杜登科,胡愛蘭,李林峰,張玉生

　　(華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京 100083)

　　摘要：隨著工業(yè)科技的發(fā)展，嵌入式Linux展現(xiàn)了巨大的價(jià)值，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和工控機(jī)領(lǐng)域。廣泛的應(yīng)用帶來了各種各樣的需求，各大廠商紛紛訂制自己的嵌入式Linux產(chǎn)品，導(dǎo)致大量的重復(fù)工作，規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)差異化越來越大。在開放源代碼的精英發(fā)起下，Yocto橫空出世，以開源協(xié)作的方式逐步統(tǒng)一嵌入式Linux的訂制和開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，避免許多重復(fù)工作，極大地簡化了嵌入式Linux系統(tǒng)的訂制，并且省掉大量的重復(fù)工作，使嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)者可以將重心放在自己的工作上。

　　關(guān)鍵詞：嵌入式；Linux；Yocto；開放源代碼

0引言

　　1991年芬蘭大學(xué)生Linus發(fā)布了0.1版本的操作系統(tǒng)Linux，到1995年，Linux發(fā)布1.2版本，該版本開始支持Alpha、i386、MIPS和SPARC等架構(gòu)，同時(shí)MIPS開始在低功耗設(shè)備中越來越流行［1］。1996年第一家專注于嵌入式Linux的公司Timesys成立，隨后基于嵌入式Linux的公司和組織如雨后春筍般出現(xiàn)［2］。

　　至今，基于Linux內(nèi)核的操作系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、工控控制、工業(yè)自動(dòng)化、導(dǎo)航設(shè)備、宇宙飛船控制領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)設(shè)備領(lǐng)域［3］。

　　由于沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，嵌入式Linux開發(fā)差異越來越大，導(dǎo)致大量重復(fù)工作，給嵌入式Linux開發(fā)者帶來極大不便。在Linux基金會(huì)的有識(shí)之士的領(lǐng)導(dǎo)下成立了Yocto項(xiàng)目，Yocto提供了工具、關(guān)鍵數(shù)據(jù)和方法來快速構(gòu)建一個(gè)嵌入式Linux發(fā)行版操作系統(tǒng)，避免了大量的重復(fù)工作，這樣嵌入式Linux開發(fā)者可以將更多的重心放在應(yīng)用開發(fā)上，極大地提高了效率。

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　當(dāng)前國內(nèi)外開發(fā)一個(gè)嵌入式Linux操作系統(tǒng)的通用方式分為3步［4］：制作交叉編譯工具鏈；移植uboot；配置并編譯Linux內(nèi)核［5］，制作根文件系統(tǒng)。這樣的開發(fā)流程對(duì)于嵌入式Linux開發(fā)者來說非常繁瑣，會(huì)耗費(fèi)開發(fā)人員大量的精力在與應(yīng)用開發(fā)上無關(guān)的方面，而且架構(gòu)一換，交叉編譯工具鏈還得重新進(jìn)行配置和編譯。即使有的公司或者社區(qū)已經(jīng)做好了相應(yīng)的工作，也僅僅限制于他們的芯片和板子，嵌入式Linux開發(fā)者需要查閱大量的文檔才能將已有的工作移植到他們的工作中，因此對(duì)于開發(fā)者十分不利。

　　Yocto項(xiàng)目正是針對(duì)這種情況而誕生的，它將構(gòu)建嵌入式Linux操作系統(tǒng)中需要用到的軟件源代碼的下載、打補(bǔ)丁、配置、編譯、打包和安裝以Python或Shell腳本的方式描述出來，保存在以后綴為.bb的文件中，然后使用一個(gè)叫bitbake的工具來解析執(zhí)行。這樣的規(guī)則可以重利用，因此極大地提高了嵌入式Linux開發(fā)者的開發(fā)效率。Yocto中提供了很多種類型的嵌入式Linux操作系統(tǒng)模版，涵蓋了常見的操作系統(tǒng)類型，比如非常小的能啟動(dòng)設(shè)備的coreimageminimal，而且使用者可以很容易地對(duì)該操作系統(tǒng)進(jìn)行訂制，僅僅通過修改構(gòu)建目錄下的local.conf文件就可以輕松完成各種需求的訂制。

2Yocto項(xiàng)目介紹

　　Yocto的核心是一個(gè)基于OpenEmbeddedd開放源代碼的構(gòu)建系統(tǒng)，它通過提供模版、工具和方法幫助開發(fā)者快速創(chuàng)建基于Linux內(nèi)核的定制系統(tǒng)，支持ARM、PPC、MIPS和x86硬件體系結(jié)構(gòu)。這個(gè)構(gòu)建系統(tǒng)可以創(chuàng)建針對(duì)用戶環(huán)境的嵌入式Linux操作系統(tǒng)發(fā)行版。Yocto項(xiàng)目可以讓用戶訂制不同大小的Linux鏡像文件，從可以僅供啟動(dòng)設(shè)備的鏡像到擁有各種各樣功能的復(fù)雜的操作系統(tǒng)鏡像文件。

　　除了可以訂制嵌入式Linux操作系統(tǒng)發(fā)行版，還可以很容易地產(chǎn)生針對(duì)該嵌入式Linux操作系統(tǒng)的交叉編譯工具鏈和SDK，同時(shí)還有軟件開發(fā)工具集，可以生成想要的格式，如：deb、rpm、ipk等。

　　圖1詳細(xì)地描述了Yocto項(xiàng)目流程：從上游軟件源將代碼抓取下來，通過一個(gè)叫bitbake的構(gòu)建系統(tǒng)，使用描述編譯規(guī)則的文件，來生成內(nèi)核的image、根文件系統(tǒng)和SDK。

3開發(fā)環(huán)境搭建

　　3.1安裝必要的軟件包

　　Ubuntu14.04下安裝如下包：

　　$sudo aptget install gawk wget gitcore diffstat unzip texinfo gccmultilib buildessential chrpath socat libsdl1.2dev xterm

　　3.2獲取Yocto構(gòu)建系統(tǒng)

　　$git clone git://git.yoctoproject/poky

　　然后切換到當(dāng)前最新的分支jethro上：

　　$git checkout jethro

　　這樣就得到了Yocto整個(gè)構(gòu)建系統(tǒng)的所有工具、關(guān)鍵的配置文件和核心的元數(shù)據(jù)。

4開始構(gòu)建系統(tǒng)

　　接下來創(chuàng)建一個(gè)可以在arm926ejs的CPU上運(yùn)行的嵌入式Linux操作系統(tǒng)發(fā)行版，還有一整套交叉編譯工具鏈，并且讓該操作系統(tǒng)運(yùn)行在QEMU虛擬機(jī)上。

　　4.1初始化構(gòu)建系統(tǒng)的環(huán)境

　　poky是一個(gè)包含構(gòu)建系統(tǒng)、核心腳本文件和構(gòu)建工具的一個(gè)集合。因此進(jìn)入poky目錄并運(yùn)行如下腳本：

　　$cd poky

　　$source oeinitbuildenv

　　該腳本會(huì)創(chuàng)建一個(gè)構(gòu)建目錄，默認(rèn)放在poky里面，也可以自己指定構(gòu)建目錄，運(yùn)行如下命令：

　　$source oeinitbuildenv you_path

　　構(gòu)建目錄包含構(gòu)建期間生成的所有文件。

　　4.2修改本地配置文件

　　在運(yùn)行oeinitbuildenv腳本后，會(huì)在構(gòu)建目錄下生成conf目錄，conf目錄就是包含本次構(gòu)建的所有重要配置文件。在conf目錄下有一個(gè)local.conf的配置文件，該文件包含了要構(gòu)建的系統(tǒng)的一些基本設(shè)置。

　　如果不改變?nèi)魏闻渲梦募烷_始編譯，默認(rèn)的構(gòu)建的目標(biāo)機(jī)器是qemux86，生成的可運(yùn)行的鏡像文件是基于32位的x86架構(gòu)，可以運(yùn)行在QEMU虛擬機(jī)上。對(duì)于本次編譯來說，要生成基于arm926ejs，可在QEMU虛擬機(jī)上運(yùn)行的鏡像文件，修改local.conf文件中的MACHINE變量：

　　MACHINE?=qemuarm

　　既然要做一個(gè)嵌入式Linux發(fā)行版，不是僅僅跑起來那么簡單，作為一個(gè)成熟的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，必須要有對(duì)應(yīng)的包管理工具，默認(rèn)使用RPM，可以通過修改變量PACKAGE_CLASSES來改變：

　　PACKAGE_CLASSES=“package_deb”

　　當(dāng)然還可以選擇ipk、tar等方式。

　　4.3bitbake介紹

　　bitbake是一個(gè)功能上與make類似的給嵌入式Linux操作系統(tǒng)生成可運(yùn)行鏡像文件和軟件包的自動(dòng)化構(gòu)建工具，該工具受到了Gentoo Linux操作系統(tǒng)包管理工具Portage的啟發(fā)，使用Python實(shí)現(xiàn)。

　　bitbake操作的文件叫bitbake recipe，以后綴.bb結(jié)尾或者以.bbappend結(jié)尾，該文件描述了一個(gè)軟件包去哪下載、如何配置、如何編譯、軟件包的依賴、安裝到哪里、如何刪除等過程。

　　bitbake的recipe文件可以解析多種軟件包來源路徑，包括：http、https、ftp、cvs、svn、git和本地文件系統(tǒng)。在構(gòu)建的過程中，recipe文件用來跟蹤軟件依賴、執(zhí)行本地和交叉編譯，并且完成后將編譯完的軟件進(jìn)行打包，可以在本地和目標(biāo)設(shè)備上安裝。

　　接下來使用bitbake生成一個(gè)包含根文件系統(tǒng)的嵌入式Linux鏡像文件，bitbake框架首先生成一個(gè)針對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的交叉變異工具鏈。

　　4.4構(gòu)建嵌入式Linux操作系統(tǒng)

　　在Yocto中，針對(duì)不同的設(shè)備有相應(yīng)的recipe文件，根據(jù)recipe文件的描述，可以生成大小不同的操作系統(tǒng),有可以僅僅讓設(shè)備跑起來實(shí)時(shí)響應(yīng)的操作系統(tǒng)、帶界面的操作系統(tǒng)等。接下來生成一個(gè)尺寸很小，剛好可以讓設(shè)備跑起來的操作系統(tǒng)：

　　coreimageminimal

　　在4.1節(jié)搭建好的環(huán)境中運(yùn)行：

　　$source oeinitbuildenv you_path

　　會(huì)生成you_path目錄，這就是開發(fā)目錄，在該目錄下運(yùn)行如下命令：

　　$bitbake coreimageminimal

　　開始執(zhí)行后，bitbake會(huì)根據(jù)當(dāng)前的CPU型號(hào)生成一個(gè)交叉編譯工具鏈，也就是生成一個(gè)可以在宿主機(jī)上運(yùn)行的，能夠編譯出在目標(biāo)板子上運(yùn)行的程序的工具鏈，這樣極大地簡化了嵌入式開發(fā)者的工作，不需要自己手動(dòng)修改代碼來配置交叉編譯工具鏈，僅僅通過配置就可以生成各種CPU型號(hào)的交叉編譯工具鏈。使用該工具鏈編譯各種在arm926ejs上可以運(yùn)行的程序，包括Linux內(nèi)核。

　　這是一個(gè)比較漫長的過程，因?yàn)獒槍?duì)每一個(gè)軟件包都要下載、解壓、配置、編譯。通常bitbake會(huì)根據(jù)當(dāng)前主機(jī)的CPU核心數(shù)量設(shè)置相應(yīng)的線程來進(jìn)行多線程編譯。為了提高效率，同時(shí)防止在下載的過程中出現(xiàn)下載包失敗的問題，通常可以提前下載好包，放在指定的目錄下，然后在build目錄中的local.conf文件中指定變量DL_DIR為上述指定的目錄，這樣bitbake構(gòu)建系統(tǒng)就會(huì)去指定目錄讀取軟件包，極大地提高了效率。編譯操作系統(tǒng)如圖2所示。　　

　　開始編譯后，需要花費(fèi)較長時(shí)間，具體時(shí)間長短取決于當(dāng)前宿主機(jī)的CPU核的數(shù)量和當(dāng)前內(nèi)存大小。

　　4.5運(yùn)行生成嵌入式Linux操作系統(tǒng)

　　編譯完成后，結(jié)果如圖3所示。　

　　編譯完成后，Linux內(nèi)核的可執(zhí)行鏡像文件和根文件系統(tǒng)位于構(gòu)建目錄中的tmp/deploy/image/ 下。運(yùn)行生成的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，使用如下命令：

　　$runqemu qemuarm slirp nographic

　　runqemu是一個(gè)啟動(dòng)QEMU虛擬機(jī)的腳本，qemuarm是運(yùn)行的機(jī)器，slirp 是一種不需要root權(quán)限的網(wǎng)絡(luò)訪問方式。runqemu腳本自動(dòng)啟動(dòng)QEMU虛擬機(jī)，并且加載生成的內(nèi)核和根文件系統(tǒng)，終端啟動(dòng)界面如圖4所示?！?/p>

　　使用root用戶名登錄，默認(rèn)不需要用戶密碼。

5結(jié)論

　　通過使用Yocto構(gòu)建系統(tǒng)，僅需指定目標(biāo)板子的類型和非常簡單的設(shè)置，就可輕松地完成嵌入式Linux操作系統(tǒng)的構(gòu)建，相比于傳統(tǒng)的嵌入式Linux開發(fā)流程，極大地提高了效率，使開發(fā)人員能夠避免底層復(fù)雜的配置和移植，將重心更多地放在自己的應(yīng)用開發(fā)上。

　　Yocto項(xiàng)目可以訂制操作系統(tǒng)的范圍從非常小的傳感器、智能手表到工控機(jī)，甚至復(fù)雜的服務(wù)器和大型機(jī)等，應(yīng)用層面非常廣泛，操作簡單，僅使用Python和Shell腳本來描述操作系統(tǒng)的編譯規(guī)則，極大地簡化了開發(fā)工作。而且它可以訂制基于多種架構(gòu)的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，由于從源代碼到編譯規(guī)則都是開源透明的，這對(duì)安全行來說十分重要，使開發(fā)人員對(duì)自己訂制的操作系統(tǒng)百分百全面掌控。同時(shí)它減輕了嵌入式Linux開發(fā)人員的負(fù)擔(dān)，使開發(fā)人員很容易地訂制自己的操作系統(tǒng)，將更多的精力放在開發(fā)應(yīng)用上。

　　Yocto是Linux基金會(huì)官方推薦的嵌入式Linux開發(fā)項(xiàng)目，未來，必將有更多的開發(fā)者和公司開始使用Yocto構(gòu)建系統(tǒng)。

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