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 Linuxové jádro 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. V závislosti na vašem oprávnění můžete
 127    RAM-disk vytvořit jedním z následujících způsobů:
 128
 129    1. Pokud máte *rootovská* práva, použijte ke tvorbě RAM-disku
 130       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]. Pokud program nemáte na svém počítači,
 139       zkompilujte si ho ze [zdrojových kódů][gic].
 140
 141           (
 142           cat <<EOF
 143           dir /dev 755 0 0
 144           nod /dev/tty0 644 0 0 c 4 0
 145           nod /dev/tty1 644 0 0 c 4 1
 146           nod /dev/tty2 644 0 0 c 4 2
 147           nod /dev/tty3 644 0 0 c 4 3
 148           nod /dev/tty4 644 0 0 c 4 4
 149           slink /init bin/busybox 700 0 0
 150           dir /proc 755 0 0
 151           dir /sys 755 0 0
 152           EOF
 153
 154           find _install -mindepth 1 -type d -printf "dir /%P %m 0 0\n"
 155           find _install -type f -printf "file /%P %p %m 0 0\n"
 156           find _install -type l -printf "slink /%P %l %m 0 0\n"
 157           ) > filelist
 158
 159           gen_init_cpio filelist | gzip > ramdisk
 160
 161       Výše uvedené příkazy fungují následovně: Nejprve vytvoříme
 162       seznam souborů (`filelist`), které má ramdisk obsahovat. Nástroj
 163       `gen_init_cpio` pak podle toho seznamu vytvoří obraz ramdisku,
 164       který "zazipujeme" příkazem `gzip` a uložíme do souboru
 165       `ramdisk`.
 166
 167 [gic]:http://git.kernel.org/?p=linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git;a=blob;f=usr/gen_init_cpio.c;hb=HEAD
 168
 169 5. **Jádro Linuxu**. Příprava jádra je téměř stejná jako u BusyBoxu:
 170    stáhneme zdrojový kód, nakonfigurujeme a přeložíme. Vzhledem k
 171    rozsáhlosti jádra (zkompilované zabere na disku cca 1 GB a překlad
 172    trvá cca 20 minut) tyto kroky přeskočíme a použijeme již připravené
 173    jádro z distribuce.
 174
 175    Pokud byste si chtěli přeložit vlastní jádro, v následujícím
 176    příkazu byste za parametrem *-kernel* uvedli cestu k vámi
 177    zkompilovanému jádru.
 178
 179 6. Bootování jádra s naším filesystémem (v softwarovém emulátoru
 180    systému):
 181
 182    Na 64-bitovém systému spustíme emulátor následovně:
 183
 184        qemu-system-x86_64 -kernel /boot/vmlinuz-3.2.0-4-amd64 -initrd ramdisk
 185
 186    Na 32-bitovém systému použijte:
 187
 188        qemu-system-i386 -kernel /boot/vmlinuz-2.6.26-2-686 -initrd ramdisk
 189
 190    Pokud systém nabízí hardwarovou podporu virtualizace, je výhodné
 191    použít virtualizační nástroj [KVM][kvm]. Výsledek pak běží
 192    rychleji. KVM vychází z qemu a má tudíž téměř stejné parametry
 193    příkazové řádky. Například:
 194
 195        kvm -kernel /boot/vmlinuz-3.2.0-4-amd64 -initrd ramdisk
 196
 197 [kvm]:http://www.linux-kvm.org/
 198
 199 7. Pokud vše proběhlo správně, zobrazila se hláška
 200
 201        Please press Enter to activate this console.
 202
 203    Po stisku Enteru se spustí shell a můžete začít pracovat ve
 204    vašem právě vytvořeném systému.
 205
 206 Možná vylepšení
 207 ===============
 208
 209 Dále můžete provést drobná (či větší) vylepšení svého nového systému,
 210 která vám mohou zjednodušit další práci.
 211
 212 1. Můžete připojit souborový systém `/proc`, aby fungovaly příkazy
 213    jako např. `ps` (výpis běžících procesů). Příkaz spusťte
 214    v emulátoru, ne na vaší pracovní stanici.
 215
 216        mount -t proc none /proc
 217
 218 2. V RAM-disku můžete vytvořit soubor `/etc/init.d/rcS`, který bude
 219    obsahovat příkazy, které budou spuštěny při bootu systému.
 220
 221        mkdir -p _install/etc/init.d
 222        cat <<EOF > _install/etc/init.d/rcS
 223        #!/bin/sh
 224        mount -t proc none /proc
 225        echo Nazdar!!!!
 226        EOF
 227        chmod +x _install/etc/init.d/rcS    # nastavení spustitelnosti
 228
 229    Nyní musíte znovu vytvořit RAM-disk a nabootovat.
 230
 231 3. Zachytávání zpráv jádra spuštěného v emulátoru QEMU do souboru.
 232    Zprávy jádra je možné přesměrovat na virtuální sériový port a
 233    odtamtud pak například na standardní výstup:
 234
 235        qemu -serial stdio ...
 236
 237    a jádru předáme parametr `console=ttyS0`
 238
 239        qemu -serial stdio -append console=ttyS0 ...
 240
 241 4. Pokud chcete z vašeho systému komunikovat po síti, připojte ho na
 242    vnější síť pomocí <abbr title="Network Address
 243    Translation">NAT</abbr> na uživatelské úrovni:
 244
 245        qemu -net nic,vlan=0,model=ne2k_pci -net user,vlan=0 ...
 246
 247 5. Pokud QEMU nebo KVM podporuje vytvoření virtio sítě Plan9 a virtuálního
 248    souborového systému, tak je možné propagovat do vnitřního systému
 249    obsah adresáře hostitelského systému:
 250
 251        qemu -virtfs local,path=shared_dir_name,security_model=none,mount_tag=shared_tag ...
 252
 253    Adresářovou strukturu lze z vnitřního systému připojit následujícími
 254    příkazy
 255
 256        modprobe virtio
 257            modprobe virtio_ring
 258            modprobe virtio_pci
 259            modprobe 9pnet
 260            modprobe 9pnet_virtio
 261            modprobe 9p
 262            mkdir -p /mnt/shareddir
 263            mount -t 9p -o trans=virtio shared_tag /mnt/shareddir
 264
 265 Další tipy a triky v oblasti virtualizace používané a odzkoušené zprávci
 266 sítě na naší katedře nalezente na [Wiki Technické Podpory (support)][support-qemu].
 267 [support-qemu]:http://support.dce.felk.cvut.cz/mediawiki/index.php/Kategorie:Virtualiza%C4%8Dn%C3%AD_stroje
 268
 269 Jaderné moduly
 270 ==============
 271
 272 Jaderné moduly jsou přeložené kusy kódu, které lze za běhu nahrávat do
 273 Linuxového jádra. Pokud bychom chtěli nalézt analogickou věc v
 274 uživatelském prostředí, pak by to byly *sdílené knihovny*. Jaderný
 275 modul může obsahovat kód ovladače zařízení, podporu určitého
 276 souborového systému, může přidávat do jádra nové funkce (např.
 277 firewall) či sloužit jako knihovna pomocných funkcí pro jiné moduly
 278 (např. libata).
 279
 280 Zdrojový kód jednoduchého jaderného modulu vypadá následovně:
 281
 282     #include <linux/init.h>
 283     #include <linux/module.h>
 284     MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
 285
 286     static int hello_init(void)
 287     {
 288         printk(KERN_ALERT "Hello, world\n");
 289         return 0;
 290     }
 291
 292     static void hello_exit(void)
 293     {
 294         printk(KERN_ALERT "Goodbye, cruel world\n");
 295     }
 296
 297     module_init(hello_init);
 298     module_exit(hello_exit);
 299 *Příklad převzat z [LDD3][LDD3].*
 300
 301 Překlad modulu provedeme pomocí jednoduchého souboru Makefile, který
 302 bude obsahovat jedinou řádku (zde předpokládáme, že výše uvedený
 303 soubor se jmenuje **khello.c**):
 304
 305     obj-m = khello.o
 306
 307 Nyní stačí zavolat `make` se správnými parametry:
 308
 309     make -C /lib/modules/$(uname -r)/build M=$(pwd) modules
 310
 311 Tímto říkáme, že příkaz `make` načte `Makefile` z adresáře se
 312 zdrojovými kódy aktuálně běžícího jádra (o který adresář se jedná
 313 můžete zjisti pomocí `readlink -f /lib/modules/$(uname -r)/build`),
 314 pomocí proměnné `M` řeknete, že se váš modul nachází v aktuálním
 315 adresáři a slovo `modules` na konci znamená, že chcete, aby se
 316 zkompilovaly pouze moduly.
 317
 318 Pokud vše dopadlo dobře, objevil se vám soubor `khello.ko`, což je
 319 modul, který můžete zavést do jádra příkazem
 320
 321     insmod khello.ko
 322
 323
 324
 325 Zadání
 326 ======
 327
 328 1. Stáhněte si [[tento program|magic]] ([[32-bitová verze|magic32]]) a
 329    zprovozněte ho ve vámi vytvořeném systému. Zprovoznění znamená, že
 330    po spuštění program nevypíše žádnou chybu. Nezapomeňte nastavit
 331    práva pro spouštění příkazem `chmod +x`.
 332
 333    Ke zjištění případným problémů by se vám mohly hodit příkazy
 334    `strace` a `ltrace`. Ten prvý vypisuje všechna systémová volání
 335    vyvolaná daným programem a druhý vypisuje jaké funkce ze sdílených
 336    knihoven program volá. Zkuste si například spustit následující
 337    příkazy:
 338
 339         echo Ahoj
 340         strace echo Ahoj
 341         ltrace echo Ahoj
 342
 343 2. Vytvořte jednoduchý jaderný modul, který po zavedení do jádra vypíše
 344    vaše jméno (objeví se ve výstupu příkazu `dmesg`). Jinak nemusí dělat nic.
 345    Předveďte činnost vašeho modulu ve vámi vytvořeném systému běžícím v
 346    emulátoru.
 347
 348    Kdo se bude nudit, může zkusit rozšířit modul tak, aby se jeho jméno
 349    objevilo v souboru `/proc/myname` nebo vytvořit jednoduchý ovladač,
 350    který bude vracet vaše jméno při čtení z `/dev/myname`. Návod najdete
 351    v [tomto článku][henson_drivers] (strany 2 a 3).
 352
 353 Tipy a triky
 354 ============
 355
 356 * Pro vyvolání určitého příkazu z historie můžete použít klávesu
 357   `Ctrl-R` následovanou textem hledaného příkazu. Např:
 358
 359       <Ctrl-R>cpio<Enter>
 360
 361 * Pro rychlé kopírování textu mezi programy (např. příkazy z této stránky do shellu),
 362   můžete použít prostřední tlačítko myši. Funguje to tak, že text označíte myší
 363   (nemačkáte při tom Ctrl-C) a stiskem prostředního tlačítka myši v terminálovém
 364   okně ho vložíte na příkazovou řádku shellu. Tím, že při tom nemusíte šahat na
 365   klávesnici vám to půjde rychleji.
 366
 367 * Pokud je Qemu spouštěný přes vzdálené připojení (např. server postel),
 368   je potřeba pro zobrazení emulované obrazovky spouštěného stroje
 369   buď provést protunelování X protokolu (`ssh -X`) nebo používat Qemu
 370   s emulací obrazovky v textovém režimu `qemu -curses`. Další možnost
 371   je emulovat HW bez grafické karty `qemu -nographic` a nastavit testovaný
 372   systém tak, aby systémová konzole směřovala na sériový port
 373   (`-append console=ttyS0`).
 374
 375 Reference
 376 =========
 377
 378 * [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)
 379 * [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)
 380 * [Inside the Linux boot process](http://www.ibm.com/developerworks/linux/library/l-linuxboot/)
 381 * [The Linux Bootdisk HOWTO](http://www.tldp.org/HOWTO/Bootdisk-HOWTO/)
 382 * [Linux Loadable Kernel Module HOWTO](http://tldp.org/HOWTO/Module-HOWTO/)
 383 * [Linux Device Drivers, Third Edition][LDD3]
 384 * [Kbuild & modules](http://git.kernel.org/?p=linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git;a=blob;f=Documentation/kbuild/modules.txt;hb=HEAD)
 385 * [/dev/hello_world: A Simple Introduction to Device Drivers under Linux](henson_drivers)
 386 * [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)
 387 * [Filip Navara: Diplomová práce - Rozšíření QEMU o podporu mikrokontroléru AT91SAM7X256](http://rtime.felk.cvut.cz/hw/index.php/AT91SAM7X256)
 388 * [Aleš Kapica a další: Stránky o virtualizaci z oddělení IT K13135](https://support.dce.felk.cvut.cz/mediawiki/index.php/Kategorie:QEMU)
 389
 390 [LDD3]:http://lwn.net/Kernel/LDD3/
 391 [henson_drivers]:http://linuxdevcenter.com/pub/a/linux/2007/07/05/devhelloworld-a-simple-introduction-to-device-drivers-under-linux.html
 392
 393 <!-- TODO pro pristi rok: Pokud i tohle bude moc jednoduché:
 394 Zakladni uloha jen za 3 body, za dalsi dva body uloha bez navodu: dame
 395 jim binarku, ktera bude chctit sdilenou knihovnu a tu budou muset
 396 napsat. -->