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. Stáhněte si zdrojové kódy z git repozitáře projektu [BusyBox][]
  40    (adresu repozitáře si najděte sami).
  41
  42        git clone ...
  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_22_0
  54
  55 2. Zkonfigurujeme jak chceme BusyBox přeložit.
  56
  57        make menuconfig
  58
  59    Vystačíme s výchozí konfigurací, takže zvolte `Exit` a odpovězte
  60    `Yes`, že chcete konfiguraci uložit.
  61
  62 3. Kompilaci provedeme tradičně příkazem
  63
  64        make
  65
  66 4. Příkazem
  67
  68        make install
  69
  70     nainstalujeme busybox do adresáře `./_install`. Všimněte si (`ls
  71     -lR _install`), že se tam nachází pouze jedna binárka `bin/busybox`
  72     a všechno ostatní jsou pouze symbolické odkazy na tuto binárku.
  73
  74     Protože neprovádíme tzv. *křížový překlad* (cross compilation),
  75     který je běžný v případě vestavěných zařízení, můžeme výsledek
  76     hned otestovat například spuštěním shellu: `./_install/bin/sh`
  77     (ukončíme ho např. příkazem `exit`).
  78
  79     V případě skutečného vestavěného systému bychom museli pokračovat
  80     dál a busybox otestovat až po nabootování na cílovém hardwaru.
  81
  82 5. Pokud máte na svém počítači práva uživatele `root`, můžete
  83    otestovat BusyBox v [chroot prostředí][chroot], t.j. se stejným jádrem jako
  84    právě běží na vašem počítači, ale se souborovým systémem tvořeným
  85    pouze BusyBoxem:
  86
  87        # chroot _install /bin/sh
  88
  89    Fungovat to ale nebude, protože ke spuštění BusyBoxu jsou potřeba
  90    knihovny, které v nejsou v adresáři `_install` dostupné.
  91
  92 [chroot]:http://en.wikipedia.org/wiki/Chroot
  93
  94 6. Knihovny, které `busybox` potřebuje ke svému běhu, zjistíte
  95    příkazem
  96
  97        ldd _install/bin/busybox
  98
  99    Na 32-bitovém systému to může vypadat například takto:
 100
 101        linux-gate.so.1 =>       (0xffffe000)
 102        libm.so.6 => /lib/i686/cmov/libm.so.6 (0xf777c000)
 103        libc.so.6 => /lib/i686/cmov/libc.so.6 (0xf7635000)
 104        /lib/ld-linux.so.2 (0xf77aa000)
 105
 106    `linux-gate.so.1` (nebo `linux-vdso.so.1`) je virtuální knihovna,
 107    kterou poskytuje jádro Linuxu, takže o tu se starat nemusíte.
 108    Ostatní knihovny je potřeba nakopírovat do cílového systému
 109    (adresáře `_install`) například následujícím způsobem:
 110
 111        mkdir _install/lib
 112        cp /lib/i686/cmov/libm.so.6 /lib/i686/cmov/libc.so.6 /lib/ld-linux.so.2 _install/lib
 113
 114    Nezapomeňte, že v cílovém filesystému musí být i tzv. interpretr
 115    (`ld-linux`), který je na **64-bitovém systému v adresáři
 116    `/lib64`**.
 117
 118    Nyní už můžete spustit BusyBox v chroot prostředí.
 119
 120 5. Nejjednodušší možnost jak nabootovat do právě vytvořeného
 121    uživatelského prostředí je uložit ho ve formátu pro Linuxový
 122    startovací RAM-disk a nabootovat Linux s tímto RAM-diskem.
 123
 124    Aby vše fungovalo jak má, kromě souborů v adresáři `_install` musí
 125    RAM-disk obsahovat i několik položek v adresáři `/dev` pro přístup
 126    k virtuálním terminálům.
 127
 128    1. Pokud máte *rootovská* práva, použijte ke tvorbě RAM-disku
 129       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       Nejprve vytvoříme seznam souborů (`filelist`), které má ramdisk
 160       obsahovat. Nástroj `gen_init_cpio` pak podle toho seznamu
 161       vytvoří obraz ramdisku, který "zazipujeme" příkazem `gzip` a
 162       uložíme do souboru `ramdisk`.
 163
 164 [gic]:http://git.kernel.org/?p=linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git;a=blob;f=usr/gen_init_cpio.c;hb=HEAD
 165
 166 5. **Jádro Linuxu**. Příprava jádra je téměř stejná jako u BusyBoxu:
 167    stáhneme zdrojový kód, nakonfigurujeme a přeložíme. Vzhledem k
 168    rozsáhlosti jádra (zkompilované zabere na disku cca 1 GB a překlad
 169    trvá cca 20 minut) tyto kroky přeskočíme a použijeme již připravené
 170    jádro z distribuce.
 171
 172    Pokud byste si chtěli přeložit vlastní jádro, v následujícím
 173    příkazu byste za parametrem *-kernel* uvedli cestu k vámi
 174    zkompilovanému jádru.
 175
 176 6. Bootování jádra s naším filesystémem (v emulátoru):
 177
 178    Na 64-bitovém systému spustíme emulátor následovně:
 179
 180        qemu-system-x86_64 -kernel /boot/vmlinuz-3.2.0-4-amd64 -initrd ramdisk
 181
 182    Na 32-bitovém systému většinou stačí zkrácený název `qemu`:
 183
 184        qemu -kernel /boot/vmlinuz-2.6.26-2-686 -initrd ramdisk
 185
 186    Pokud systém nabízí hardwarovou podporu virtualizace, je výhodné
 187    použít [KVM][kvm]. Výsledek pak běží rychleji. Například:
 188
 189        kvm -kernel /boot/vmlinuz-3.2.0-4-amd64 -initrd ramdisk
 190
 191 [kvm]:http://www.linux-kvm.org/
 192
 193 7. Pokud vše proběhlo správně, zobrazila se hláška
 194
 195        Please press Enter to activate this console.
 196
 197    Po stisku Enteru se spustí shell a můžete začít pracovat ve
 198    vašem právě vytvořeném systému.
 199
 200 Možná vylepšení
 201 ===============
 202
 203 Dále můžete provést drobná (či větší) vylepšení svého nového systému,
 204 která vám mohou zjednodušit další práci.
 205
 206 1. Můžete připojit souborový systém `/proc`, aby fungovaly příkazy
 207    jako např. `ps` (výpis běžících procesů). Příkaz spusťte
 208    v emulátoru, ne na vaší pracovní stanici.
 209
 210        mount -t proc none /proc
 211
 212 2. V RAM-disku můžete vytvořit soubor `/etc/init.d/rcS`, který bude
 213    obsahovat příkazy, které budou spuštěny při bootu systému.
 214
 215        mkdir -p _install/etc/init.d
 216        cat <<EOF > _install/etc/init.d/rcS
 217        #!/bin/sh
 218        mount -t proc none /proc
 219        echo Nazdar!!!!
 220        EOF
 221        chmod +x _install/etc/init.d/rcS    # nastavení spustitelnosti
 222
 223    Nyní musíte znovu vytvořit RAM-disk a nabootovat.
 224
 225 3. Zachytávání zpráv jádra spuštěného v emulátoru QEMU do souboru.
 226    Zprávy jádra je možné přesměrovat na virtuální sériový port a
 227    odtamtud pak například na standardní výstup:
 228
 229        qemu -serial stdio ...
 230
 231    a jádru předáme parametr `console=ttyS0`
 232
 233        qemu -serial stdio -append console=ttyS0 ...
 234
 235 4. Pokud chcete z vašeho systému komunikovat po síti, připojte ho na
 236    vnější síť pomocí <abbr title="Network Address
 237    Translation">NAT</abbr> na uživatelské úrovni:
 238
 239        qemu -net nic,vlan=0,model=ne2k_pci -net user,vlan=0 ...
 240
 241 5. Pokud QEMU nebo KVM podporuje vytvoření virtio sítě Plan9 a virtuálního
 242    souborového systému, tak je možné propagovat do vnitřního systému
 243    obsah adresáře hostitelského systému:
 244
 245        qemu -virtfs local,path=shared_dir_name,security_model=none,mount_tag=shared_tag ...
 246
 247    Adresářovou strukturu lze z vnitřního systému připojit následujícími
 248    příkazy
 249
 250        modprobe virtio
 251            modprobe virtio_ring
 252            modprobe virtio_pci
 253            modprobe 9pnet
 254            modprobe 9pnet_virtio
 255            modprobe 9p
 256            mkdir -p /mnt/shareddir
 257            mount -t 9p -o trans=virtio shared_tag /mnt/shareddir
 258
 259 Další tipy a triky v oblasti virtualizace používané a odzkoušené zprávci
 260 sítě na naší katedře nalezente na [Wiki Technické Podpory (support)][support-qemu].
 261 [support-qemu]:http://support.dce.felk.cvut.cz/mediawiki/index.php/Kategorie:Virtualiza%C4%8Dn%C3%AD_stroje
 262
 263 Jaderné moduly
 264 ==============
 265
 266 Jaderné moduly jsou přeložené kusy kódu, které lze za běhu nahrávat do
 267 Linuxového jádra. Pokud bychom chtěli nalézt analogickou věc v
 268 uživatelském prostředí, pak by to byly *sdílené knihovny*. Jaderný
 269 modul může obsahovat kód ovladače zařízení, podporu určitého
 270 souborového systému, může přidávat do jádra nové funkce (např.
 271 firewall) či sloužit jako knihovna pomocných funkcí pro jiné moduly
 272 (např. libata).
 273
 274 Zdrojový kód jednoduchého jaderného modulu vypadá následovně:
 275
 276     #include <linux/init.h>
 277     #include <linux/module.h>
 278     MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
 279
 280     static int hello_init(void)
 281     {
 282         printk(KERN_ALERT "Hello, world\n");
 283         return 0;
 284     }
 285
 286     static void hello_exit(void)
 287     {
 288         printk(KERN_ALERT "Goodbye, cruel world\n");
 289     }
 290
 291     module_init(hello_init);
 292     module_exit(hello_exit);
 293 *Příklad převzat z [LDD3][LDD3].*
 294
 295 Překlad modulu provedeme pomocí jednoduchého souboru Makefile, který
 296 bude obsahovat jedinou řádku (zde předpokládáme, že výše uvedený
 297 soubor se jmenuje **khello.c**):
 298
 299     obj-m = khello.o
 300
 301 Nyní stačí zavolat `make` se správnými parametry:
 302
 303     make -C /lib/modules/$(uname -r)/build M=$(pwd) modules
 304
 305 Tímto říkáme, že příkaz `make` načte `Makefile` z adresáře se
 306 zdrojovými kódy aktuálně běžícího jádra (o který adresář se jedná
 307 můžete zjisti pomocí `readlink -f /lib/modules/$(uname -r)/build`),
 308 pomocí proměnné `M` řeknete, že se váš modul nachází v aktuálním
 309 adresáři a slovo `modules` na konci znamená, že chcete, aby se
 310 zkompilovaly pouze moduly.
 311
 312 Pokud vše dopadlo dobře, objevil se vám soubor `khello.ko`, což je
 313 modul, který můžete zavést do jádra příkazem
 314
 315     insmod khello.ko
 316
 317
 318
 319 Zadání
 320 ======
 321
 322 1. Stáhněte si [[tento program|magic]] ([[32-bitová verze|magic32]]) a
 323    zprovozněte ho ve vámi vytvořeném systému. Zprovoznění znamená, že
 324    po spuštění program nevypíše žádnou chybu. Nezapomeňte nastavit
 325    práva pro spouštění příkazem `chmod +x`.
 326
 327    Ke zjištění případným problémů by se vám mohly hodit příkazy
 328    `strace` a `ltrace`. Ten prvý vypisuje všechna systémová volání
 329    vyvolaná daným programem a druhý vypisuje jaké funkce ze sdílených
 330    knihoven program volá. Zkuste si například spustit následující
 331    příkazy:
 332
 333         echo Ahoj
 334         strace echo Ahoj
 335         ltrace echo Ahoj
 336
 337 2. Vytvořte jednoduchý jaderný modul, který po zavedení do jádra vypíše
 338    vaše jméno (objeví se ve výstupu příkazu `dmesg`). Jinak nemusí dělat nic.
 339    Předveďte činnost vašeho modulu ve vámi vytvořeném systému běžícím v
 340    emulátoru.
 341
 342    Kdo se bude nudit, může zkusit rozšířit modul tak, aby se jeho jméno
 343    objevilo v souboru `/proc/myname` nebo vytvořit jednoduchý ovladač,
 344    který bude vracet vaše jméno při čtení z `/dev/myname`. Návod najdete
 345    v [tomto článku][henson_drivers] (strany 2 a 3).
 346
 347 Tipy a triky
 348 ============
 349
 350 * Pro vyvolání určitého příkazu z historie můžete použít klávesu
 351   `Ctrl-R` následovanou textem hledaného příkazu. Např:
 352
 353       <Ctrl-R>cpio<Enter>
 354
 355 * Pro rychlé kopírování textu mezi programy (např. příkazy z této stránky do shellu),
 356   můžete použít prostřední tlačítko myši. Funguje to tak, že text označíte myší
 357   (nemačkáte při tom Ctrl-C) a stiskem prostředního tlačítka myši v terminálovém
 358   okně ho vložíte na příkazovou řádku shellu. Tím, že při tom nemusíte šahat na
 359   klávesnici vám to půjde rychleji.
 360
 361 * Pokud je Qemu spouštěný přes vzdálené připojení (např. server postel),
 362   je potřeba pro zobrazení emulované obrazovky spouštěného stroje
 363   buď provést protunelování X protokolu (`ssh -X`) nebo používat Qemu
 364   s emulací obrazovky v textovém režimu `qemu -curses`. Další možnost
 365   je emulovat HW bez grafické karty `qemu -nographic` a nastavit testovaný
 366   systém tak, aby systémová konzole směřovala na sériový port
 367   (`-append console=ttyS0`).
 368
 369 Reference
 370 =========
 371
 372 * [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)
 373 * [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)
 374 * [Inside the Linux boot process](http://www.ibm.com/developerworks/linux/library/l-linuxboot/)
 375 * [The Linux Bootdisk HOWTO](http://www.tldp.org/HOWTO/Bootdisk-HOWTO/)
 376 * [Linux Loadable Kernel Module HOWTO](http://tldp.org/HOWTO/Module-HOWTO/)
 377 * [Linux Device Drivers, Third Edition][LDD3]
 378 * [Kbuild & modules](http://git.kernel.org/?p=linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git;a=blob;f=Documentation/kbuild/modules.txt;hb=HEAD)
 379 * [/dev/hello_world: A Simple Introduction to Device Drivers under Linux](henson_drivers)
 380 * [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)
 381 * [Filip Navara: Diplomová práce - Rozšíření QEMU o podporu mikrokontroléru AT91SAM7X256](http://rtime.felk.cvut.cz/hw/index.php/AT91SAM7X256)
 382 * [Aleš Kapica a další: Stránky o virtualizaci z oddělení IT K13135](https://support.dce.felk.cvut.cz/mediawiki/index.php/Kategorie:QEMU)
 383
 384 [LDD3]:http://lwn.net/Kernel/LDD3/
 385 [henson_drivers]:http://linuxdevcenter.com/pub/a/linux/2007/07/05/devhelloworld-a-simple-introduction-to-device-drivers-under-linux.html
 386
 387 <!-- TODO pro pristi rok: Pokud i tohle bude moc jednoduché:
 388 Zakladni uloha jen za 3 body, za dalsi dva body uloha bez navodu: dame
 389 jim binarku, ktera bude chctit sdilenou knihovnu a tu budou muset
 390 napsat. -->