Membuat kernel linux tersuai untuk projek tertanam anda

Panduan untuk menyesuaikan kernel Linux untuk sistem tertanam

Sistem tertanam telah menjadi asas teknologi moden, memacu segala -galanya dari peranti IoT ke sistem kawalan automotif. Sistem yang berdedikasi ini bergantung kepada konfigurasi perkakasan yang ringan, cekap, dan sangat dioptimumkan untuk konfigurasi perkakasan tertentu. Di tengah -tengah timbunan perisian ini adalah kernel Linux, yang digunakan secara meluas dalam peranti tertanam kerana fleksibiliti dan keteguhan serta ciri -ciri sumbernya yang terbuka. Walau bagaimanapun, kernel Linux sejagat sering mengandungi banyak pemandu, modul, dan ciri -ciri yang tidak diperlukan untuk aplikasi tertanam. Bagi jurutera yang terlibat dalam pembangunan sistem tertanam, membina kernel Linux tersuai bukan hanya satu cara untuk mengoptimumkan prestasi, tetapi juga cara untuk mengurangkan penggunaan sumber sistem, meningkatkan keselamatan, dan meningkatkan keserasian perkakasan.

Artikel ini akan membimbing anda melalui proses kompleks membina kernel Linux tersuai untuk sistem tertanam. Kami akan meneroka sebab-sebab penyesuaian kernel, prasyarat yang diperlukan, arahan langkah demi langkah untuk mengkonfigurasi, menyusun dan menggunakan kernel, dan amalan terbaik untuk memastikan kestabilan dan prestasi dalam persekitaran pengeluaran.

Kenapa menyesuaikan kernel Linux untuk sistem tertanam?

Pengoptimuman prestasi: Salah satu sebab utama untuk membina kernel Linux tersuai untuk sistem tertanam adalah prestasi. Kernel lalai mengandungi banyak ciri yang direka untuk bekerja di pelbagai platform perkakasan, tetapi ciri -ciri umum ini sering tidak perlu dalam aplikasi tertanam. Dengan mengeluarkan pemandu dan modul yang tidak digunakan, anda boleh meningkatkan prestasi sistem dengan ketara, mengurangkan masa permulaan dan mengoptimumkan penggunaan sumber. Ini membolehkan sistem tertanam berjalan lebih cepat, mempunyai gangguan yang lebih sedikit dan penggunaan kuasa yang lebih rendah, yang penting untuk peranti dengan kuasa pengkomputeran terhad atau hayat bateri.

Sebagai contoh, peranti IoT yang dijalankan pada pemproses berasaskan lengan tidak perlu memberikan sokongan untuk protokol rangkaian berprestasi tinggi atau antara muka grafik yang maju. Kernel tersuai memastikan hanya fungsi asas dimasukkan, dengan itu mengurangkan overhead.

Mengurangkan penggunaan sumber:

sistem tertanam biasanya dijalankan dengan memori, penyimpanan dan keupayaan CPU yang terhad. Kernel yang diselaraskan meminimumkan penggunaan memori dan membantu peranti berjalan dengan lebih cekap. Dengan menghapuskan ciri-ciri yang tidak perlu seperti sistem fail yang tidak digunakan, simbol debug, dan perkhidmatan peringkat kernel, anda boleh menyimpan sumber sistem yang berharga. Ini amat penting untuk sistem tertanam masa nyata di mana walaupun ketidakcekapan kecil boleh mengakibatkan kelewatan tindak balas atau tarikh akhir yang terlepas.

Keselamatan yang dipertingkatkan: Kernel Linux tersuai juga boleh meningkatkan keselamatan dengan mengurangkan permukaan serangan. Sistem tertanam sering digunakan dalam persekitaran di mana keselamatan adalah kritikal, seperti sistem automotif atau peranti perubatan. Dengan melumpuhkan ciri -ciri kernel yang terdedah atau tidak perlu, anda boleh menghalang eksploitasi yang berpotensi. Di samping itu, anda boleh melaksanakan mekanisme keselamatan kernel seperti Selinux, Apparmor, atau SecComp untuk meningkatkan lagi pertahanan sistem terhadap serangan berniat jahat.

Masa permulaan pendek: Dalam banyak aplikasi tertanam, masa permulaan yang cepat adalah keperluan utama. Mengeluarkan pemandu dan modul yang tidak perlu dari kernel boleh mengakibatkan permulaan yang lebih cepat, mengurangkan masa yang diperlukan untuk peranti mencapai keadaan berjalan. Sebagai contoh, peranti yang digunakan dalam automasi perindustrian atau sistem automotif mungkin perlu bermula dalam beberapa saat. Dalam kes ini, kernel adat adalah penting untuk boot cepat.

Keserasian perkakasan: Banyak sistem tertanam bergantung pada komponen perkakasan khusus yang memerlukan konfigurasi kernel tertentu. Kernel adat membolehkan anda memastikan keserasian penuh dengan perkakasan tertanam seperti sistem-on-chip (SOC), periferal, dan sensor. Ini juga bermakna anda boleh menambah sokongan untuk perkakasan baru atau proprietari yang tidak termasuk dalam taburan kernel standard.

Prasyarat untuk membina kernels tersuai

Beberapa prasyarat mesti dipenuhi sebelum membincangkan proses sebenar membina kernel Linux tersuai. Ini termasuk keperluan perkakasan dan perisian.

Keperluan perkakasan: Pertama, anda memerlukan perkakasan sistem terbenam sasaran atau lembaga pembangunan yang mensimulasikan persekitaran pengeluaran sebenar. Platform biasa untuk sistem tertanam termasuk:

• Papan pembangunan berasaskan ARM seperti Raspberry Pi, BeagleBone atau STM32.
• SOCS, seperti Qualcomm Snapdragon atau NXP I.MX.
• Embedded x86 atau MIPS Architecture.

Di samping perkakasan, anda juga mungkin memerlukan komponen periferal seperti antara muka rangkaian, konsol siri, atau peranti penyimpanan untuk menguji kernel.

Keperluan perisian: Membina kernel tersuai memerlukan persekitaran pembangunan berasaskan Linux. Ubuntu, Debian, atau pengagihan Linux lain sering digunakan untuk tujuan ini. Pakej perisian asas berikut diperlukan:

• Kod Sumber Kernel: Anda boleh memuat turun kod sumber kernel dari arkib kernel Linux.
• Toolchain Cross-Compile: Untuk sistem tertanam, kompilasi silang diperlukan untuk menyusun kernel untuk seni bina yang berbeza (seperti lengan) daripada berjalan pada mesin pembangunan.
• gnu membuat dan gcc: Ini adalah alat untuk menyusun biji.

Pasang alat ini dalam persekitaran pembangunan Linux anda menggunakan arahan berikut:

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

Tetapkan persekitaran pembangunan: untuk menubuhkan persekitaran pembangunan untuk kompilasi silang, memuat turun dan memasang kompilasi silang khusus untuk seni bina sasaran. Sebagai contoh, untuk sistem berasaskan lengan:

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

Pengkompil silang ini membolehkan anda membina kernel yang boleh dijalankan pada sistem tertanam berasaskan lengan pada mesin pembangunan.

Dapatkan dan konfigurasikan kernel Linux

Muat turun Kod Sumber Kernel: Langkah pertama dalam membina kernel tersuai adalah memuat turun kod sumber. Ini boleh dilakukan dengan mengkloning repositori kernel atau memuat turun versi stabil dari arkib kernel Linux:

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

Pastikan versi kernel yang anda muat turun serasi dengan perkakasan tertanam anda. Sesetengah platform tertanam mungkin mempunyai versi kernel tertentu yang paling serasi dengan komponen perkakasan mereka.

Pilihan konfigurasi kernel:

Selepas memuat turun kod sumber kernel, langkah seterusnya adalah untuk mengkonfigurasinya. Ini termasuk membolehkan atau melumpuhkan ciri, pemandu, dan modul tertentu berdasarkan keperluan sistem tertanam. Anda boleh memulakan antara muka konfigurasi kernel menggunakan arahan berikut:

Antara muka Menuconfig menyediakan sistem berasaskan menu untuk mengkonfigurasi kernel. Fokus pada bidang utama berikut:

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

Jenis dan ciri pemproses:
• Tetapkan seni bina untuk memadankan peranti tertanam anda (mis., ARM, x86, MIPS).
Pemacu peranti:
• Dayakan hanya pemacu yang diperlukan untuk perkakasan tertanam anda. Lumpuhkan pemandu untuk komponen yang tidak akan digunakan, seperti melumpuhkan kad bunyi atau antara muka grafik jika tidak berkaitan dengan peranti anda.
sistem fail:
• Jika sistem tertanam anda menggunakan sistem fail tertentu (seperti ext4 atau jffs2), aktifkan sokongan untuknya semasa melumpuhkan sistem fail lain.
Sebagai contoh, jika sistem tertanam anda menggunakan lengan, navigasi ke "jenis dan ciri pemproses" dan pilih pilihan khusus ARM:

jenis pemproses dan fungsi -& gt;

berhati -hati mempertimbangkan keperluan perkakasan dan perisian khusus sistem tertanam dan menyesuaikan konfigurasi dengan sewajarnya.

kernel linux cross-compile

Kenapa silang kompilasi diperlukan:

sistem tertanam biasanya dijalankan pada arkitek yang berbeza daripada yang digunakan dalam pembangunan. Cross-compilation membolehkan pemaju membina kernel di desktop mereka (seperti arsitektur x86) dan menjana fail binari yang boleh dijalankan pada peranti tertanam (seperti arsitektur lengan).

Sediakan pengkompil salib:

Pastikan pengkompil salib yang sesuai dipasang. Untuk sistem tertanam berasaskan lengan, anda memerlukan alat pengkompil Cross Cross:

Untuk sistem MIPS, pengkompil silang MIPS diperlukan:

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

Bina kernel:

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

Untuk membina kernel menggunakan pengkompil salib, gunakan arahan berikut. Pertama, jelaskan sebarang fail binaan lama:

Seterusnya, gunakan pengkompil salib untuk menyusun kernel:

make menuconfig

di sini,

membolehkan proses membina untuk mempercepatkan kompilasi menggunakan semua teras CPU yang tersedia pada mesin pembangunan.

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

Jika binaan berjaya, imej kernel yang disusun akan berada di direktori -j$(nproc). Untuk sistem ARM, imej biasanya dinamakan

atau

. arch/arm/boot/ zImage Image Memasang dan menguji kernel tersuai

Salin kernel ke peranti tertanam:

Selepas menyusun kernel, langkah seterusnya adalah untuk memindahkannya ke sistem tertanam. Ini boleh dilakukan dengan beberapa cara:

• SD CARD atau USB: Jika boot peranti tertanam dari kad SD atau USB, anda boleh menyalin imej kernel terus ke partition boot.
• penghantaran rangkaian: Untuk sistem yang disambungkan melalui rangkaian, alat seperti SCP boleh digunakan untuk menghantar imej kernel:

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

sistem terbenam boot dengan kernels tersuai: Untuk boot sistem tertanam dengan kernel baru, pemuat boot (seperti U-Boot atau Grub) mesti dikonfigurasi untuk memuatkan imej kernel baru. Untuk u-boot, kemas kini konfigurasi boot:

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

Mulakan semula peranti untuk menguji kernel baru.

Masalah boot atau kernel masalah: Jika peranti gagal boot atau menemui panik kernel, anda mesti menggunakan log konsol bersiri untuk menyahpepijat isu tersebut. Sambung ke port bersiri peranti dan gunakan aplikasi terminal seperti minicom atau skrin untuk menangkap log boot. Cari mesej ralat yang menunjukkan sokongan pemandu atau perkakasan yang hilang dan menyesuaikan konfigurasi kernel dengan sewajarnya.

Mengoptimumkan kernel tersuai untuk pengeluaran

Kurangkan saiz kernel: Untuk sistem tertanam dengan ruang penyimpanan yang terhad, mengurangkan saiz kernel adalah penting. Teknik untuk meminimumkan saiz kernel termasuk:

• Lumpuhkan Fungsi Debugging: Lumpuhkan simbol debugging kernel dengan mengkonfigurasi CONFIG_DEBUG_KERNEL=n dalam konfigurasi kernel.
• Menggunakan mampatan: Gunakan gzip atau lzma untuk memampatkan imej kernel untuk mengurangkan saiznya:

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

menguatkan kernel: Dalam persekitaran pengeluaran, keselamatan adalah penting. Dayakan modul keselamatan seperti Selinux atau Apparmor semasa konfigurasi kernel. Di samping itu, patch keselamatan kernel yang menangani kelemahan yang diketahui digunakan dan ciri -ciri kernel seperti SECCOMP digunakan untuk mengehadkan panggilan sistem yang boleh digunakan untuk proses yang tidak dipercayai.

Kestabilan dan Prestasi Ujian: Ujian kernel adat dengan teliti sebelum menggunakannya dalam persekitaran pengeluaran. Gunakan alat seperti stress-ng atau sysbench untuk melakukan ujian tekanan untuk memastikan sistem dapat mengendalikan beban maksimum tanpa terhempas. Sahkan bahawa semua komponen perkakasan berfungsi dengan baik dan memantau sebarang tingkah laku yang tidak normal dalam log sistem.

Melaksanakan kemas kini dan penyelenggaraan: kemas kini kernel diperlukan untuk mengekalkan sistem tertanam yang selamat dan stabil. Apabila memohon kemas kini, pastikan perubahan tidak memperkenalkan kesilapan baru atau regresi prestasi. Adalah lebih baik menggunakan kawalan versi (seperti Git) untuk menjejaki perubahan kepada konfigurasi kernel dan kod sumber.

Amalan Terbaik dan Perangkap Biasa

Petua Penyesuaian Kernel: Apabila menyesuaikan kernel, adalah disyorkan untuk membuat perubahan tambahan dan menguji dengan kerap. Lumpuhkan pertama hanya sebilangan kecil ciri pada satu masa dan mengesahkan bahawa sistem masih berjalan seperti yang diharapkan. Ini mengurangkan kemungkinan memperkenalkan masalah penyahpepijatan yang sukar.

Kesilapan dan pembetulan biasa: Kesilapan penyusunan adalah perkara biasa apabila membina kernel tersuai. Beberapa petua untuk menyelesaikan masalah ini termasuk:

• Fail Header Hilang: Pastikan untuk memasang semua pakej pembangunan yang diperlukan.
• Masalah Pemandu: Periksa konfigurasi kernel untuk memastikan pemandu yang diperlukan diaktifkan.

Dokumentasi dan kawalan versi: Rekod setiap perubahan yang dibuat kepada konfigurasi kernel, termasuk ciri -ciri yang diaktifkan atau dilumpuhkan dan mengapa. Gunakan Git untuk menguruskan versi kernel dan menjejaki perubahan dari masa ke masa, membolehkan anda memulihkan versi stabil anda sebelum ini jika perlu. KESIMPULAN

Membina kernel Linux tersuai untuk sistem tertanam adalah cara yang berkesan untuk mengoptimumkan prestasi, meningkatkan keselamatan, dan menyesuaikan sistem mengikut keperluan perkakasan tertentu. Dengan berhati -hati memilih ciri dan pemandu kernel, anda boleh meningkatkan kecekapan peranti tertanam, mengurangkan penggunaan sumber, dan memenuhi keperluan pengeluaran yang ketat.

Walaupun proses ini mungkin kelihatan rumit, ganjaran penalaan yang halus, kernel adalah berbaloi. Sama ada anda berurusan dengan peranti IoT kecil atau sistem automotif misi-kritikal, menguasai penyesuaian kernel akan memberi anda kawalan yang lebih besar ke atas sistem tertanam dan membantu anda membina produk yang lebih dipercayai, lebih selamat, dan lebih cekap.

Atas ialah kandungan terperinci Membuat kernel linux tersuai untuk projek tertanam anda. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!