day60 ARM嵌入式Linux开发环境搭建与系统启动流程

本文旨在系统性地整理ARM嵌入式Linux开发的核心知识，涵盖从交叉编译环境配置、网络文件系统(NFS)挂载、串口调试，到Bootloader引导、内核启动及根文件系统挂载的完整流程。

---

一、 开发环境基础：交叉编译与网络服务

在ARM嵌入式开发中，我们无法直接在目标板（如imx6ull）上编写和编译程序，必须在PC（通常是Ubuntu虚拟机）上完成开发，再将程序部署到目标板上运行。这种“在A平台开发，B平台运行”的模式称为交叉开发 (Cross Development)。

1.1 交叉编译器 (Cross Compiler)

由于PC的CPU架构（x86）与目标板的CPU架构（ARM）不同，它们执行的机器码（0/1组合）也完全不同。因此，不能使用PC上的gcc编译出能在ARM板上运行的程序。我们必须安装专门用于ARM架构的交叉编译工具链。

• 核心工具: arm-linux-gnueabihf-gcc
  • 这是一个通称，具体版本可能为 arm-linux-gnueabihf-gcc-4.9.4。
  • 它是整个编译工具链 (Toolchain) 的一部分，该工具链还包括链接器(ld)、汇编器(as)等工具。
  • 向下兼容: 较高版本的编译器通常能兼容低版本的功能，并可能支持更多新指令集。
  • 安装方式: 通常通过解压预编译好的安装包，并将其路径添加到系统的环境变量PATH中来完成。

# 示例：在Ubuntu PC上使用交叉编译器编译一个简单的C程序
linux@ubuntu:~/nfs$ vim main.c # 编辑源代码

// main.c 文件内容
#include <stdio.h>

int main(int argc, const char *argv[])
{
    printf("hello world\n"); // 打印 "hello world" 到控制台
    return 0; // 程序正常退出
}

# 使用交叉编译器编译，生成名为 armhello 的可执行文件
linux@ubuntu:~/nfs$ arm-linux-gnueabihf-gcc main.c -o armhello

代码讲解:

1. vim main.c: 使用文本编辑器创建并编辑源文件 main.c。
2. arm-linux-gnueabihf-gcc main.c -o armhello: 调用ARM专用的交叉编译器 arm-linux-gnueabihf-gcc 来编译 main.c 源文件。-o armhello 参数指定输出的可执行文件名为 armhello。这个文件是为ARM架构编译的，只能在ARM设备上运行。

1.2 网络文件系统 (NFS) 配置

为了方便地将编译好的程序传输到开发板，我们不再依赖反复烧写SD卡，而是采用网络文件系统 (Network File System, NFS)。它允许开发板通过网络挂载PC上的一个目录，实现文件共享。

• 角色:
  • NFS Server: 运行在Ubuntu PC上，负责共享指定目录。
  • NFS Client: 运行在开发板上，负责挂载服务器共享的目录。
• 配置步骤:

1. 配置NFS Server (Ubuntu PC):
   • 编辑配置文件 /etc/exports，添加需要共享的目录及其权限。
   • 重启NFS服务使配置生效。

# 查看 /etc/exports 配置文件
linux@ubuntu:~$ cat /etc/exports
/home/linux/nfs/rootfs (rw,sync,no_subtree_check,no_root_squash)
# 注释: 共享 /home/linux/nfs/rootfs 目录，权限为读写(rw)，同步写入(sync)，不检查子树(no_subtree_check)，root用户不降权(no_root_squash)

# 创建并设置共享目录 (如果不存在)
linux@ubuntu:~$ mkdir -p /home/linux/nfs/rootfs
# 重启NFS服务 (根据实际情况选择命令)
linux@ubuntu:~$ sudo systemctl restart nfs-kernel-server
# 或者
linux@ubuntu:~$ sudo service nfs-kernel-server restart

2. 配置NFS Client (开发板):
   • 在开发板上执行挂载命令，将PC上的共享目录挂载到本地的一个目录下（如 /mnt）。

# 在开发板终端执行挂载命令
root@ATK-IMX6U:~# mount -o nolock,nfsvers=3 192.168.1.3:/home/linux/nfs/rootfs /mnt
# 注释: 将IP为192.168.1.3的PC上的 /home/linux/nfs/rootfs 目录，以nolock和nfsvers=3选项挂载到开发板的/mnt目录下。

代码讲解:

• mount: Linux系统用于挂载文件系统的命令。
• -o nolock,nfsvers=3: 挂载选项。nolock 表示禁用文件锁，nfsvers=3 指定使用NFS协议的第3版，以兼容较老的开发板。
• 192.168.1.3:/home/linux/nfs/rootfs: 指定要挂载的远程目录。格式为 服务器IP:服务器端路径。
• /mnt: 指定本地挂载点，即在开发板上访问共享文件的位置。

1.3 串口调试与网络连接

开发板没有键盘和显示器，我们需要通过串口 (Serial Port) 来与其通信和控制。同时，为了使用NFS和TFTP，PC与开发板之间必须建立网络连接。

• 串口调试助手:
  • Windows: 使用 SecureCRTPortable.exe 或 minicom。
  • Ubuntu: 使用 minicom。
  • 配置参数: 波特率 115200，数据位 8，无校验，停止位 1。

# 在Ubuntu PC上启动minicom (需先安装)
linux@ubuntu:~$ sudo minicom
# 注释: 启动minicom后，需要在设置中指定串口设备 (如 /dev/ttyUSB0) 和波特率 (115200)。

• 网络连接配置:
  • Ubuntu PC: 需要配置静态IP地址，以便作为NFS/TFTP服务器。
  • 开发板: 需要配置IP地址，以便与PC通信。

# Ubuntu PC 的网络配置文件 /etc/network/interfaces
auto lo
iface lo inet loopback

auto ens33
iface ens33 inet static
address 192.168.1.3
netmask 255.255.255.0
gateway 192.168.1.1
# 注释: 配置网卡ens33为静态IP 192.168.1.3，子网掩码255.255.255.0，网关192.168.1.1。

# 在开发板上配置IP地址
root@ATK-IMX6U:~# ifconfig eth0 192.168.1.100
# 注释: 设置开发板的eth0网卡IP为192.168.1.100。

# 在开发板上测试与PC的连通性
root@ATK-IMX6U:~# ping 192.168.1.3
PING 192.168.1.3 (192.168.1.3): 56 data bytes
64 bytes from 192.168.1.3: seq=0 ttl=64 time=0.782 ms
64 bytes from 192.168.1.3: seq=1 ttl=64 time=0.690 ms
--- 192.168.1.3 ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 0.690/0.736/0.782 ms
# 注释: 成功ping通PC，表明网络连接正常。

理想结果:

1. 在Ubuntu PC上成功编译出 armhello。
2. 在开发板上成功挂载NFS目录，/mnt 下能看到PC上 /home/linux/nfs/rootfs 的所有文件。
3. 在开发板上执行 ./armhello，控制台输出 hello world。
4. PC与开发板之间可以互相ping通。

---

二、 系统启动流程详解

了解系统如何从上电开始一步步启动至最终运行用户程序，是进行底层开发的基础。整个过程主要分为三个阶段：Bootloader引导、内核启动、根文件系统挂载。

2.1 Bootloader (U-Boot) 引导阶段

当开发板上电时，CPU会从其内部ROM中执行一段固化的代码，这段代码会根据拨码开关 (boot0, boot1) 的状态决定从哪个设备（如SD卡、eMMC）加载Bootloader（通常是U-Boot）。

• 拨码开关作用: 决定启动设备。

  • SD卡启动: D1=ON, D2=OFF, D3=OFF, D4=OFF, D5=OFF, D6=OFF, D7=ON, D8=OFF

• Bootloader功能:

  1. 初始化部分内存和硬件。
  2. 根据启动模式，将自身前半部分代码拷贝到内存中运行。
  3. 在内存中初始化完整的内存空间，并将自身的后半部分代码拷贝到内存中继续执行。
  4. 最终，将Linux内核镜像 (zImage) 和设备树文件 (*.dtb) 从存储设备（或网络）加载到内存的特定地址（通常是 0x80800000 和 0x83000000），然后跳转到内核入口地址启动内核。

# U-Boot 启动日志示例
U-Boot 2016.03-g0ae7e33 (Aug 14 2022 - 19:42:45 +0800)
CPU: Freescale i.MX6ULL rev1.1 792 MHz (running at 396 MHz)
DRAM: 512 MiB
Net: FEC1
Hit any key to stop autoboot: 0
# 注释: 系统上电后，U-Boot打印硬件信息，并在倒计时结束后自动启动内核。

2.2 内核 (Kernel) 启动阶段

Bootloader将内核加载到内存后，会将控制权交给内核。内核开始执行其初始化过程：

1. 初始化硬件: 初始化CPU、内存管理单元(MMU)、中断控制器等。
2. 建立页表 (Page Table): MMU通过页表将程序使用的虚拟地址转换为物理地址。页表本身也需要占用一部分内存空间。
3. 处理内核参数: 从Bootloader传递过来的启动参数（如根文件系统类型、位置、控制台设置等）会被解析。
4. 挂载根文件系统 (Rootfs): 这是内核启动的关键一步。内核会根据参数去挂载指定的根文件系统。
5. 启动init进程: 根文件系统挂载成功后，内核会启动第一个用户空间进程，通常是 /linuxrc 或 /sbin/init。

2.3 根文件系统 (Rootfs) 与应用层

根文件系统是按一定格式组织的一堆文件的集合，包含了操作系统运行所需的所有基本文件、库和应用程序。它是用户程序运行的基础环境。

• 挂载方式: 可以从本地存储（如eMMC分区）挂载，也可以通过网络（如NFS）挂载。
• 启动用户程序: init进程会根据配置文件（如 /etc/inittab）启动各种系统服务和最终的用户界面或应用程序。

---

三、 高级启动方式：TFTP + NFS

为了提高开发效率，避免每次修改内核或根文件系统后都重新烧写SD卡，我们可以采用更灵活的TFTP + NFS启动方式。

3.1 TFTP 服务配置

TFTP (Trivial File Transfer Protocol) 是一种简单的文件传输协议，常用于在网络中传输小文件，如内核镜像和设备树。

• 配置步骤:
  1. 在Ubuntu PC上安装并配置TFTP服务。
  2. 将内核镜像 (zImage) 和设备树文件 (*.dtb) 放入TFTP服务的共享目录中。

# 查看TFTP服务配置文件 /etc/default/tftpd-hpa
linux@ubuntu:~$ cat /etc/default/tftpd-hpa
TFTP_DIRECTORY="/home/linux/tftpboot"
# 注释: TFTP服务的共享目录为 /home/linux/tftpboot。

# 将内核和设备树文件复制到TFTP目录
linux@ubuntu:~$ cp /path/to/zImage /home/linux/tftpboot/
linux@ubuntu:~$ cp /path/to/1.dtb /home/linux/tftpboot/
linux@ubuntu:~$ ls /home/linux/tftpboot/
1.dtb  zImage
# 注释: 确保这两个文件存在于TFTP共享目录中。

3.2 启动流程 (手动)

1. 进入U-Boot命令行: 在开发板上电倒计时期间按下回车键，阻止自动启动，进入U-Boot命令行。
2. 配置网络: 设置开发板的IP地址、网关、DNS以及TFTP服务器的IP地址。
3. 下载内核和设备树: 使用 tftp 命令从PC下载 zImage 和 *.dtb 到内存。
4. 设置启动参数: 使用 setenv 命令设置内核启动所需的参数，特别是指定根文件系统为NFS。
5. 启动内核: 使用 bootz 命令启动内核。

# U-Boot 命令行操作示例
=> setenv ipaddr 192.168.1.100        # 设置开发板IP
=> setenv serverip 192.168.1.3         # 设置TFTP服务器IP (Ubuntu PC)
=> setenv gatewayip 192.168.1.1         # 设置网关
=> setenv netmask 255.255.255.0         # 设置子网掩码
=> saveenv                             # 保存环境变量
=> ping 192.168.1.3                    # 测试网络连通性
=> tftp 0x80800000 zImage             # 从TFTP下载zImage到内存地址0x80800000
=> tftp 0x83000000 1.dtb               # 从TFTP下载1.dtb到内存地址0x83000000
=> setenv bootargs root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.3:/home/linux/nfs/imx6/rootfs,nfsvers=3 console=ttymxc0,115200 ip=192.168.1.100 init=/linuxrc
# 注释: 设置内核启动参数。root=/dev/nfs 指定根文件系统类型为NFS；nfsroot=... 指定NFS服务器地址和路径；console=... 指定控制台；ip=... 指定内核使用的IP；init=/linuxrc 指定init进程。
=> saveenv                             # 保存环境变量
=> bootz 0x80800000 - 0x83000000       # 启动内核，参数分别为内核地址、initrd地址(此处为空)、设备树地址。

理想结果:

1. 开发板成功从TFTP下载内核和设备树。
2. 内核成功启动，并挂载了位于Ubuntu PC上的NFS根文件系统。
3. 系统启动完毕，可以正常登录并运行程序。
4. 此时，任何对 /home/linux/nfs/imx6/rootfs 目录的修改都会实时反映在开发板上，极大地方便了调试和开发。

---

四、 关键概念总结

• 交叉编译 (Cross Compilation): 在一个平台上编译另一个平台可运行的程序。
• 编译工具链 (Toolchain): 包含编译器、链接器、汇编器等一系列工具的集合。
• NFS (Network File System): 用于在网络上共享文件系统的协议。
• TFTP (Trivial File Transfer Protocol): 用于在网络上传输小文件的简单协议。
• Bootloader (U-Boot): 系统启动的第一阶段程序，负责初始化硬件和加载内核。
• 内核 (Kernel): 操作系统的核心，负责管理系统资源和硬件。
• 根文件系统 (Rootfs): 包含操作系统运行所需所有文件的顶层文件系统。
• 页表 (Page Table): 用于MMU进行虚拟地址到物理地址转换的数据结构。
• 地址相关/无关代码 (Position Dependent/Independent Code): 地址相关代码必须加载到固定地址才能正确运行；地址无关代码可以在任意地址加载运行。
• 相对跳转 (BL): 基于当前PC值进行跳转，适用于短距离跳转，代码具有位置无关性。
• 绝对跳转 (LDR PC, =address): 直接跳转到指定地址，适用于长距离跳转，代码具有地址相关性。

通过以上步骤，您已经掌握了ARM嵌入式Linux开发的基本环境搭建和系统启动原理，为后续的驱动开发和应用开发打下了坚实的基础。