihf工具集常用命令简介

readelf：用于显示elf格式目标文件的信息（windows叫PE头，Linux叫ELF头），如readelf -h filename。

size:：读取可执行程序的大小。可以知道代码段、数据段有多少个字节，如size filename。

nm：查看目标文件符号表。符号表中T表示全局函数标签，D表示全局变量区，d表示本文件内有效的即被static修饰的变量区，t表示被static修饰的函数区。

strip：踢除符号表。编译出的目标文件，本身是包含符号表的，可以使用strip filename剔除符号表节省空间。可以ls -l obj_filename观察剔除前和剔除后目标文件的大小。

strings：查询可执行程序的常量字符串。

objdump：反汇编。objdump -d 。

objcopy：把某些代码段拷贝出来。

add2line：调试中可以把行号标示出来。

3 移植步骤

1、确定目标机、主机的连接方式。目标机是版子，成本低接口没有主机（PC）丰富，所以一定要确定目标机能够支持的数据传输接口。4种常用的连接接口：

• 串口（UART异步串行通信接口，速率低，实用性强），比如路由器
• USB串行通信接口（速度快、驱动要移植修改）
• TCP/IP网络通信接口（速度快、驱动要移植）
• debug jtag调试接口（方便快捷、价格奇高）

主机中的数据如何传递到开发板上？

第一种是普通的数据，如 uboot kernel，可以使用UART或者网络接口TFTP，一般用TFTP传输kernel数据。

第二种是调式：挂载调试。将主机的一块分区直接挂载到板子上。这样就需要使用TCP/IP的应用层NFS协议。

2、安装交叉编译器

• 安装芯片厂商编译好的工具链（推荐）
• 手动编译交叉工具链（一般不建议用）

3、搭建主机、目标机数据传输通道：相关服务安装。比如使用TCP/IP网络通信接口，需要TFTP服务，NFS服务。

4、编译三大子系统：bootloader功能子系统、内核子系统、文件系统子系统

5、烧写测试。

ps：串口一般与主机连接，用于显示printf信息，而不是用于数据传输。

4 台式机环境搭建

环境搭建的目的是保证主机和板子网络互通。可以将板子与主机连在同一个交换机上，配同一个子网。

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5 系统移植

5.1 uboot和常用命令uboot

uboot是BootLoader的一个子功能（子软件）。常用命令：

1、print：查看uboot软件的环境变量

2、setenv：设置、修改、删除环境变量。setenv带环境变量名不带值，就是删除。设置/修改环境变量格式：setenv var var_value。

3、saveenv：将环境变量刷写到flash，持久化。

环境变量中，ipaddr变量，用于配置板子与主机的局域网，及网络层。如何测试网络通不通呢？注意，uboot配置网络层ICMP协议的时候，很精简，ping的echo响应数据包都省略了，所以不能从主机ping板子，只能通过板子ping主机。从板子ping主机的响应信息中有alive，代表是通的。

4、tftp：传输层协议，也是uboot中的命令。uboot中是采用基于udp的文件传输协议，即tftp协议。client:开发板，server:主机。

client：uboot中，环境变量serverip指定server IP，port由tftp命令写死了。所以使用tftp命令只需在后面跟上内存地址和下载的文件名，格式：tftp 20008000 filename。

server：windows server可直接搜索下载tftpd32软件。linux server搭建：

• 安装tftp服务：apt-get install tftpd openbsc-xinetd