基于荔枝派Nano学习Buildroot的构建过程_专栏

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声明

本文参考了很多前辈的记录，在此表示感谢，已将所有参考项列于文末。

当前版本R1.0（预发布）。

作者联系方式：E-mail: WindForest@yeah.net

1. 前言

本文拟基于LicheePi Nano学习Buildroot的使用，以及该开发板基本环境的搭建。

关于LicheePi Nano的内容在网络上是如此之多，它已经成了不知多少人手中玩到腻歪的板子，所以商业介绍就算了，只需要知道它是一款基于全志F1C100s的开发板就好了。根据新旧版本的不同，板上使用的SPI Nor Flash有W25Q128或者XT25F128B两种型号；板上使用的触摸屏芯片是NS2009。此外引出了TF卡槽和支持到5寸800×480分辨率的40pin LCD排座。

相比于一些专用SoC，F1C100s支持的交叉编译工具链、内核、构建系统和第三方库的版本可以用“丰富多彩”形容，这让最开始从F1C100s上手的我非常茫然不知所措，好在Whycan论坛的前辈们的帖子以及网上众多的教程与经验，让我度过这一阶段，因此我有意将它们整理一下，一来作为我学习的总结，二来为后面的学习者提供一些便利。

关键字：荔枝派 F1C100s LicheePi Nano Buildroot 根文件系统构建系统

2. 开发环境以及工具准备

2.1 主机系统

嵌入式开发中，Windows+Linux的开发方式非常广泛，Windows用于代码编辑和下载，Linux用于交叉编译和调试，两者相辅相成。本文基于的测试环境为Windows 10(Home 2004)+Kubuntu20.04。

Kubuntu下需要首先安装以下软件包：

sudo apt install vim make gcc libncurses-dev python swig python-dev libssl-dev g++ patch

2.2 编译工具链

嵌入式系统的构建通常分为几大部分：引导程序（Bootloader）、设备树（Device Tree）、内核（Kernel）、驱动（Driver）、根文件系统（Root File System）和应用程序（Application）。构建过程一般在性能更佳、交互更友好的开发主机进行，因此开发主机也需要安装GCC，如果没有特殊需求，安装最新版本的GCC即可。

开发伊始，首先确保要使用的交叉编译工具链已经安装， 本文使用Buildroot构建的交叉编译工具链 ，因此Buildroot的构建过程需先于u-boot和Kernel的编译。在一些资料中，使用下面示例中的Linaro工具链编译u-boot和Kernel，再使用Buildroot构建的工具链编译根文件系统和应用程序的方法也是可以的。这是因为U-boot和Kernel的编译最终生成针对目标芯片的二进制可执行文件，所以只要交叉编译工具链对应的芯片架构符合要求，引导程序就能够正常运行、内核就能够正常启动。但应用程序在编译时通常使用动态链接方式以减小最终文件体积，动态库的提供依赖于交叉编译工具链，同时，Busybox（嵌入式中用于提供启动后的init程序）的启动也需要和Kernel配合，因此在整个系统编译期间最好使用同一个交叉编译工具链。

在系统构建过程中，交叉编译工具链有几点需要被关注，比如其使用的GCC版本、使用的C库类型和支持的内核版本等。GCC版本和C库决定了动态库大小以及C标准特性和实现，支持的内核版本则决定适配情况。

[工具链安装示例]

下面以gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_arm-linux-gnueabi工具链为例描述安装过程，Linaro工具链被广泛用于嵌入式系统编译过程，LicheePi Nano的大部分教程也使用该工具链编译u-boot和Kernel（注：本文未使用此工具链）：

在文件所在目录运行：
sudo tar -Jxvf gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_arm-linux-gnueabi.tar.xz -C /opt/
即将工具链安装在/opt路径下。

编辑~/.bashrc文件：
sudo vim ~/.bashrc
在文件末尾增加：
export PATH=/opt/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_arm-linux-gnueabi/bin:$PATH
保存退出后，重启或执行：
source ~/.bashrc
此时在命令行输入arm-并按两次TAB键可见该工具链命令补全提示即为完成。

3. 构建系统Buildroot

Buildroot可用于构建一个完整的嵌入式系统，其集成了丰富的软件包，解决了众多应用的安装依赖问题，是嵌入式工程师必须掌握的一大利器。

在构建过程中，除了对架构和目标软件包的选择之外，用于目标板的交叉编译工具链的选取也是至关重要的。

本文使用的Buildroot版本为撰写时的最新版本：https://buildroot.org/downloads/buildroot-2020.11.1.tar.gz

解压Buildroot，在目录下执行：

make menuconfig

并依次进行下面的配置。

3.1 工程配置

Target options（目标选项）

修改Target Architecture（目标架构）为“ARM (little endian)”；
修改Target Architecture Variant（目标架构变体）为“arm926t”；

修改后的菜单如下图所示：

该菜单其余选项可保持默认。

Build options（构建选项）

这个菜单中用于设置Buildroot编译过程中的一些配置选项，比如Commands子菜单用于设置本机命令的别名（alias）、配置/下载/存储目录、镜像源以及编译是否包含调试符号等。

该菜单选项可保持默认。

注：若构建过程中镜像下载速度过慢，可修改Mirrors and Download locations（镜像和下载位置）中的项目，比如：

将Kernel.org mirror项修改为“https://mirror.bjtu.edu.cn/kernel”

Toolchain（工具链）

工具链的选择分两大情况，一是使用Buildroot针对目标芯片架构构建一个工具链，二是使用已有的外部工具链。如果选择前者，则构建完成后，该工具链可作为外部工具链用于其它构建过程。

注：内核的交叉编译工具链和文件系统的交叉编译工具链可以不同，但是工具链必须适配目标芯片的架构和指令集。因此使用Buildroot构建工具链才成为可能。

（1）首次构建工具链的情况

修改Toolchain type（工具链类型）为“Buildroot toolchain（Buildroot工具链）”；
修改custom toolchain vendor name（定制工具链供应商名称）为你喜欢的工具链名称，或者保持默认也可；
修改C library（C库），本文中选择的是“musl”；

注：本版本的Buildroot中，C库的选项一共有三个：uClibc-ng、glibc和musl。

uClibc和Musl是针对嵌入式设计的小型C语言标准库，glibc则占用空间比较大，考虑到目标板上使用的Flash的容量，这里选择Musl为例。
修改Kernel Headers（内核头文件）为“Manually specified Linux version（手动指定Linux版本）”，设置的版本与使用的内核版本一致，这里设置linux version（Linux版本）为“4.15.0”，设置Custom kernel headers series（定制内核头文件系列）为“4.15.x”；
选择Enable C++ support（使能C++支持），以支持使用了C++标准的应用程序。

修改后的菜单如下图所示：

在这里插入图片描述

该菜单其余选项可保持默认。

注：若选择构建工具链，编译完成后可再执行：
make sdk
将在 ./output/images/ 下生成诸如 arm-buildroot-linux-musleabi_sdk-buildroot.tar.gz 名称的交叉编译工具链包，该工具链可作为外部工具链用于其它构建过程。

（2）使用外部工具链的情况

注：当使用已存在的交叉编译工具链单独构建文件系统时，需确保其适配内核。

修改Toolchain type（工具链类型）为“External toolchain（外部工具链）”；
修改Toolchain（工具链）为“Custom toolchain（用户工具链）”；
修改Toolchain origin（工具链来源）为“Pre-installed toolchain（预安装工具链）”；
填写Toolchain path（工具链路径），具体到安装目录即可，例如“/opt/arm-buildroot-linux-musleabi_sdk-buildroot”；
填写Toolchain prefix（工具链前缀），如“$(ARCH)-buildroot-linux-musleabi”，注意这里的前缀仅仅是前缀，不包含“-”；

修改External toolchain gcc version（外部工具链GCC版本）为工具链对应版本；

查看GCC版本可用-v选项，如：

arm-buildroot-linux-musleabi-gcc -v

Using built-in specs.
COLLECT_GCC=/opt/arm-buildroot-linux-musleabi_sdk-buildroot/bin/arm-buildroot-linux-musleabi-gcc.br_real
COLLECT_LTO_WRAPPER=/opt/arm-buildroot-linux-musleabi_sdk-buildroot/bin/../libexec/gcc/arm-buildroot-linux-musleabi/9.3.0/lto-wrapper
Target: arm-buildroot-linux-musleabi
Configured with: ./configure --prefix=/home/wind/Documents/buildroot-2020.11.1/output/host --sysconfdir=/home/wind/Documents/buildroot-2020.11.1/output/host/etc --enable-static --target=arm-buildroot-linux-musleabi --with-sysroot=/home/wind/Documents/buildroot-2020.11.1/output/host/arm-buildroot-linux-musleabi/sysroot --enable-__cxa_atexit --with-gnu-ld --disable-libssp --disable-multilib --disable-decimal-float --with-gmp=/home/wind/Documents/buildroot-2020.11.1/output/host --with-mpc=/home/wind/Documents/buildroot-2020.11.1/output/host --with-mpfr=/home/wind/Documents/buildroot-2020.11.1/output/host --with-pkgversion='Buildroot 2020.11.1' --with-bugurl=http://bugs.buildroot.net/ --without-zstd --disable-libmpx --disable-libquadmath --disable-libquadmath-support --disable-libsanitizer --enable-tls --enable-threads --without-isl --without-cloog --with-float=soft --with-abi=aapcs-linux --with-cpu=arm926ej-s --with-float=soft --with-mode=arm --enable-languages=c,c++ --with-build-time-tools=/home/wind/Documents/buildroot-2020.11.1/output/host/arm-buildroot-linux-musleabi/bin --enable-shared --disable-libgomp
Thread model: posix
gcc version 9.3.0 (Buildroot 2020.11.1)

修改External toolchain kernel headers series（外部工具链内核头文件版本）为工具链对应版本；
查看工具链支持到的内核版本
```
cat [工具链安装目录]/arm-linux-gnueabi/libc/usr/include/linux/version.h
```
将LINUX_VERSION_CODE换算为十六进制，则从高到低每8位代表了内核版本号的各段，如：
```
265984D=40F00H，则对应内核版本为4.15.0
```
修改External toolchain C library（外部工具链C库）为工具链对应库类型。

修改后的菜单如下图所示：

在这里插入图片描述

该菜单其余选项可保持默认。

[问题记录]本文撰写期间，曾使用外部工具链gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_arm-linux-gnueabi构建根文件系统，但编译出的根文件系统不能被Kernel识别和挂载，运行错误如下：
...
[    2.508480] VFS: Mounted root (jffs2 filesystem) on device 31:3.
[    2.517345] devtmpfs: mounted
[    2.526797] Freeing unused kernel memory: 1024K
[    2.814736] Kernel panic - not syncing: Attempted to kill init! exitcode=0x0000000b
[    2.814736] 
[    2.823886] CPU: 0 PID: 1 Comm: init Not tainted 4.15.0-rc8-licheepi-nano #6
[    2.830913] Hardware name: Allwinner suniv Family
[    2.835706] [<c010e584>] (unwind_backtrace) from [<c010b6cc>] (show_stack+0x10/0x14)
[    2.843462] [<c010b6cc>] (show_stack) from [<c0116880>] (panic+0xb8/0x230)
[    2.850343] [<c0116880>] (panic) from [<c011803c>] (do_exit+0x96c/0x9a4)
[    2.857043] [<c011803c>] (do_exit) from [<c0118bbc>] (do_group_exit+0x3c/0xb4)
[    2.864263] [<c0118bbc>] (do_group_exit) from [<c0121778>] (get_signal+0x144/0x558)
[    2.871921] [<c0121778>] (get_signal) from [<c010a954>] (do_signal+0xc4/0x404)
[    2.879150] [<c010a954>] (do_signal) from [<c010ae5c>] (do_work_pending+0xb8/0xcc)
[    2.886720] [<c010ae5c>] (do_work_pending) from [<c0107d68>] (slow_work_pending+0xc/0x20)
[    2.894888] ---[ end Kernel panic - not syncing: Attempted to kill init! exitcode=0x0000000b
[    2.894888] 
由于此工具链仅支持到4.10.3版本的内核，尝试将version.h中的内核支持版本改为4.15.0但问题依旧。该版本工具链已是当前最新，因此颇有些无计可施：

总之，尝试使用7.2-2017.11版本和7.5-2019.12版本的工具链编译内核和Buildroot出现问题，此处挖坑。

System configuration（系统配置）

（可选）修改System hostname（系统主机名）和System banner（欢迎语）为自己喜欢的名字，或者保持默认也可；
（可选）修改/dev management为“Dynamic using devtmpfs + mdev”；
（可选）选择Use symlinks to /usr for /bin, /sbin and /lib（对/usr、/sbin和/lib使用符号链接到/usr）；
保证Enable root login with password（使能带密码的root登录）在选择状态，并根据需要设置密码。若此项不选择则无法登录到终端。

该菜单其余选项可保持默认。

Kernel（内核）

该菜单选项保持默认。

注：保证Linux Kernel在未被选择的状态，因为目标板使用的内核是单独编译的。

Target packages（目标包）

选择Networking applications（网络应用）->ifupdown scripts；
（可选）选择Networking applications（网络应用）->iperf3；
选择Networking applications（网络应用）->wireless tools；
选择Networking applications（网络应用）->wpa_supplicant，并选择“Install wpa_cli binary”和“Install wpa_passphrase binary”子项。

该菜单其余选项可根据需求选择。

Filesystem images（文件系统镜像）

选择jffs2 root filesystem（JFFS2根文件系统），并选择Flash Type子项为“Parallel flash with 64 kB erase size”；

注：擦除块大小根据使用的Flash类型和型号选择，jffs2文件系统本身可支持Nor和Nand Flash。
选择tar the root filesystem（打包根文件系统），以便于后续对镜像手动扩展和打包。

该菜单其余选项可根据需求选择。

Bootloaders（启动引导程序）

该菜单选项保持默认。

注：保证各项在未被选择的状态，因为目标板使用的引导程序（u-boot）是单独编译的。

Host utilities（主机工具集）

该菜单选项可根据需求选择，如无特殊需求保持默认（全部未选）即可。

Legacy config options（旧版配置选项）

该菜单选项可根据需求选择，如无特殊需求保持默认即可。

3.2 构建

上述全部配置完成之后，退出并保存配置界面，在Buildroot目录下执行：

make

即可编译。编译完成后在 ./output/images/ 文件夹下生成的 rootfs.jffs2 文件即为最终的烧录镜像。

4. 编译Bootloader和Kernel

4.1 编译u-boot

u-boot来源：https://github.com/Lichee-Pi/u-boot/tree/nano-v2018.01。u-boot的代码要下载 nano-v2018.01 分支。如果分支选择错误，则配置目录下没有适配开发板的deconfig文件。

解压u-boot，首先看一下买到的LicheePi的板子上的Flash型号是什么，如果是诸如 w25q128bv 这样在 ./drivers/mtd/spi/spi_flash_ids.c 中已经列出的型号，那么本步骤可以略去。

在如下图所示的位置增加对 xt25f128b 的配置项，0x0b4018是该型号的标识。

在这里插入图片描述

而后在u-boot文件夹下执行：

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-buildroot-linux-musleabi- licheepi_nano_spiflash_defconfig

从默认配置生成本次编译使用的.config文件。

执行：

make ARCH=arm menuconfig

并进行以下配置：

选择ARM architecture->Enable graphical uboot console on HDMI, LCD or VGA（在HDMI，LCD或VGA上启用图形uboot控制台），以增加u-boot对LCD的支持；
修改ARM architecture->Enable graphical uboot console on HDMI, LCD or VGA（在HDMI，LCD或VGA上启用图形uboot控制台）->LCD panel timing details（LCD面板时序细节）为：

x:800,y:480,depth:18,pclk_khz:33000,le:87,ri:40,up:31,lo:13,hs:1,vs:1,sync:3,vmode:0
修改ARM architecture->Enable graphical uboot console on HDMI, LCD or VGA（在HDMI，LCD或VGA上启用图形uboot控制台）-> LCD panel backlight pwm pin（LCD面板背光PWM引脚）为：

PE6
修改Environment->Environment Offset（环境偏移）为0xf8000（992KiB）；
修改Environment->Environment Size（环境大小）为0x8000（32KiB）；

经过上述设置后，u-boot所占分区大小即为1MiB。

u-boot环境分区在u-boot镜像之后，其偏移之前即为u-boot镜像预留的空间，这个值可以根据生成的u-boot镜像大小手动调整为最佳。
选择Console->Enable console multiplexing（启用控制台多路复用）；
选择Console->Select console devices from environment（从环境中选择控制台设备）。

启动命令和参数可以在这里设置，但出于学习的目的，本文选择在后面手动修改，而且那些参数与Flash分区相关，这里我更想专注于u-boot的镜像。

接下来开始编译：

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-buildroot-linux-musleabi- -j2

-j的指令是进行编译加速用的（如果make认为可行），不加这个也可以编译。

这样编译完成之后可以在U-Boot根目录下得到 u-boot-sunxi-with-spl.bin 文件。

若编译过程提示：

...
OBJCOPY spl/u-boot-spl-nodtb.bin
COPY    spl/u-boot-spl.bin
MKSUNXI spl/sunxi-spl.bin
BINMAN  u-boot-sunxi-with-spl.bin
./tools/binman/binman: 1: binman.py: not found
make: *** [Makefile:1148: u-boot-sunxi-with-spl.bin] Error 127

则运行：

mv tools/binman/binman.py tools/binman/binman

并重新编译即可。相关来源已放在文末参考。

这时的U-Boot仅仅是完成了设备的启动，因为没有启动命令也没有传递参数，所以还不能引导内核，本文选择在烧录后再手动增加这两个命令。

4.2 编译Kernel

Kernel来源：https://github.com/Icenowy/linux/tree/f1c100s-480272lcd-test。内核的代码可以下载 f1c100s 或者 f1c100s-480272lcd-test 分支上的代码，前者不包括LCD驱动，后者包括。如果分支选择错误，则设备树目录下没有适配开发板的dts文件。

注：这里使用的是 f1c100s-480272lcd-test 分支的代码。

解压Kernel源码，复制官方.config文件到源码根目录。

首先还是检查并添加对Flash的支持，打开 ./drivers/mtd/spi-nor/spi-nor.c 并添加对应型号的SPI Flash信息：

在这里插入图片描述

在内核目录执行：

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-buildroot-linux-musleabi- menuconfig

并进行以下配置：

选择Networking support（网络支持）->RF switch subsystem support（射频开关子系统支持）；

注：该项用于避免wpa_supplicant出现“rfkill: Cannot open RFKILL control device”错误。
选择Device Drivers（设备驱动）->Memory Technology Device (MTD) support（内存技术设备（MTD）支持）->Command line partitioning table parsing（命令行分区表解析）；
选择Device Drivers（设备驱动）->Memory Technology Device (MTD) support（内存技术设备（MTD）支持）->Caching block device access to MTD devices（缓存块设备对MTD设备的访问）；
选择Device Drivers（设备驱动）->Block devices（块设备）->Loopback device support（回环设备支持）；
选择File systems（文件系统）->Miscellaneous filesystems（杂项文件系统）->Journalling Flash File System v2 (JFFS2) support（日记Flash文件系统v2（JFFS2）支持）。

最后打开.config确认一下SPI控制选择为：

#CONFIG_SPI_SUN4I is not set
CONFIG_SPI_SUN6I=y

接下来开始编译：

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-buildroot-linux-musleabi-

若编译过程提示：

In file included from arch/arm/boot/dts/suniv-f1c100s.dtsi:6:0,
 from arch/arm/boot/dts/suniv-f1c100s-licheepi-nano.dts:7:
arch/arm/boot/dts/suniv.dtsi:71:10: fatal error: dt-bindings/reset/suniv-ccu.h: No such file or directory
#include <dt-bindings/reset/suniv-ccu.h>
^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
compilation terminated.
make[1]: *** [scripts/Makefile.lib:310: arch/arm/boot/dts/suniv-f1c100s-licheepi-nano.dtb] Error 1
make: *** [arch/arm/Makefile:349: dtbs] Error 2

或类似错误，则将对应头文件内容覆盖在include语句位置即可。

编译完成之后可以在 ./arch/arm/boot/ 文件夹下得到 zImage 镜像文件和 suniv-f1c100s-licheepi-nano.dtb 二进制设备树文件。

5. 烧录

本文使用的分区表为：

分区名称	镜像文件名	起始地址	跨越长度
u-boot	u-boot-sunxi-with-spl.bin	0x000000	0xf8000(992KiB)
bootenv	-	0xf8000	0x8000(32KiB)
dtb	suniv-f1c100s-licheepi-nano.dtb	0x100000	0x10000(64KiB)
kernel	zImage	0x110000	0x400000(4MiB)
rootfs	rootfs.jffs2	0x510000	0xAF0000(11200KiB=10.9375MiB)

短接开发板flash1、4引脚后通过usb连接开发板到电脑将使芯片进入FEL模式，并在电脑上识别为一个设备，上电后引脚1、4可不再保持短接。使用 zadig-2.3 工具安装驱动，设备选择开发板对应的设备，驱动库选择 libusb-win32 (v1.2.6.0) 项，但设备名称无所谓。在命令提示符下使用（Whycan网提供的）Windows版烧录工具对镜像进行烧录：

#注：使用下面命令时需先拷贝相应镜像到sunxi-fel.exe所在目录或指定文件位置

sunxi-fel.exe -p spiflash-write 0x000000 u-boot-sunxi-with-spl.bin
sunxi-fel.exe -p spiflash-write 0x100000 suniv-f1c100s-licheepi-nano.dtb
sunxi-fel.exe -p spiflash-write 0x110000 zImage
sunxi-fel.exe -p spiflash-write 0x510000 rootfs.jffs2

烧录完成后，上电启动，在u-boot命令行输入：

#加载dtb和zImage
setenv bootcmd 'sf probe 0 50000000;sf read 0x80C00000 0x100000 0x10000;sf read 0x80008000 0x110000 0x400000;bootz 0x80008000 - 0x80C00000'

#内核和屏幕均输出内核启动打印信息的bootargs
setenv bootargs 'console=tty0 console=ttyS0,115200 root=/dev/mtdblock3 rootfstype=jffs2 mtdparts=spi0.0:1M(uboot),64K(dtb),4M(kernel),-(rootfs)'

#保存启动环境
saveenv

以设置启动参数和启动命令。重新上电即可在屏幕和串口看到打印信息。

注：若不需打印Kernel信息到屏幕，使用如下bootargs：
setenv bootargs 'console=ttyS0,115200 root=/dev/mtdblock3 rootfstype=jffs2 mtdparts=spi0.0:1M(uboot),64K(dtb),4M(kernel),-(rootfs)'

6. 外设和应用程序

6.1 镜像打包

LicheePi Nano本身没有引出以太网接口，使用lrzsz速度又太慢。在使用基于Wi-Fi的NFS文件系统之前，若需添加自己的文件到根文件系统，可解压buildroot中 ./output/images/rootfs.tar 到文件夹，修改后，在文件夹上层目录执行下列语句手动打包根文件系统：

mkfs.jffs2 --root=./rootfs --little-endian --eraseblock=0x10000 --output=rootfs.jffs2

若需添加自己的程序到根文件系统，注意匹配程序使用的运行库。若需使用其它文件系统，注意开启Kernel对其的支持。

6.2 编译ESP8089驱动

驱动源码：https://github.com/al177/esp8089

下载后解压，在源码目录执行以下命令编译：

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=[使用的交叉编译工具链前缀] -C [目标Linux内核源码目录]  M=$(pwd)  modules
#e.g.
#make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-buildroot-linux-musleabi- -C ~/Documents/linux-lcd  M=$(pwd)  modules

编译后生成esp8089.ko即为目标驱动模块，在目标板上insmod挂载即可。