Embedded Linux on Cubieboard2 (II): Kernel

本篇Outline

1. Kernel 開機所需檔案
2. Building Kernel

Kernel 開機所需檔案

    前一篇最後講完了 U-boot 的事，但如果要讓 cb2 開機，還需要一些設定檔。第一個要講的是 script.bin。

 
    script.bin 基本上是 cb2 自己的硬體設定檔，供設定的參數非常的多種，它也是個 binary 檔，原來的文本不用自己寫，官方已經有寫好了，可從 linux sunxi 的 github 抓取。

git clone https://github.com/linux-sunxi/sunxi-boards.git

script.bin 原來的文本副檔名是 .fex，而 cb2 的 fex 檔位於 sunxi-boards/sys_config/a20/cubieboard2.fex。所有可設定的硬體參數都在這個官方文件裡，在這邊我要提起的一個設定是 MAC address 問題。cb2 本身有 EMAC 的功能，簡單來說就是動態獲取 MAC address，當然你也可以把它關掉使用靜態 address，但必須要注意的是 fex 檔裡絕對不能鬧雙包，也就是同時使用 EMAC 及靜態 address，鬧雙包的話他不會噴錯，但核心網路界面就會莫名其妙的不見了。如果你要使用靜態 MAC (預設是 EMAC )，就在 fex 檔裡加入下列文字。

[dynamic]
MAC="你的address"

接著找到檔案裡的 emac_para 區段(也就是找到"[emac_para]")，把第一行 "emac_used=1" 改成 "emac_used=0"。
接下來要把 fex 檔轉換成 binary 檔，需要 linux sunxi 的工具。

git clone https://github.com/linux-sunxi/sunxi-tools.git

切換到 sunxi-tools 目錄之後，建置 fex2bin。

make fex2bin

轉換 fex 檔。

fex2bin cubieboard2.fex ./script.bin

    接著要講boot.scr。boot.scr 是 U-boot 開機時會讀取的 binary 設定檔，它原來的文本( boot.cmd )是一個腳本，可以在裡面寫你要執行的 U-boot 指令。boot.scr 並非必要，沒有它 U-boot 還是有自己的預設值，雖然如此，我還是親手來寫一遍比較有感覺吧。我在 boot.cmd 裡第一條要寫的是設定 kernel argument。cb2 完整的 kernel arguments 在這個網站，但在這邊，我只要設定最重要的幾個。

setenv bootargs console=ttyS0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rootwait panic=10

" setenv bootargs" 是 U-boot 的指令，後面接的那些才是真正的 kernel arguments，上例是用於把 boot 分割區獨立畫出來的情況，所以 root 參數，也就是根檔案系統的位置，是在 p2，如果是沒分開來的情況就要寫 root=/dev/mmcblk0p1。接下來要寫的就是載入核心以及 script.bin，這裡採用的方法是先把他們載到一個記憶體位址再用 bootm 指令開機。

fatload mmc 0 0x43000000 script.bin
fatload mmc 0 0x48000000 uImage

fatload 顧名思義就是從 FAT 型態檔案系統裡載入所需檔案，因此，如果你沒有把 boot 分割區特別畫出來，核心等檔案放在 boot 資料夾且檔案系統是用 ext2 的話，就要這樣寫。

ext2load mmc 0 0x43000000 boot/script.bin
ext2load mmc 0 0x48000000 uImage boot/uImage

接著就是開機的指令了。

bootm 0x48000000

上面講的就是要寫進 boot.cmd 的指令。最後一步是把文本轉成 binary 檔，這裡需要 mkimage 工具，沒有意外的話是包含在 U-boot 原碼裡，跟 U-boot 主體一起編譯好了，位於 U-boot 目錄底下的 tools 資料夾。

mkimage -C none -A arm -T script -d ./boot.cmd boot.scr

boot.scr 也是放在 boot 分割區(或是 boot 資料夾)裡，U-boot 開機時自己會去找。如果你之後開機時出現 machine id 不被 kernel 接受的錯誤，就先記下接受的 machine id，接著用下方指令在 boot.cmd 中設定。(假設 kernel 接受的 id 是 0xf0)

setenv machid 0xf0

Building Kernel

    編譯 kernel 這個步驟相較於前面，顯的非常簡單。首先把官方改過得 kernel 抓下來。

git clone https://github.com/cubieboard2/linux-sunxi.git -b sunxi-3.4-cb2

要注意的是不要用 cb2 的 3.3 kernel，不僅問題很多(我連開機都開不起來)，貌似也沒有繼續維護了。

接著設定環境。

export ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-

套用 cb2 預設 config。

make cubieboard2_defconfig

祈禱不會出錯吧

make all modules

建置 uImage。要注意建置 uImage 需要 mkimage 工具喔。

make uImage

基本的 kernel 建置就這麼簡單，下一篇會開始講 user space 的事。

Embedded Linux on Cubieboard2 (I): Toolchain 與 Bootloader

系列前言

    Cubieborad2 是深圳 Cubie Tech 公司 Cubieborad 系列ARM架構開發版的第二代。搭載了Allwinner A20(ARM Cortex-A7)@1GHz Dual Core處理器，1GB DDR3 記憶體，其他外部配備有 3.4GB NAND Flash，最高支援到 64GB 的 micro SD 插槽，HDMI，10/100 Ethernet，2 x USB 2.0 HOST，1 x mini USB OTG，SATA3 。
    Cubieboard 最吸引我的是它完全開源的軟硬體與廣大社群，除了頁面整理亂到不行+不定期死機的Wiki以外。
    本系列文章是紀錄我個人在移植一個基本且盡量輕小的 Linux 系統到 Cubieboard2 (簡稱cb2)時的一點紀錄。
    作者本身才剛踏入嵌入式系統這個領域，文章裡如有哪邊需要修正請不用客氣的在留言中提出。

本篇Outline

1. Cross compile toolchain
2. 製作 Bootloader

Cross Compile Toolchain

    我 toolchain 用的是大名鼎鼎的 linaro toolchain。基本上把 binary 載下來就好了，但是由於不明原因，編譯 cb2 的 kernel 時請用 gcc 4.7 的，至於其他像是 bootloader 就可以用 gcc 4.8。以本篇為例，我 cross compiler 的 gcc 名字就是 arm-linux-gnueabihf-gcc，值得一提的是 gnueaibhf 的 "hf" 代表的是 hard float，簡單來說就是用硬體運算浮點數，以前比較舊的處理器運算浮點數的時候是用整數的指令來做運算，後來才有專門是作浮點數運算的硬體指令出現，速度自然是比較快的。

製作 Bootloader

    Cubieboard2 使用的是 U-boot 當作他的 bootloader，我沒那麼厲害可以從零開始移植 U-boot 到這塊板子，所以我就先下載官方移植好的 U-boot 自己做編譯和安裝。基本上像 bootloader 這麼底層的東西，文件和原始碼都在 Allwinner 的 wiki 和 github 裡。
首先，下載 U-boot 原始碼。

git clone https://github.com/linux-sunxi/u-boot-sunxi.git

sunxi 是 Allwinner 底下 ARM SoC 的代稱。U-boot 設定 cross compiler 的方式非常方便，跟眾多大型專案一樣，把環境變數 CROSS_COMPILE 設定成 toolchain 名字的 prefix 就可以了。

export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-

注意最後面有一個"-"，因為在 Makefile 裡它是這樣展開(示意)：

CC = $(CROSS_COMPILE)gcc

 接下來設定 U-boot：

make Cubieboard2_config

至於全部裝置的列表是在 boards.cfg 裡，所以如果是 cb1 的 U-boot 的話就是 make Cubieboard_config。 config 完之後就大力的輸入 make 吧。

接著，你會在 U-boot 的目錄下看到一個 u-boot-sunxi-with-spl.bin 的檔案，那就是我們要燒進去的 bootloader。事實上，上面的檔案是由兩個東西組成的：U-boot 和 SPL，SPL 就是 Second Program Loader，簡單來說就是負責載入第三階段的 U-boot，描述了許多載入時所需要的硬體資訊，如果要分開燒的話 SPL 在底下的 spl 資料夾的 u-boot-spl.bin。

    下圖是 cb2 SD 卡開機區段的 layout。

SD 卡的分區我是把 boot 與主系統分開來，這樣的優點是主系統可以使用 ext4 檔案系統，因為這個官方提供的 U-boot 在讀取kernel等開機所需檔案時，目前只能支援 fat32, ext2 等比較老的檔案系統（mainline 的 U-boot 已經支援 ext4 囉），所以像是另外一種沒有把 boot 分開來的切割方式，就只能使用有支援的檔案系統。切割工具的部份，我個人試過很多像是 fdisk, sfdisk 等，最後還是覺得：用 GParted 就可以了，又快又方便。

boot 分割區我是把它格式化成 fat32（下次再來試試 ext2 看有什麼差別）外加 LBA，在 fdisk 裡面 fat32(LBA) 的型態代碼是 0x0C，但奇怪的是我用最新版的 fdisk 怎麼這種型態不見了只剩下普通 fat32，至於在 GParted 裡，LBA 是一個旗標，跟 boot 旗標一樣，要按右鍵管理旗標的那個地方。要注意的是，依照上表，磁碟前 1MB 是要保留的，雖然現在的工具都會保留 1MB，在 fdisk 裡，通常就是從第 2048 sector 開始割（通常 1 sector 是 512 bytes，0.5 KB），最後記得 boot 分割區要加 boot 旗標。我的磁碟分割就如下圖。

（畫紅底線的就是磁碟旗標）

在燒錄前，我們先要依 layout 把前 1MB先清乾淨，依本人慘痛的經驗，如果把 partition table 也清掉的話將會是一場災難，雖然 partition table 不一定如 layout 說的有 8KB 那麼大，但我們還是乖乖的保留前 8KB 吧。

dd if=/dev/zero of=/dev/sdX bs=1024 count=1016 seek=8

請把上面的 sdX 改成你自己 SD 卡的裝置檔。接著，把 bootloader 燒進去。

dd if=/path/to/u-boot-sunxi-with-spl.bin of=/dev/sdx bs=1024 seek=8

Bootloader 的準備到這邊基本上就告一個段落了。