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