day02

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面试题：谈谈对嵌入式linux系统的认识
给出场景：如何在下位机开发板上运行linux系统
1.上位机搭建嵌入式linux开发环境
  安装系统
  安装软件
  添加交叉编译器
      芯片厂家或者开发板厂家获取
2.掌控下位机的基本硬件信息
  粗看
          三大件
          外围
              产品研发阶段：网口和出口
  细看  
          具体硬件外设具体分析
          原理图
          芯片手册
          以MMA8653的硬件信息掌控为例,重点谈I2C总线
3.下位机部署软件
  裸板软件
       谈谈ARM裸板开发的流程
  基于linux系统的软件
4.嵌入式linux系统软件由三部分组成
  bootloader
          裸板软件
          uboot
          初始化硬件+从闪存加载内核到内存并且启动内核+给内核传递启动参数
          告诉内核根文件系统rootfs在哪里(闪存上某个分区或者上位机(NFS))         
          上电运行,内核启动结束
          硬件初始化：
                  CPU/内存/闪存/UART/网卡/关中断/关看门狗
                  /初始化时钟/根据用户需求初始化某些外设
  linux内核(kernel)
          7大功能
          uboot启动,掉电结束
  根文件系统rootfs
          代名词
          cd /;ls 看到的所有内容都属于根文件系统
          根文件系统rootfs包含的内容：
              bin:各种命令
              sbin:各种超级用户的命令
              lib:标准系统库
              etc:各种服务的配置(tftpd-hpa,nfs)
              dev:存放设备文件
              sys:存放虚拟文件系统sysfs相关内容
              proc:存放虚拟文件系统procfs相关内容
              usr:存放其他命令
              ...
              以上目录是根文件系统rootfs的必要目录,缺一不可！
5.嵌入式linux系统的启动流程
    上电CPU运行uboot
    ->uboot根据bootcmd加载启动内核并且通过bootargs给内核传递参数
    ->内核启动,完成7大功能
    ->内核最后根据uboot传递的bootargs到某个地方(闪存的某个分区或者上位机)
      找根文件系统rootfs
    ->一旦找到根文件系统rootfs->控制权交给根文件系统
    ->内核会运行第一号进程/sbin/init
    ->/sbin/init创建子进程,子进程执行/bin/sh
    ->shell程序启动,用户即可输入各种linux命令
6.具体下位机部署嵌入式linux系统的流程
  获取三部分软件对应的二进制文件：
      ubootpak.bin
      uImage
      rootfs_ext4.img
   
  部署之前切记要进行分区的规划
    分区大小要大于等于二进制文件的大小
     
  利用tftp网络服务进行下载
  利用uboot提供的update_mmc,mmc write命令最终将二进制文件写入闪存EMMC
                   
  设置嵌入式linux系统启动的环境变量：
  setenv bootcmd mmc read A B C \; bootm A
  setenv bootcmd tftp A uImage \; bootm A
  setenv bootargs root=/dev/mmcblk0p2 ...
  setenv bootargs root=/dev/nfs nfsroot=上位机ip:/opt/rootfs ...
   
  结论：
  产品研发阶段,建议多多使用NFS网络服务,加快软件开发进度和效率
  并且提高闪存的使用寿命
************************************************
2.问：ubootpak.bin从何而来？
  答：来自著名的开源软件uboot
  面试题：谈谈uboot的认识
  2.1.大谈特谈uboot特点(吹牛)
  uboot是一款著名的开源软件,德国的denx开发小组维护
  uboot支持多种处理器架构(X86/ARM/powerpc/mips/FPGA/DSP)
  uboot支持多种多样的硬件开发板   
  uboot支持引导多种操作系统(linux/vxworks等)
  uboot支持多种多样的文件系统格式(ext4/ext2/fat32等)  
  uboot支持多种多样的硬件外设的设备驱动(硬盘驱动,SD卡驱动等)
  uboot本质就是一个裸板程序,只是这个裸板程序要比之前写的shell裸板程序复杂
  uboot上电执行,内核启动结束
   
  2.2.uboot的三大功能
  1.硬件初始化功能：
          必要硬件初始化：
              初始化CPU的Cache(缓存)
              初始化时钟(CPU主频800MHz,UART时钟50MHz等)
              初始化内存
              初始化闪存
              初始化UART(调试)
              初始化网卡(下载)
              关闭中断(避免嵌入式linux系统启动时被打断,造成系统启动时间加长问题)
                       等系统正式启动完毕,再去处理中断
              关闭看门狗(避免嵌入式linux系统启动时看门狗给CPU发送复位信号)
                       等系统正式启动完毕,再去开启看门狗
          
        可选硬件初始化：
            由于内核启动,uboot的生命周期就要结束,并且
            uboot之前所做的硬件初始化工作无效(内核还会
            重新硬件初始化),没有必要在uboot中做大量的
            硬件初始化代码,如果做了,会影响系统的启动时间
            所以uboot有些外设是否需要初始化完全要根据
            用户需求来定,举例子：
            用户要求开机上电LCD显示屏显示LOGO,此时就需要在uboot中添加LCD硬件初始化
      
      2.从某个地方加载内核到内存,并且启动内核
        setenv bootcmd mmc read A B C \; bootm A
        从EMMC的B开始读C这么多的数据到内存的A,并且从A启动内核
      
        setenv bootcmd tftp A uImage \; bootm A
        从上位机下载内核到内存的A,并且从A启动内核
     
    3.在内核正式启动之前,给内核传递启动参数,告诉
      内核rootfs在某个地方
      setenv bootargs root=/dev/mmcblk0p2 ...
      告诉内核rootfs在EMMC的第三分区
       
      setenv bootargs root=/dev/nfs  
      告诉内核rootfs在上位机,利用NFS网络服务找
 
2.3.uboot源码操作
    1.明确：ubootpak.bin二进制文件势必从uboot源码的编译来获取
    2.uboot源码一定要从芯片厂家或者开发板的厂家来获取
      此时此刻一定要注意：当前获取的源码仅仅支持芯片
      厂家或开发板厂家的参考板,有可能还不完全支持你自己的板子
      例如：
              三星参考板          自己的板子
               S5P6818              S5P6818
               内存512MB            1GB
               Norflash            Nandflash
               UART0                UART2
               ...                                    ....
      结论：虽然两个板子的处理器一样,但是外围设备不一样
            官方的uboot源码仅仅支持官方的参考板,势必不可能
            完全支持自己的板子,所以如果将来硬件存在差异,需要
            对官方的uboot源码进行有针对性的修改
            所以：uboot严重依赖硬件信息
            硬件差异问题一定要咨询硬件工程师！
                      
      X6818开发板对应的uboot源码：ftp://PORTING/uboot.tar.bz2  
     
    3.获取"正确"(配套)的交叉编译器
      交叉编译器的版本要和uboot源码的版本要配合
      如果配合不当,会造成编译报错！
       
    4.验证测试官方uboot源码的正确性
            注意：虽然已经掌握了硬件的差异性,建议先别
            着急对uboot源码进行修改,而是直接上来先编译
            保证能够编译通过,确保uboot源码和编译器的
            版本配合,将来再慢慢的修改
            uboot源码操作三部曲:
            make distclean //将uboot源码中之前所有的临时配置文件
                             目标文件全部清除,获取到最干净的源码
                                         //只清除一次
            make ABC_config //对uboot源码进行配置,能够支持
                            //ABC开发板,ABC就是芯片厂家或者
                            //开发板厂家的参考板的名称                  
                                            //只配置一次
            make //正式编译
            ls
                    u-boot.bin //有的板子是u-boot.bin
                    ubootpak.bin //有的板子是ubootpak.bin
            
            案例：交叉编译X6818开发板的uboot源码
            上位机操作实施步骤：
            cp uboot.tar.bz2 /opt/
            cd /opt/
            tar -xvf uboot.tar.bz2 //生成一个uboot目录
            cd /opt/uboot //进入uboot源码根目录
            make distclean //获取最干净的源码
            make x6818_config //将uboot源码配置成能够运行在x6818开发板上
            time make V=1 -j2/j4/j8
                    time:能够获取到编译的消耗时间
                    V=1:能够获取到详细的编译过程
                    -j2:采用双核同时编译
                    -j4:采用四核同时编译
                    -j8:采用8核同时编译
                        上位机执行查看CPU的核数：
                            cat /proc/cpuinfo //查看CPU的信息
                                    processor0 //第一个CPU
                                            ...
                                    processor1 //第二个CPU
                                            ...
                                    processor2 //第三个CPU
                                    ...
                                  processor3 //第四个CPU
                                    ...
            ls
                ubootpak.bin //x6818的uboot二进制文件
          问:ubootpak.bin能否在自己的开发板上运行呢？
          答:目前的这个ubootpak.bin肯定能够在参考板上
          运行,不一定在自己的板子上运行,如果不能运行
          还需要进行uboot代码的修改
           
          总结：一旦官方uboot源码编译通过,得到两个重要结论
            1.官方uboot源码没毛病
            2.官方uboot源码和交叉编译版本非常配合
        
        5.根据硬件差异,对官方的uboot源码进行有针对性的
          修改,首先要明确uboot源码的执行流程,只有掌握了
          执行流程,在某个地方进行修改即可
          问：uboot代码执行流程是什么样呢？
          答：首先要明确uboot的编译链接脚本,通过链接脚本
          可以获取到：
          1.运行的入口函数
          2.运行的第一个文件
          3.运行的内存起始地址
           
          问：uboot链接脚本在哪里呢？
          答：通过编译uboot源码的打印信息中找到最后的
          链接命令：
          arm-cortex_a9-linux-gnueabi-ld.bfd  -Ttext 0x43C00000 -o u-boot -T u-boot.lds        
            说明：
            uboot将来运行的起始内存地址为0x43C00000
            uboot对应的链接脚本为uboot源码根目录下的u-boot.lds
            
            立马打开当前目录下的u-boot.lds,获取到如下内容：
            1.uboot运行的第一个入口函数为:_stext
            2.uboot运行的第一个文件为：
                arch/arm/cpu/slsiap/s5p6818/start.S
           
          剩下的事情就是用sourceinsight或者ctags创建
          uboot源码阅读工程,找到第一个文件和入口函数
          顺藤摸瓜,慢慢理顺uboot的执行流程即可！
          X6818开发板的uboot代码执行流程：
          上电CPU->b     reset->bl    board_init_f->ldr    pc, =board_init_r->main_loop->cli_loop->cli_simple->loop
           
          board_init_f->board_early_init_f->
                      for (init_fnc_ptr = init_sequence;  
                                  *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {
                                  if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {
                                            hang ();
                                 }            
                        }
          
          board_early_init_f->
                                         xxx_init();
                                         //切记：如果需要在uboot中添加
                                         额外的硬件初始化代码,可以在此函数中添加
                                         //当然如果将来开发板上有相关的硬件初始化代码
                                         有问题,重点关注此函数中的代码
                                         例如：
                                         led_init();
                                         led_on();
                                         
             board_init_r->
                                       //一下三个函数了解
                                         flash_init();//初始化Norflash
                                         nand_init();//初始化Nandflash
                                         mmc_initialize(gd->bd);//初始化SD卡或者EMMC
                                         
                                         //切记：也可以将自己的硬件初始化代码放在一下这个函数
                                         board_late_init();//初始化开发板上外设的                            
                                  
                                      //初始化网卡
                                       eth_initialize(gd->bd);
                                       
                                       //硬件初始化完毕,进入死循环
                                     for (;;) {
                                                    main_loop();
                                      }
                                            
         //这部分内容了解即可
         main_loop->
                     cli_loop->
                             cli_simple_loop->
                                     for (;;) {
                                             //获取用户输入的uboot命令
                                             cli_readline("tarena#");
                                             //将用户输入的命令从console终端拷贝到数组中
                                             strcpy(lastcommand, console_buffer);
                                             //正式运行uboot命令
                                             run_command_repeatable(lastcommand, flag);
                                     }
            
         总结：将来实际开发,如果硬件外设初始化有问题,以上代码
               可以先不用去拜读,重点关注大招(一个配置文件)                     
 
2.4.实际开发uboot源码移植修改的重点关注硬件信息配置头文件(大招)
    uboot源码中硬件相关的配置头文件所在路径：
    uboot源码根目录/include/configs/ABC.h (ABC就是开发板的名称)
    x6818开发板对应的硬件配置头文件include/configs/x6818.h
    切记：此文件一定要多多看,将来根据硬件差异重点修改此文件！
    一下几个比较关键的硬件信息宏：
        #define    CONFIG_ENV_OFFSET            512*1024 //uboot环境变量在EMMC的起始存储地址
        #define CONFIG_ENV_SIZE       32*1024     //环境变量的大小
      #define CONFIG_S5P_SERIAL_INDEX            CFG_UART_DEBUG_CH //调试串口的硬件编号
      #define CONFIG_S5P_SERIAL_CLOCK            CFG_UART_CLKGEN_CLOCK_HZ //调试串口的时钟频率
     
    此头文件阅读完毕以后,将来可以根据硬件信息的差异有针对性的修改,例如：
          飞思卡尔参考板IR        自己的板子SDR
 处理器：     MX25                   MX25
 内存：       128MB                 256MB
 闪存         Nandflash             Norflash:1GB
 调试串口     UART0                 UART2
 串口时钟     33.3MHz               40MHz
 其他硬件     ...                   ...
 官方uboot    支持                  不一定
 注意：以上硬件信息的差异一定要咨询硬件工程师！
 结论：有了以上的硬件差异,只需踏踏实实的修改对应的头文件中硬件的配置选项即可
 
2.5.案例：修改uboot的命令行提示
上位机实施步骤：
cd /opt/uboot
vim include/configs/x6818.h  
将"tarena#"修改为自己喜欢的提示符
保存退出
make
cp ubootpak.bin /tftpboot
 
下位机更新uboot:
重启下位机进入uboot命令行模式,执行：
tftp 48000000 ubootpak.bin
update_mmc 2 2ndboot 48000000 200 78000
reset //复位下位机命令
 
2.6.uboot的调试手段
   1.利用uboot提供的打印函数printf打印硬件寄存器的值
     通过寄存器的值来判断对外设的访问是否正确
     例如：uboot启动需要开LED1灯,但是发现LED1每反应
     解决思路：只需将LED1对应的GPIO涉及所有相关的寄存器
     值打印输出,查看寄存器值是否正确,如果寄存器的值
     是正确的,LED1灯还是没有反应,势必是LED1硬件问题
     printf("复用功能选择寄存器=%#x,"  
                     "输出使能寄存器=%#x, "
                     "数据寄存器=%#x", GPIOCALTFN0,
                                                         GPIOCOUTNEB
                                                         GPIOCOUT);
    
   2.printf打印函数使用的前提是UART必须提前初始化
     如果UART还没有初始化,发现uboot无法正常启动,如何
     定位到uboot在哪个代码地方挂掉呢？
     此时利用传统的开关灯调试方法来指示uboot执行的位置
     例如：
     b   reset
     reset:
        @设置CPU为SVC
             mrs ...  
             bic ...
             orr ...
             msr ...
             
             @关闭看门狗
             ldr  
             mov  
             str  
         
        怀疑uboot死到关闭看门狗的这个位置了
        所以只需在关闭看门狗之前开LED1灯
        然后在关闭看门狗之后在打开LED1灯
        uboot执行以后,LED1灯是亮的,说明uboot死到关闭看门狗这个位置
        uboot执行以后,LED1灯是灭的,说明关闭看门狗的地方是没有问题
        以此类推一点点查看uboot在何处死机
    3.别忘记除了软件来进行跟踪调试,还要借助可爱的示波器来抓取波形分析波形
 
2.7.案例：uboot启动,将LED1打开
上位机实施步骤：
cd /opt/uboot
vim board/s5p6818/x6818/board.c +190
在此函数中添加LED1的初始化和开灯代码,如下：
int board_early_init_f(void){
  ...
    led_init(); //初始化函数
    led_on(); //开灯函数
    return 0;
}
在文件最前面添加头文件：
#include "led.h"
保存退出
cp led.h board/s5p6818/x6818/
cp led.c board/s5p6818/x6818/
 
vim board/s5p6818/x6818/Makefile 添加：
obj-y += led.o
保存退出
make  
cp ubootpak.bin /tftpboot
 
下位机更新uboot:
重启下位机进入uboot命令行模式,执行：
tftp 48000000 ubootpak.bin
update_mmc 2 2ndboot 48000000 200 78000
reset //复位下位机命令
查看LED1是否打开
 
2.8.案例：uboot启动,让BEEP短暂响一下
    思路和2.7步骤相似
 
2.9.案例：uboot启动,利用汇编实现LED1开
实施步骤：
cd /opt/uboot
vim arch/arm/cpu/slsiap/s5p6818/start.S +92
仿照关闭看门狗的汇编代码实现LED1的开灯代码