樹莓派4 嵌入式Linux開發過程詳解

1.概述

2.開發環境概述

2.1 安裝虛擬機環境

2.2 樹莓派開發環境搭建

3.交叉編譯工具的安裝與uboot的編譯

3.1 安裝arm 64位交叉編譯環境

3.2 編譯樹莓派上的uboot

3.3 將u-boot放到樹莓派上運行

4.樹莓派4b上的Linux編譯和下載

4.1 編譯樹莓派Linux源代碼

4.2 將編譯好的Linux固件運行

5.根文件使用

5.1 uboot中設置啟動項

5.2 插入SD卡掛在到虛擬機上

5.3 修改文件腳本

6.小結

1.概述

在這篇文章中，將會通過樹莓派4的Linux的啟動過程，描述如何進行嵌入式Linux系統開發的思路。通過樹莓派4B的啟動流程，看到一個Linux啟動過程，同時，通過一步一步搭建一個完整的樹莓派嵌入式Linux開發環境，來指導分析各部分的開發過程。

通過對本文的閱讀，可以掌握一些嵌入式Linux開發和環境搭建的方法，也能夠對樹莓派4的運行流程以及Linux的運行流程有一個大致的了解，從romboot--》uboot--》kernel--》rootfs整個運行流程有了比較清楚的了解后，再去學習linux以及嵌入式底層，將會更加的清晰。

2.開發環境概述

嵌入式軟件是獨特的，它需要利用PC機編譯嵌入式平臺可以運行的機器碼，這樣就需要借助交叉編譯工具鏈進行。在進行Linux的開發工作時，都會利用宿主機進行交叉編譯后，將生成的目標代碼下載到機器上運行。

一般來說，開發板和PC的連接渠道是串口和網線，UART可以看到基本的調試信息，而網線則可以用來將板子和電腦進行文件傳輸。

串口連接如下：

網線的連接一般可以將樹莓派和PC都在同一個網段下。

當在同一個網段內進行開發時，比較的方便。做嵌入式Linux開發，使用Linux比較方便。由于大部分學習和工作都是在windows下，所以這里可以在Ubuntu下裝一個虛擬機進行開發工作。

2.1 安裝虛擬機環境

在windows上的虛擬機環境可以安裝VMware Workstation 16 Player或者Oracle VM VirtualBox。

2.1.1 鏡像下載

比如VMware Workstation 16 Player這個軟件，然后從ubuntu的官方下載特定版本。

可以從國內鏡像下載，這樣比較快。

選擇特定的版本進行安裝

下一步開始安裝ubuntu20.04

然后設置用戶名和密碼

選擇虛擬機硬盤空間的大小，為了方便使用，這里設置40G空間。

接著點擊完成開始安裝。

等一段時間后，會進入自動安裝的界面，全程無需干預。

完成安裝后，會自動啟動。

2.1.2 必要軟件包的安裝

下面列出了需要安裝的軟件包

gitsudo apt install git用于代碼管理，代碼下載

net-toolssudo apt install net-tools提供ifconfig等功能

vimsudo apt install vim文本編輯工具

tftpsudo apt install tftpd-hpa可以通過tftp與樹莓派之間傳輸文件

nfssudo apt install nfs-kernel-server可以提供網絡共享文件

軟件名稱安裝命令說明

git

首先安裝git

sudo apt install git

為了管理工程，首先需要創建一個Github的賬號，然后配置git的用戶名和密碼。

git config --global user.name “YOUR_FIRST_NAME YOUR_LAST_NAME” git config --global user.email “YOUR_GIT_ASSOCIATED_EMAIL”

net-tools

輸入下面的命令可以進行安裝工作

sudo apt install net-tools

要確保網絡環境在一個網段，那么就需要設置網卡為橋接模式。

需要注意的是在選擇網絡適配器時，選擇自己的網卡。

在Ubuntu上輸入ifconfig，并且在window上輸入ipconfig。只要前面的網段一樣，最后不一樣即可。這樣就可以進行下一步的工作了。

tftp

TFTP （Trivial File Transfer Protocol） 是一個簡化版的FTP，適合用于簡潔的場景，比如嵌入式開發的時候向下位機傳輸文件。

安裝tftp的目的是方便開發，在樹莓派上，存儲介質是SD卡，如果每次編譯完成后，都需要插拔SD卡，然后將Linux的固件進行安裝，這樣非常的麻煩，這里可以采用uboot通過tftp加載Linux的固件的方式進行加載。

安裝過程如下：

首先安裝復位程序

sudo apt install tftpd-hpa sudo apt install tftp-hpa

檢查服務器的運行狀態

sudo systemctl status tftpd-hpa

打開配置文件

sudo vim /etc/default/tftpd-hpa

編輯的內容如下：

TFTP_USERNAME=“tftp” #tftpd程序使用的賬戶 TFTP_DIRECTORY=“/srv/tftp” #目錄 TFTP_ADDRESS=“：69” #端口 TFTP_OPTIONS=“--secure --create” #--secure 不設置會有跨目錄的問題 --create是要自己添加的，給客戶端寫入數據的權力

設置訪問目錄的權限

sudo chown tftp:tftp /srv/tftp

重啟tftp服務器

sudo systemctl restart tftpd-hpa

本地測試tftp服務器

1.首先在/srv/tftp目錄中新建一個abc.txt文件。

sudo vim /srv/tftp/abc.txt

2.輸入tftp 127.0.0.1

出現上述的現象，表示測試成功。

遠程測試

需要保證tftp服務器沒有問題，可以在windows上下載一個Tftp64的軟件。打開后選擇tftp client選擇傳輸的文件即可。

選擇put按鈕，彈出下面的命令表示成功。如果不成功，需要注意電腦防火墻的設置問題。

檢查tftp服務器中的文件，可以正常的見到文件，表示tftp環境搭建成功。

nfs

安裝nfs目的是一旦開發Linux上的應用程序時，不希望頻繁的傳輸文件，每次在宿主機上編譯好應用程序后，直接拷貝到本地目錄，嵌入式平臺上的Linux可以通過nfs文件系統訪問到宿主機上剛編譯好的程序，這樣更加的方便Linux的應用程序的開發工作。

sudo apt install nfs-kernel-server

然后創建一個nfs的共享目錄，用于存放共享文件。

sudo mkdir /opt/nfs

修改配置文件

sudo vim /etc/exports /opt/nfs 10.1.1.* （rw，async，root_squash）

編輯/etc/exports中的文件如下：

其中10.1.1.*為自己網段的地址信息。

最后重啟nfs即可

sudo systemctl restart nfs-kernel-server

測試nfs的安裝情況

安裝完成后，可以進行nfs客戶端的安裝

sudo apt install nfs-common

然后創建一個本地的文件夾目錄

sudo mkdir -p /opt/nfs-client

最后掛載即可

sudo mount -t nfs 10.1.1.160:/opt/nfs /opt/nfs-client

當在/opt/nfs下創建一個文件，/opt/nfs-client目錄同樣可以看到，表示成功。

2.2 樹莓派開發環境搭建

2.2.1 硬件連接

樹莓派4上的實際硬件引腳分布如上圖所示，其中需要連接串口RX、TX、GND。

準備一個8g以上的SD卡，然后打開Raspberry Pi Imager，選擇樹莓派鏡像燒錄進去。

進行這一步的目的，是因為樹莓派啟動流程需要從SD卡中加載第一階段的啟動文件。

默認情況下，燒錄的固件，連接上串口后是沒有輸出的，需要自己修改sd卡中的config.txt文件。在末尾加上下面的一句話即可。

enable_uart=1

這樣通過mobaxterm工具打開串口，并且連接上電源后，可以看到如下的輸出

接著輸入用戶名，密碼如下

raspberrypi login:pi Password:raspberry

這樣就可以使用默認的樹莓派4串口調試功能了。

2.2.2 樹莓派4b啟動流程分析

簡述一下樹莓派4b的啟動流程是，上電后，樹莓派會自動加載位于SD卡文件中的bootcode.bin文件，該文件是加載到樹莓派的GPU中運行，該程序初始化PLL，DDR等，接著讀取SD卡文件中的start4.elf文件去執行，該文件執行過程中，會讀取config.txt文件，根據配置腳本選擇可以執行的固件。

往往做嵌入式開發，其底層的啟動邏輯是要非常清晰的，這樣才能在任何情況下梳理清楚問題所在，從而確保硬件和軟件層面上的一致性。

上圖基本上展示了一個通用的嵌入式Linux的啟動流程，每一個階段的特點和功能點都有著很好的描述。

而樹莓派4b上的Broadcom BCM2711的啟動遵循以下的流程。

第一階段的bootloader：

第一階段的BootROM一般是固化在芯片的內部，在GPU中執行，此時ARM核處于復位狀態。

樹莓派4b的BootROM通過EEPROM加載進來，4b之前都是SD卡上的bootcode.bin文件。

第二階段的bootloader：

這一階段的boot固件的加載方式都是從SD卡、網絡、USB等等。

在樹莓派4上，使用的是SD卡中的start.elf二進制文件。

start.elf文件去SD的文件系統中找到config.txt文件，然后根據里面的信息處理boot流程。

這篇文章中，主要修改config.txt配置文件，進行uboot的啟動流程。

3.交叉編譯工具的安裝與uboot的編譯

3.1 安裝arm 64位交叉編譯環境

因為需要編譯64位的程序，所以這里需要安裝arm的64位交叉編譯環境。

https://www.linaro.org/downloads/

從上面的網站中進去

建議下載gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu.tar.xz。

下載完成后，放到指定的目錄。

#創建一個文件夾 sudo mkdir -p /opt/linaro #解壓到指定的文件夾路徑 sudo tar -xvf gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu.tar -C /opt/linaro

更新環境變量

sudo vim ~/.bashrc

在末尾添加如下的

alias crosscompiler=‘export KERNEL=kernel8;export ARCH=arm64;export CROSS_COMPILE=/opt/linaro/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin/aarch64-linux-gnu-’

更新環境

source ~/.bashrc

3.2 編譯樹莓派上的uboot

首先需要下載代碼

git clone https://github.com/u-boot/u-boot.git

正常的下載完成圖如下：

接著切換分支，然后開始編譯。

cd u-boot git checkout v2020.04-rc3

在編譯之前，首先需要安裝編譯必備的程序

sudo apt install u-boot-tools bison bc make flex libssl-dev ncurses-*

安裝完成后，執行

crosscompiler

該命令為環境變量中定義的命令，可以設置環境變量。

make rpi_4_defconfig

直接采用默認的配置編譯即可。

make -j $（nproc）

編譯完成后的uboot.bin文件就是可以直接在樹莓派4b上執行的程序。

3.3 將u-boot放到樹莓派上運行

到這一步就可以將編譯好的u-boot程序放到樹莓派4b上運行了。

將樹莓派的SD卡插到電腦上，通過將SD卡中的config.txt重新命令為config.txt.bak。并且新建config.txt。

arm_control=0x200 kernel=u-boot.bin dtoverlay=disable-bt

這三行的意思是

arm_control=0x200 #因為樹莓派4b支持的是64位的架構，這里用來表示運行64位程序

使用uboot

kernel=u-boot.bin # kernel表示運行的固件

使能串口

dtoverlay=disable-bt #樹莓派4設計的時候，如果打開了串口調試，則藍牙無法使用

將SD卡插入電腦，可以看到uboot正常的啟動。

4.樹莓派4b上的Linux編譯和下載

4.1 編譯樹莓派Linux源代碼

目前已經完成了樹莓派4b的uboot功能，接下來開始編譯樹莓派的Linux kernel了。

樹莓派單獨有維護Linux的代碼分支，可以通過下面的命令進行下載。

git clone --branch rpi-5.6.y https://github.com/raspberrypi/linux

進入Linux的目錄

創建一個新的目錄存放編譯好的固件

mkdir rpi_hw

開始編譯

make O=rpi_hw bcm2711_defconfig

去掉MMC/SD/SDIO驅動

make O=rpi_hw menuconfig

進入Device Driver選擇去掉MMC/SD/SDIO card support。

保存配置后，就可以編譯了。

make O=rpi_hw -j $（nproc）

為什么要去掉MMC/SD/SDIO驅動？

這是因為需要編譯從網絡啟動的驅動，所以不需要在樹莓派的SD卡里面進行操作。

編譯完成后，可以在rpi_hw/arch/arm64/boot中找到編譯好的文件。

將編譯完成的Linux內核文件放到

sudo cp rpi_hw/arch/arm64/boot/Image /srv/tftp/

4.2 將編譯好的Linux固件運行

在將編譯好的固件通過uboot加載到RAM中運行的期間，首先需要明白樹莓派4b內存的分布情況。

通過uboot中的bdinfo命令，可以看到樹莓派4b上有兩塊bank，第一塊bank在0x00000000，第二塊在0x40000000。

而樹莓派4b，當從SD卡中加載Image文件時，加載到DRAM的0x8000的地址處開始運行。

當然，地址也可以在uboot中設置，Linux會重新將代碼重定位。

此時，需要在uboot中設置啟動信息了。

首先設置uboot的靜態ip地址

setenv ipaddr 10.1.1.100 #設置開發板的靜態地址（自定義） setenv serverip 10.1.1.160 #設置服務器的地址 setenv netmask 255.255.255.0 saveenv reset

上述操作設置了ip地址接下來設置啟動

setenv kernel_addr_r 0x8000 setenv kernel Image setenv netboot ‘tftp ${kernel_addr_r} ${kernel} && booti ${kernel_addr_r} - ${fdtcontroladdr}’ setenv bootcmd ‘run netboot’ setenv bootargs ‘console=ttyAMA0’ saveenv reset

可以顯示如下：

最后啟動后報錯

這個很正常，目前沒有rootfs。但是現在Linux的內核可以正常的加載和調試了。

下面來掛在rootfs。

5.根文件使用

關于通用根文件系統的制作過程，這篇文章就不提了，現在主要描述如何使用。

5.1 uboot中設置啟動項

首先在uboot中設置路徑。

setenv nfsroot /opt/nfs/

設置啟動參數

setenv bootargs “console=ttyAMA0，115200 root=/dev/nfs rw nfsroot=${serverip}：${nfsroot}，v3，tcp ip=$ipaddr：$serverip：：$netmask:off”

保存配置

saveenv

5.2 插入SD卡掛在到虛擬機上

首先將U盤掛載到虛擬機上

可以看到出現兩個磁盤

其中：

rootfs為Linux根文件系統

boot為可以在windows上訪問的ext32文件

可以將rootfs里的文件全部拷貝到/opt/nfs/

sudo cp * /opt/nfs/ -R

在/opt/nfs目錄下，新建一個file的文件夾，把boot里面的文件全部拷貝進去即可

sudo mkdir -p /opt/nfs/file sudo cp * /opt/nfs/file/

5.3 修改文件腳本

需要修改

sudo vim etc/fstab

新增如下文件

10.1.1.160:/opt/nfs/file /boot nfs defaults，vers=4.1，proto=tcp 0 0

其目的是將默認的兩個項列表屏蔽掉，只需要掛載nfs里面的文件系統即可。

改完后，插上SD卡，就可以正常從tftp中獲取Linux的內核固件，并且能夠從nfs文件系統中掛載根文件系統了。

如果發現需要密碼，或者密碼忘記了，可以進入

cd /opt/nfs/ sudo vim /etc/passwd

將中間的x刪掉。

在Linux中，默認x表示需要密碼進入。

6.小結

本文從樹莓派整個Linux系統的環境搭建和樹莓派的啟動進行一定的分析。對樹莓派的boot、u-boot加載Linux的kernel，以及掛載nfs文件系統做了一些實驗。

最后的自己制作根文件系統的部分，采用了樹莓派默認的根文件系統，如果需要自己裁剪制作，可以進行定制操作。

整個嵌入式Linux開發和環境搭建過程都可以在樹莓派4b上很好的進行測試，萬變不離其宗，掌握了嵌入式開發的流程和工具，做應用和做驅動開發都十分的方便和高效。

由于時間關系，當前還有一些實驗沒有完成，比如Linux上的應用開發，還有驅動開發等等，還有jlink調試等等。

樹莓派4b上學習Linux的使用和啟動非常的方便，價格也非常的合理，是一塊不錯的開發平臺。

原文標題：樹莓派4 嵌入式Linux開發過程詳解

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責任編輯：haq