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使用 Yocto 进行 OpenSTLinux 系统的构建

article 2024/11/13 4:06:20

前言：

Yocto 项目是一个基于 Linux 的开源操作系统构建框架，专为嵌入式设备和物联网设备设计。它提供了一个全面的工具链和文档集，支持从源代码构建完整的 Linux 系统，包括内核、根文件系统、应用程序和库等。Yocto 项目的核心组件包括 OpenEmbedded 构建系统（基于 BitBake）、Poky 参考发行版以及丰富的元数据集。通过 Yocto，开发者可以创建高度定制化的 Linux 发行版，以满足不同硬件平台和应用需求。本文主要记录如何使用 Yocto 项目进行 OpenSTLinux 系统的构建与开发。OpenSTLinux 是一个专为 STMicroelectronics 的硬件平台设计的 Linux 发行版，它充分利用了 Yocto项目的灵活性和可定制性，为开发者提供了强大的工具来优化和扩展其嵌入式系统的功能。

开始前：

在使用 Yocto 前，我们先了解一些相关工具和项目的概念。

Yocto 与 OpenEmbedded ：Yocto 项目起源于 OpenEmbedded 项目并与之协作，它和 OpenEmbedded 共享一个核心元数据集合，称为 OpenEmbedded-Core。OpenEmbedded 为各种体系结构、功能和应用程序提供了一套全面的元数据，而 Yocto 专注于为一组核心架构和特定单板提供功能强大、易于使用、可互操作、经过良好测试的工具、元数据和 BSPs。
Poky：Poky 是 Yocto 参考嵌入式发行版 OS，实际上是一个有效的构建实例，它包含构建系统（Bitbake、OpenEmbedded Core、meta-poky、meta-yocto-bsp）以及一组元数据，可帮助我们构建自己的发行版。要使用 Yocto 工具和组件，需要下载（clone）Poky 并使用它来引导构建自己的发行版。
BitBake：BitBake 是 OpenEmbedded 构建系统中的一个关键组件，它负责控制构建过程并解决依赖关系。BitBake 使用描述文件（.bb 或 .bbappend 文件）来确定如何构建每个软件包，并确保所有依赖项都得到满足。
Devtool：Devtool 是 Yocto 项目中的一个命令行工具，旨在简化软件开发、测试和打包的流程。它为开发者提供了操作菜谱、修改源代码、构建软件包以及将生成的软件集成到镜像中的功能。Devtool 特别适用于可扩展 SDK 环境，可以大大提高开发效率。

相关文档：
openEuler Embedded 在线文档
BitBake 手册

Yocto 构建的工作流

通常，Yocto 构建的工作流由几个功能区域组成：

用户构建配置（User Configuration）：可用于控制生成过程的元数据 (bblayer.conf/local.conf)。
构建元数据层（Metadata Layers）：提供软件、板子和发行版元数据的各种层，通过元数据层可以有效实现复用和抽象。
软件包源代码（Source Files）：构建使用的软件包源码，可以来自上游发布的软件包、本地代码目录或者软件代码仓(例如git，svn，http，ftp）。
构建系统（Build System）：在 Bitbake 控制下的进程。这个模块扩展了 Bitbake 如何获取源代码、应用补丁、完成编译、分析生成包的输出、创建和测试包、生成镜像以及生成交叉开发工具。
软件包源（Package Feeds）：包含输出包（RPM、DEB或IPK）的目录，这些输出包随后用于构建由构建系统生成的镜像或软件开发工具包（SDK）。如果启用了运行时包管理，还可以使用 web 服务器或其他方式复制和共享这些软件包，以便于在运行时扩展或更新设备上的现有镜像。
镜像（Images）：生成的镜像，包括内核镜像、根文件系统镜像等。
应用开发工具（Application Development SDK）：生成的包含交叉编译工具链、头文件和库文件的开发组件。

编译前准备

硬件配置：

虽然 Yocto 构建系统对硬件配置的要求并不是特别高，但为了确保构建过程的顺利进行，建议采用性能较好的计算机。这主要是因为构建过程涉及大量的编译工作，需要足够的 CPU 和内存资源。

处理器：主频较高的多核处理器，建议 6核12线程以上，以加快编译速度。
内存：建议 32GB 或更高，以应对复杂的构建任务。
存储空间：硬盘空间建议 100G 以上，用于存储源代码、构建文件和生成的镜像。

系统环境

Yocto 构建系统通常运行在 Linux 操作系统上。因此，需要准备一个 Linux 发行版作为构建环境。

操作系统：Linux 发行版，如 Ubuntu，也可以使用 WSL。
文件系统：确保文件系统有足够的空间，并配置为支持大文件（如果构建大型项目）。
网络连接：稳定的网络连接，以便下载所需的软件包和依赖项，有时可能需要 VPN。

软件依赖

在使用 Yocto 构建系统之前，需要安装一些必要的依赖项目。这些依赖项目包括 Git、Python 等，它们将用于获取 Yocto 项目的源代码、执行构建脚本等。

sudo apt install gawk wget git diffstat unzip texinfo gcc build-essential chrpath socat cpio python3 python3-pip python3-pexpect xz-utils debianutils iputils-ping python3-git python3-jinja2 python3-subunit zstd liblz4-tool file locales libacl1

sudo locale-gen en_US.UTF-8

代码下载与同步

仓库管理工具

代码同步

mkdir yocto_ws && cd yocto_ws
west init -m git@gitee.com:ideal-embedded/meta_lora_gateway.git && west update

代码结构如下：
在这里插入图片描述

构建配置

设置构建环境。

# 构建操作系统不推荐在源码目录中进行构建，我们将在 yocto_ws 的上一级目录进行开发
cd ..

# 设置完环境变量，他会自动跳转到构建目录中，此时应处于与 yocto_ws 同级目录下的 build 目录中。
source yocto_ws/poky/oe-init-build-env

在这里插入图片描述

设置构建参数。

# 设置 MACHINE
sed -i 's/^MACHINE ??=.*/MACHINE ??= \"stm32mp15-loar-gateway\"/' conf/local.conf

# 设置发行版
sed -i 's/^DISTRO ?=.*/DISTRO=\"openstlinux-weston\"/' conf/local.conf

# 设置 DL_DIR 可以加速下载(非必要)，默认是 downloads 目录
sed -i 's/^#DL_DIR ?=.*/DL_DIR ?= \"\/home\/ubuntu\/work\/Yocto\/downloads\"/' conf/local.conf

# 也可以手动修改 conf/local.conf 中的 MACHINE，DISTRO，DL_DIR 等变量

在 build/conf/bblayers.conf 中添加 layer，指定参与构建的层，比如：

BBLAYERS ?= " \
  /home/chenqinhu/lorawan/yocto_ws/poky/meta \
  /home/chenqinhu/lorawan/yocto_ws/poky/meta-poky \
  /home/chenqinhu/lorawan/yocto_ws/poky/meta-yocto-bsp \
  /home/chenqinhu/lorawan/yocto_ws/meta-openembedded/meta-oe \
  /home/chenqinhu/lorawan/yocto_ws/meta-openembedded/meta-python \
  /home/chenqinhu/lorawan/yocto_ws/meta-openembedded/meta-networking \
  /home/chenqinhu/lorawan/yocto_ws/meta-openembedded/meta-gnome \
  /home/chenqinhu/lorawan/yocto_ws/meta-openembedded/meta-multimedia \
  /home/chenqinhu/lorawan/yocto_ws/meta-openembedded/meta-webserver \
  /home/chenqinhu/lorawan/yocto_ws/meta-loar-gateway \
  /home/chenqinhu/lorawan/yocto_ws/meta-st-stm32mp \
  /home/chenqinhu/lorawan/yocto_ws/meta-st-openstlinux \
  /home/chenqinhu/lorawan/yocto_ws/meta-st-stm32mpu-app-lorawan \
  "

也可以使用 bitbake-layers add-layer 命令添加 layer，但要注意 layer 的依赖关系。

bitbake-layers add-layer ../yocto_ws/meta-openembedded/meta-oe
bitbake-layers add-layer ../yocto_ws/meta-openembedded/meta-python
# .......
# 逐一添加

开始构建系统，openstlinux 提供了如下两种 image 构建目标，这里我选择了构建 st-image-weston 镜像。
在这里插入图片描述

bitbake st-image-weston  
# 首次构建比较久，需要下载的相关源代码基本都在国外服务器，可能需要挂 VPN

构建成功的制品位置位于 build/tmp-glibc/deploy/images/stm32mp15-loar-gateway。

烧录系统镜像

将板子配置成 USB 烧录模式，使用 ST 的烧录软件 STM32_Programmer_CLI 进行镜像烧录。
在 STM32MP 系列的芯片烧录过程中，TSV 文件用于定义闪存布局（Flash Layout），指定了如何将不同的固件组件（如引导加载程序、内核、根文件系统等）烧录到 STM32MP 设备的闪存中。通过STM32CubeProgrammer 等烧录工具，可以将这些组件按照 TSV 文件中的定义烧录到设备的闪存中。
```
# 也可以使用命令烧录
STM32_Programmer_CLI -c port=usb1 -d flashlayout_st-image-weston/optee/FlashLayout_emmc_stm32mp15-loar-gateway-optee.tsv
```

如何修改操作系统相关源码

当需要对操作系统相关配方源码进行修改时，请在 build 目录下执行：
```
# 比如要修改kernel源码
devtool modify linux-stm32mp

# 比如要修改 kernel 源码
devtool modify u-boot-stm32mp

#比如要修改可信固件的源码
devtool modify tf-a-stm32mp
```
devtool 是要 source poky 的环境变量才能获得，使用 devtool modify 时，build/conf/bblayers.conf 的 layer 中会自动添加 xxx/build/workspace，这意味着在 build/workspace/source 目录下进行的任何代码修改都将在下次编译中起作用。
执行完后我们可以在 build/workspace/source 下看到相关配方镜像的源代码，通常每个配方都对应着一个仓库，进入源代码目录后可以进行 git 管理。

当修改完成后，需要将该 patch 保存下来。

git add .
git commit -m "add your change commit message"
git format-patch -1     # 其中1代表的是从HEAD开始，一共要生成几个 patch

使用 bbappend 文件来应用补丁（patch）。

在 Yocto 项目中，bbappend 文件通常用于向现有的配方（recipe）添加额外的指令或覆盖配方中的某些设置。这种机制允许开发者在不修改原始配方的情况下，为自己的项目定制构建过程。

将 patch 拷贝到我们自己管理的配方目录，比如 meta-loar-gateway。
- 比如修改的是 linux-stm32mp，那么就应该拷贝到 meta-loar-gateway/recipes-kernel/linux/linux-stm32mp 目录下。
- 比如要修改的是 u-boot-stm32mp，那么就应该拷贝到 meta-loar-gateway/recipes-bsp/u-boot/u-boot-stm32mp 目录下。
- 比如要修改的是 tf-a-stm32mp，那么就应该拷贝到 meta-loar-gateway/recipes-bsp/trusted-firmware-a/tf-a-stm32mp 目录下。
要注意，yocto为伞型结构的代码管理，每层的路径都应该是一致的。
将你的 patch 名称添加到 SRC_URI 中。
```
SRC_URI += " \
    file://0001-add-your-change-commit-message.patch \
    "
```
file 命令会在当前目录下的同配方名目录中进行搜索，所以 patch 不是随便拷贝的。