Linux 之八 完整嵌入式 Linux 环境、（交叉）编译工具链、CPU 体系架构、嵌入式系统构建工具
??最近，工作重心要從裸機(jī)開發(fā)轉(zhuǎn)移到嵌入式 Linux 系統(tǒng)開發(fā)，由于之前對嵌入式 Linux 環(huán)境并不是很了解，因此，第一步就是需要了解如何搭建一個(gè)完整的嵌入式 Linux 環(huán)境。現(xiàn)在將學(xué)習(xí)心得記錄為此文。
嵌入式 Linux 環(huán)境
??嵌入式 Linux 環(huán)境與我們熟悉的 PC 環(huán)境還是有很大區(qū)別的，要搭建出一套完整的嵌入式 Linux 環(huán)境需要做的工作相當(dāng)多。下圖是我根據(jù)學(xué)習(xí)整理的一個(gè)嵌入式 Linux 環(huán)境示意圖：
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BootLoader：通常使用的是 U-Boot，就是一個(gè)復(fù)雜點(diǎn)的裸機(jī)程序，與我們通常編寫的 ARM 裸機(jī)程序沒有本質(zhì)區(qū)別。BootLoader 需幫助內(nèi)核實(shí)現(xiàn)重定位，BootLoader 還要給內(nèi)核提供啟動參數(shù)。
BootLoader 是無條件啟動的，從零開始啟動的。
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Linux Kernel： 本身也是一個(gè)復(fù)雜的裸機(jī)程序。與裸機(jī)程序相比，內(nèi)核運(yùn)行起來后，在軟件上分為內(nèi)核層和應(yīng)用層，分層后兩層的權(quán)限不同，內(nèi)存訪問和設(shè)備操作的管理上更加精細(xì)（內(nèi)核可以隨便訪問各種硬件，而應(yīng)用程序只能被限制地訪問硬件和內(nèi)存地址）。
內(nèi)核是不能開機(jī)自動完全從零開始啟動的，需要 BootLoader 幫忙。
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裸機(jī)程序編譯工具鏈： 這個(gè)編譯工具鏈（名字是我自己起的）編譯出特定于架構(gòu)的純裸機(jī)程序以在指定架構(gòu)上運(yùn)行。一般由內(nèi)核廠家提供，我們最為熟知的就是 ARM 提供的 GNU Arm Embedded Toolchain 中的 arm-none-eabi-*、Keil 中的 armcc、IAR。
通常采用交叉編譯。
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linux 程序編譯工具鏈： 這個(gè)編譯工具鏈（名字是我自己起的）用于編譯出在我們的嵌入式 Linux 環(huán)境中運(yùn)行的用戶程序。通常這個(gè)編譯工具鏈需要我們根據(jù)自己的嵌入式 Linux 環(huán)境自己編譯。如果是直接買的 SoC 或者開發(fā)套件，SoC 或者開發(fā)套件廠家會自己編譯好然后提供給客戶。
- 通常采用交叉編譯。
- 嵌入式 linux 編譯套件往往不是通用的！
- linux 程序編譯工具鏈也可以編譯裸機(jī)程序，例如編譯裸機(jī) U-Boot、Linux Kernel。 但是通常不會使用 linux 程序編譯工具鏈來進(jìn)行純裸機(jī)開發(fā)。
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文件系統(tǒng)： 其中主要就是根文件系統(tǒng)（RootFS），包括 Linux 啟動時(shí)所必須的目錄和關(guān)鍵性的文件，例如，Linux 啟動時(shí)都需要有 init 目錄下的相關(guān)文件。Linux 啟動時(shí)，第一個(gè)必須掛載的是根文件系統(tǒng)，若系統(tǒng)不能從指定設(shè)備上掛載根文件系統(tǒng)，則系統(tǒng)會出錯(cuò)而退出啟動。成功之后可以自動或手動掛載其他的文件系統(tǒng)。
根文件系統(tǒng)是第一個(gè)需要使用我們自己的編譯套件來編譯的程序。
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用戶 APP： 這個(gè)就是我們的嵌入式 Linux 中運(yùn)行的應(yīng)用程序了。肯定是需要使用我們自己制作的 linux 程序編譯工具鏈來產(chǎn)生。
??以上就是完整的嵌入式 Linux 環(huán)境各個(gè)部分的基本情況。從搭建嵌入式 Linux 環(huán)境的角度來說，我們需要自己編譯 BootLoader、Linux Kernel、文件系統(tǒng)、linux 程序編譯工具鏈 這四大部分；從使用者角度來說，通常會直接購買以上完整的嵌入式環(huán)境，然后在以上環(huán)境上開發(fā)用戶 APP，基本不會涉及以上四大部分的修改（二次開發(fā)除外）。
??在上面我們說的嵌入式環(huán)境四大部分種，最麻煩的應(yīng)該就是構(gòu)建自己的 linux 程序編譯工具鏈了。
CPU 體系架構(gòu)
??當(dāng)前全球公認(rèn)為主流的 CPU 體系架構(gòu)有 x86、PowerPC、ARM、RISC-V 和 MIPS 等。早年， x86 和 PowerPC 專注于桌面計(jì)算機(jī)、服務(wù)器等領(lǐng)域，ARM、RISC-V 和 MIPS 則在嵌入式領(lǐng)域發(fā)力。如今，x86、PowerPC 也布局了嵌入式領(lǐng)域，ARM、RISC-V 和 MIPS 也開始布局桌面計(jì)算機(jī)和服務(wù)器。
我對于這些指令集沒有深入研究，以下僅作為擴(kuò)展知識了解一下！
x86
??x86 是一個(gè)復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（CISC）指令集體系結(jié)構(gòu)家族，最初是由 Intel 基于 Intel 8086 微處理器及其 8088 變體開發(fā)的。該名字就源自于 Intel 的 80x86 系列處理器。
??英特爾 8086 微處理器中的 x86 是16 位的，1985 年，英特爾發(fā)布了 32 位 80386。現(xiàn)在，我們通常使用 i386 表示 32 位 x86 架構(gòu)（有時(shí)候也直接使用 x86 表示）。 在 1999 年至 2003 年，AMD 將這種 32 位架構(gòu)擴(kuò)展到 64 位，并在早期文檔中將其稱為 x86-64，后來稱為 AMD64。英特爾很快以 IA-32e 的名義采用了 AMD 的架構(gòu)擴(kuò)展，后來使用 EM64T 的名稱，最后使用 Intel64。現(xiàn)在，我們?nèi)匀皇褂?x86-64 或 AMD64 來表示 64 位的 x86 架構(gòu)（有時(shí)候也直接使用 x64 表示）。
PowerPC
??PowerPC（Performance Optimization With Enhanced RISC – Performance Computing，有時(shí)簡稱稱 PPC）是 1991 年 Apple-IBM-Motorola聯(lián)盟（ AIM）基于早期的 IBM POWER 架構(gòu)創(chuàng)建的精簡指令集計(jì)算機(jī)（RISC）指令集架構(gòu)（ISA）。從 2006 年開始被命名為 Power ISA（PowerPC ISA + PowerPC Book E），而 PowerPC 則作為某些 PowerPC 架構(gòu)的處理器的商標(biāo)而存在。基本發(fā)展過程：POWER ? PowerPC ? Power ISA。
ARM
??ARM 架構(gòu)是由 ARM 公司推出的基于精簡指令集計(jì)算機(jī)（RISC）指令集架構(gòu)（ISA）。ARM 架構(gòu)版本從 ARMv3 到 ARMv7 支持 32 位空間和 32 位算數(shù)運(yùn)算，大部分架構(gòu)的指令為定長 32 位（Thumb 指令集支持變長的指令集，提供對 32 位和 16 位指令集的支持），而 2011 年發(fā)布的 ARMv8-A 架構(gòu)添加了對 64 位空間和 64 位算術(shù)運(yùn)算的支持，同時(shí)也更新了 32 位定長指令集。
??ARM 公司除了 ARM 指令集相關(guān)產(chǎn)品，也提供了一些列的開發(fā)軟件，例如 Keil、DS-5 等。
RISC-V
??RISC-V 是一個(gè)基于精簡指令集（RISC）原則的開源的指令集架構(gòu)（ISA），其中的 V 表示第 5 代。RISC-V 于 2010 年誕生于美國加州大學(xué)伯克利分校并行計(jì)算實(shí)驗(yàn)室(Parallel Computing Laboratory) 的 David A. Patterson 教授指導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)。
??目前，于 2015 年成立的 RISC-V 基金會（現(xiàn)在被稱為 RISC-V International）擁有，維護(hù)和發(fā)布與 RISC-V 定義相關(guān)的知識產(chǎn)權(quán)。RISC-V 官方還提供了一系列的工具，例如 RISC-V GNU Toolchain 等。指令集手冊，軟件工具等基本都托管在 Github 上。
MIPS
??MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）是由美國 MIPS 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)公司開發(fā)的一種采取精簡指令集（RISC）的指令集架構(gòu)（ISA）。早期的 MIPS 架構(gòu)只有 32 位的版本，隨后才開發(fā) 64 位的版本。在 MIPS V 之后分為了 MIPS32 和 MIPS64。
2021 年 3 月，MIPS 宣布 MIPS 架構(gòu)的開發(fā)已經(jīng)結(jié)束，因?yàn)樵摴菊谙?RISC-V 過渡。
（交叉）編譯工具鏈
??軟件程序的編譯過程由一系列的步驟完成，每一個(gè)步驟都有一個(gè)對應(yīng)的工具。這些工具緊密地工作在一起，前一個(gè)工具的輸出是后一個(gè)工具的輸入，像一根鏈條一樣，我們稱這些工具為編譯工具鏈。
??在當(dāng)前平臺（例如 x86 架構(gòu)的 PC）下，直接編譯出來程序（或者庫文件），其可以直接在當(dāng)前的平臺運(yùn)行（或使用）。這個(gè)過程就叫做本地編譯，使用的編譯工具叫做本地編譯工具鏈（簡稱編譯工具鏈）。例如 PC 上的 VC、GCC、LLVM、TCC 等。
??在當(dāng)前平臺下（例如 x86 架構(gòu)的 PC）下，直接編譯出來程序（或者庫文件），其不可以直接在當(dāng)前的平臺運(yùn)行（或使用），必須放到目標(biāo)平臺上（例如 ARM）才可以運(yùn)行（或使用），這個(gè)過程就叫做交叉編譯，使用的編譯工具叫做交叉編譯工具鏈。例如PC 中的 armcc、iar、特定架構(gòu)的 GNU、特定架構(gòu)的 LLVM 等。
這里的平臺指的是 CPU 架構(gòu)或者操作系統(tǒng)
??交叉編譯工具鏈又可以根據(jù)是否支持 Linux 系統(tǒng)分為 裸機(jī)程序交叉編譯工具鏈 和 Linux 程序交叉編譯工具鏈 這兩大類。我們上面的舉例中，armcc、iar 都屬于裸機(jī)交叉編譯工具鏈；而特定架構(gòu)的 GNU、特定架構(gòu)的 LLVM 則根據(jù)需要可以支持 Linux 系統(tǒng)，也可以不支持 Linux 系統(tǒng)，因此它既有裸機(jī)程序交叉編譯工具鏈，也有 Linux 程序交叉編譯工具鏈。
GNU 交叉編譯工具鏈
??我們接觸最多交叉編譯工具鏈就是特定架構(gòu)的 GNU，例如 Arm GNU Toolchain 就分為僅支持裸機(jī)的 arm-none-eabi 和 支持 linux 系統(tǒng)的 arm-none-linux 這兩大類。特定架構(gòu)的 GNU 交采編譯工具鏈也是目前我們使用最多的交叉編譯工具鏈，網(wǎng)上所說的交叉編譯工具鏈基本就是指的 GCC。
由于 ARM 的絕對市場地位，導(dǎo)致了在網(wǎng)上搜索交叉編譯工具鏈，基本都和 ARM 有關(guān)系。其他架構(gòu)，例如 MIPS、RISC-V 也有 GCC 交叉編譯工具鏈，但是由于市場占有率低我們接觸較少，網(wǎng)上資料也非常少。
??在我們構(gòu)建自己的 GCC （交叉）編譯工具鏈的時(shí)候，編譯（交叉）編譯工具鏈?zhǔn)褂玫钠脚_、編譯出的（交叉）編譯工具鏈運(yùn)行的平臺、使用編譯出的（交叉）編譯工具鏈編譯出的程序運(yùn)行的平臺三者可以完全不同。其中關(guān)鍵的一步是設(shè)置 configure 的參數(shù)，該命令有三個(gè)參數(shù) --build、--host、--target 非常重要，下圖是 Windows 上的 MinGW 編譯器配置信息：
- --build：這個(gè)參數(shù)指出了編譯（交叉）編譯工具鏈?zhǔn)褂玫钠脚_。如果我們不顯示指定這個(gè)參數(shù)的值，那么這個(gè)參數(shù)的值就會由 config.guess 自動識別。
- --host：這個(gè)參數(shù)指出了編譯出的（交叉）編譯工具鏈運(yùn)行的平臺。這個(gè)參數(shù)的值一般就等于 --build 的值。
- --target：這個(gè)參數(shù)指出了使用編譯出的（交叉）編譯工具鏈編譯出的程序運(yùn)行的平臺。這個(gè)選項(xiàng)只有在建立交叉編譯環(huán)境的時(shí)候用到，正常編譯和交叉編譯都不會用到。
??本地編譯工具鏈一般就是指的 --build = --host = --target 的情況，交叉編譯工具鏈一般是--build = --host ≠ --target 的情況。基本很少出現(xiàn)--build ≠ --host 的情況。
命名規(guī)則
??一般來說，交叉編譯工具鏈的命名規(guī)則是：arch [-vendor] [-os] [-(gnu)abi]-*。但是，關(guān)于這個(gè)規(guī)則，我并沒有找到在哪份官方資料上有介紹，實(shí)際有些交叉編譯工具鏈也確實(shí)不符合上面的命名規(guī)則。如果有誰在官方資料上見到過此規(guī)則的詳細(xì)描述，一定要私信告訴我。
- arch： 體系架構(gòu)，如 ARM、MIPS、RISC-V
- vendor： 工具鏈提供商，沒有 vendor 時(shí)，用 none 代替。
- os： 目標(biāo)操作系統(tǒng)，沒有 os 支持時(shí)，也用 none 代替，表示裸機(jī)。如果同時(shí)沒有 vendor 和 os 支持，則只用一個(gè) none 代替。例如 arm-none-eabi 中的 none 表示既沒有 vendor 也沒有 os 支持。
- none
- C 庫通常是 newlib
- 提供不需要操作系統(tǒng)的 C 庫服務(wù)
- 允許為特定硬件目標(biāo)提供基本系統(tǒng)調(diào)用
- 可以用來構(gòu)建 Bootloader 或 Linux Kernel，不能構(gòu)建 Linux 用戶空間代碼
- linux
- 用于 Linux 操作系統(tǒng)的開發(fā)
- linux 特有的 C 庫的選擇：glibc、uClibc-ng、musl
- 支持 Linux 系統(tǒng)調(diào)用
- 可以用來構(gòu)建 Linux 用戶空間代碼，但也可以構(gòu)建裸機(jī)代碼，如 Bootloader 或 Linux Kernel
- none
- abi： 應(yīng)用二進(jìn)制接口（Application Binary Interface）
- gnu： 這個(gè)其實(shí)是早期 AArch32 架構(gòu)使用的名字，后來該名字為 gnueabi
- gnueabi： 其實(shí)就是嵌入式應(yīng)用二進(jìn)制接口（Embedded Application Binary Interface，EABI）
- elf： 這個(gè)通常用在 64 位裸機(jī)架構(gòu)的編譯工具鏈中
??由于 ARM 的絕對市場地位，導(dǎo)致了在網(wǎng)上搜索交叉編譯工具鏈，基本都和 ARM 有關(guān)系。因此，這里的命名規(guī)則更多的是指 Arm GNU Toolchain 的命名。
組成部分
??GUN 交叉編譯工具鏈中有三個(gè)核心組件：Binutils、GCC、C library，如果需要支持 Linux，則還有個(gè) Linux kernel headers。在源代碼組織上他們是相互獨(dú)立的，需要單獨(dú)進(jìn)行交叉編譯。
- Binutils：包括一些二進(jìn)文件相關(guān)的工具
- 主要工具
- ld 鏈接器
- as 匯編器
- 調(diào)試/分析工具和其他工具
- addr2line、ar、c++filt、gold、gprof、nm、objcopy、objdump、ranlib、readelf、size、strings、strip
- 需要針對每種 CPU 架構(gòu)進(jìn)行配置
- 交叉編譯非常簡單，不需要特殊的依賴項(xiàng)。
- 主要工具
- gcc：GNU Compiler Collection
- C、C++、Fortran、Go 等編譯器前端
- 各種 CPU 架構(gòu)的編譯器后端
- Provides:
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編譯器本身。例如 cc1 for C、cc1plus for C++
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編譯器調(diào)用程序。gcc、g++ 不但調(diào)用編譯器本身，也調(diào)用 binutils 中的 匯編器、連接器
不要被 gcc 這個(gè)名字誤導(dǎo)，它其實(shí)是個(gè) wrapper，會根據(jù)輸入文件調(diào)用一系列其他程序。國外資料中被稱為 compiler driver，國內(nèi)有些資料稱為 引導(dǎo)器。
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目標(biāo)庫：libgcc（gcc 運(yùn)行時(shí)）、libstdc ++（c ++ 庫）、libgfortran（fortran運(yùn)行時(shí)）
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標(biāo)準(zhǔn) c++ 庫的頭文件
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- 構(gòu)建 gcc 比構(gòu)建 binutils 要復(fù)雜的多
- Linux Kernel headers：構(gòu)建需要支持 Linux 系統(tǒng)時(shí)必須提供。這些頭文件定義了用戶空間與內(nèi)核之間的接口（系統(tǒng)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等）。
- 為了構(gòu)建一個(gè) C 庫，需要 Linux 內(nèi)核頭文件中系統(tǒng)調(diào)用號的定義、各種結(jié)構(gòu)類型和定義。
- 在內(nèi)核中，頭文件被分開：
- 用戶空間可見的頭文件，存儲在 uapi 目錄中：include/uapi/、arch/<ARCH>/include/uapi/asm
- 內(nèi)部的內(nèi)核頭文件
- 在安裝過程中需要使用
- 安裝包括一個(gè)清理過程，用于從頭文件中刪除特定于內(nèi)核的結(jié)構(gòu)體
- 從 Linux 4.8 開始，安裝 756 個(gè)頭文件
- 內(nèi)核到用戶空間 ABI 通常是向后兼容的。Kernel headers 的版本必須等于或者小于目標(biāo) Linux 的版本
- C library：
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提供 POSIX 標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，以及其他幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展
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基于 Linux 系統(tǒng)調(diào)用
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幾個(gè)可用的實(shí)現(xiàn)
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glibc：The GNU C Library 是 Linux C 庫的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，我們常見的 Linux 發(fā)行版中都使用它。支持眾多的架構(gòu)和操作系統(tǒng)，但是不支持沒有 MMU 的平臺，不支持靜態(tài)鏈接。早些年由于硬件限制及 glibc 本身太大基本不能直接用于嵌入式，如今貌似也可以了。
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uClibc-ng：以前叫 uClibc，始于 2000 年，支持非常靈活的配置。支持架構(gòu)很多（包括一些 glibc 不支持的），但是僅支持 Linux 操作系統(tǒng)。支持多種沒有 MMU 的架構(gòu)，如 ARM noMMU、Blackfin 等，支持靜態(tài)鏈接。
STM32F MCU 沒有 MMU，其嵌入式 Linux 環(huán)境中編譯工具鏈就是用的它。
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musl：始于 2011 年，開發(fā)非常積極，最近添加了對于 noMMU 的支持。它非常小，尤其是在靜態(tài)鏈接時(shí)。兼容性好，并且嚴(yán)格遵循 C 標(biāo)準(zhǔn)。
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bionic：安卓系統(tǒng)使用
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其他一些特殊用途的：newlib（用于裸機(jī)）、dietlibc、klibc
musl 的作者對于 Linux 常用的這幾個(gè)庫做了一個(gè)對比，以下是對比情況圖：
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在編譯和安裝之后，提供了：
- 動態(tài)鏈接器 ld.so
- C 庫本身 libc.so，及其配套庫：libm、librt、libpthread、libutil、libnsl、libresolv、libcrypt
- C 庫的頭文件：stdio.h、string.h 等等。
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??GUN 將編譯器和 C 庫分開放在兩個(gè)軟件包里，好處是比較靈活，方便在工具鏈中可以選擇不同的 C 庫。但是，也帶來了編譯器和 C 庫的循環(huán)依賴問題：編譯 C 庫需要 C 編譯器，但是 C 編譯器又依賴 C 庫。理論上編譯器是不應(yīng)該依賴 C 庫的，它應(yīng)該只負(fù)責(zé)將源代碼翻譯為匯編代碼即可，但實(shí)際上并非如此。
??C99 標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種實(shí)現(xiàn)：一種稱為 hosted 實(shí)現(xiàn)，一種稱為 freestanding 實(shí)現(xiàn)。其中，hosted 實(shí)現(xiàn)支持完整的 C 標(biāo)準(zhǔn)，包括語言標(biāo)準(zhǔn)和庫標(biāo)準(zhǔn)，它用于編譯在有宿主系統(tǒng)的環(huán)境下運(yùn)行的程序。freestanding 實(shí)現(xiàn)僅支持完整的語言標(biāo)準(zhǔn)，對于庫標(biāo)準(zhǔn)它只要求支持部分庫標(biāo)準(zhǔn)。
構(gòu)建（交叉）編譯工具鏈分為好多步，而且單是編譯 gcc 就要多次。
ABI、EABI、OABI、GNU EABI
??應(yīng)用二進(jìn)制接口（Application Binary Interface，ABI）定義了一個(gè)系統(tǒng)中函數(shù)的參數(shù)如何傳送、如何接受函數(shù)返回值、數(shù)據(jù)類型的大小、布局和對齊、應(yīng)用程序應(yīng)如何對操作系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用、對象文件，程序庫等的二進(jìn)制格式等細(xì)節(jié)。ABI 允許編譯好的目標(biāo)代碼在使用兼容 ABI 的系統(tǒng)中無需改動就能運(yùn)行。
??嵌入式應(yīng)用程序二進(jìn)制接口 （Embedded Application Binary Interface，EABI） 指定嵌入式軟件程序的文件格式、數(shù)據(jù)類型、寄存器用法、堆棧幀組織和函數(shù)參數(shù)傳遞的標(biāo)準(zhǔn)約定，以便與嵌入式操作系統(tǒng)一起使用。廣泛使用的 EABI 有 PowerPC、Arm EABI、MIPS EABI。
??在很多地方有 GNU EABI 的這樣的叫法，例如，在 ARM 提供的 GNU 工具鏈中有 arm-none-linux-gnueabi 的命名。這里的 GNU EABI 其實(shí)就是 EABI。之所以叫這個(gè)名字是因?yàn)?GNU 一貫作風(fēng)是要求帶有 GNU 字樣。例如 GNU 要求把 Linux 稱為 GNU/Linux，但是實(shí)際情況大家都直接叫 Linux。
??OABI （其中的 O，理解為 Old 或 Obsolete）是 ARM 系列的最開始使用的應(yīng)用程序二進(jìn)制接口。OABI 假設(shè) CPU 擁有一個(gè)浮點(diǎn)單元處理器（實(shí)際很多沒有），導(dǎo)致編譯器生成的程序總是嘗試與浮點(diǎn)單元通信以進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，由于沒有浮點(diǎn)運(yùn)算單元，內(nèi)核出現(xiàn)異常，異常機(jī)制會自動再使用軟件模擬浮點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，這導(dǎo)致了一些額外開銷。
??EABI 被創(chuàng)造出來以解決 OABI 的這個(gè)問題。但是，EABI 沒有簡單的方法來讓二進(jìn)制發(fā)行版同時(shí)支持軟浮點(diǎn)和硬浮點(diǎn)，因此，ARM 的交叉編譯器分為 ARMEL 和 ARMHF 這兩種。因此，有個(gè) arm-none-linux-gnueabihf 表示支持硬浮點(diǎn)。
嵌入式系統(tǒng)啟動
??宏觀上來看，系統(tǒng)的啟動分為 Boot 執(zhí)行階段和系統(tǒng)執(zhí)行階段，Boot 階段為系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)備必要條件，然后將 CPU 的控制權(quán)交給系統(tǒng)，系統(tǒng)接管 CPU ，然后做相應(yīng)初始化后開始運(yùn)行；從微觀來看，系統(tǒng)啟動從上電開始，經(jīng)過了很多階段。
??芯片一上電就會根據(jù)設(shè)定的啟動方式，從固定的位置開始讀取代碼并執(zhí)行。這個(gè)固定的位置根據(jù)芯片而定，例如，STM32 的 MCU 支持 RAM、Flash、BootLoader 三個(gè)位置啟動。下圖是一個(gè)典型的嵌入式 Linux 系統(tǒng)啟動流程：
嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建工具
??構(gòu)建一整套嵌入式 Linux 環(huán)境是一件很龐大的事情，我們可以選擇自己動手，根據(jù)上面嵌入式 Linux 環(huán)境，一點(diǎn)一點(diǎn)來構(gòu)建其中的各個(gè)部分。實(shí)際情況是，為了簡化搭建工作量，誕生了一些嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建工具。這些工具通過各種自動化手段，只需要我們輸入基本命令，就可以自動構(gòu)建出以上說的完整嵌入式環(huán)境。
Buildroot
??Buildroot 是 Linux 平臺上的一個(gè)用于構(gòu)建嵌入式 Linux 系統(tǒng)的框架。整個(gè) Buildroot 是由 Makefile 腳本和 Kconfig 配置文件構(gòu)成的。使用它可以和編譯 Linux 內(nèi)核一樣，通過使用 Kbuild/Kconfig 系統(tǒng)編譯出一個(gè)完整的可以直接燒寫到機(jī)器上運(yùn)行的 Linux 系統(tǒng)軟件（包含boot、kernel、rootfs 以及 rootfs 中的各種庫和應(yīng)用程序、交叉編譯工具鏈）。
??Buildroot 支持的架構(gòu)有 ARC、ARM、AArch64、Black?n、csky、m68k,Microblaze、MIPS(64)、NIOS II、OpenRisc、PowerPC(64)、SuperH、SPARC、x86、x86 64、Xtensa.
Yocto
??Yocto 全稱是 Yocto Project（官方簡稱 YP） 是 Linux 基金會在 2010 年推出的一個(gè)開源的協(xié)作項(xiàng)目。提供模板、工具和方法以創(chuàng)建定制的 Linux 系統(tǒng)和嵌入式產(chǎn)品，而無需關(guān)心硬件體系。從歷史上看，該項(xiàng)目是從 OpenEmbedded 項(xiàng)目發(fā)展而來的。
??Yocto Project 這個(gè)名字（或者我們常簡稱的 Yocto）是指的這個(gè)項(xiàng)目本身或者一個(gè)組織，Poky 官方定義為 Yocto Project 的參考發(fā)行版，它才是我們真正使用的構(gòu)建系統(tǒng)工具（更確切的說這就是一個(gè)可以構(gòu)建出嵌入式 Linux 的 DEMO）。實(shí)際情況中，我們一般會對 Poky 進(jìn)行自定義（刪除 meta-poky 等，添加自己的 meta-xxx）來實(shí)現(xiàn)自己的嵌入式 Linux 系統(tǒng)構(gòu)建工具包。如下是我們在用的一個(gè)目錄結(jié)構(gòu)：
??這里還有個(gè)問題，Yocto Project 對于 OpenEmbedded 的引用是打散重新組合的（OpenEmbedded 本身就是有多個(gè)部分組成），并不是完整的把 OpenEmbedded 拿過來。從 Yocto Project 的角度來看，Yocto Project 的結(jié)構(gòu)就是如下所示：
OpenEmbedded
??OpenEmbedded （簡稱 OE）是一個(gè)構(gòu)建自動化框架和交叉編譯環(huán)境，用于為嵌入式設(shè)備創(chuàng)建 Linux 發(fā)行版。OpenEmbedded 由成立于 2003 年的 OpenEmbedded 社區(qū)開發(fā)，其誕生遠(yuǎn)早于 Yocto Project。2011 年 3 月，它與 Yocto Project 合作（實(shí)際就是合并了），并開始以 OpenEmbedded-Core 項(xiàng)目作為項(xiàng)目發(fā)展的名稱（簡稱 OE-Core），之前的稱為 OpenEmbedded-Classic（簡稱 OE-Classic 或 oe-dev），OpenEmbedded 這個(gè)名字就用來代指整個(gè) OpenEmbedded 項(xiàng)目。
??注意，在一些老文檔中，OpenEmbedded 這個(gè)名字有可能還是指的舊的 OpenEmbedded 。例如，OpenEmbedded 的原始代碼倉庫并沒有改名為 OpenEmbedded-Classic。OpenEmbedded 項(xiàng)目的代碼倉庫見 https://git.openembedded.org/。
??之所以更名是因?yàn)榕c Yocto Project 合并之后的開發(fā)團(tuán)隊(duì)對 OpenEmbedded 的整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比價(jià)大改進(jìn)。 OpenEmbedded-Classic 的所有自動構(gòu)建的處方（Recipes）都放在一起，隨著發(fā)展越來越難以維護(hù)；而在新的 OpenEmbedded-Core，其結(jié)構(gòu)由許多 layers 組成（OpenEmbedded 維護(hù)了一個(gè)可以與 OE-Core 一起使用的層列表），讓用戶可以更容易加入定制的自動構(gòu)建處方（Recipes）。OE-Classic 不再維護(hù)，也基本沒有使用了！現(xiàn)在的 OpenEmbedded 也可以理解為基于 OE-Core 的一個(gè)實(shí)現(xiàn)（BitBake + OpenEmbedded-Core）+ 一組元數(shù)據(jù)）。
??OpenEmbedded-Core 可以獨(dú)立使用，也被集成在 Angstrom、SHR、Yocto Project 等系統(tǒng)中來使用。實(shí)際情況是，很少見單獨(dú)使用 OE-Core 的情況，OpenEmbedded 基本就成了 Yocto Project 中的一部分（其他基本死的差不多了），其文檔等全部都引用 Yocto Project 中對應(yīng)文檔。
PTXdist
??PTXdist 是一個(gè)固件鏡像構(gòu)建工具，是 Pengutronix 在 2001 年開發(fā)的一個(gè)構(gòu)建系統(tǒng)。采用了 Linux 內(nèi)核中的配置系統(tǒng) Kconfig 來選擇和配置每個(gè)包，規(guī)則集合則基于 GNU Make 和 Bash。
OpenWRT
??OpenWRT 是一個(gè)針對嵌入式設(shè)備的 Linux 操作系統(tǒng)。OpenWrt 不是一個(gè)單一且不可更改的固件，而是提供了具有軟件包管理功能的完全可寫的文件系統(tǒng)。
??OpenWRT 是一個(gè)高度模塊化、高度自動化的嵌入式Linux系統(tǒng)，擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)組件和擴(kuò)展性，常常被用于工控設(shè)備、電話、小型機(jī)器人、智能家居、路由器以及 VOIP 設(shè)備中。
測試環(huán)境
??正好手里有一塊前幾年的 STM32F769I-EVAL 的評估板，后續(xù)，我就以手里的 STM32F769I-EVAL 的評估板為載體，盡量不使用已有的嵌入式構(gòu)建工具，來一步一步搭建這個(gè)嵌入式 Linux 環(huán)境。如下圖所示的這個(gè)：
??這塊評估板的功能應(yīng)該是非常全了，價(jià)格也是不便宜。ST 官網(wǎng)對于這塊評估板的介紹參見 Evaluation board with STM32F769NI MCU。
??熟悉 ST 的開發(fā)板的都知道，ST 的開發(fā)板主要有 ST 官方的 Nucleo 系列、Discovery Kits 系列、Evaluation 系列以及第三方開發(fā)板這些組成。其中，ST 自家開發(fā)板中 Evaluation 系列是功能最全的，也是價(jià)格最高的。第三方開發(fā)板差異就比加大了。
??嵌入式環(huán)境與我們熟悉的 PC 環(huán)境還是有很大區(qū)別的。尤其是對于部分芯片，它沒有 MMU，也就不能使用虛擬內(nèi)存相關(guān)的所有技術(shù)。也就意味著，嵌入式中的地址都是實(shí)際的物理地址。
??其次，嵌入式環(huán)境的另一個(gè)大特點(diǎn)就是資源非常緊張，這就導(dǎo)致了我們可能需要將最終的多部分的可執(zhí)行程序放到不同的地方。舉個(gè)例子，STM32 的 MCU 中，往往不能存放 Linux Kernel，我們需要將 Linux Kernel 放到一些外部存儲器中。
??對于 ARM 平臺，ARM 給出了兩個(gè)概念：加載域 和 執(zhí)行域，加載域?qū)?yīng)加載地址，執(zhí)行域?qū)?yīng)了一個(gè)執(zhí)行地址。關(guān)于 ARM 的分散加載機(jī)制，可以參見博文 ARM 之十三 armlink（Keil） 分散加載機(jī)制詳解 及 分散加載文件的編寫 即可。
??進(jìn)一步具體到 STM32 芯片，我們的程序是放到內(nèi)部的 FLASH 上的，FLASH 就是加載域，FLASH 上的具體地址就是加載域地址。同時(shí)，ST 芯片的設(shè)計(jì)可以從 FLASH 上執(zhí)行代碼（速度相對較慢），此時(shí)的加載域與執(zhí)行域是同一個(gè)；還有一種更高效的方式是將代碼放到 RAM 中執(zhí)行（存放還是在 FLASH），此時(shí) RAM 就是執(zhí)行域，程序在 RAM 中的地址就是執(zhí)行域地址。
搭建過程
??工欲善其事，必先利其器。第一步就是搭建 LINUX 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，為此特地在筆記本上安裝了 Ubuntu，具體使用的桌面開發(fā)環(huán)境是 Ubuntu 20.04.3 LTS。至于為啥選擇 Linux 系統(tǒng)，而不是直接使用 Windows 系統(tǒng)想必大家都清楚為啥。
??接下來準(zhǔn)備好一個(gè)目錄，后續(xù)所有的操作均在此目錄中進(jìn)行。我的操作是新建 /home/zcshou/STM32LINUX 這個(gè)目錄，用于存放整個(gè)要為 STM32 嵌入式 Linux 環(huán)境編譯的源代碼，后續(xù)都在這個(gè)目錄中進(jìn)行。如下圖所示：
??最開始我想按照上面說的嵌入式環(huán)境的各個(gè)部分來分別寫幾篇博文來完整介紹整個(gè)搭建過程，然而寫著寫著內(nèi)容越來越多，最終超過了 CSDN 編輯器的限制！最終決定把內(nèi)容拆分成多篇文章。具體搭建過程就是如下幾步：
參考
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的Linux 之八 完整嵌入式 Linux 环境、（交叉）编译工具链、CPU 体系架构、嵌入式系统构建工具的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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