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本教程第一部分是嵌入式 Linux 综述, 简要对比介绍主流开发板的方案, 并简述嵌入式 Linux 的开发逻辑. 第二部详细展开 全志 V3S 的开发流程与技术细节.
嵌入式 Linux 主流方案介绍 时下, 树莓派, 香橙派, 荔枝派, 香蕉派等开发板市场呈现出 百花齐放 的繁荣景象. 其中, 基于树莓派 Raspberry Pi, 瑞芯微 Rockchip, 全志 Allwinner, 晶晨 Amlogic 等厂商 SoC 的开发板最为丰富. 此外, 主流开发板也有 ESP32, K210 等. 主要差异对比如下:
Linux 开发板
| 厂商 | 代表 SoC | 性能定位 | 典型开发板 | 特点 |
|---|---|---|---|---|
| 树莓派 Raspberry Pi | 博通 BCM27xx | 中高端 (1.5-2GHz) | 树莓派 4/5 | 生态优秀, 社区活跃 |
| 瑞芯微 Rockchip | RK3588, RK3506 | 高端 (~2.4GHz) | Radxa ROCK 5B | 高性能视频编解码, NPU |
| 全志 Allwinner | H616/D1/F1C200s/V3S | 中低端 (1.5-1.8GHz) | 香橙派, 荔枝派 | 生态较好, 社区适配完善 |
| 晶晨 Amlogic | A311, S905 | 中端 (~2.0GHz) | Khadas VIM3 | 高性能 NPU, 视频处理. 生态一般. |
RTOS 开发板
| 厂商 | 代表 SoC | 性能定位 | 典型开发板 | 特点 |
|---|---|---|---|---|
| 乐鑫 Espressif | ESP32 | 边缘无线通信 (240MHz) | 安信可 ESP 模块 | Wi-Fi/蓝牙双模, 高性价比 |
| 嘉楠科技 | K210 | 边缘AI (400MHz) | CamMV, MaixCAM | KPU神经网络加速, 边缘视觉 |
其中, 全志系列 soc 生产年份较早, 开源社区适配完善. 且全志推出了部分高性能且硬件友好的甜品款 SoC, 例如 F1C200s, V3s, V831, V851s, 其内部集成了 DDR 内存, 无须外部高速布线; 不采用 BGA 封装, 焊接友好, 4 层甚至 2 层板即可布下. 我们的最终目标是运行 JLinkRemoteServer, 并尽可能选择便宜低端的 SoC. F1C200s 没有 FPU 无法运行 JLinkRemoteServer, V831 已停产价格高. V3s 在某二手平台上价格为 10元/片 拆机带板. 因此笔者选择了 V3s.
全志 V3s 封装内内有一个 ARM Cortex-A7 CPU(32 位) 以及 64MB DDR 内存. 特色是包含 CSI 相机接口, 与 RGB 屏幕接口. 设计之初主要应用于相机类产品, 如行车记录仪, 摄像头, 卡拉 OK 中控等. 沿用此思路, V3S 可成为飞镖视觉制导/无线调参方案之一, 笔者进行过初步的研发, 成果请见 V3S 在飞镖上的应用分享.
软件开发方面, V3S 基于 ARM Cortex 架构, 因此其开发方式与 STM32 有诸多相似之处. 本教程也将与 STM32 开发流程进行对比解析, 以方便了解 STM32 嵌入式开发技术的同学快速入门. 软件适配上主要有全志官方 Camdriod SDK, 主线 Linux, 第三方 XBoot 等裸机框架等丰富选择. 下面是对其简要的介绍.
| 软件框架 | 简介 |
|---|---|
| 全志官方 Camdriod SDK | 内核版本 3.4, 官方主推, 摄像头驱动适配好, 但开发资料少 |
| 主线 Linux | 资料丰富但复杂度高 |
| XBoot 等裸机框架 | 与 STM32 开发高度相似, 但社区支持较差, 无法直接运行 JLinkRemoteServer |
名词解释 主线 Linux: 主要指主线内核 https://github.com/torvalds/linux, 是不同发行版修改的源头, 是 Linux 内核的主干与官方发布. 裸机: 没有操作系统, 直接运行程序.
笔者选择在 V3S 上运行 主线 Linux, 主要是出于学习目的与信仰.
参考资料列表
固件主要包含三个部分, UBoot, Linux Kernel, Buildroot.
- UBoot 为 bootloader, 其功能是初始化 ddr, 初始化时钟等. 同时, UBoot 会从引导介质, 如 TF 卡, SPI Flash, NAND Flash 等处搜索可启动的介质, 并从中加载 Kernal 并运行. 同时也会向内核传递一些启动参数. 详见后文 Uboot 编译部分.
- Kernel 即内核, 本质是一个巨大的程序. 负责管理计算机硬件资源，并为应用程序提供接口.
- Buildroot 用来构建根文件系统. 即构建我们在根目录下看到的 /var, /opt 等文件夹.
你可以跟着下文一步步进行配置编译与烧录.
相关链接:
本教程基于 Ubuntu 22.04(x86_64) 平台. 笔者实测 WSL, 虚拟机也可正常编译但速度奇慢. 在 13900 平台上全量 rebuild 需要约 20 分钟.
安装编译所需的基本依赖
sudo apt install git wget make gcc flex bison libssl-dev bc kmod安装 交叉编译工具链. 编译平台架构是 x86_64, 与目标架构是 ARM 不同, 因此需要使用交叉编译器. 这一点与 STM32 开发同理, STM32 常见编译器有 Keil 的 ARM Compiler, gcc 系列的 arm-none-eabi- 工具链. 对于此处应用, 我们选择 arm-linux-gnueabihf 工具链. 工具链名称中 arm 代表目标架构是 arm, linux 代表可编译在 linux 操作系统上运行的二进制. 此编译器也可编译无操作系统的裸机程序. gnueabihf 全称为 The GNU C compiler for armhf architecture. armhf 中的 hf 意为 hardware floating point, 即硬件 浮点处理器(FPU). V3S 内部有 FPU, 所以我们应当选择 arm-linux-gnueabihf 而非 arm-linux-gnueabi(无法生成 FPU 相关指令)
具体命名细节可参考 CSDN 交叉编译器的命名规则及详细解释
名词解释 编译器 Compiler: 狭义的编译器只负责编译过程. 工具链 ToolChain: 包括编译器, 链接器 Linker, 调试器 Debugger 等开发全流程所需的工具合集.
我们选择 6.3.1-2017.05 版本的 arm-linux-gnueabihf-gcc. 即 gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz
工具链网址 https://releases.linaro.org/components/toolchain/binaries/6.3-2017.05/arm-linux-gnueabihf/ 使用如下命令下载安装工具链:
wget https://releases.linaro.org/components/toolchain/binaries/6.3-2017.05/arm-linux-gnueabihf/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz
tar xvf gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz
sudo mv gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_arm-linux-gnueabihf /opt/
sudo vi /etc/bash.bashrc
# 添加到末尾: PATH="$PATH:/opt/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin"
source /etc/bash.bashrc
arm-linux-gnueabihf-gcc -v
sudo apt-get install device-tree-compiler我们选择将工具链放在 /opt/ 下, 也可放在任何你想要的位置. 注意对应修改 PATH 变量.
建议新建一个文件夹, 如 ~/V3S 用于存储相关的项目文件夹.
V3s 相关启动代码(ddr 内存, 时钟等初始化)似乎并没有合并到主线 U-Boot. 因此, 我们选择 荔枝派维护的 U-Boot
使用如下命令 clone 到本地
git clone https://github.com/Lichee-Pi/u-boot.git -b v3s-currentmake menuconfig 简介 采用 Makefile 构建的大型软件通常使用 menuconfig 可视化调整参数. 如下命令可以进入 menuconfig 界面, 注意需要保持命令行窗口足够大以显示 GUI 界面:
cd u-boot
make ARCH=arm menuconfig什么是 menuconfig: 是一个基于 文本界面 的配置工具, 终端的字符由文本绘制而成. make 通过读取目录下 Kconfig 文件, 并根据 Kconfig 的描述内容生成一个图形化参数配置界面. 当保存退出之后, 配置文件会保存在目录下的 .config 文件中.
- 使用上下左右方向键可移动光标, 回车进入, ESC 返回上一级菜单或退出.
- 对于 checkbox 类型配置, 使用空格键切换启用功能或禁用功能:
- [ ]/< >： 该功能未被启用。
- [*]/<*>： 该功能将被编译进内核。
- [M]： 该功能将被编译为独立的模块。
荔枝派维护的 U-Boot 主要往 U-Boot 添加了驱动代码与默认 config. 我们使用如下命令使用荔枝派给出的默认 config:
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- LicheePi_Zero_defconfig在荔枝派默认 config 基础上, 我们要做如下的修改:
最后, 我们编译 U-Boot:
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j8-j8 可自由选择编译的最大线程数. 指定为 -j 为不限制.
上文提到, U-Boot 也负责将内核加载到内存, 负责向内核传递启动参数. 具体地说, 我们需要告诉 U-Boot 将内核文件, 设备树在哪里, 需要内核加载到哪个内存地址上. 告诉内核将启动信息显示在哪里(如串口或者屏幕上),
名词解释 设备树: 描述一款 CPU 外设配置与板级硬件配置的信息. 内核中的硬件驱动会读取设备树文件. 可以暂时略过, 后文会详细讨论.
可以在 U-Boot 的 menuconfig 里设置这些启动参数, 但需要修改这些参数则需重新编译烧录 U-Boot 较为麻烦.
我们在这里不修改 boot-args 和 boot-cmd， 我们选择生成一个 boot.scr 文件， 然后直接用文件管理器复制到制定分区， 而不作为 uboot 的一部分编译到 u-boot 里。 这两个参数是环境变量， 作用是告诉 uboot 在什么地址加载内核和文件树。U-Boot 会在你的第一启动分区（fat32/exfat）中寻找boot.scr文件，作为启动参数选项。在这个文件中，可以定义一些给内核传递的参数，以及文件加载及启动的命令选项
setenv bootargs console=ttyS0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rootwait panic=10 earlyprintk rw
load mmc 0:1 0x41000000 zImage
load mmc 0:1 0x41800000 sun8i-v3s-licheepi-zero.dtb
bootz 0x41000000 - 0x41800000make menuconfig 时可能会报错 fatal error: curses.h: No such file or directory，则需要安装支持环境:
sudo apt-get install libncurses5-dev libncursesw5-dev