191. Встраиваемый Linux: когда он нужен и из чего собран образ

Микроконтроллер выполняет вашу программу целиком: она и есть система. Прибор на Linux устроен иначе — там между железом и вашей программой стоит ядро, а сама программа лишь одна из многих. Этот раздел о том, когда переход оправдан и из каких частей собирается образ, который заливают в память платы. Опыты — в образе stm-linux:1 (Debian 12, gcc 12, dtc 1.6.1, cpio 2.13); числа в тексте — из прогонов, сверяет _verify/linux191_check.py.

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
system on chip (SoC)	система на кристалле: ядро, память, контроллеры в одном корпусе
memory management unit (MMU)	блок управления памятью: виртуальные адреса вместо физических
bootloader	загрузчик
device tree (DTS, DTB)	дерево устройств: описание платы для ядра, текст и двоичный вид
root filesystem (rootfs)	корневая файловая система
initramfs	корень в оперативной памяти, распакованный ядром при старте
init	первый процесс системы, PID 1

191.1 Когда микроконтроллера мало

Переход на Linux — не повышение в классе, а смена набора задач. Считать шаги мотора и держать 20 кГц ШИМ удобнее без операционной системы общего назначения; хранить гигабайты, говорить по TCP с шифрованием и показывать графику на экране — удобнее с ней.

Главное техническое ограничение простое: обычному ядру Linux нужен блок управления памятью. У Cortex-M его нет. Вариант ядра без него существует и загружается на STM32F429, F746 и H743 с внешней SDRAM на несколько мегабайт, но без защиты памяти и без fork() — для изделий это экзотика. F407 ему не подходит: контроллера SDRAM у него нет, а 192 КБ своего ОЗУ ядру мало. В приборах на Linux стоят камни с блоком управления памятью — серии MP1 или процессоры общего назначения (Cortex-A).

Отсюда частая и удачная схема: два вычислителя на одной плате. Микроконтроллер держит реальное время — опрос датчиков, управление, сторожевой таймер (раздел 12); процессор на Linux занимается сетью, хранением и экраном, а разговаривают они по UART, SPI или Ethernet (разделы 16, 18, 105). Прошивку микроконтроллера при этом часто обновляет как раз Linux-половина.

191.2 Четыре части образа

Образ прибора — не один файл, а четыре независимые части. Это важно практически: каждую собирают и обновляют отдельно.

Ядро одно на всё семейство плат, а дерево устройств — своё на каждую. В этом и смысл разделения: перевесили датчик с одной шины на другую — пересобрали дерево, ядро не трогали.

Строка аргументов от загрузчика к ядру (bootargs) — тоже часть образа. В опыте она такая:

console=ttyS0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rw

Где консоль (какой UART и скорость), где корень (второй раздел карты памяти) и как его монтировать. Если прибор «загрузился, но молчит», первым делом смотрят именно сюда.

191.3 Дерево устройств: плата отдельно от ядра

Дерево устройств — текстовый файл: узлы, у узлов свойства. Компилятор dtc превращает его в двоичный .dtb, который читает ядро.

/ {
    compatible = "handbook,demo-board";
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <1>;

    memory@40000000 {
        device_type = "memory";
        reg = <0x40000000 0x08000000>;      /* 128 МБ */
    };

    i2c0: i2c@44e0b000 {
        compatible = "ti,omap4-i2c";
        reg = <0x44e0b000 0x1000>;
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <0>;
        clock-frequency = <100000>;         /* DS1307 — только стандартный режим, раздел 17 */

        rtc@68 {
            compatible = "dallas,ds1307";
            reg = <0x68>;                   /* тот же адрес, что и в разделе 17.2 */
        };
    };
};

Читается это так же, как схема: i2c@44e0b000 — контроллер по такому физическому адресу; вложенный rtc@68 — микросхема на шине с адресом 0x68, тем самым семибитным адресом из раздела 17.2. Свойство compatible — ключ, по которому ядро выбирает драйвер; reg — адрес, clock-frequency — скорость шины. Она 100 кГц, потому что DS1307 работает только в стандартном режиме; для 400 кГц ставят часы, которые его умеют, например DS3231 (maxim,ds3231). #address-cells и #size-cells говорят, сколько ячеек в reg у вложенных узлов: у шины I²C адрес — одна ячейка, длины нет. Без них dtc выдаёт предупреждения, а reg = <0x68> разбирается неверно.

Опыт: плата из примера, пять узлов периферии.

Обратная сборка dtc -I dtb -O dts возвращает текст из двоичного файла — это главный приём отладки: смотрят не то, что написали, а то, что реально лежит в образе.

⚠️ Дерево описывает плату, а не ваши желания. Ядро не проверяет, что микросхема действительно стоит по этому адресу: оно доверяет дереву. Ошибка в reg или в compatible даёт не сообщение об ошибке, а молчащее устройство — как ошибка в адресе I²C на микроконтроллере (раздел 17.2).

191.4 Корень в памяти: initramfs

Самый маленький работающий корень — архив, который ядро распаковывает в память и запускает из него /init. Собирается он в два шага: каталог → архив cpio → сжатие.

/* init.c — первый процесс системы */
int main(void)
{
    struct utsname u;
    uname(&u);
    printf("init: pid=%d ядро=%s\n", getpid(), u.release);
    mount("proc", "/proc", "proc", 0, NULL);
    for (;;) {
        pause();
    }
}

gcc -static -O2 -o root/init init.c
( cd root && find . | sort | cpio -o -H newc --quiet > initramfs.cpio )
gzip -9 -n -c initramfs.cpio > initramfs.cpio.gz

Три четверти мегабайта на программу в двадцать строк — это стандартная библиотека glibc, влитая в файл статически; с маленькой библиотекой C (musl, которую Buildroot предлагает на выбор) тот же файл выходит во много раз меньше. Отсюда два обычных для встраиваемых систем приёма: маленькая библиотека C и один многоцелевой исполняемый файл на все команды. В опыте это busybox: 1 982 256 байт (1,9 МБ) — и 269 команд в нём, от sh и ls до ip и wget. Корень с ним целиком — 1004 КБ в сжатом виде, и это уже система, в которой можно работать руками.

PID 1 — особенный процесс. Он запускается первым, усыновляет осиротевшие процессы (раздел 136.4) и не имеет права завершиться: выход init для ядра — паника. Поэтому в примере вечный pause().

191.5 Чем собирают образ

Корневую файловую систему руками не собирают. Выбор обычно между тремя подходами, и он определяется не вкусом, а тем, кто потом сопровождает прибор.

Практический порядок: макет собирают на готовом дистрибутиве, чтобы проверить железо и драйверы; серийный прибор переводят на Buildroot или Yocto, когда нужен предсказуемый образ, время старта и обновление целиком.

191.6 Грабли

Ядро загрузилось, консоли нет. В bootargs не тот console=. Проверять по строке, которую реально передал загрузчик, а не по той, что в файле конфигурации.

Дерево собрано, устройство не появилось. Смотреть три вещи по порядку: есть ли узел в обратной сборке .dtb, есть ли status = "okay", есть ли в ядре драйвер с таким compatible.

Прибор виснет сразу после «Freeing unused kernel memory». Ядро не нашло или не смогло запустить /init: не тот путь, не тот формат исполняемого файла (динамический без библиотек в образе), нет прав на выполнение.

init завершился — паника ядра. Первый процесс не имеет права выходить.

Образ распух на ровном месте. Отладочные символы и статическая сборка всего подряд: 20 строк на C дают 745 КБ, а busybox на 269 команд — 1,9 МБ. Считать размер образа стоит с первого дня, а не перед выпуском.

191.7 Итоги

• Linux нужен там, где важны сеть, хранение и экран; микроконтроллер — там, где важна предсказуемая реакция. Часто на плате стоят оба.
• Обычному ядру нужен блок управления памятью. Вариант без него грузится на F429, F746 и H743 с внешней SDRAM, но в изделиях это экзотика, а F407 ему не подходит.
• Образ состоит из четырёх частей: загрузчик, ядро, дерево устройств и корневая ФС; обновляются они независимо.
• Дерево устройств — описание платы: compatible выбирает драйвер, reg задаёт адрес. В опыте 2218 байт текста дали 1515 байт .dtb и 13 узлов.
• Самый маленький корень — initramfs: статический init на 745 КБ даёт сжатый архив 321 КБ; busybox на 269 команд — 1004 КБ, и это уже рабочая система.
• Образы собирают Buildroot или Yocto; готовый дистрибутив удобен на макете.

Полные исходники

init.c — статический init для initramfs.

/* Первый процесс системы для раздела 191.4: статический init для initramfs.
 * Ничего не делает, кроме как показывает, что он PID 1 и что корень уже смонтирован. */
#include <stdio.h>
#include <sys/mount.h>
#include <sys/utsname.h>
#include <unistd.h>

int main(void)
{
    struct utsname u;
    uname(&u);
    printf("init: pid=%d ядро=%s\n", getpid(), u.release);
    mount("proc", "/proc", "proc", 0, NULL);
    printf("init: /proc смонтирован, дальше — служба прибора\n");
    for (;;) {
        pause();
    }
}

Дальше: раздел 192 «Периферия из программы: gpiochip, i2c-dev, spidev, sysfs».