杜登科,胡愛蘭,李林峰,張玉生
(華北計算機系統(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)了巨大的價值,廣泛應(yīng)用于消費電子設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和工控機領(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)用于消費電子、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、工控控制、工業(yè)自動化、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基金會的有識之士的領(lǐng)導(dǎo)下成立了Yocto項目,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uboot;配置并編譯Linux內(nèi)核[5],制作根文件系統(tǒng)。這樣的開發(fā)流程對于嵌入式Linux開發(fā)者來說非常繁瑣,會耗費開發(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,因此對于開發(fā)者十分不利。
Yocto項目正是針對這種情況而誕生的,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設(shè)備的coreimageminimal,而且使用者可以很容易地對該操作系統(tǒng)進行訂制,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項目介紹
Yocto的核心是一個基于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)。這個構(gòu)建系統(tǒng)可以創(chuàng)建針對用戶環(huán)境的嵌入式Linux操作系統(tǒng)發(fā)行版。Yocto項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)生針對該嵌入式Linux操作系統(tǒng)的交叉編譯工具鏈和SDK,同時還有軟件開發(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項目流程:從上游軟件源將代碼抓取下來,通過一個叫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 aptget install gawk wget gitcore diffstat unzip texinfo gccmultilib buildessential chrpath socat libsdl1.2dev 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)建一個可以在arm926ejs的CPU上運行的嵌入式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)運行在QEMU虛擬機上。
4.1初始化構(gòu)建系統(tǒng)的環(huán)境
poky是一個包含構(gòu)建系統(tǒng)、核心腳本文件和構(gòu)建工具的一個集合。因此進入poky目錄并運行如下腳本:
$cd poky
$source oeinitbuildenv
該腳本會創(chuàng)建一個構(gòu)建目錄,默認(rèn)放在poky里面,也可以自己指定構(gòu)建目錄,運行如下命令:
$source oeinitbuildenv 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
在運行oeinitbuildenv腳本后,會在構(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)機器是qemux86,生成的可運行的鏡像文件是基于32位的x86架構(gòu),可以運行在QEMU虛擬機上。對于本次編譯來說,要生成基于arm926ejs,可在QEMU虛擬機上運行的鏡像文件,修改local.conf文件中的MACHINE變量:
MACHINE?=qemuarm
既然要做一個嵌入式Linux發(fā)行版,不是僅僅跑起來那么簡單,作為一個成熟的嵌入式Linux操作系統(tǒng),必須要有對應(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是一個功能上與make類似的給嵌入式Linux操作系統(tǒng)生成可運行鏡像文件和軟件包的自動化構(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框架首先生成一個針對目標(biāo)平臺的交叉變異工具鏈。
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)備跑起來實時響應(yīng)的操作系統(tǒng)、帶界面的操作系統(tǒng)等。接下來生成一個尺寸很小,剛好可以讓設(shè)備跑起來的操作系統(tǒng):
coreimageminimal
在4.1節(jié)搭建好的環(huán)境中運行:
$source oeinitbuildenv you_path
會生成you_path目錄,這就是開發(fā)目錄,在該目錄下運行如下命令:
$bitbake coreimageminimal
開始執(zhí)行后,bitbake會根據(jù)當(dāng)前的CPU型號生成一個交叉編譯工具鏈,也就是生成一個可以在宿主機上運行的,能夠編譯出在目標(biāo)板子上運行的程序的工具鏈,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型號的交叉編譯工具鏈。使用該工具鏈編譯各種在arm926ejs上可以運行的程序,包括Linux內(nèi)核。
這是一個比較漫長的過程,因為針對每一個軟件包都要下載、解壓、配置、編譯。通常bitbake會根據(jù)當(dāng)前主機的CPU核心數(shù)量設(shè)置相應(yīng)的線程來進行多線程編譯。為了提高效率,同時防止在下載的過程中出現(xiàn)下載包失敗的問題,通??梢蕴崆跋螺d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,需要花費較長時間,具體時間長短取決于當(dāng)前宿主機的CPU核的數(shù)量和當(dāng)前內(nèi)存大小。
4.5運行生成嵌入式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是一個啟動QEMU虛擬機的腳本,qemuarm是運行的機器,slirp 是一種不需要root權(quán)限的網(wǎng)絡(luò)訪問方式。runqemu腳本自動啟動QEMU虛擬機,并且加載生成的內(nèi)核和根文件系統(tǒng),終端啟動界面如圖4所示。
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,甚至復(fù)雜的服務(wù)器和大型機等,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,這對安全行來說十分重要,使開發(fā)人員對自己訂制的操作系統(tǒng)百分百全面掌控。同時它減輕了嵌入式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基金會官方推薦的嵌入式Linux開發(fā)項目,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)。
參考文獻(xiàn)
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