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_18_3
  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. Chybějící knihovny zjistíte příkazem
  97
  98        ldd _install/bin/busybox
  99
 100    Tyto knihovny musíte nakopírovat do adresáře `_install`. Na
 101    32-bitovém systému to může vypadat například takto:
 102
 103        mkdir _install/lib
 104        cp /lib/i686/cmov/libm.so.6 /lib/i686/cmov/libc.so.6 /lib/ld-linux.so.2 _install/lib
 105
 106    Na 64-bitovém systému jádro hledá pro dynamicky linkované programy
 107    "interpreter" `/lib64/ld-linux-x86-64.so.2` v adresáři `/lib64`.
 108    Vytvoříme ho jako symbolický odkaz na adresář `/lib`
 109
 110        ( cd _install && ln -s lib lib64 )
 111
 112    Nyní už můžete spustit BusyBox v chroot prostředí.
 113
 114 5. Nejjednodušší možnost jak nabootovat do právě vytvořeného
 115    uživatelského prostředí je uložit ho ve formátu pro Linuxový
 116    startovací RAM-disk a nabootovat Linux s tímto RAM-diskem.
 117
 118    Aby vše fungovalo jak má, kromě souborů v adresáři `_install` musí
 119    RAM-disk obsahovat i několik položek v adresáři `/dev` pro přístup k
 120    virtuálním terminálům.
 121
 122    1. Pokud máte root práva, použijte ke tvorbě RAM-disku následující příkazy:
 123
 124           mkdir _install/{dev,etc,proc,sys}
 125           sudo cp -a /dev/tty? _install/dev
 126           ln -s bin/busybox _install/init
 127           (cd _install; find . | cpio -o -H newc | gzip) > ramdisk
 128
 129    2. Bez rootovských práv můžete RAM-disk vytvořit pomocí nástroje
 130       [gen_init_cpio][gic].
 131
 132           (
 133           cat <<EOF
 134           dir /dev 755 0 0
 135           nod /dev/tty0 644 0 0 c 4 0
 136           nod /dev/tty1 644 0 0 c 4 1
 137           nod /dev/tty2 644 0 0 c 4 2
 138           nod /dev/tty3 644 0 0 c 4 3
 139           nod /dev/tty4 644 0 0 c 4 4
 140           slink /init bin/busybox 700 0 0
 141           dir /proc 755 0 0
 142           dir /sys 755 0 0
 143           EOF
 144
 145           find _install -mindepth 1 -type d -printf "dir /%P %m 0 0\n"
 146           find _install -type f -printf "file /%P %p %m 0 0\n"
 147           find _install -type l -printf "slink /%P %l %m 0 0\n"
 148           ) > filelist
 149
 150           gen_init_cpio filelist | gzip > ramdisk
 151
 152 [gic]:http://git.kernel.org/?p=linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git;a=blob;f=usr/gen_init_cpio.c;hb=HEAD
 153
 154 5. **Jádro Linuxu**. Příprava jádra je téměř stejná jako u BusyBoxu:
 155    stáhneme zdrojový kód, nakonfigurujeme a přeložíme. Vzhledem k
 156    rozsáhlosti jádra (zkompilované zabere na disku cca 1 GB a překlad
 157    trvá cca 20 minut) tyto kroky přeskočíme a použijeme již připravené
 158    jádro z distribuce.
 159
 160    Pokud byste si chtěli přeložit vlastní jádro, v následujícím
 161    příkazu byste za parametrem *-kernel* uvedli cestu k vámi
 162    zkompilovanému jádru.
 163
 164 6. Bootování jádra s naším filesystémem (v emulátoru):
 165
 166     Na 32-bitovém systému spustíme emulátor následovně:
 167
 168         qemu -kernel /boot/vmlinuz-2.6.26-2-686 -initrd ramdisk
 169
 170     Na 64-bitovém systému může být potřeba použít příslušnou variantu QEMU:
 171
 172         qemu-system-x86_64 -kernel /boot/vmlinuz-2.6.32-5-amd64 -initrd ramdisk
 173
 174     Pokud systém nabízí hardwarovou podporu virtualizace, je výhodné
 175     použít [KVM][kvm]. Výsledek pak běží rychleji. Například:
 176
 177         kvm -kernel /boot/vmlinuz-2.6.32-5-amd64 -initrd ramdisk
 178
 179 [kvm]:http://www.linux-kvm.org/
 180
 181 7. Pokud vše proběhlo správně, zobrazila se hláška
 182
 183         Please press Enter to activate this console.
 184
 185    Po stisku Enteru se spustí shell a můžete začít pracovat ve
 186    vašem právě vytvořeném systému.
 187
 188 Možná vylepšení
 189 ===============
 190
 191 Dále můžete provést drobná vylepšení vašeho systému, která vám mohou
 192 zjednodušit další práci.
 193
 194 1. Můžete připojit souborový systém `/proc`, aby fungovaly příkazy
 195    jako např. `ps` (výpis běžících procesů). Příkaz spusťte v
 196    emulátoru, ne na vaší pracovní stanici.
 197
 198         mount -t proc none /proc
 199
 200 2. V RAM-disku můžete vytvořit soubor `/etc/init.d/rcS`, který bude
 201    obsahovat příkazy, které budou spuštěny při bootu systému.
 202
 203         mkdir -p _install/etc/init.d
 204         cat <<EOF > _install/etc/init.d/rcS
 205         #!/bin/sh
 206         mount -t proc none /proc
 207         echo Nazdar!!!!
 208         EOF
 209         chmod +x _install/etc/init.d/rcS    # nastavení spustitelnosti
 210
 211    Nyní musíte znovu vytvořit RAM-disk a nabootovat.
 212
 213 3. Zachytávání zpráv jádra spuštěného v emulátoru QEMU do souboru
 214    je možné jejich přesměrování na virtuální sériový port.
 215    Požadavek na jeho vytvoření se předá QEMU zadáním parametru
 216
 217         qemu -serial file:/tmp/virtual_guest.log ...
 218
 219    a jádro spustíme s parametrem `console=ttyS0`
 220
 221         qemu -serial file:/tmp/virtual_guest.log -append console=ttyS0 ...
 222
 223 4. Připojení virtuálního stroje na vější síť s využitím NAT na uživatelské úrovni.
 224
 225         qemu -net nic,vlan=0,model=ne2k_pci -net user,vlan=0 ...
 226
 227 5. Pokud QEMU nebo KVM podporuje vytvoření virtio sítě Plan9 a virtuálního
 228    souborového systému, tak je možné propagovat do vnitřního systému
 229    obsah adresáře hostitelského sytému
 230
 231         qemu -virtfs local,path=shared_dir_name,security_model=none,mount_tag=shared_tag ...
 232
 233    Adresářovou strukturu lze z vnitřního systému připojit následujícími
 234    příkazy
 235
 236         modprobe virtio
 237         modprobe virtio_ring
 238         modprobe virtio_pci
 239         modprobe 9pnet
 240         modprobe 9pnet_virtio
 241         modprobe 9p
 242         mkdir -p /mnt/shareddir
 243         mount -t 9p -o trans=virtio shared_tag /mnt/shareddir
 244
 245 Další tipy a triky v oblasti virtualizace používané a odzkoušené zprávci
 246 sítě na naší katedře nalezente na [Wiki Technické Podpory (support)][support-qemu].
 247 [support-qemu]:http://support.dce.felk.cvut.cz/mediawiki/index.php/Kategorie:Virtualiza%C4%8Dn%C3%AD_stroje
 248
 249 Jaderné moduly
 250 ==============
 251
 252 Jaderné moduly jsou přeložené kusy kódu, které lze za běhu nahrávat do
 253 Linuxového jádra. Pokud bychom chtěli nalézt analogickou věc v
 254 uživatelském prostředí, pak by to byly *sdílené knihovny*. Jaderný
 255 modul může obsahovat kód ovladače zařízení, podporu určitého
 256 souborového systému, může přidávat do jádra nové funkce (např.
 257 firewall) či sloužit jako knihovna pomocných funkcí pro jiné moduly
 258 (např. libata).
 259
 260 Zdrojový kód jednoduchého jaderného modulu vypadá následovně:
 261
 262     #include <linux/init.h>
 263     #include <linux/module.h>
 264     MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
 265
 266     static int hello_init(void)
 267     {
 268         printk(KERN_ALERT "Hello, world\n");
 269         return 0;
 270     }
 271
 272     static void hello_exit(void)
 273     {
 274         printk(KERN_ALERT "Goodbye, cruel world\n");
 275     }
 276
 277     module_init(hello_init);
 278     module_exit(hello_exit);
 279 *Příklad převzat z [LDD3][LDD3].*
 280
 281 Překlad modulu provedeme pomocí jednoduchého souboru Makefile, který
 282 bude obsahovat jedinou řádku (zde předpokládáme, že výše uvedený
 283 soubor se jmenuje **khello.c**):
 284
 285     obj-m = khello.o
 286
 287 Nyní stačí zavolat `make` se správnými parametry:
 288
 289     make -C /lib/modules/$(uname -r)/build M=$(pwd) modules
 290
 291 Tímto říkáme, že příkaz `make` načte `Makefile` z adresáře se
 292 zdrojovými kódy aktuálně běžícího jádra (o který adresář se jedná
 293 můžete zjistít pomocí `readlink -f /lib/modules/$(uname -r)/build`),
 294 pomocí proměnné `M` řeknete, že se váš modul nachází v aktuálním
 295 adresáři a slovo `modules` na konci znamená, že chcete, aby se
 296 zkompilovaly pouze moduly.
 297
 298 Pokud vše dopadlo dobře, objevil se vám soubor `khello.ko`, což je
 299 modul, který můžete zavést do jádra příkazem
 300
 301     insmod khello.ko
 302
 303
 304
 305 Zadání
 306 ======
 307
 308 Vytvořte jednoduchý jaderný modul, který po zavedení do jádra vypíše
 309 vaše jméno (objeví se ve výstupu příkazu `dmesg`). Jinak nemusí dělat nic.
 310 Předveďte činnost vašeho modulu ve vámi vytvořeném systému běžícím v
 311 emulátoru.
 312
 313 Kdo se bude nudit, může zkusit rozšířit modul tak, aby se jeho jméno
 314 objevilo v souboru `/proc/myname` nebo vytvořit jednoduchý ovladač,
 315 který bude vracet vaše jméno při čtení z `/dev/myname`. Návod najdete
 316 v [tomto článku][henson_drivers] (strany 2 a 3).
 317
 318 Tipy a triky
 319 ============
 320
 321 * Pro vyvolání určitého příkazu z historie můžete použít klávesu
 322   `Ctrl-R` následovanou textem hledaného příkazu. Např:
 323
 324         <Ctrl-R>cpio<Enter>
 325
 326 * Pro rychlé kopírování textu mezi programy (např. příkazy z této stránky do shellu),
 327   můžete použít prostřední tlačítko myši. Funguje to tak, že text označíte myší
 328   (nemačkáte při tom Ctrl-C) a stiskem prostředního tlačítka myši v terminálovém
 329   okně ho vložíte na příkazovou řádku shellu. Tím, že při tom nemusíte šahat na
 330   klávesnici vám to půjde rychleji.
 331
 332 * Pokud je Qemu spouštěný přes vzdálené připojení (např. server postel),
 333   je potřeba pro zobrazení emulované obrazovky spouštěného stroje
 334   buď provést protunelování X protokolu (`ssh -X`) nebo používat Qemu
 335   s emulací obrazovky v textovém režimu `qemu -curses`. Další možnost
 336   je emulovat HW bez grafické karty `qemu -nographic` a nastavit testovaný
 337   systém tak, aby systémová konzole směřovala na sériový port.
 338
 339 Reference
 340 =========
 341
 342 * [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)
 343 * [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)
 344 * [Inside the Linux boot process](http://www.ibm.com/developerworks/linux/library/l-linuxboot/)
 345 * [The Linux Bootdisk HOWTO](http://www.tldp.org/HOWTO/Bootdisk-HOWTO/)
 346 * [Linux Loadable Kernel Module HOWTO](http://tldp.org/HOWTO/Module-HOWTO/)
 347 * [Linux Device Drivers, Third Edition][LDD3]
 348 * [Kbuild & modules](http://git.kernel.org/?p=linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git;a=blob;f=Documentation/kbuild/modules.txt;hb=HEAD)
 349 * [/dev/hello_world: A Simple Introduction to Device Drivers under Linux](henson_drivers)
 350 * [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)
 351 * [Filip Navara: Diplomová práce - Rozšíření QEMU o podporu mikrokontroléru AT91SAM7X256](http://rtime.felk.cvut.cz/hw/index.php/AT91SAM7X256)
 352 * [Aleš Kapica a další: Stránky o virtualizaci z oddělení IT K13135](https://support.dce.felk.cvut.cz/mediawiki/index.php/Kategorie:QEMU)
 353
 354 [LDD3]:http://lwn.net/Kernel/LDD3/
 355 [henson_drivers]:http://linuxdevcenter.com/pub/a/linux/2007/07/05/devhelloworld-a-simple-introduction-to-device-drivers-under-linux.html