【Linux】嵌入式Linux系统的移植（上篇：交叉编译器、连接方式）

快来打我* 2022-02-01 10:13 643阅读 0赞

# 嵌入式Linux系统移植 #

嵌入式Linux系统移植是进行Linux驱动开发的基础，如果连Linux系统移植都完成不了，那就更不用说驱动开发了。因此，Linux系统移植至关重要。

## 嵌入式Linux系统的移植要点 ##

1.  `搭建交叉开发环境`
2.  `bootloader的选择与移植`
3.  `kernel的设置、编译、移植和调试`
4.  `根文件系统的制作`

## 嵌入式Linux系统的移植基本步骤 ##

1.  安装交叉编译器
2.  确定目标机、主机的连接方式
3.  搭建主机-目标机数据传输通道
4.  编译三大子系统（bootloader子系统、内核核心子系统、文件系统子系统）
5.  烧写测试

一般而言，目标机、主机的连接方式有：

*  `UART异步串行通信接口`（速率低、实用性强）
 *  `USB串行通信接口`（速率快、驱动要移植修改）
 *  `TCP/IP网络通信接口`（速率快、驱动要移植）
 *  `Debug Jtag调试接口`（方便快捷、价格昂贵）

相比较来说，UART、USB、TCP/IP连接方式的选择较多。

一般而言，交叉编译器可以选择芯片公司提供的已经编译好的工具链，通常前缀名有：

*  arm-none-linux-gnueabi- （简称为：**arm-linux-**）
 *  arm-none-eabi- （不针对linux操作系统）
 *  arm-elf- （不针对linux操作系统）

当然，也可以选择自己构建新的交叉编译器。

注意注意：**在【嵌入式Linux的移植】博文中，并不涉及制作交叉编译器、编译U-Boot、编译内核、编译根文件系统的内容，而是将已经制作/编译完成的成品进行试验并测试。至于它们的制作过程，会在后面的博文中讲解。**

# 交叉编译器 #

## 为什么要有交叉编译？ ##

一般情况下，需要在开发主机上（通常是PC机）开发出能够在目标机（通常是开发板）上运行的程序。

为什么需要交叉开发环境？主要原因有以下两点：

1.  **目标机的硬件资源有很多限制**，比如cpu主频相对较低，内存容量较小等，想想让几百MHZ主频的目标机去编译一个Linux kernel会让我们等的不耐烦，相对来说，主机的速度更快，硬件资源更加丰富，因此利用主机进行开发会提高开发效率；
2.  **目标机的MCU体系结构和指令集与主机不同**，因此需要安装交叉编译工具进行编译，这样编译的目标程序才能够在目标机上运行。

## 安装交叉编译器 ##

本文使用的是友善之臂提供的arm-linux-gcc-4.5.1-v6-vfp-20120301版交叉编译工具：

sudo tar -zxvf arm-linux-gcc-4.5.1-v6-vfp-20120301.tgz -C /

这样arm-linux-的相关文件就解压到了根目录下的opt目录中。

解压完成了，如何来使用呢？

使用简单方法：

arm-linux-gcc hello.c -o build

使用绝对路径方法：

/opt/FriendlyARM/toolschain/4.5.1/bin/arm-linux-gcc hello.c -o build

使用简单方法需要在**环境变量的PATH中添加路径**，这样的话，有一个弊端，最好保证整个系统只有一个交叉编译器，不然会存在PATH的优先级等问题。

怎么在环境变量的PATH中添加路径？

sudo vi /etc/environment

在该文件中添加路径/opt/FriendlyARM/toolschain/4.5.1/bin，**各个路径之间以`：`分隔**。添加完成后，需要更新一下，使环境变量生效：

source /etc/environment

可以通过以下命令查看是否添加成功：

echo $PATH

需要注意的是：

如果在64位Linux安装arm-linux-gcc-4.5.1交叉编译器，要先安装32位的库（arm-linux-gcc-4.5.1-v6-vfp-20120301是在32位的Linux下编译的）。

安装32位的库：

sudo apt-get install libc6:i386
    sudo apt-get install lib32z1

本部分内容，可以参考博文[安装arm-linux-gcc交叉编译器][arm-linux-gcc]。

## 工具集介绍 ##

### readelf ###

顾名思义，就是读取ELF头信息的工具。ELF（Executable and Linkable Format）是一种对象文件的格式，用于定义不同类型的对象文件（Object files）中都放了什么东西、以及都以什么样的格式去放这些东西。

ELF文件由4部分组成，分别是**ELF头（ELF header）、程序头表（Program header table）、节（Section）和节头表（Section header table）**。实际上，一个文件中不一定包含全部内容，而且他们的位置也未必如同所示这样安排，只有ELF头的位置是固定的，其余各部分的位置、大小等信息由ELF头中的各项值来决定。例如：

gcc hello.c -o hello
    readelf -h hello

不添加arm-linux-前缀，就表示在x86上进行编译和查取ELF头信息。结果为：

ELF 头:
      Magic:   7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 
      Class:                             ELF64
      Data:                              2's complement, little endian
      Version:                           1 (current)
      OS/ABI:                            UNIX - System V
      ABI Version:                       0
      Type:                              EXEC (Executable file)
      Machine:                           Advanced Micro Devices X86-64
      Version:                           0x1
      入口点地址:               			 0x400750
      程序头地址:                         64 (bytes into file)
      Start of section headers:          65016 (bytes into file)
      标志:                          	 0x0
      本头的大小:                         64 (bytes)
      程序头大小:                         56 (bytes)
      Number of program headers:         9
      节头大小:           				 64 (bytes)
      节头数量:         					 37
      字符串表索引节头: 					 34

需要注意的是，运行一个程序首先进入入口点地址，然后再各种调用，最终进入main地址，运行main函数的内容。

可通过**file命令查看文件属性**：

file hello

在运行结果中，最开始是ELF头，第二个是编译后可运行的平台。实际上，运行平台在ELF中的Machine字段中也标明出来了。如果通过arm-linux-gcc进行编译，那么ELF头和file命令中的结果，都会显示为ARM。

本部分内容，可以参考博文[ELF格式文件详细分析][ELF]。

### 其他工具集 ###

*  **size**：查看编译后的文件各个段（text段、data段、bss段、dec段等）的大小信息
 *  nm：查看符号信息（说白了就是一些函数和全局变量等，比如main地址，\_start入口点地址等）
 *  strip：删除符号表信息（减小文件的大小）
 *  **objcopy**：将目标文件的一部分或者全部内容拷贝到另外一个目标文件中（用于将ELF头去掉，因为ARM裸机是不识别ELF头信息的）
 *  **objdump**：反汇编（添加-d选项）

# 目标机、主机的连接方式 #

一般而言，目标机和主机之间采用TCP/IP网络通信的方式居多，常用的服务主要两个：`TFTP服务`、`NFS服务`。

## TFTP服务 ##

**TFTP服务主要用于实现文件的下载**，比如开发调试的过程中，主要用tftp把要测试的bootloader、kernel和文件系统直接下载到内存中运行，而不需要预先烧录到Flash芯片中。

一方面，在测试的过程中，往往需要频繁的下载，如果每次把这些要测试的文件都烧录到Flash中然后再运行也可以，但是缺点是：过程比较麻烦，而且Flash的擦写次数是由限的；另外一方面：测试的目的就是把这些目标文件加载到内存中直接运行就可以了，而tftp就刚好能够实现这样的功能，因此，更没有必要把这些文件都烧录到Flash中去。

## nfs服务： ##

**NFS服务主要用于实现网络文件的挂载，实际上是实现网络文件的共享**。

在开发的过程中，通常在系统移植的最后一步会制作文件系统，那么这是可以把制作好的文件系统放置在我们开发主机PC的相应位置，开发板通过nfs服务进行挂载，从而测试我们制作的文件系统是否正确，在整个过程中并不需要把文件系统烧录到Flash中去，而且挂载是自动进行挂载的，bootload启动后，kernel运行起来后会根据我们设置的启动参数进行自动挂载，因此，对于开发测试来讲，这种方式非常的方便，能够提高开发效率。

**一般而言，U-Boot采用USB线或者SD卡烧写到Flash中，而内核、根文件系统都采用TFTP的方式传输到目标板，然后通过U-Boot的命令进行启动。**

# 搭建主机-目标机数据传输通道 #

以笔记本为例，整个搭建示意图：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95bmd6bWlhby5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

首先笔记本有两个网卡，分别为WiFi网卡和有线网卡。虚拟机同样也配置成双网卡模式，一个通过**NAT模式与WiFi网卡相连**，连接无线路由器的LAN口，再通过WAN口进行上网功能；另一个通过**桥接模式与有线网卡相连**，最终连接到目标板进行数据传输功能。

## 桥接模式 ##

在这种模式下，使用VMnet0虚拟交换机，虚拟机就像是**局域网中的一台独立的主机**，与宿主计算机一样，它可以访问网内任何一台机器。

在桥接模式下，可以手工配置它的TCP/IP配置信息（IP、子网掩码等，而且还要和宿主机器处于同一网段），以实现通过局域网的网关或路由器访问互联网；还可以将IP地址和DNS设置成“自动获取”。

在桥接模式中，使用VMnet0虚拟交换机，此时虚拟机相当与网络上的一台独立计算机与主机一样，拥有一个独立的IP地址。

## NAT模式 ##

使用NAT模式，就是让虚拟机借助NAT（网络地址转换）功能，通过宿主机器所在的网络来访问公网。也就是说，**使用NAT模式可以实现在虚拟系统里访问互联网**。

NAT模式下的虚拟机的TCP/IP配置信息是由VMnet8虚拟网络的DHCP服务器提供的，因此IP和DNS一般设置为“自动获取”，因此虚拟系统也就无法和本局域网中的其他真实主机进行通讯。

采用NAT模式最大的优势是虚拟系统接入互联网非常简单，你不需要进行任何其他的配置，只需要宿主机器能访问互联网即可。

也就是说，**桥接模式是为了加入主机的局域网，完成与主机之间的数据访问；NAT模式是为了通过主机，访问互联网**。两者的目的不同！

不太理解的，可以参考链接：[VMware中三种网络连接的区别][VMware]。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95bmd6bWlhby5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

[arm-linux-gcc]: https://www.cnblogs.com/LoTGu/p/5903385.html
[ELF]: https://blog.csdn.net/xuehuafeiwu123/article/details/72963229
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95bmd6bWlhby5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220201/91a19da54d65460a8d9613aa513a29b4.png
[VMware]: https://www.cnblogs.com/rainman/archive/2013/05/06/3063925.html
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95bmd6bWlhby5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20220201/a25d1cd3466b444199b87e57ceee1460.png