cviceni/2.mdwn

   1 [[!meta title="Embedded Linux"]]
   2
   3 [[!toc]]
   4
   5 Cíl cvičení
   6 ===========
   7
   8 Cílem tohoto cvičení je prakticky si procvičit informace probírané na
   9 2. přednášce a motivovat vás ke 4. přednášce "*Linuxové jádro – vznik,
  10 vývoj, skladba a ovladače; GNU libc a uživatelský prostor*". Pokud vám
  11 nejsou jasné některé souvislosti, doporučujeme zkusit si informace
  12 vygooglovat a připravit si otázky na 4. přednášku.
  13
  14 Open source software (OSS) projekty se často nepoužívají osamoceně,
  15 ale v kombinaci s jinými OSS projekty, čímž vznikají tak tzv. OSS
  16 stacky. Asi nejznámějším stackem je LAMP – Linux, Apache, MySQL, PHP.
  17 Na dnešním cvičení se seznámíme s dalším, velmi často používaným,
  18 stackem [Linux][kenrel] + [BusyBox][bb] (+[Dropbear][dropbear] SSH
  19 server).
  20
  21 [BusyBox][bb] je sada UNIXových uživatelských nástrojů (shell, editor,
  22 utility jako ls, mkdir, …) zkompilovaná do jedné binárky. V kombinaci
  23 S jádrem Linuxu tak dostáváme kompletní operační systém s poměrně
  24 Malými nároky na paměť. Díky tomu se tato kombinace často používá ve
  25 vestavěných (embedded) aplikacích jako například
  26 [WiFi routery či ADSL modemy][owrt].
  27
  28 V tomto cvičení si zkusíte vytvořit kompletní open source operační
  29 Systém z Linuxového jádra a uživatelského prostředí tvořeného právě
  30 BusyBoxem. Dále si vyzkoušíte naprogramovat jednoduchý modul do jádra.
  31
  32 [kenrel]: http://kernel.org/
  33 [bb]:http://busybox.net/
  34 [owrt]:http://www.openwrt.org/
  35 [dropbear]:http://matt.ucc.asn.au/dropbear/dropbear.html
  36
  37 Postup
  38 ======
  39
  40 1. Stáhneme [zdrojové kódy][bbgit] projektu [BusyBox][bb]:
  41
  42        git clone git://busybox.net/busybox.git --reference /usr/src/busybox.git
  43        cd busybox
  44
  45     Protože se jedná o aktuální vývojový snapshot, je možné, že se
  46     při překladu, instalaci nebo používání vyskytne chyba. Naší výhodou
  47     však je, že máme k dispozici kompletní historii projektu
  48
  49        gitk
  50
  51     a můžeme si vybrat verzi, kde se chyba nevyskytuje. Například
  52
  53        git checkout -f 1_20_2
  54
  55 [bbgit]:http://git.busybox.net/busybox/
  56
  57 2. Zkonfigurujeme jak chceme BusyBox přeložit.
  58
  59        make menuconfig
  60
  61    Vystačíme s výchozí konfigurací, takže zvolte `Exit` a odpovězte
  62    `Yes`, že chcete konfiguraci uložit.
  63
  64 3. Kompilaci provedeme tradičně příkazem
  65
  66        make
  67
  68 4. Příkazem
  69
  70        make install
  71
  72     nainstalujeme busybox do adresáře `./_install`. Všimněte si (`ls
  73     -lR _install`), že se tam nachází pouze jedna binárka `bin/busybox`
  74     a všechno ostatní jsou pouze symbolické odkazy na tuto binárku.
  75
  76     Protože neprovádíme tzv. *křížový překlad* (cross compilation),
  77     který je běžný v případě vestavěných zařízení, můžeme výsledek
  78     hned otestovat například spuštěním shellu: `./_install/bin/sh`
  79     (ukončíme ho např. příkazem `exit`).
  80
  81     V případě skutečného vestavěného systému bychom museli pokračovat
  82     dál a busybox otestovat až po nabootování na cílovém hardwaru.
  83
  84 5. Pokud máte na svém počítači práva uživatele `root`, můžete
  85    otestovat BusyBox v [chroot prostředí][chroot], t.j. se stejným jádrem jako
  86    právě běží na vašem počítači, ale se souborovým systémem tvořeným
  87    pouze BusyBoxem:
  88
  89        # chroot _install /bin/sh
  90
  91    Fungovat to ale nebude, protože ke spuštění BusyBoxu jsou potřeba
  92    knihovny, které v nejsou v adresáři `_install` dostupné.
  93
  94 [chroot]:http://en.wikipedia.org/wiki/Chroot
  95
  96 6. Knihovny, které `busybox` potřebuje ke svému běhu, zjistíte
  97    příkazem
  98
  99        ldd _install/bin/busybox
 100
 101    Na 32-bitovém systému to může vypadat například takto:
 102
 103        linux-gate.so.1 =>       (0xffffe000)
 104        libm.so.6 => /lib/i686/cmov/libm.so.6 (0xf777c000)
 105        libc.so.6 => /lib/i686/cmov/libc.so.6 (0xf7635000)
 106        /lib/ld-linux.so.2 (0xf77aa000)
 107
 108    `linux-gate.so.1` (nebo `linux-vdso.so.1`) je virtuální knihovna,
 109    kterou poskytuje jádro Linuxu, takže o tu se starat nemusíte.
 110    Ostatní knihovny je potřeba nakopírovat do cílového systému
 111    (adresáře `_install`) například následujícím způsobem:
 112
 113        mkdir _install/lib
 114        cp /lib/i686/cmov/libm.so.6 /lib/i686/cmov/libc.so.6 /lib/ld-linux.so.2 _install/lib
 115
 116    Nezapomeňte, že v cílovém filesystému musí být i tzv. interpretr
 117    (`ld-linux`), který je na **64-bitovém systému v adresáři
 118    `/lib64`**.
 119
 120    Nyní už můžete spustit BusyBox v chroot prostředí.
 121
 122 5. Nejjednodušší možnost jak nabootovat do právě vytvořeného
 123    uživatelského prostředí je uložit ho ve formátu pro Linuxový
 124    startovací RAM-disk a nabootovat Linux s tímto RAM-diskem.
 125
 126    Aby vše fungovalo jak má, kromě souborů v adresáři `_install` musí
 127    RAM-disk obsahovat i několik položek v adresáři `/dev` pro přístup
 128    k virtuálním terminálům.
 129
 130    1. Pokud máte root práva, použijte ke tvorbě RAM-disku následující příkazy:
 131
 132           mkdir _install/{dev,etc,proc,sys}
 133           sudo cp -a /dev/tty? _install/dev
 134           ln -s bin/busybox _install/init
 135           (cd _install; find . | cpio -o -H newc | gzip) > ramdisk
 136
 137    2. Bez rootovských práv můžete RAM-disk vytvořit pomocí nástroje
 138       [gen_init_cpio][gic].
 139
 140           (
 141           cat <<EOF
 142           dir /dev 755 0 0
 143           nod /dev/tty0 644 0 0 c 4 0
 144           nod /dev/tty1 644 0 0 c 4 1
 145           nod /dev/tty2 644 0 0 c 4 2
 146           nod /dev/tty3 644 0 0 c 4 3
 147           nod /dev/tty4 644 0 0 c 4 4
 148           slink /init bin/busybox 700 0 0
 149           dir /proc 755 0 0
 150           dir /sys 755 0 0
 151           EOF
 152
 153           find _install -mindepth 1 -type d -printf "dir /%P %m 0 0\n"
 154           find _install -type f -printf "file /%P %p %m 0 0\n"
 155           find _install -type l -printf "slink /%P %l %m 0 0\n"
 156           ) > filelist
 157
 158           gen_init_cpio filelist | gzip > ramdisk
 159
 160 [gic]:http://git.kernel.org/?p=linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git;a=blob;f=usr/gen_init_cpio.c;hb=HEAD
 161
 162 5. **Jádro Linuxu**. Příprava jádra je téměř stejná jako u BusyBoxu:
 163    stáhneme zdrojový kód, nakonfigurujeme a přeložíme. Vzhledem k
 164    rozsáhlosti jádra (zkompilované zabere na disku cca 1 GB a překlad
 165    trvá cca 20 minut) tyto kroky přeskočíme a použijeme již připravené
 166    jádro z distribuce.
 167
 168    Pokud byste si chtěli přeložit vlastní jádro, v následujícím
 169    příkazu byste za parametrem *-kernel* uvedli cestu k vámi
 170    zkompilovanému jádru.
 171
 172 6. Bootování jádra s naším filesystémem (v emulátoru):
 173
 174    Na 64-bitovém systému spustíme emulátor následovně:
 175
 176        qemu-system-x86_64 -kernel /boot/vmlinuz-2.6.32-5-amd64 -initrd ramdisk
 177
 178    Na 32-bitovém systému většinou stačí zkrácený název `qemu`:
 179
 180        qemu -kernel /boot/vmlinuz-2.6.26-2-686 -initrd ramdisk
 181
 182    Pokud systém nabízí hardwarovou podporu virtualizace, je výhodné
 183    použít [KVM][kvm]. Výsledek pak běží rychleji. Například:
 184
 185        kvm -kernel /boot/vmlinuz-2.6.32-5-amd64 -initrd ramdisk
 186
 187 [kvm]:http://www.linux-kvm.org/
 188
 189 7. Pokud vše proběhlo správně, zobrazila se hláška
 190
 191        Please press Enter to activate this console.
 192
 193    Po stisku Enteru se spustí shell a můžete začít pracovat ve
 194    vašem právě vytvořeném systému.
 195
 196 Možná vylepšení
 197 ===============
 198
 199 Dále můžete provést drobná vylepšení vašeho systému, která vám mohou
 200 zjednodušit další práci.
 201
 202 1. Můžete připojit souborový systém `/proc`, aby fungovaly příkazy
 203    jako např. `ps` (výpis běžících procesů). Příkaz spusťte v
 204    emulátoru, ne na vaší pracovní stanici.
 205
 206        mount -t proc none /proc
 207
 208 2. V RAM-disku můžete vytvořit soubor `/etc/init.d/rcS`, který bude
 209    obsahovat příkazy, které budou spuštěny při bootu systému.
 210
 211        mkdir -p _install/etc/init.d
 212        cat <<EOF > _install/etc/init.d/rcS
 213        #!/bin/sh
 214        mount -t proc none /proc
 215        echo Nazdar!!!!
 216        EOF
 217        chmod +x _install/etc/init.d/rcS    # nastavení spustitelnosti
 218
 219    Nyní musíte znovu vytvořit RAM-disk a nabootovat.
 220
 221 3. Zachytávání zpráv jádra spuštěného v emulátoru QEMU do souboru
 222    je možné jejich přesměrování na virtuální sériový port.
 223    Požadavek na jeho vytvoření se předá QEMU zadáním parametru
 224
 225        qemu -serial file:/tmp/virtual_guest.log ...
 226
 227    a jádro spustíme s parametrem `console=ttyS0`
 228
 229        qemu -serial file:/tmp/virtual_guest.log -append console=ttyS0 ...
 230
 231 4. Pokud chcete z vašeho systému komunikovat po síti, připojte ho na
 232    vnější síť s využitím NAT na uživatelské úrovni:
 233
 234        qemu -net nic,vlan=0,model=ne2k_pci -net user,vlan=0 ...
 235
 236 5. Pokud QEMU nebo KVM podporuje vytvoření virtio sítě Plan9 a virtuálního
 237    souborového systému, tak je možné propagovat do vnitřního systému
 238    obsah adresáře hostitelského systému:
 239
 240        qemu -virtfs local,path=shared_dir_name,security_model=none,mount_tag=shared_tag ...
 241
 242    Adresářovou strukturu lze z vnitřního systému připojit následujícími
 243    příkazy
 244
 245        modprobe virtio
 246            modprobe virtio_ring
 247            modprobe virtio_pci
 248            modprobe 9pnet
 249            modprobe 9pnet_virtio
 250            modprobe 9p
 251            mkdir -p /mnt/shareddir
 252            mount -t 9p -o trans=virtio shared_tag /mnt/shareddir
 253
 254 Další tipy a triky v oblasti virtualizace používané a odzkoušené zprávci
 255 sítě na naší katedře nalezente na [Wiki Technické Podpory (support)][support-qemu].
 256 [support-qemu]:http://support.dce.felk.cvut.cz/mediawiki/index.php/Kategorie:Virtualiza%C4%8Dn%C3%AD_stroje
 257
 258 Jaderné moduly
 259 ==============
 260
 261 Jaderné moduly jsou přeložené kusy kódu, které lze za běhu nahrávat do
 262 Linuxového jádra. Pokud bychom chtěli nalézt analogickou věc v
 263 uživatelském prostředí, pak by to byly *sdílené knihovny*. Jaderný
 264 modul může obsahovat kód ovladače zařízení, podporu určitého
 265 souborového systému, může přidávat do jádra nové funkce (např.
 266 firewall) či sloužit jako knihovna pomocných funkcí pro jiné moduly
 267 (např. libata).
 268
 269 Zdrojový kód jednoduchého jaderného modulu vypadá následovně:
 270
 271     #include <linux/init.h>
 272     #include <linux/module.h>
 273     MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
 274
 275     static int hello_init(void)
 276     {
 277         printk(KERN_ALERT "Hello, world\n");
 278         return 0;
 279     }
 280
 281     static void hello_exit(void)
 282     {
 283         printk(KERN_ALERT "Goodbye, cruel world\n");
 284     }
 285
 286     module_init(hello_init);
 287     module_exit(hello_exit);
 288 *Příklad převzat z [LDD3][LDD3].*
 289
 290 Překlad modulu provedeme pomocí jednoduchého souboru Makefile, který
 291 bude obsahovat jedinou řádku (zde předpokládáme, že výše uvedený
 292 soubor se jmenuje **khello.c**):
 293
 294     obj-m = khello.o
 295
 296 Nyní stačí zavolat `make` se správnými parametry:
 297
 298     make -C /lib/modules/$(uname -r)/build M=$(pwd) modules
 299
 300 Tímto říkáme, že příkaz `make` načte `Makefile` z adresáře se
 301 zdrojovými kódy aktuálně běžícího jádra (o který adresář se jedná
 302 můžete zjisti pomocí `readlink -f /lib/modules/$(uname -r)/build`),
 303 pomocí proměnné `M` řeknete, že se váš modul nachází v aktuálním
 304 adresáři a slovo `modules` na konci znamená, že chcete, aby se
 305 zkompilovaly pouze moduly.
 306
 307 Pokud vše dopadlo dobře, objevil se vám soubor `khello.ko`, což je
 308 modul, který můžete zavést do jádra příkazem
 309
 310     insmod khello.ko
 311
 312
 313
 314 Zadání
 315 ======
 316
 317 Vytvořte jednoduchý jaderný modul, který po zavedení do jádra vypíše
 318 vaše jméno (objeví se ve výstupu příkazu `dmesg`). Jinak nemusí dělat nic.
 319 Předveďte činnost vašeho modulu ve vámi vytvořeném systému běžícím v
 320 emulátoru.
 321
 322 Kdo se bude nudit, může zkusit rozšířit modul tak, aby se jeho jméno
 323 objevilo v souboru `/proc/myname` nebo vytvořit jednoduchý ovladač,
 324 který bude vracet vaše jméno při čtení z `/dev/myname`. Návod najdete
 325 v [tomto článku][henson_drivers] (strany 2 a 3).
 326
 327 Tipy a triky
 328 ============
 329
 330 * Pro vyvolání určitého příkazu z historie můžete použít klávesu
 331   `Ctrl-R` následovanou textem hledaného příkazu. Např:
 332
 333       <Ctrl-R>cpio<Enter>
 334
 335 * Pro rychlé kopírování textu mezi programy (např. příkazy z této stránky do shellu),
 336   můžete použít prostřední tlačítko myši. Funguje to tak, že text označíte myší
 337   (nemačkáte při tom Ctrl-C) a stiskem prostředního tlačítka myši v terminálovém
 338   okně ho vložíte na příkazovou řádku shellu. Tím, že při tom nemusíte šahat na
 339   klávesnici vám to půjde rychleji.
 340
 341 * Pokud je Qemu spouštěný přes vzdálené připojení (např. server postel),
 342   je potřeba pro zobrazení emulované obrazovky spouštěného stroje
 343   buď provést protunelování X protokolu (`ssh -X`) nebo používat Qemu
 344   s emulací obrazovky v textovém režimu `qemu -curses`. Další možnost
 345   je emulovat HW bez grafické karty `qemu -nographic` a nastavit testovaný
 346   systém tak, aby systémová konzole směřovala na sériový port
 347   (`-append console=ttyS0`).
 348
 349 Reference
 350 =========
 351
 352 * [ramfs, rootfs and initramfs](http://git.kernel.org/?p=linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git;a=blob;f=Documentation/filesystems/ramfs-rootfs-initramfs.txt;hb=HEAD)
 353 * [Early userspace support](http://git.kernel.org/?p=linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git;a=blob;f=Documentation/early-userspace/README;hb=HEAD)
 354 * [Inside the Linux boot process](http://www.ibm.com/developerworks/linux/library/l-linuxboot/)
 355 * [The Linux Bootdisk HOWTO](http://www.tldp.org/HOWTO/Bootdisk-HOWTO/)
 356 * [Linux Loadable Kernel Module HOWTO](http://tldp.org/HOWTO/Module-HOWTO/)
 357 * [Linux Device Drivers, Third Edition][LDD3]
 358 * [Kbuild & modules](http://git.kernel.org/?p=linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git;a=blob;f=Documentation/kbuild/modules.txt;hb=HEAD)
 359 * [/dev/hello_world: A Simple Introduction to Device Drivers under Linux](henson_drivers)
 360 * [Rostislav Lisový: Diplomová práce - Rozšíření QEMU o podporu PCI I/O karty a tvorba ovladačů](http://rtime.felk.cvut.cz/hw/index.php/Humusoft_MF6xx)
 361 * [Filip Navara: Diplomová práce - Rozšíření QEMU o podporu mikrokontroléru AT91SAM7X256](http://rtime.felk.cvut.cz/hw/index.php/AT91SAM7X256)
 362 * [Aleš Kapica a další: Stránky o virtualizaci z oddělení IT K13135](https://support.dce.felk.cvut.cz/mediawiki/index.php/Kategorie:QEMU)
 363
 364 [LDD3]:http://lwn.net/Kernel/LDD3/
 365 [henson_drivers]:http://linuxdevcenter.com/pub/a/linux/2007/07/05/devhelloworld-a-simple-introduction-to-device-drivers-under-linux.html
 366
 367 <!-- TODO pro pristi rok: At si najdou kde stahnout busybox sami.
 368 Zakladni uloha jen za 3 body, za dalsi dva body uloha bez navodu: dame
 369 jim binarku, ktera bude chctit sdilenou knihovnu a tu budou muset
 370 napsat. -->