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