李博　劉作龍　錢軍琪　呂民強(qiáng)　蒲駿偉

【摘要】? ? 本文介紹了海思Hi3559AV100處理器運(yùn)行Ubuntu Linux系統(tǒng)的適配過程，適配過程可分為內(nèi)核適配，根文件系統(tǒng)適配，系統(tǒng)固化三個(gè)步驟。在Hi3559AV100平臺(tái)中適配Ubuntu系統(tǒng)，可以利用Ubuntu成熟的軟件生態(tài)提升系統(tǒng)配置的靈活性，滿足更多應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

【關(guān)鍵詞】? ? Ubuntu Linux? ? Linux內(nèi)核? ? 根文件系統(tǒng)

引言：

隨著嵌入式硬件性能的不斷提升，采用arm64架構(gòu)的處理器已逐步可以滿足Linux發(fā)行版的基本運(yùn)行需求。部分Linux發(fā)行版如Ubuntu，也提供了arm64版本的系統(tǒng)，本文詳細(xì)描述了在海思的Hi3559AV100處理器運(yùn)行Ubuntu系統(tǒng)的適配過程。在嵌入式平臺(tái)中使用Ubuntu，可以利用Ubuntu成熟的軟件包管理功能及豐富的軟件包資源，提升系統(tǒng)配置的靈活性，滿足更多應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

一、硬件平臺(tái)

本文使用基于Hi3559AV100的開發(fā)板作為硬件平臺(tái)進(jìn)行Ubuntu系統(tǒng)適配。Hi3559AV100是海思公司推出的專業(yè)的相機(jī)SOC，使用先進(jìn)低功耗工藝和架構(gòu)設(shè)計(jì)，集成了雙核A73和雙核A53的大小核架構(gòu)[1]。A73和A53均為arm64架構(gòu)的處理器核心，可支持arm64架構(gòu)的Ubuntu系統(tǒng)運(yùn)行。

Hi3559AV100開發(fā)板主要包括以下硬件資源：1. Hi3559AV100處理器一片;2. 4GB容量DDR4內(nèi)存;3. 8GB容量eMMC存儲(chǔ);4. 1個(gè)RS232調(diào)試串口;5. 1 個(gè)RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口。

二、Ubuntu系統(tǒng)

Ubuntu Linux基于Debian Linux的unstable版本發(fā)展而來，使用了debian系列的deb格式軟件包及apt軟件包管理工具。Ubuntu的出現(xiàn)提升了Linux發(fā)行版的易用性，造就了龐大的用戶群體及活躍的社區(qū)，目前在桌面領(lǐng)域及服務(wù)器領(lǐng)域份額已成為L(zhǎng)inux發(fā)行版的領(lǐng)頭羊，在云計(jì)算等領(lǐng)域也提供了相應(yīng)的解決方案并得到了廣泛應(yīng)用。隨著ARM生態(tài)的不斷發(fā)展，arm64架構(gòu)的CPU在性能上已經(jīng)可以勝任Ubuntu發(fā)行版的運(yùn)行需求，目前許多arm64架構(gòu)的處理器廠商都已經(jīng)為其開發(fā)板提供了官方的Ubuntu的適配，例如，Xilinx公司的Ultrascale+開發(fā)板以及著名的樹莓派平臺(tái)均為開發(fā)者提供了預(yù)裝的Ubuntu系統(tǒng)。Ubuntu也提供了其各主要版本的arm64系統(tǒng)下載鏈接。arm64架構(gòu)下，Ubuntu僅提供其根文件系統(tǒng)，Linux內(nèi)核由用戶針對(duì)其具體處理器及板級(jí)進(jìn)行適配。本文描述針對(duì)Hi3559AV100處理器適配arm64版本的Ubuntu16.04系統(tǒng)。

三、適配過程

海思官方提供Hi3559AV100開發(fā)SDK，其中包含適配Hi3559AV100開發(fā)板的u-boot、Linux內(nèi)核、根文件系統(tǒng)及開發(fā)用的軟件框架和實(shí)例程序。SDK中，Linux內(nèi)核的默認(rèn)配置可支持SDK中的根文件系統(tǒng)，但無法支持Ubuntu系統(tǒng)的運(yùn)行，因此需要修改內(nèi)核配置，編譯，生成支持Ubuntu的內(nèi)核鏡像。得到可支持Ubuntu系統(tǒng)啟動(dòng)的內(nèi)核鏡像后，可進(jìn)一步修改根文件系統(tǒng)，滿足使用需求，并生成固化用的文件系統(tǒng)鏡像，并最終固化至開發(fā)板，完成適配過程。

（一）環(huán)境準(zhǔn)備

適配前需搭建如圖1所示的開發(fā)環(huán)境，開發(fā)主機(jī)環(huán)境為一臺(tái)安裝Ubuntu系統(tǒng)的PC機(jī)，按照文檔[2]安裝SDK并搭建了完整的開發(fā)環(huán)境，建立了有效的tftp服務(wù)器及NFS服務(wù)器環(huán)境。從Ubuntu下載鏈接下載的Ubuntu16.04系統(tǒng)的arm64版本壓縮包解壓至開發(fā)主機(jī)環(huán)境的NFS路徑下。開發(fā)板和開發(fā)主機(jī)通過以太網(wǎng)和串口連接，在開發(fā)調(diào)試階段，開發(fā)板上運(yùn)行Linux內(nèi)核存儲(chǔ)在開發(fā)主機(jī)端的tftp目錄中，通過網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)NFS掛載存儲(chǔ)于開發(fā)主機(jī)端NFS目錄中的Ubuntu系統(tǒng)。

（二）內(nèi)核適配

通過實(shí)際測(cè)試，SDK安裝完成后，其內(nèi)核版本為4.9，默認(rèn)的配置不支持Ubuntu系統(tǒng)的啟動(dòng)，需修改內(nèi)核配置，在Linux內(nèi)核源碼路徑下輸入如下命令打開Linux內(nèi)核配置操作界面：

make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-himix100-linux- menuconfig

在調(diào)試階段，Ubuntu系統(tǒng)部署在了開發(fā)機(jī)中，Hi3559開發(fā)板需通過NFS掛載根文件系統(tǒng)，默認(rèn)的內(nèi)核配置不支持根文件系統(tǒng)的NFS的方式掛載，因此首先配置內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)部分和文件系統(tǒng)部分，開啟內(nèi)核對(duì)根文件系統(tǒng)的NFS的方式掛載的支持，如圖2、圖3所示。

SDK中根文件系統(tǒng)中設(shè)置了基本的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，確保了啟動(dòng)時(shí)/dev路徑下具備基本的設(shè)備節(jié)點(diǎn)。Ubuntu使用udev機(jī)制，因而Ubuntu中/dev路徑默認(rèn)為空，為保證系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)具備基本的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，需配置內(nèi)核中的/dev/tmpfs選項(xiàng)，使得內(nèi)核啟動(dòng)后自行創(chuàng)建基本的/dev下的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，如圖4所示。

Linux系統(tǒng)中，根文件系統(tǒng)掛載后，內(nèi)核在根文件系統(tǒng)中尋找并執(zhí)行init程序，開啟系統(tǒng)的初始化，SDK提供的根文件系統(tǒng)使用的是Sysvinit，而Ubuntu使用了功能更為強(qiáng)大的systemd，systemd需要使用內(nèi)核的cgroups機(jī)制，因此需配置內(nèi)核中cgroups相關(guān)選項(xiàng)，如圖5，圖6所示。

配置完成后，保存配置并退出，使用如下命令編譯Linux內(nèi)核：

make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-himix100-linux- uImage

編譯完成后就生成了內(nèi)核文件uImage，Hi3559平臺(tái)下，要獲得可從u-boot引導(dǎo)啟動(dòng)的Linux內(nèi)核文件，還需使用SDK中的arm-trusted-firmware工具生成ATF+Kernel的鏡像文件fip.bin，該鏡像文件fip.bin可被Hi3559的u-boot正確啟動(dòng)。

編譯內(nèi)核后還需編譯內(nèi)核模塊并安裝至NFS路徑下的Ubuntu文件系統(tǒng)中：

make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-himix100-linux- modules

make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-himix100-linux-? ＼

INSTALL_MOD_PATH=/nfs/ubuntu? modules_install

編譯內(nèi)核后還需編譯內(nèi)核模塊并安裝后，NFS路徑中的Ubuntu系統(tǒng)可正確被內(nèi)核啟動(dòng)掛載，由于內(nèi)核模塊安裝時(shí)自動(dòng)設(shè)置了依賴關(guān)系，因此啟動(dòng)后內(nèi)核模塊將你被系統(tǒng)自動(dòng)加載。

（三）根文件系統(tǒng)適配

目標(biāo)機(jī)通過NFS網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)掛載運(yùn)行Ubuntu系統(tǒng)，由于Ubuntu系統(tǒng)功能眾多，較為龐大，因此本文采用Ubuntu提供的最小化的base[3]系統(tǒng)作為Hi3559AV100適配Ubuntu的基礎(chǔ)根文件系統(tǒng)。Ubuntu base僅提供了最小化的系統(tǒng)能力，其他功能可通過聯(lián)網(wǎng)安裝獲取，因此需在開發(fā)環(huán)境中對(duì)Ubuntu根文件系統(tǒng)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)置，通過拷貝開發(fā)環(huán)境主機(jī)Ubuntu中的配置文件來更換NFS中Ubuntu系統(tǒng)的軟件源配置，用戶名密碼配置等，隨后即可啟動(dòng)系統(tǒng)。在系統(tǒng)正常啟動(dòng)后，使用軟件包管理工具apt安裝所需的軟件滿足實(shí)際使用需求，如net-tools，kmod等，如需編譯器可安裝gcc，g++等。

在開發(fā)板上啟動(dòng)配置好的內(nèi)核，通過NFS掛載Ubuntu系統(tǒng)，步驟如下：

1.啟動(dòng)開發(fā)板，在u-boot出現(xiàn)shell提示符時(shí)在串口終端輸入任意按鍵，打斷默認(rèn)啟動(dòng)，修改啟動(dòng)參數(shù)如下：

setenv bootargs “mem=2048M console=ttyAMA0，115200 noinitrd root=/dev/nfs rw ＼

nfsroot=192.168.0.100：/nfs/ubuntu，proto=tcp，nfsvers=3，nolock ＼

ip=192.168.0.120：192.168.0.100：192.168.0.1：255.255.255.0 ＼

blkdevparts=mmcblk0：1M（u-boot.bin），15M（kernel），7000M（rootfs）”

setenv bootcmd ”tftp 41000000 fip.bin;bootm 41000000”

按照上述命令設(shè)置bootargs參數(shù)，可配置內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)以NFS的方式掛載根文件系統(tǒng)，根文件系統(tǒng)位于ip地址為192.168.0.100的主機(jī)的/nfs/ubuntu路徑下，并指定了開發(fā)板的ip地址為192.168.0.120。設(shè)置blkdevparts的目的在于告訴內(nèi)核開發(fā)板的emmc芯片分區(qū)按照1M，15M，7000M劃分為3個(gè)分區(qū)。

2.在u-boot的shell中輸入boot命令，u-boot將根據(jù)配置先從tftp加載fip.bin文件至內(nèi)存的0x4100000地址，隨后從0x41000000地址啟動(dòng)Linux內(nèi)核。

3. Linux內(nèi)核啟動(dòng)后將按照bootargs的設(shè)置，掛載NFS中的Ubuntu根文件系統(tǒng)，掛載成功后，Ubuntu中的systemd啟動(dòng)，初始化系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)登陸提示符時(shí)，代表Ubuntu啟動(dòng)完成。

Ubuntu系統(tǒng)啟動(dòng)完成后，可以使用先前配置的用戶名及密碼登錄系統(tǒng)，并使用apt工具安裝需要的軟件包，并進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)功能測(cè)試，系統(tǒng)功能可滿足需求則根文件系統(tǒng)適配完成。

（四）系統(tǒng)固化

系統(tǒng)固化指將內(nèi)核鏡像及Ubuntu根文件系統(tǒng)部署至開發(fā)板的emmc芯片內(nèi)，可以脫離開發(fā)環(huán)境的tftp+NFS啟動(dòng)系統(tǒng)的過程。

存放在開發(fā)環(huán)境主機(jī)中NFS路徑下的Ubuntu根文件系統(tǒng)，可在主機(jī)端使用Linux中的tar工具進(jìn)行打包，隨后燒寫至eMMC 分區(qū)中。燒寫固化流程如下：

1.啟動(dòng)開發(fā)板，在u-boot出現(xiàn)提示符時(shí)在串口終端輸入，打斷默認(rèn)啟動(dòng)，隨后在u-boot的shell中執(zhí)行如下命令：

mw.b 0x42000000 0xff 0xf00000

tftp 0x42000000 fip.bin

mmc write 0 0x42000000 0x800 0x7800

將Linux內(nèi)核鏡像文件下載至0x42000000，并燒寫如emmc中。

2.固化文件系統(tǒng)，在燒寫內(nèi)核完成后，通過燒入的內(nèi)核鏡像文件啟動(dòng)，此時(shí)仍需掛載NFS，設(shè)置參數(shù)如下：

setenv bootargs “mem=2048M console=ttyAMA0，115200 noinitrd root=/dev/nfs rw ＼

nfsroot=192.168.0.100：/nfs/ubuntu，proto=tcp，nfsvers=3，nolock ＼

ip=192.168.0.120：192.168.0.100：192.168.0.1：255.255.255.0 ＼

blkdevparts=mmcblk0：1M（u-boot.bin），15M（kernel），7000M（rootfs）”

setenv bootcmd ”mmc read 0 41000000; bootm 41000000”

隨后輸入boot啟動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)啟動(dòng)后先格式化emmc的第三分區(qū)：

mkfs.ext4? /dev/mmcblk01p3

格式化后掛載該分區(qū)至/mnt路徑：

mount /dev/mmcblk01p3 /mnt

隨后將使用tar命令打包的Ubuntu系統(tǒng)解壓至/mnt路徑

tar xvf ubuntu.tar -C /mnt

解壓完成后，使用sync命令，確保文件寫入emmc中，至此根文件系統(tǒng)燒寫部署完成，可重啟開發(fā)板，設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)。

3.設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)。重啟開發(fā)板，在u-boot出現(xiàn)shell提示符時(shí)在串口終端輸入任意按鍵，打斷默認(rèn)啟動(dòng)，修改啟動(dòng)參數(shù)如下：

setenv bootargs “mem=2048M console=ttyAMA0， 115200 noinitrd root=/dev/mmcblk01p3 ＼

rootfstype=ext4 rw ip=192.168.0.120 blkdevparts=mmcblk0：1M（u-boot.bin），15M（kernel）， ＼

7000M（rootfs）”

setenv bootcmd ”mmc read 0 41000000; bootm 41000000”

隨后輸入saveenv保存設(shè)置，至此系統(tǒng)固化完成，重新啟動(dòng)開發(fā)板后，將自動(dòng)從emmc中加載Linux內(nèi)核鏡像，并啟動(dòng)emmc中的Ubuntu系統(tǒng)。與傳統(tǒng)嵌入式Linux難以靈活擴(kuò)展功能不同，Linux發(fā)行版系統(tǒng)以軟件源的方式提供了豐富的軟件生態(tài)，系統(tǒng)啟動(dòng)并登陸后，可以使用apt工具依據(jù)實(shí)際需求，安裝需要的軟件組件，支持豐富的應(yīng)用場(chǎng)景。

四、結(jié)束語

本文指出了Linux發(fā)行版Ubuntu應(yīng)用于嵌入式環(huán)境的方法，并在Hi3559開發(fā)板進(jìn)行了驗(yàn)證。隨著嵌入式硬件平臺(tái)性能的不斷提升，Linux發(fā)行版作為使用廣泛，便于擴(kuò)展定制的基礎(chǔ)系統(tǒng)平臺(tái)必將更加廣泛的應(yīng)用與嵌入式場(chǎng)景，為嵌入式開發(fā)者提供更好的系統(tǒng)通用性、靈活性，更適用于未來物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的開發(fā)及部署，提升應(yīng)用的開發(fā)效率，縮短研發(fā)周期，使嵌入式產(chǎn)品更具競(jìng)爭(zhēng)力。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] Hi3559A/C V100用戶指南

[2] Hi3559A/C V100開發(fā)環(huán)境用戶指南

[3] https：//wiki.ubuntu.com/Base

李博（1988.06-），男，漢族，陜西銅川，碩士研究生，工程師，研究方向：Linux操作系統(tǒng)。