杜登科,胡愛蘭,李林峰,張玉生

　　(華北計算機系統工程研究所，北京 100083)

　　摘要：隨著工業科技的發展，嵌入式Linux展現了巨大的價值，廣泛應用于消費電子設備、網絡設備和工控機領域。廣泛的應用帶來了各種各樣的需求，各大廠商紛紛訂制自己的嵌入式Linux產品，導致大量的重復工作，規范和標準差異化越來越大。在開放源代碼的精英發起下，Yocto橫空出世，以開源協作的方式逐步統一嵌入式Linux的訂制和開發標準，避免許多重復工作，極大地簡化了嵌入式Linux系統的訂制，并且省掉大量的重復工作，使嵌入式Linux應用開發者可以將重心放在自己的工作上。

　　關鍵詞：嵌入式；Linux；Yocto；開放源代碼

0引言

　　1991年芬蘭大學生Linus發布了0.1版本的操作系統Linux，到1995年，Linux發布1.2版本，該版本開始支持Alpha、i386、MIPS和SPARC等架構，同時MIPS開始在低功耗設備中越來越流行［1］。1996年第一家專注于嵌入式Linux的公司Timesys成立，隨后基于嵌入式Linux的公司和組織如雨后春筍般出現［2］。

　　至今，基于Linux內核的操作系統廣泛應用于消費電子、網絡設備、工控控制、工業自動化、導航設備、宇宙飛船控制領域和醫學設備領域［3］。

　　由于沒有統一的標準，嵌入式Linux開發差異越來越大，導致大量重復工作，給嵌入式Linux開發者帶來極大不便。在Linux基金會的有識之士的領導下成立了Yocto項目，Yocto提供了工具、關鍵數據和方法來快速構建一個嵌入式Linux發行版操作系統，避免了大量的重復工作，這樣嵌入式Linux開發者可以將更多的重心放在應用開發上，極大地提高了效率。

1國內外研究現狀

　　當前國內外開發一個嵌入式Linux操作系統的通用方式分為3步［4］：制作交叉編譯工具鏈；移植uboot；配置并編譯Linux內核［5］，制作根文件系統。這樣的開發流程對于嵌入式Linux開發者來說非常繁瑣，會耗費開發人員大量的精力在與應用開發上無關的方面，而且架構一換，交叉編譯工具鏈還得重新進行配置和編譯。即使有的公司或者社區已經做好了相應的工作，也僅僅限制于他們的芯片和板子，嵌入式Linux開發者需要查閱大量的文檔才能將已有的工作移植到他們的工作中，因此對于開發者十分不利。

　　Yocto項目正是針對這種情況而誕生的，它將構建嵌入式Linux操作系統中需要用到的軟件源代碼的下載、打補丁、配置、編譯、打包和安裝以Python或Shell腳本的方式描述出來，保存在以后綴為.bb的文件中，然后使用一個叫bitbake的工具來解析執行。這樣的規則可以重利用，因此極大地提高了嵌入式Linux開發者的開發效率。Yocto中提供了很多種類型的嵌入式Linux操作系統模版，涵蓋了常見的操作系統類型，比如非常小的能啟動設備的coreimageminimal，而且使用者可以很容易地對該操作系統進行訂制，僅僅通過修改構建目錄下的local.conf文件就可以輕松完成各種需求的訂制。

2Yocto項目介紹

　　Yocto的核心是一個基于OpenEmbeddedd開放源代碼的構建系統，它通過提供模版、工具和方法幫助開發者快速創建基于Linux內核的定制系統，支持ARM、PPC、MIPS和x86硬件體系結構。這個構建系統可以創建針對用戶環境的嵌入式Linux操作系統發行版。Yocto項目可以讓用戶訂制不同大小的Linux鏡像文件，從可以僅供啟動設備的鏡像到擁有各種各樣功能的復雜的操作系統鏡像文件。

　　除了可以訂制嵌入式Linux操作系統發行版，還可以很容易地產生針對該嵌入式Linux操作系統的交叉編譯工具鏈和SDK，同時還有軟件開發工具集，可以生成想要的格式，如：deb、rpm、ipk等。

　　圖1詳細地描述了Yocto項目流程：從上游軟件源將代碼抓取下來，通過一個叫bitbake的構建系統，使用描述編譯規則的文件，來生成內核的image、根文件系統和SDK。

3開發環境搭建

　　3.1安裝必要的軟件包

　　Ubuntu14.04下安裝如下包：

　　$sudo aptget install gawk wget gitcore diffstat unzip texinfo gccmultilib buildessential chrpath socat libsdl1.2dev xterm

　　3.2獲取Yocto構建系統

　　$git clone git://git.yoctoproject/poky

　　然后切換到當前最新的分支jethro上：

　　$git checkout jethro

　　這樣就得到了Yocto整個構建系統的所有工具、關鍵的配置文件和核心的元數據。

4開始構建系統

　　接下來創建一個可以在arm926ejs的CPU上運行的嵌入式Linux操作系統發行版，還有一整套交叉編譯工具鏈，并且讓該操作系統運行在QEMU虛擬機上。

　　4.1初始化構建系統的環境

　　poky是一個包含構建系統、核心腳本文件和構建工具的一個集合。因此進入poky目錄并運行如下腳本：

　　$cd poky

　　$source oeinitbuildenv

　　該腳本會創建一個構建目錄，默認放在poky里面，也可以自己指定構建目錄，運行如下命令：

　　$source oeinitbuildenv you_path

　　構建目錄包含構建期間生成的所有文件。

　　4.2修改本地配置文件

　　在運行oeinitbuildenv腳本后，會在構建目錄下生成conf目錄，conf目錄就是包含本次構建的所有重要配置文件。在conf目錄下有一個local.conf的配置文件，該文件包含了要構建的系統的一些基本設置。

　　如果不改變任何配置文件就開始編譯，默認的構建的目標機器是qemux86，生成的可運行的鏡像文件是基于32位的x86架構，可以運行在QEMU虛擬機上。對于本次編譯來說，要生成基于arm926ejs，可在QEMU虛擬機上運行的鏡像文件，修改local.conf文件中的MACHINE變量：

　　MACHINE?=qemuarm

　　既然要做一個嵌入式Linux發行版，不是僅僅跑起來那么簡單，作為一個成熟的嵌入式Linux操作系統，必須要有對應的包管理工具，默認使用RPM，可以通過修改變量PACKAGE_CLASSES來改變：

　　PACKAGE_CLASSES=“package_deb”

　　當然還可以選擇ipk、tar等方式。

　　4.3bitbake介紹

　　bitbake是一個功能上與make類似的給嵌入式Linux操作系統生成可運行鏡像文件和軟件包的自動化構建工具，該工具受到了Gentoo Linux操作系統包管理工具Portage的啟發，使用Python實現。

　　bitbake操作的文件叫bitbake recipe，以后綴.bb結尾或者以.bbappend結尾，該文件描述了一個軟件包去哪下載、如何配置、如何編譯、軟件包的依賴、安裝到哪里、如何刪除等過程。

　　bitbake的recipe文件可以解析多種軟件包來源路徑，包括：http、https、ftp、cvs、svn、git和本地文件系統。在構建的過程中，recipe文件用來跟蹤軟件依賴、執行本地和交叉編譯，并且完成后將編譯完的軟件進行打包，可以在本地和目標設備上安裝。

　　接下來使用bitbake生成一個包含根文件系統的嵌入式Linux鏡像文件，bitbake框架首先生成一個針對目標平臺的交叉變異工具鏈。

　　4.4構建嵌入式Linux操作系統

　　在Yocto中，針對不同的設備有相應的recipe文件，根據recipe文件的描述，可以生成大小不同的操作系統,有可以僅僅讓設備跑起來實時響應的操作系統、帶界面的操作系統等。接下來生成一個尺寸很小，剛好可以讓設備跑起來的操作系統：

　　coreimageminimal

　　在4.1節搭建好的環境中運行：

　　$source oeinitbuildenv you_path

　　會生成you_path目錄，這就是開發目錄，在該目錄下運行如下命令：

　　$bitbake coreimageminimal

　　開始執行后，bitbake會根據當前的CPU型號生成一個交叉編譯工具鏈，也就是生成一個可以在宿主機上運行的，能夠編譯出在目標板子上運行的程序的工具鏈，這樣極大地簡化了嵌入式開發者的工作，不需要自己手動修改代碼來配置交叉編譯工具鏈，僅僅通過配置就可以生成各種CPU型號的交叉編譯工具鏈。使用該工具鏈編譯各種在arm926ejs上可以運行的程序，包括Linux內核。

　　這是一個比較漫長的過程，因為針對每一個軟件包都要下載、解壓、配置、編譯。通常bitbake會根據當前主機的CPU核心數量設置相應的線程來進行多線程編譯。為了提高效率，同時防止在下載的過程中出現下載包失敗的問題，通常可以提前下載好包，放在指定的目錄下，然后在build目錄中的local.conf文件中指定變量DL_DIR為上述指定的目錄，這樣bitbake構建系統就會去指定目錄讀取軟件包，極大地提高了效率。編譯操作系統如圖2所示?！　?/p>

　　開始編譯后，需要花費較長時間，具體時間長短取決于當前宿主機的CPU核的數量和當前內存大小。

　　4.5運行生成嵌入式Linux操作系統

　　編譯完成后，結果如圖3所示。　

　　編譯完成后，Linux內核的可執行鏡像文件和根文件系統位于構建目錄中的tmp/deploy/image/ 下。運行生成的嵌入式Linux操作系統，使用如下命令：

　　$runqemu qemuarm slirp nographic

　　runqemu是一個啟動QEMU虛擬機的腳本，qemuarm是運行的機器，slirp 是一種不需要root權限的網絡訪問方式。runqemu腳本自動啟動QEMU虛擬機，并且加載生成的內核和根文件系統，終端啟動界面如圖4所示?！?/p>

　　使用root用戶名登錄，默認不需要用戶密碼。

5結論

　　通過使用Yocto構建系統，僅需指定目標板子的類型和非常簡單的設置，就可輕松地完成嵌入式Linux操作系統的構建，相比于傳統的嵌入式Linux開發流程，極大地提高了效率，使開發人員能夠避免底層復雜的配置和移植，將重心更多地放在自己的應用開發上。

　　Yocto項目可以訂制操作系統的范圍從非常小的傳感器、智能手表到工控機，甚至復雜的服務器和大型機等，應用層面非常廣泛，操作簡單，僅使用Python和Shell腳本來描述操作系統的編譯規則，極大地簡化了開發工作。而且它可以訂制基于多種架構的嵌入式Linux操作系統，由于從源代碼到編譯規則都是開源透明的，這對安全行來說十分重要，使開發人員對自己訂制的操作系統百分百全面掌控。同時它減輕了嵌入式Linux開發人員的負擔，使開發人員很容易地訂制自己的操作系統，將更多的精力放在開發應用上。

　　Yocto是Linux基金會官方推薦的嵌入式Linux開發項目，未來，必將有更多的開發者和公司開始使用Yocto構建系統。

參考文獻

　　［1］ 劉慶.嵌入式Linux技術的發展［J］. 開放系統世界，2003(9):9697.

　　［2］ 苑慶國.嵌入式Linux的實時風暴［J］. 開放系統世界，2004(10):7980.

　?。?］ 陳閎中.Linux在嵌入式操作系統中的應用［J］. 同濟大學學報(自然科學版)，2001，29(5):564566.

　?。?］ 梁泉.嵌入式Linux系統移植及開發技術研究［D］. 成都：電子科技大學，2003.

　?。?］ 錢連舉.基于ARM的嵌入式Linux系統移植技術研究與應用［D］. 成都：電子科技大學，2006.