摘要 (Abstract)

本文實作並記錄基於 BeagleBone Black 開發板 (核心為德州儀器 TI Sitara AM3358 處理器) 之嵌入式 Linux 系統建置流程。涵蓋自底層硬體與虛擬化開發主機環境之建構、交叉編譯工具鏈之配置、U-Boot、 Linux 核心（Kernel）與檔案系統（Root File System） BusyBox 原始碼之編譯，乃至最終開機引導程式與核心映像檔於安全數位卡（SD Card）之部署。 為了提升開發效率節省硬體資源，利用指令行工具 vmrun 進行虛擬機無介面（Headless）背景運行管理，並在 Windows 宿主端 (Host) 透過 SSH 連線至虛擬機（Guest）進行遠端開發。 此外，除了搭建傳統 Samba Server 配合 PuTTY 終端機的遠端模式，另外也整合了類 VS Code 的現代人工智慧輔助整合開發環境（AI-Assisted IDE）之工作流，透過一套 tasks.json 自動化建構與部署，提升開發效率。

1. 開發環境 (硬體、虛擬機、專案目錄)

1.1 硬體與序列埠除錯工具

  • 開發板： TI AM335x BeagleBone Black (BBB) 。核心為 Sitara™ AM335x ARM® Cortex®-A8 處理器，配備 512MB DDR3 RAM、4GB 8 位元 eMMC 板載 flash 儲存，有 USB Host、Ethernet、HDMI 等介面。
  • 序列埠除錯工具：為了接收系統啟動 Log，使用 USB 轉 UART 除錯模組（如 FT232, CP2102, CH340 等）。
    • 板子上的 J1 Header：原理圖可以到官方 Github 獲取，beagleboard/beaglebone-black GitHub，第 1 腳位為 GND，第 4 腳位為 RX，第 5 腳位為 TX。
    • 參數配置：波特率（Baud Rate）設為 115200 bps、資料位元 8-bit、無校驗位、停止位元 1-bit，無硬體流控制（8N1）。

1.2 虛擬機

本實作之編譯工作完全在宿主機（Host）的虛擬機 Linux 環境（Ubuntu）下進行。 至於為何要虛擬機呢? 不能在 Windows 下直接編譯嗎? 原因有三：

  1. 交叉編譯工具鏈與 Linux 核心編譯環境：Linux 核心與 U-Boot 的編譯工具鏈（GCC, Make等）原生支援 Linux 平台。
  2. WSL 對於硬體周邊支援度低：Windows 現下事實上已有 Windows Subsystem for Linux (WSL2) ，其運行 Microsoft 維護的輕量級 Linux kernl，但其對於 USB devices 的掛載相較麻煩，需要 usbipd 工具手動掛載，對於新手(我)來說，虛擬機的隔離性與穩定性更高，故仍選擇虛擬機。
  3. 虛擬機的快照與還原功能：虛擬機快照功能更方便，可以避免說配置錯誤導致系統混亂，可回到之前保存的狀態。

事實上，還有可以選擇像 Docker 這種容器化的方式，不過其配置麻煩和操作流暢度較低，IO等底層一樣麻煩，未來再挑戰看看。

  • 虛擬化管理器（Hypervisor）：使用VMware Workstation Player ，也可使用開源的 Oracle VM VirtualBox，但聽說 Bug 較多。
  • 客體作業系統（Guest OS）：Ubuntu Linux Desktop 24.04 LTS。
  • 資源配置分配原則：
    • 硬碟空間：建議配置 40 GB 以上之虛擬硬碟空間。Kernel 與 U-Boot 編譯會產生大量中間檔。
    • 記憶體（RAM）：建議配置 8 GB 以上，太少容易 OOM（Out of Memory）。
    • 處理器（CPU）核心數：建議配置小於 Host 實體核心數。由於編譯 Kernel 較久，所以會使用多核心平行編譯。

1.3 專案目錄

為了方便管理與維護，所有 BSP（板級支持包）相關的原始碼、編譯產物與根檔案系統皆統一收集於虛擬機使用者目錄下的 ~/beaglebone_linux_bsp。該目錄下包含這幾個子目錄：

beaglebone_linux_bsp/
 ├──u-boot/        # 存放 U-Boot 原始碼
 ├──kernel/        # 存放 Linux Kernel 原始碼
 ├──busybox/       # 存放 BusyBox 原始碼
 ├──output/        # 編譯產物統一收集
 └──rootfs/        # 存放要安裝到 SD 卡 rootfs 分區的資料夾和檔案
  • u-boot/：存放 U-Boot 原始碼，負責編譯產出二進位引導負載程式（MLO 與 u-boot.img）以及引導腳本（boot.scr）。
  • kernel/：存放 Linux Kernel 原始碼，負責編譯產出核心映像檔（uImage）與硬體設備樹二進位檔（am335x-boneblack.dtb）。
  • busybox/：存放 BusyBox 原始碼，負責編譯產出根檔案系統（Root File System）。
  • output/：編譯產物統一收集。各子專案編譯完成後，目標檔案複製至此目錄，以利後續統一部署。
  • rootfs/：存放要安裝到 SD 卡 rootfs 分區的資料夾和檔案。

2. 遠端連線虛擬機（包含傳統 Samba + PuTTY 與現代 AI IDE）

2.1 傳統 Samba + PuTTY 工作流

在過去嵌入式 Linux 開發中，會在虛擬機內架設 Samba 伺服器，將客體機 Linux 之檔案系統掛載至 Windows 主機端作為網路磁碟，以及使用像 PuTTY 這類的 SSH 終端機連線至虛擬機，手動執行編譯與燒錄指令。

  • Samba 伺服器核心配置： 在客體虛擬機（Ubuntu）中安裝 Samba： 
    sudo apt-get install -y samba cifs-utils smbclient

    並編輯 /etc/samba/smb.conf。為防止 Windows 與 Linux 字元編碼不一致而導致編譯源碼檔名混亂，須在 [global] 中配置：

    [global]
   workgroup = WORKGROUP
   display charset = UTF-8
   unix charset = UTF-8
   dos charset = cp936 (或者繁體中文可使用 cp950)

    並於設定檔最底端加入對根目錄的共享配置：

    [Share]
   comment = VM Shared Directory
   path = /
   public = yes
   writable = yes
   read only = no
   force directory mode = 777
   force create mode = 777
   force security mode = 777
   force directory security mode = 777
   hide dot file = no
   create mask = 0777
   directory mask = 0777
   delete readonly = yes
   guest ok = yes
   available = yes
   browseable = yes

    設定 Samba 密碼並重啟服務：

    sudo smbpasswd -a <username>
sudo /etc/init.d/smbd restart

    可以在 Windows 系統中，透過「連線網路磁碟機」掛載 \\<VM_IP>\Share，查看 IP 可透過 ifconfig (需安裝 net-tools)。 看你的電腦是用乙太網路還是 WiFi，選擇對應的網卡介面訊息，如 Ethernet (en開頭) 或 Wi-Fi (wl開頭)，inet後接的就是 IPv4 地址。 並且也可以使用 PuTTY 連線至虛擬機之 SSH 伺服器（需在虛擬機Linux那端安裝 openssh-server）執行編譯指令。

    sudo apt-get install openssh-server
sudo /etc/init.d/ssh start

2.2 現代化 IDE 工作流

VSCode 等現代 IDE 透過 Remote-SSH 擴充套件，能直接在 Windows 主機端編輯虛擬機內的檔案，並在虛擬機中執行編譯等等操作指令。 這樣不管是你要使用 Anthrpic 的 Claude code 或者是 Open AI 的 codex，在 VSCode 他們都有支援套件，而本文中是使用 Google 的 Antigravity IDE，其一樣基於 VSCode 開發，操作上相同。選擇使用現代化 IDE 我認為有以下優勢：

  1. 單一視窗工作流整合：代碼編輯、終端調試與 AI 協同皆整合於單一 IDE 介面，大幅降低環境切換，開發上更流暢。
  2. 豐富的擴充套件生態：VSCode 擁有龐大的擴充套件市場，支援語法高亮、程式碼補全、版本控制、遠端開發等功能，可以任意搭配，適配不同的開發需求，不管是 Windows App, MCU Firmware, Linux 嵌入式系統，可以統一在相同的操作介面下進行，省去適應不同專屬 IDE 的學習成本。
  3. AI 輔助開發：現在寫軟體基本上已經離不開 AI 的輔助，無論是程式碼補全、錯誤偵測、Code 直接生成，AI 能提供即時的協助，提升開發效率。

不需要在虛擬機 Linux 中安裝 IDE，只要在 Windows Host 使用 VSCode (或者是 Google 的 Antigravity IDE)，安裝了 remote-ssh 擴充套件，在介面中的左下角「開啟遠端視窗」點擊後，選擇 Connect to SSH Host...，輸入 IP 和密碼等，第一次會在遠端虛擬端自動安裝 SSH server，之後就可以像使用本機一樣在遠端開發了(注意像語法高亮等功能實際上是跑在遠端的，其資訊傳回本地後，IDE 的 UI 渲染才呈現在我們眼前)。

3. 虛擬機背景運行控制

為節省虛擬機的系統資源，免去虛擬機圖形介面的額外開銷，可使用 無介面背景模式（Headless Mode） 運行。在客體虛擬機內部配置好 open-vm-tools 後，即可直接在 Windows 宿主端透過命令列控制虛擬機的運作。

3.1 安裝 open-vm-tools

虛擬機內部必須安裝開源版 VMware Tools：

sudo apt-get install -y open-vm-tools
sudo systemctl enable --now open-vm-tools

3.2 控制腳本 (Windows PowerShell / Batch)

在 Host（Windows）的 PowerShell 或命令提示字元，可透過 vmrun 相關指令控制虛擬機：

  • 無 GUI 背景啟動虛擬機： 
    # 語法：vmrun -T ws start "虛擬機組態檔路徑.vmx" nogui
vmrun -T ws start "C:\Users\User\Documents\Virtual Machines\Ubuntu\Ubuntu.vmx" nogui
  • 安全關閉虛擬機（發送關機訊號）： 
    vmrun -T ws stop "C:\Users\User\Documents\Virtual Machines\Ubuntu\Ubuntu.vmx" soft
  • 列出目前運行中之虛擬機： 
    vmrun list

這邊分享撰寫的兩個腳本檔案，實現對虛擬機的背景控制或選單化管理。

3.2.1 核心控制指令腳本：vm_control.ps1

支援命令列參數調用，若無參數則會自動開啟一個互動式選單。預設虛擬機對應為 "Ubuntu"，其組態檔路徑指向預設的安裝位置。

3.2.2 宿主端便捷啟動批次檔：vm_control.bat

此批次檔用於在 Windows Command Line 下快速呼叫 PowerShell 腳本，並自動繞過執行原則（Execution Policy）限制與傳遞參數。

透過此雙層腳本，只需在 Windows 中執行 vm_control.bat 即可啟動互動式控制面板，下圖是演示畫面，按下1可以在背景執行，按下4可以列出目前有在執行的虛擬機，更多功能我藏在7裡面，裡面會有另外個選單。

4. BeagleBone Black 多階段啟動流程

BeagleBone Black 採用多階段引導機制，解決上電初期硬體資源受限之問題。 下面是透過 AI 撰寫的簡介，若有錯再請指正。 啟動鏈由四個軟硬體階段依次傳遞（如下圖所示）：

4.1 唯讀記憶體引導階段 (ROM Code / Initial Boot Stage)

  • 存放位置：固化於 AM3358 SoC 內部唯讀記憶體（ROM）中。
  • 硬體制約與行為：上電瞬間，外部 DDR3 DRAM 尚未被初始化，僅有晶片內部之 SRAM 可供使用。ROM Code 會根據硬體引腳電位（例如按住開發板上的 BOOT 按鍵）決定引導順序。
  • 核心職責：偵測並引導安全數位卡（SD Card / mmc0）或快閃記憶體（eMMC / mmc1）。ROM Code 會在啟動設備的 FAT32 分區（一般為第一分區）中搜尋名為 MLO (Secondary Program Loader) 的檔案，並將其搬移至內部 SRAM 中執行。

4.2 次級程式引導階段 (U-Boot SPL / MLO)

  • 存放位置：SD 卡第一分區（FAT32，標籤為 boot），必須命名為 MLO。
  • 引導動機：由於完整的 U-Boot 主程式映像檔（u-boot.img）體積較大，無法裝入僅有 64KB 的 SRAM 中。因此，需先編譯一個經過高度裁減的先鋒程式 —— SPL（次級程式引導器）。
  • 核心職責：初始化板載的 512MB DDR3 DRAM 記憶體，使其可用。隨後，MLO 會從 SD 卡中讀取完整的引導映像檔 u-boot.img，將其搬移至 DDR3 記憶體中，並將執行權交出。

4.3 引導加載程式主階段 (U-Boot Main / u-boot.img)

  • 存放位置：SD 卡第一分區，檔名為 u-boot.img。
  • 交互機制：U-Boot 主程式啟動後，會透過序列埠輸出倒數計時（例如 Hit any key to stop autoboot）。此時，在偵錯終端按下鍵盤任意鍵（如空白鍵），即可攔截引導程序，進入 U-Boot 命令列介面（=>）。此互動介面由 u-boot.img 提供，而非底層 ROM Code。
  • 自動引導劇本：若未被攔截，U-Boot 會依序加載以下三個關鍵檔案：
    1. 開機腳本 (boot.scr)：由純文字腳本 boot.cmd 透過 mkimage 工具封裝而成之二進位引導腳本。其內容指示 U-Boot 將核心與設備樹撈取至指定記憶體位址，並發動引導。
    2. 設備樹二進位檔 (am335x-boneblack.dtb)：提供給核心的硬體結構說明書。由於 Linux 核心不包含硬編碼的硬體暫存器位址，核心必須依賴此設備樹檔案（DTB）來辨識板載的硬體資源（如序列埠、乙太網路控制器、GPIO 腳位等）。
    3. 核心映像檔 (uImage)：封裝有 U-Boot 標頭（64 位元組）之 Linux 核心本體。
      • U-Boot 將上述檔案成功搬移至記憶體後，會呼叫 bootm 指令，將處理器控制權轉移至核心入口，隨後 U-Boot 退出記憶體並下班。

4.4 核心初始化與根檔案系統掛載階段 (Linux Kernel & Rootfs)

  • 核心行為：Linux 核心獲取控制權後，輸出 Starting kernel ... 訊息。核心透過設備樹初始化晶片之時鐘、驅動周邊控制器，並偵測儲存媒介。
  • 根目錄掛載：核心初始化完畢後，會依據啟動參數（bootargs），掛載 SD 卡的第二分區（通常為 Ext3/Ext4 分區，標籤為 rootfs）作為根目錄 /。核心隨後啟動使用者空間的第一個進程 /sbin/init，調用各種初始化服務。

5. 建置開機環境前的硬體準備

5.1 清除板載 eMMC

BeagleBone Black 出廠時，其板載 eMMC 已預燒錄作業系統。若未加以清除，系統開機時可能會優先自 eMMC 啟動舊版引導程式，進而干擾我們採用的 SD 卡開機實作測試。因此，在 U-Boot 命令列先將 eMMC 的引導磁區清除（mmc0 為 SD 卡，mmc1 為 eMMC）：

# 切換至板載 eMMC 設備
=> mmc dev 1
# 擦除引導區段 (自 Block 0 開始，擦除 0x20000 個區塊)
=> mmc erase 0 20000

5.2 SD 卡分割與格式化

以下是在 Ubuntu (虛擬機) 上對 SD 卡進行分割與格式化的指令。

# 建立 FAT32 分區（標籤為 boot，用於存放 MLO、u-boot.img、boot.scr、uImage）
mkfs.vfat -F 32 -n "boot" /dev/sdx
# 建立 Ext3 分區（標籤為 rootfs，用於存放根檔案系統）
mke2fs -j -L "rootfs" /dev/sdx

sdx 的 x 是需要自行替換為實際的裝置名稱，可能是 sda、sdb、sdc…，可以用 lsblk 來查看。

6. 原始碼和編譯工具 (交叉編譯工具、U-boot & kernel & busybox)

6.1 交叉編譯工具鏈之原理與部署

由於電腦 CPU 架構（一般為 x86_64）與目標板 CPU 架構（ARMv7-A，32-bit）不同，無法直接編譯為目標板設計的機器碼，因此必須引入交叉編譯工具鏈（Cross-Compiler Toolchain）。 在 Ubuntu 系統中，可直接透過進階軟體包工具（APT）安裝適用於 ARM 32-bit 架構的 GCC 編譯器：

sudo apt-get update
sudo apt-get install -y gcc-arm-linux-gnueabi build-essential

此工具鏈的前綴為 arm-linux-gnueabi-，gnu 後面的 eabi 是 Embedded Application Binary Interface 的縮寫，ABI 是決定兩個不同的程式或系統之間溝通的規則，例如資料型態大小、暫存器使用方式、函式呼叫慣例等。

6.2 U-Boot、Linux Kernel 與 Busybox 源碼獲取

原始碼可自官方託管倉庫取得：

  • U-Boot 原始碼： 
    git clone --depth 1 git://git.denx.de/u-boot.git
cd u-boot
  • Linux Kernel 原始碼（以 Longterm 分支 v6.6 為例）： 
    git clone --depth 1 --single-branch --branch v6.6.58-ti-arm32-r15 https://github.com/beagleboard/linux.git
  • Busybox 原始碼： 
    git clone --depth 1 -b 1_36_stable git://busybox.net/busybox.git

大型專案原始碼倉庫（特別是 Linux Kernel）之 Git 歷史記錄與多架構代碼極為龐大，不僅佔用磁碟空間，亦會嚴重降低 IDE 目錄解析與索引建立之速度。因此複製時建議使用限制拉取(Shallow Clone)，僅保留最新一筆 Commit 歷史，避免下載過往數十萬筆歷史變更：

git clone --depth 1 --branch <branch> <remote_repository>

將替換成想要的branch，替換成想要拉取的倉庫網址。

7. U-boot 與 Linux kernel 編譯和打包

7.1 U-Boot 編譯流程

  1. 宣告環境變數： 
    export ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-

    可以加到~/.bashrc 中，就不用每次下指令都打。

  2. 配置目標板設定檔： 
    make am335x_evm_config
  3. 啟用舊版映像檔格式支援 (Legacy Image Format)： 執行 make menuconfig 進入選單介面，依循以下路徑： Boot options —> Boot images —> 勾選 [*] Enable support for the legacy image format。存檔後退出。此項設定極為關鍵，否則 U-Boot 後續將無法辨識核心產出之 uImage 格式。
  4. 平行編譯： 
    make -j$(nproc)

    編譯成功後，根目錄下將產生次級引導映像檔 MLO 與引導程式主映像檔 u-boot.img。

7.2 Linux Kernel 編譯流程

  1. 配置目標板設定檔（將編譯中間檔輸出至指定目錄）： 
    export ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-
make O=build_image/build omap2plus_defconfig
  2. 編譯核心映像檔與設定載入位址： 編譯 uImage 時，必須顯式指定實體記憶體載入位址 LOADADDR=0x80008000。 
    make -j$(nproc) O=build_image/build LOADADDR=0x80008000 uImage

    LOADADDR=0x80008000 之原理： 核心映像檔 uImage 實質上是由壓縮後之核心 zImage 加上由 mkimage 產生之 64 位元組（40H）標頭封裝而成。該標頭紀錄了引導參數、校驗和以及核心在記憶體中的預期載入位址（Load Address，即 0x80008000）與入口位址（Entry Point，即 0x80008040）。 在 ARM 架構中，系統實體記憶體（DDR DRAM）之物理起始位址通常映射於 0x80000000。依據 Linux 核心之啟動規範，前 32KB（即 0x8000 位址偏移，亦即 0x00008000）必須保留給內核頁表、零頁異常向量與開機參數塊（Agress Parameter Block / ATags）。因此，核心之載入位址必須設為 0x80000000 + 0x8000 = 0x80008000。

    若編譯過程中拋出 lzop: not found 錯誤，需執行 sudo apt-get install lzop；若提示 mkimage 命令行不存在，則需將 U-Boot 編譯生成之 tools/mkimage 複製至系統執行路徑下：

    sudo cp <u-boot-directory>/tools/mkimage /usr/local/bin/
  3. 編譯設備樹二進位檔 (DTB)： 
    make O=build_image/build dtbs

    編譯完成後，核心映像檔 uImage 將存於 build_image/build/arch/arm/boot/uImage；而設備樹二進位檔 am335x-boneblack.dtb 則生成於 build_image/build/arch/arm/boot/dts/ti/omap/am335x-boneblack.dtb (或舊版 arch/arm/boot/dts/am335x-boneblack.dtb)。

8. 多子專案自動化建置和部署 (VSCode tasks)

基於子專案架構（u-boot, kernel, busybox, output, rootfs），我們在各工作區目錄下配置對應的 .vscode/tasks.json，將各階段之編譯與物理燒錄步驟封裝成自動化任務。

8.1 U-Boot 專案自動化任務：u_boot_tasks_example.json

此設定檔配置於 u-boot/ 目錄下。除了提供編譯任務外，亦提供了 SD 卡的自動化掛載（利用 udisksctl 輸入密碼後自動掛載）與卸載，並在編譯成功後，將 MLO 與 u-boot.img 自動複製至上層的 ../output/ 目錄中：

{
    "version": "2.0.0",
    "tasks": [
        {
            "label": "🔍 List Device Info",
            "type": "shell",
            "command": "lsblk",
            "problemMatcher": []
        },
        {
            "label": "💾 SD: Mount boot & rootfs",
            "type": "shell",
            "command": "echo '==== Auto Mounting partitions via udisksctl ====' && udisksctl mount -b /dev/sdb1 && udisksctl mount -b /dev/sdb2",
            "problemMatcher": []
        },
        {
            "label": "💾 SD: Unmount & Eject",
            "type": "shell",
            "command": "echo '==== Syncing & Unmounting safely ====' && sync && udisksctl unmount -b /dev/sdb1 && udisksctl unmount -b /dev/sdb2 && echo '==== [SUCCESS] Safe to physical eject SD Card! ===='",
            "problemMatcher": []
        },
        {
            "label": "📁 Boot Proj Size",
            "type": "shell",
            "command": "du -sh .",
            "problemMatcher": []
        },
        {
            "label": "🚀 Compile U-boot",
            "type": "shell",
            "group": {
                "kind": "build",
                "isDefault": true
            },
            "command": "export ARCH=arm && export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- && make am335x_evm_config && make && echo '==== Copying Build Artifacts to Output ====' && cp MLO u-boot.img ../output/ && echo '==== DONE! Files safely placed in output/ ===='",
            "problemMatcher": []
        },
        {
            "label": "📚 U-boot Menu",
            "type": "shell",
            "command": "export ARCH=arm && export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- && make menuconfig",
            "problemMatcher": []
        },
        {
            "label": "📜 Boot Script",
            "group": "build",
            "type": "shell",
            "command": "mkimage -C none -A arm -T script -n '@BrandonEmbedded boot scr'  -d boot.cmd boot.scr && echo '==== Copying Script to Output ====' && cp boot.scr ../output/ && echo '==== DONE! Files safely placed in output/ ===='",
            "problemMatcher": []
        }
    ]
}

8.2 Linux 核心專案自動化任務：kernel_tasks_example.json

此設定檔配置於 kernel/ 目錄下。它定義了預設的建置配置、menuconfig 互動選單，並在平行編譯完成後，將 uImage 與 am335x-boneblack.dtb 轉移至 ../output/ 目錄：

{
    "version": "2.0.0",
    "tasks": [
        {
            "label": "📁 Kernel Proj Size",
            "type": "shell",
            "command": "du -sh .",
            "problemMatcher": []
        },
        {
            "label": "💡 Kernel Defconfig",
            "type": "shell",
            "command": "mkdir -p build_image/build && make O=build_image/build ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- omap2plus_defconfig",
            "problemMatcher": []
        },
        {
            "label": "💡 Kernel Menuconfig",
            "type": "shell",
            "command": "make O=build_image/build ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- menuconfig",
            "problemMatcher": []
        },
        {
            "label": "🚀 Complete Build Kernel & DTB",
            "type": "shell",
            "group": {
                "kind": "build",
                "isDefault": true
            },
            "command": "echo '==== [Step 1] Compiling Kernel Image (uImage) ====' && make -j$(nproc) O=build_image/build ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- LOADADDR=0x80008000 uImage && echo '==== [Step 2] Compiling Device Tree (DTB) ====' && make O=build_image/build ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- dtbs && echo '==== [Step 3] Safely Copying Build Artifacts to Project Output ==== ' && mkdir -p ../output && cp build_image/build/arch/arm/boot/uImage ../output/ && cp build_image/build/arch/arm/boot/dts/ti/omap/am335x-boneblack.dtb ../output/ && echo '==== [SUCCESS] uImage and am335x-boneblack.dtb are ready in beaglebone_linux_bsp/output/ ===='",
            "problemMatcher": []
        },
        {
            "label": "📦 Clean Kernel Build",
            "type": "shell",
            "command": "rm -rf build_image/ && make mrproper",
            "problemMatcher": []
        }
    ]
}

8.3 開機引導元件部署專案自動化任務：output_tasks_example.json

此設定檔配置於專案收集目錄 output/ 中，負責將在此處集齊的所有引導元件（MLO、u-boot.img、uImage、am335x-boneblack.dtb、boot.scr）一鍵搬移至已掛載的 SD 卡的第一分區中：

{
    "version": "2.0.0",
    "tasks": [
        {
            "label": "📥 Copy to SD Card",
            "type": "shell",
            "command": "cp uImage am335x-boneblack.dtb MLO u-boot.img boot.scr /media/brandon/boot/ && sync && echo '==== [SUCCESS] All files safely copied to SD Card! ===='",
            "problemMatcher": []
        }
    ]
}

8.4 Busybox 專案自動化任務：busybox_tasks_example.json

此設定檔配置於 busybox/.vscode/tasks.json。

{
    "version": "2.0.0",
    "tasks": [
        {
            "label": "📁 BusyBox Proj Size",
            "type": "shell",
            "command": "du -sh .",
            "problemMatcher": []
        },
        {
            "label": "💡 BusyBox Defconfig",
            "type": "shell",
            "command": "make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- defconfig",
            "problemMatcher": []
        },
        {
            "label": "💡 BusyBox Menuconfig",
            "type": "shell",
            "command": "make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- menuconfig",
            "problemMatcher": []
        },
        {
            "label": "🚀 Compile BusyBox",
            "type": "shell",
            "group": {
                "kind": "build",
                "isDefault": true
            },
            "command": "make -j$(nproc) ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-",
            "problemMatcher": []
        },
        {
            "label": "🚀 Install BusyBox",
            "type": "shell",
            "command": "make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- install",
            "problemMatcher": []
        }
    ]
}

9. 建置過程的設置修改

9.1 U-boot 的設置修改

U-boot 建置與部署到 SD Card，我實作很順利。 除了上面有提到的舊版映像檔格式支援 (Legacy Image Format)，需要去檢查。由於我是使用 nogui 去操作，外部設備需要手動去將 device 掛載起來，雖然說插上 USB 孔後，我們執行 “🔍 List Device Info” (“lsblk”)，可以看到 sda, sdb 的裝置，但此時其實只有底層硬體被電腦辨識，還沒有被掛載到檔案系統中，必須要再執行 “💾 SD: Mount boot & rootfs” (“udisksctl”) 將指定的 sdb1, sdb2 掛起來 (依據實際情況調整)。

還有 U-boot 我們可以撰寫開機腳本 (boot.scr) 去控制開機過程。 若不用腳本，就須每次進入 U-Boot 命令列介面（=>）去一行一行輸入指令，以下為我的範例，位址相對設的很保守:

setenv bootargs console=ttyO0,115200 earlyprintk root=/dev/mmcblk0p2 rw rootwait rootdelay=2
fatload mmc 0:1 0x88000000 am335x-boneblack.dtb
fatload mmc 0:1 0x82000000 uImage
bootm 0x82000000 - 0x88000000

這裡我有開啟 earlyprintk 進行除錯，因為當初有遇到卡在 Starting kernel ... 後沒有後續了，為了尋找問題，開啟後 Log 會比較詳細 (不過問題事實上出在 Kernel 設置那邊)。 還有就是雖然如同 Documentation/admin-guide/devices.txt 中，TTY 設備如今都改成如 /dev/ttyS0 ，但系統開機後會自動轉換從 /dev/ttyO0 到 /dev/ttyS0，所以 console 直接打 /dev/ttyO0 即可。

4 char	TTY devices
		  0 = /dev/tty0		Current virtual console

		  1 = /dev/tty1		First virtual console
		    ...
		 63 = /dev/tty63	63rd virtual console
		 64 = /dev/ttyS0	First UART serial port
		    ...
		255 = /dev/ttyS191	192nd UART serial port

		UART serial ports refer to 8250/16450/16550 series devices.

		Older versions of the Linux kernel used this major
		number for BSD PTY devices.  As of Linux 2.1.115, this
		is no longer supported.	 Use major numbers 2 and 3.

9.2 Linux 核心的設置修改

如同上面講到遇到卡在 Starting kernel ...，有做了些調整，一是到 kenel 的 menuconfig，搜尋 CONFIG_DEBUG_OMAP2UART1 查找設置位置，將 Debug console port 的輸出從 OMAP 2/3/4 改到 AM33XXUART1。

進入選單，選到 AM33XX UART1，改完後就可以看到 Kernel Log 跑出來了。

但後續還有遇到 pinmux 衝突問題，所以去改了 dts (beaglebone_linux_bsp/kernel/arch/arm/boot/dts/ti/omap/am33xx-l4.dtsi) 裡面的 #pinctrl-cells 從 <1> 改成 <2>。

    scm: scm@0 {
		compatible = "ti,am3-scm", "simple-bus";
		reg = <0x0 0x2000>;
		#address-cells = <1>;
		#size-cells = <1>;
		#pinctrl-cells = <2>;
		ranges = <0 0 0x2000>;

		am33xx_pinmux: pinmux@800 {
			compatible = "pinctrl-single";
			reg = <0x800 0x238>;
			#pinctrl-cells = <2>;
			pinctrl-single,register-width = <32>;
			pinctrl-single,function-mask = <0x7f>;
		};
        ...
    };

以上我改完，成功看到 Trying libraries: m resolv rt, Final link with: m resolv 訊息。然後就開始卡在 init 階段，接下來就剩下 rootfs 的建置了。

9.3 Busybox 的設置與建置

同樣 make defconfig，編譯過程有錯，透過訊息去 menuconfig 將 Networking Utilities -> 取消勾選 tc。

還有我們必須在 Settings -> Destination path for ‘make install’ 中設定一個絕對路徑，讓 busybox 自動 copy 過去，相對位址會失敗。

make 編譯和 install 完，會發現我們的 roofts 裡面資料夾沒有想像中完整，後續我們需要將基本目錄完善，以及創建一些預設的檔案。 這邊我先偷懶，簡單附上所需要執行的步驟，後續有空再細緻整理與筆記。

建立基本目錄和修改權限

mkdir dev etc home lib proc sys tmp var
mkdir usr/lib
mkdir var/log
sudo chmod 4755 bin/ping
sudo chmod 1777 tmp

BusyBox 有些動態連結函數庫，我們需要將他們從工具鏈手動copy到rootfs中，先觀察需要的函數庫，指令如下：

arm-linux-gnueabi-readelf -a ./bin/busybox | grep "program interpreter"
arm-linux-gnueabi-readelf -a ./bin/busybox | grep "Shared library"

得到類似以下訊息：

 0x00000001 (NEEDED)                     Shared library: [libm.so.6]
 0x00000001 (NEEDED)                     Shared library: [libresolv.so.2]
 0x00000001 (NEEDED)                     Shared library: [libc.so.6]
 0x00000001 (NEEDED)                     Shared library: [ld-linux.so.3]

複製過去

cp -a /usr/arm-linux-gnueabi/lib/libm.so.6 lib
cp -a /usr/arm-linux-gnueabi/lib/libc.so.6 lib
cp -a /usr/arm-linux-gnueabi/lib/ld-linux.so.3 lib
cp -a /usr/arm-linux-gnueabi/lib/libresolv.so.2 lib

建立基本device node

sudo mknod -m 600 dev/console c 5 1
sudo mknod -m 666 dev/null c 1 3

創建/連結init檔案至busybox執行檔

ln -s bin/busybox init

建立inittab

::sysinit:/etc/init.d/rcS
console::askfirst:-/bin/sh

修改inittab的權限

sudo chmod 644 ./etc/inittab

建立init.d目錄 及 rcS

mkdir ./etc/init.d/

撰寫 ./etc/init.d/rcS 內容如下：

#! /bin/sh
/bin/mount -a

修改./etc/init.d/rcS 的權限

sudo chmod 755 ./etc/init.d/rcS

建立group

mkdir ./etc/group

group 內容如下：

root:x:0:

修改group的權限

sudo chmod 644 ./etc/group

建立passwd

mkdir ./etc/passwd

passwd 內容如下：

root::0:0:root:/root:/bin/sh

修改passwd的權限

sudo chmod 644 ./etc/passwd

建立fstab

mkdir ./etc/fstab

fstab 內容如下：

proc /proc proc defaults 0 0
none /tmp ramfs defaults 0 0
sysfs /sys sysfs defaults 0 0

修改fstab的權限

sudo chmod 644 ./etc/fstab

將rootfs copy到sd card

sudo cp -rf ./* /media/username/rootfs/

10. 感想

能看到 Linux 系統在開發板上啟動，可以透過命令列輸入熟悉的指令，並看到回應，是非常開心的，因為這個系統全部是自己一步一步編譯和部署的，原本眼中神秘的作業系統現在變得真實許多。

📚 Reference