組み込みプロジェクト用のカスタムLinuxカーネルを作成します-Linux-php.cn

Crafting a Custom Linux Kernel for Your Embedded Projects

埋め込みシステム用のLinuxカーネルをカスタマイズするためのガイド

組み込みシステムは、IoTデバイスから自動車制御システムまで、すべてを駆動する最新のテクノロジーの基礎となっています。これらの専用システムは、軽量で効率的で、特定のハードウェア構成に高度に最適化されています。このソフトウェアスタックの中心には、Linuxカーネルがあります。これは、柔軟性と堅牢性、およびオープンソース機能のために組み込みデバイスで広く使用されています。

ただし、ユニバーサルLinuxカーネルには、多くのドライバー、モジュール、および埋め込みアプリケーションには必要ない機能が含まれています。組み込みシステム開発に従事するエンジニアにとって、カスタムLinuxカーネルの構築は、パフォーマンスを最適化する手段であるだけでなく、システムリソースの消費を削減し、セキュリティを改善し、ハードウェアの互換性を高める方法でもあります。

この記事では、組み込みシステム用のカスタムLinuxカーネルを構築する複雑なプロセスをガイドします。カーネルのカスタマイズ、必要な前提条件、カーネルの構成、コンパイル、展開のための段階的な指示、および生産環境での安定性とパフォーマンスを確保するためのベストプラクティスを探ります。

埋め込みシステム用のLinuxカーネルをカスタマイズする理由

パフォーマンスの最適化：

組み込みシステム用にカスタムLinuxカーネルを構築する主な理由の1つは、パフォーマンスです。デフォルトのカーネルには、さまざまなハードウェアプラットフォームで動作するように設計された多くの機能が含まれていますが、これらの一般的な機能は、埋め込まれたアプリケーションではしばしば不要です。未使用のドライバーとモジュールを削除することにより、システムのパフォーマンスを大幅に改善し、スタートアップ時間を短縮し、リソースの使用を最適化できます。これにより、組み込みシステムはより速く実行でき、中断が少なく、消費電力が低くなります。これは、コンピューティングパワーまたはバッテリー寿命が限られているデバイスにとって重要です。たとえば、アームベースのプロセッサで実行されているIoTデバイスは、高性能ネットワークプロトコルまたは高度なグラフィカルインターフェイスをサポートする必要はありません。カスタムカーネルは、基本的な機能のみが含まれているため、オーバーヘッドを削減します。

リソースの消費量を減らす：

組み込みシステムは、通常、メモリ、ストレージ、CPU機能が制限されて実行されます。合理化されたカーネルは、メモリの使用量を最小限に抑え、デバイスがより効率的に実行されるのに役立ちます。未使用のファイルシステム、デバッグシンボル、カーネルレベルのサービスなどの不要な機能を排除することにより、貴重なシステムリソースを節約できます。これは、マイナーな非効率性でさえ応答の遅延または締め切りを逃すことができるリアルタイム組み込みシステムにとって特に重要です。

セキュリティの拡張：

カスタムLinuxカーネルは、攻撃面を減らすことでセキュリティを強化することもできます。埋め込まれたシステムは、自動車システムや医療機器など、安全性が重要な環境に展開されることがよくあります。脆弱なまたは不必要なカーネル機能を無効にすることにより、潜在的なエクスプロイトを防ぐことができます。さらに、Selinux、Apparmor、SecCompなどのカーネルセキュリティメカニズムを実装して、悪意のある攻撃に対するシステムの防御をさらに強化できます。

短い起動時間：多くの組み込みアプリケーションでは、迅速な起動時間が重要な要件です。カーネルから不要なドライバーとモジュールを削除すると、初期化が速くなり、デバイスが走行状態に到達するのにかかる時間が短縮されます。たとえば、産業用自動化や自動車システムで使用されるデバイスは、数秒で開始する必要がある場合があります。この場合、クイックブートにはカスタムカーネルが不可欠です。

ハードウェアの互換性：多くの組み込みシステムは、特定のカーネル構成を必要とする専用のハードウェアコンポーネントに依存しています。カスタムカーネルを使用すると、システムオンチップ（SOC）、周辺機器、センサーなどの組み込みハードウェアとの完全な互換性を確保できます。これはまた、標準のカーネル分布に含まれていない新しいまたは独自のハードウェアのサポートを追加できることを意味します。

カスタムカーネルを構築するための前提条件

カスタムLinuxカーネルを構築する実際のプロセスを掘り下げる前に、いくつかの前提条件を満たす必要があります。これには、ハードウェアとソフトウェアの要件が含まれます。

ハードウェアの要件：

最初に、実際の生産環境をシミュレートするターゲット組み込みシステムまたは開発ボードのハードウェアが必要です。組み込みシステムの一般的なプラットフォームには、次のものがあります Raspberry Pi、Beaglebone、STM32などのアームベースの開発ボード。 Qualcomm SnapdragonやNXP I.MXなどの

SOC。

埋め込みX86またはMIPSアーキテクチャ。

ソフトウェア要件：

カスタムカーネルの構築には、Linuxベースの開発環境が必要です。 Ubuntu、Debian、またはその他のLinux分布は、この目的に使用されることがよくあります。次の基本的なソフトウェアパッケージが必要です

カーネルソースコード：Linuxカーネルアーカイブからカーネルソースコードをダウンロードできます。

クロスコンパイルツールチェーン：埋め込みシステムの場合、開発マシンでの実行よりも異なるアーキテクチャ（ARMなど）のカーネルをコンパイルするには、相互コンパイルが必要です。
gnu make and gcc：これらはカーネルをコンパイルするためのツールです。
次のコマンドを使用して、Linux開発環境にこれらのツールをインストールします。

クロスコンパイル用の開発環境を設定するには、ターゲットアーキテクチャに固有のクロスコンパイラをダウンロードしてインストールします。たとえば、アームベースのシステムの場合：

このクロスコンパイラを使用すると、開発マシン上のアームベースの組み込みシステムで実行できるカーネルを構築できます。

sudo apt-get install build-essential libncurses-dev bc git flex bison

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linuxカーネル

を取得して構成します

sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabi

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Kernelソースコードのダウンロード：

カスタムカーネルを構築する最初のステップは、ソースコードをダウンロードすることです。これは、カーネルリポジトリをクローン化するか、Linuxカーネルアーカイブから安定したバージョンをダウンロードすることで実行できます。

ダウンロードしたカーネルバージョンが、埋め込みハードウェアと互換性があることを確認してください。一部の組み込みプラットフォームには、ハードウェアコンポーネントと最も互換性のある特定のカーネルバージョンがある場合があります。

カーネル構成オプション：カーネルソースコードをダウンロードした後、次のステップはそれを構成することです。これには、組み込みシステムのニーズに基づいて、特定の機能、ドライバー、およびモジュールの有効化または無効化が含まれます。次のコマンドを使用して、カーネル構成インターフェイスを開始できます。

sudo apt-get install build-essential libncurses-dev bc git flex bison

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menuconfigインターフェイスは、カーネルを構成するためのメニューベースのシステムを提供します。次の重要な領域に焦点を当てます

組み込みデバイス（ARM、x86、MIPSなど）に合わせてアーキテクチャを設定します。
埋め込まれたハードウェアに必要なドライバーのみを有効にします。使用しないコンポーネントのドライバーを無効にします。たとえば、サウンドカードやグラフィカルインターフェイスがデバイスに関連していない場合、グラフィカルインターフェイスを無効にします。
埋め込みシステムが特定のファイルシステム（Ext4やJFFS2など）を使用している場合、他のファイルシステムを無効にしながらサポートを有効にします。たとえば、

プロセッサタイプと機能 - ＆gt;

組み込みシステムの特定のハードウェアおよびソフトウェア要件を慎重に検討し、それに応じて構成を調整します。

クロスコンパイルlinuxカーネル

なぜ相互コンパイルが必要なのか：埋め込まれたシステムは、通常、開発で使用されているアーキテクチャとは異なるアーキテクチャで実行されます。相互コンパイルを使用すると、開発者はデスクトップ（x86アーキテクチャなど）にカーネルを構築し、埋め込みデバイス（アームアーキテクチャなど）で実行できるバイナリファイルを生成できます。

クロスコンパイラをセットアップします：適切なクロスコンパイラがインストールされていることを確認してください。アームベースの埋め込みシステムの場合、アームクロスコンパイラツールチェーンが必要です：

MIPSシステムの場合、MIPSクロスコンパイラが必要です。

sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabi

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カーネルを構築します：

クロスコンパイラを使用してカーネルを構築するには、次のコマンドを使用します。まず、古いビルドファイルをクリアします：

wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.10.77.tar.xz
tar -xf linux-5.10.77.tar.xz
cd linux-5.10.77

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次に、クロスコンパイラを使用してカーネルをコンパイルします。ここで、

ビルドプロセスが開発マシン上のすべての利用可能なCPUコアを使用してコンパイルを高速化できるようにします。

make menuconfig

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ビルドが成功した場合、コンパイルされたカーネルイメージは

ディレクトリになります。アームシステムの場合、画像は通常

sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabihf

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または

という名前です。 -j$(nproc)

カスタムカーネルのインストールとテストarch/arm/boot/zImage Image

カーネルを埋め込みデバイスにコピーします。

カーネルをコンパイルした後、次のステップは埋め込みシステムに転送することです。これはさまざまな方法で行うことができます：

sdカードまたはUSB：SDカードまたはUSBから埋め込まれたデバイスブーツがある場合、カーネル画像を直接ブートパーティションにコピーできます。

ネットワーク伝送：ネットワークを介して接続されているシステムの場合、SCPなどのツールを使用してカーネル画像を送信できます。

カスタムカーネルを備えたブート組み込みシステム：
sudo apt-get install build-essential libncurses-dev bc git flex bison
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新しいカーネルを備えた埋め込みシステムを起動するには、ブートローダー（U-BootやGrubなど）を新しいカーネル画像をロードするように構成する必要があります。 u-bootの場合、ブート構成を更新してください：
デバイスを再起動して、新しいカーネルをテストします。

sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabi
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ブートまたはカーネルの問題のトラブルシューティングの問題：
デバイスがカーネルパニックの起動または遭遇に失敗した場合、シリアルコンソールログを使用して問題をデバッグする必要があります。デバイスのシリアルポートに接続し、ミニコムや画面などの端子アプリケーションを使用してブートログをキャプチャします。不足しているドライバーまたはハードウェアサポートを示すエラーメッセージを探し、それに応じてカーネルの構成を調整します。
生産用のカスタムカーネルを最適化

カーネルサイズの削減：
ストレージスペースが制限されている埋め込みシステムの場合、カーネルサイズの縮小が重要です。カーネルサイズを最小限に抑えるためのテクニックには次のものがあります
デバッグ機能を無効にします：
カーネル構成で
を構成して、kernelデバッグシンボルを無効にします。
圧縮の使用：CONFIG_DEBUG_KERNEL=nGZIPまたはLZMAを使用してカーネル画像を圧縮してサイズをさらに削減します。

カーネルを強化する：
生産環境では、セキュリティが重要です。カーネル構成中にSelinuxやApparmorなどのセキュリティモジュールを有効にします。さらに、既知の脆弱性に対処するカーネルセキュリティパッチが適用され、SECCompなどのカーネル機能は、信頼されていないプロセスに使用できるシステム呼び出しを制限するために使用されます。

wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.10.77.tar.xz tar -xf linux-5.10.77.tar.xz cd linux-5.10.77
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テストの安定性とパフォーマンス：生産環境に展開する前に、カスタムカーネルを徹底的にテストします。 Stress-NGやSysbenchなどのツールを使用して、システムがクラッシュせずに最大負荷を処理できるようにストレステストを実行します。すべてのハードウェアコンポーネントが適切に機能していることを確認し、システムログの異常な動作を監視します。

更新とメンテナンスの実装：セキュアで安定した埋め込みシステムを維持するには、カーネルの更新が必要です。更新を適用するときは、変更が新しいエラーやパフォーマンス回帰が導入されないことを確認してください。バージョン制御（GITなど）を使用して、カーネル構成とソースコードの変更を追跡することをお勧めします。

ベストプラクティスと一般的なtrap

カーネルのカスタマイズのヒント：カーネルをカスタマイズする場合、増分変更を行い、頻繁にテストすることをお勧めします。まず、一度に少数の機能を少数のみ無効にし、システムがまだ予想どおりに実行されていることを確認します。これにより、難しいデバッグの問題を導入する可能性が減ります。

一般的なエラーと修正：カスタムカーネルを構築する場合、コンピレーションエラーが一般的です。これらの問題を解決するためのいくつかのヒントには、次のものがあります

ヘッダーファイルの不足：必要なすべての開発パッケージを必ずインストールしてください。

ドライバーの問題：カーネル構成をダブルチェックして、必要なドライバーが有効になっていることを確認します。

ドキュメントとバージョンの制御：
有効化または無効化されている機能を含む、カーネル構成に行われたすべての変更を記録します。 GITを使用してカーネルバージョンを管理し、時間の経過とともに変更を追跡するため、必要に応じて以前の安定したバージョンに復元できます。
結論

組み込みシステム用のカスタムLinuxカーネルの構築は、パフォーマンスを最適化し、セキュリティを強化し、特定のハードウェア要件に応じてシステムをカスタマイズする効果的な方法です。カーネルの機能とドライバーを慎重に選択することにより、組み込みデバイスの効率を大幅に向上させ、リソースの消費を減らし、厳しい生産要件を満たすことができます。
このプロセスは複雑に思えるかもしれませんが、カーネルを微調整するという報酬は価値があります。小規模なIoTデバイスやミッションクリティカルな自動車システムを扱うかどうかにかかわらず、カーネルのカスタマイズをマスターすることで、組み込みシステムをより強く制御でき、より信頼性が高く、より安全で効率的な製品の構築に役立ちます。

以上が組み込みプロジェクト用のカスタムLinuxカーネルを作成しますの詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。