Τι είναι το OpenEmbedded και πώς μεταμορφώνει την ανάπτυξη ενσωματωμένων Linux

Έχετε αναρωτηθεί ποτέ πώς δημιουργούνται τα συστήματα Linux που βρίσκουμε σε τόσες πολλές καθημερινές συσκευές; Από δρομολογητές, τηλεοράσεις και smartphones μέχρι βιομηχανικά συστήματα και έξυπνα αυτοκίνητα: όλα αυτά συνήθως λειτουργούν σε μια ενσωματωμένη διανομή Linux ειδικά προσαρμοσμένη στις ανάγκες τους. Πίσω από αυτή τη διαδικασία προσαρμογής βρίσκονται έργα όπως OpenEmbedded και Έργο Yocto, αυθεντικά βασικά κομμάτια στον κόσμο του ενσωματωμένου λογισμικού.

Σε αυτό το άρθρο, θα μάθετε σε βάθος τι είναι το OpenEmbedded, πώς σχετίζεται με το Yocto Project και γιατί είναι τόσο σημαντικό στην ανάπτυξη έξυπνων ηλεκτρονικών συσκευών. Θα σας καθοδηγήσουμε επίσης στα βασικά του στοιχεία, τα πλεονεκτήματά του, τις βασικές του έννοιες και πώς έχει φέρει επανάσταση στην ανάπτυξη προσαρμοσμένων συστημάτων Linux για συγκεκριμένο υλικό.

Τι είναι το OpenEmbedded;

Το OpenEmbedded είναι ένα πλαίσιο αυτοματοποίησης κατασκευής και ένα περιβάλλον cross-compiling που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία διανομών Linux για ενσωματωμένες συσκευές. Δημιουργήθηκε επίσημα το 2003 από την κοινότητα OpenEmbedded. Η κύρια αποστολή αυτού του περιβάλλοντος είναι απλοποιήστε ολόκληρη την εργασία δημιουργίας εικόνων λειτουργικού συστήματος Linux προσαρμοσμένων στις συγκεκριμένες ανάγκες του υλικού που θα χρησιμοποιηθεί.

Αυτό το σύστημα μεταγλώττισης βασίζεται σε αρχεία που ονομάζονται συνταγές (συνταγές), διαχειριζόμενες μέσω του εργαλείου BitBakeΑυτές οι συνταγές καθορίζουν Πώς μεταγλωττίζεται κάθε πακέτο λογισμικού, οι εξαρτήσεις του, ποιος κώδικας πρέπει να ληφθεί και πώς να ενσωματωθεί στην τελική εικόνα.

Το OpenEmbedded σάς επιτρέπει να δημιουργείτε δυαδικά αρχεία για μια πληθώρα αρχιτεκτονικών και να συσκευάζετε το λογισμικό που προκύπτει στις πιο αναγνωρισμένες μορφές (ipk, deb, rpm), καθώς και να δημιουργείτε εικόνες εκκίνησης έτοιμες για χρήση στην πλακέτα προορισμού. Αυτό το καθιστά το συνιστώμενο σύστημα κατασκευής για το Yocto Project, με το οποίο συνεργάζεται πολύ στενά.

Πώς σχετίζονται τα OpenEmbedded και Yocto Project;

Το Yocto Project είναι μια συνεργατική πρωτοβουλία ανοιχτού κώδικα που διευθύνεται από το Linux Foundation από το 2010, με στόχο τη διευκόλυνση της δημιουργίας προσαρμοσμένων και βελτιστοποιημένων λειτουργικών συστημάτων Linux για ενσωματωμένες και IoT συσκευές. Αν και πολλοί άνθρωποι θεωρούν το Yocto ως μια διανομή Linux, στην πραγματικότητα είναι ένα σύνολο εργαλείων που σας επιτρέπουν να δημιουργήσετε αυτές τις διανομές από την αρχή, πλήρως προσαρμοσμένες.

Η συνεργασία μεταξύ των δύο έργων αντικατοπτρίζεται στο ότι Το Yocto Project χρησιμοποιεί το OpenEmbedded ως μηχανή κατασκευήςΤα βασικά μέρη του συστήματος δημιουργίας OpenEmbedded (BitBake και OpenEmbedded-Core) συντηρούνται από κοινού και από τα δύο έργα. Επιπλέον, το Yocto παρέχει ένα υλοποίηση αναφοράς που ονομάζεται Poky, το οποίο περιλαμβάνει το σύστημα δημιουργίας OpenEmbedded μαζί με ένα σύνολο συνταγών και επιπέδων έτοιμων για προσαρμογή.

Έτσι, όταν μια εταιρεία ή ένας προγραμματιστής θέλει να δημιουργήσει μια συγκεκριμένη διανομή Linux για το προϊόν του, Τα Yocto και OpenEmbedded παρέχουν τα εργαλεία, τη ροή εργασίας και την ευελιξία που απαιτούνται για να δημιουργηθεί κάτι μοναδικό, αναπαραγώγιμο και συντηρήσιμο..

Βασικά στοιχεία: BitBake, Poky, στρώσεις και συνταγές

Για να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί στην πραγματικότητα το OpenEmbedded (και, κατ' επέκταση, το Yocto), είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε τα κύρια στοιχεία του:

• BitBake: Είναι η μηχανή κατασκευής που ερμηνεύει συνταγές, επιλύει εξαρτήσεις και εκτελεί εργασίες για να δημιουργήσει την τελική εικόνα. Λειτουργεί παρόμοια με άλλα εργαλεία αυτοματισμού όπως το Make, αλλά είναι προσανατολισμένο στον κόσμο των ενσωματωμένων συστημάτων και προσφέρει εξαιρετική ευελιξία.
• Σακί: Αυτή είναι η διανομή αναφοράς που παρέχεται από το Yocto. Δεν είναι ένα τελικό σύστημα παραγωγής, αλλά μάλλον ένα σημείο εκκίνησης (ένα λειτουργικό παράδειγμα) που μπορεί να προσαρμοστεί και να επεκταθεί προσθέτοντας νέα επίπεδα και συνταγές.
• OpenEmbedded-Core (OE-Core): Αντιπροσωπεύει τον πυρήνα των επικυρωμένων μεταδεδομένων και συνταγών, κοινών σε πολλά συστήματα και παράγωγες διανομές. Παρέχει μια θεμελιώδη συλλογή κοινόχρηστων ορισμών, κλάσεων και διαμορφώσεων.
• Συνταγές: Κάθε συνταγή περιγράφει τον τρόπο δημιουργίας ενός πακέτου ή ενός στοιχείου: από πού να το κατεβάσετε, πώς να το μεταγλωττίσετε, ποιες ενημερώσεις κώδικα (patches) να εφαρμόσετε και πώς να το εγκαταστήσετε.
• Επίπεδα: Είναι συλλογές σχετικών συνταγών ή μεταδεδομένων. Χάρη στο μοντέλο στρώματος, είναι δυνατό να απομονωθούν πληροφορίες (για παράδειγμα, ένα επίπεδο για το γραφικό περιβάλλον χρήστη (GUI), ένα άλλο για τα προγράμματα οδήγησης, ένα άλλο για τις εφαρμογές, κ.λπ.), διευκολύνοντας την επαναχρησιμοποίηση και την προσαρμογή.

Το Πολυεπίπεδο Μοντέλο: Συνεργασία και Εξατομίκευση στο Υψηλότερο Επίπεδο

Ένα από τα σπουδαία επιτεύγματα των OpenEmbedded και Yocto είναι το μοντέλο ανάπτυξης βασισμένο σε επίπεδαΑυτό το σύστημα επιτρέπει:

• Συνεργαστείτε εύκολα, καθώς πολλαπλές ομάδες μπορούν να εργαστούν σε ανεξάρτητα επίπεδα (προγράμματα οδήγησης, middleware, εφαρμογές κ.λπ.) και να τα συνδυάσουν ανάλογα με τις ανάγκες του έργου.
• Ρυθμίσεις ολόκληρο το σύστημα απομονώνοντας τη λογική κάθε υποσυστήματος. Για παράδειγμα, συχνά βρίσκουμε ένα συγκεκριμένο επίπεδο για τη διαμόρφωση της διανομής (επίπεδο διανομής), άλλα για την υποστήριξη συγκεκριμένων πλακετών (επίπεδα BSP) και πρόσθετα επίπεδα για εφαρμογές, γραφικές διεπαφές, middleware κ.λπ.
• Αποφύγετε τις διενέξεις και απλοποιήστε τη συντήρηση: Τα επίπεδα μπορούν να αντικαταστήσουν ή να συμπληρώσουν οδηγίες από τα χαμηλότερα επίπεδα, με αποτέλεσμα πολύ πιο αποτελεσματική διαχείριση.

Χάρη σε αυτήν την προσέγγιση, οι προγραμματιστές μπορούν να επαναχρησιμοποιήσουν επίπεδα που δημιουργήθηκαν από την κοινότητα ή να τα προσαρμόσουν ώστε να ταιριάζουν στις ανάγκες κάθε προϊόντος.

Σε τι χρησιμοποιείται το OpenEmbedded/Yocto; Χρήσεις σε πραγματικό κόσμο

Τόσο το OpenEmbedded όσο και το Yocto Project χρησιμοποιούνται σε μια τεράστια ποικιλία τομέων και προϊόντων., όπως:

• Βιομηχανική ρομποτική
• Αυτοκινητοβιομηχανία (πληροφοριοψυχαγωγία, μονάδες ελέγχου, συστήματα ADAS, κ.λπ.)
• Διαθέσιμοι γιατροί
• Έξυπνες συσκευές
• Πύλες IoT
• Ηλεκτρονικές συσκευές ευρείας κατανάλωσης (τηλεοράσεις, δρομολογητές, αποκωδικοποιητές κ.λπ.)
• Τηλεπικοινωνιακός εξοπλισμός
• Συστήματα ελέγχου πρόσβασης και προηγμένος οικιακός αυτοματισμός

Εταιρείες όπως η Intel, η ARM, η NXP, η Seeed Studio, η iWave Systems και πολλές άλλες συνεργάζονται ενεργά στην ανάπτυξη και συντήρηση των OpenEmbedded και Yocto. Το οικοσύστημα είναι τόσο ευρύ και καλά τεκμηριωμένο που σήμερα υπάρχουν δεκάδες εκατομμύρια συσκευές που εκτελούν διανομές που δημιουργούνται με αυτά τα εργαλεία.

Ποια είναι τα κύρια πλεονεκτήματα του OpenEmbedded;

Το OpenEmbedded και η ενσωμάτωσή του με το Yocto Project προσφέρουν μια σειρά από ισχυρά πλεονεκτήματα για την ενσωματωμένη ανάπτυξη:

• Εξαιρετική προσαρμογή: Είναι δυνατή η δημιουργία διανομών Linux τέλεια προσαρμοσμένων στο επιθυμητό υλικό και λειτουργικότητα, εξαλείφοντας τα περιττά στοιχεία και βελτιστοποιώντας τους πόρους.
• Ευελιξία σε διάφορες πλατφόρμες: Υποστηρίζουν πολλαπλές αρχιτεκτονικές CPU (ARM, x86/x64, PowerPC, MIPS…) και επιτρέπουν την προσαρμογή της ίδιας ροής εργασίας σε διαφορετικές συσκευές.
• Αναπαραγωγιμότητα και έλεγχος έκδοσης: Ολόκληρη η διαδικασία κατασκευής είναι εκδοχήσιμη και αναπαραγώγιμη. Διασφαλίζει ότι ολόκληρη η ομάδα ανάπτυξης δημιουργεί την ίδια εικόνα, παρέχοντας ασφάλεια και διευκολύνοντας τη συνεχή ενσωμάτωση (CI/CD).
• Ενεργή υποστήριξη από την κοινότητα και τις επιχειρήσεις: Τα εργαλεία έχουν μια πολύ ενεργή παγκόσμια κοινότητα, καθώς και την υποστήριξη μεγάλων εταιρειών. Υπάρχουν παραρτήματα LTS με μακροπρόθεσμη υποστήριξη, συχνές ενημερώσεις και συνεχή εξέλιξη.
• Διαχείριση προσαρμοσμένων αδειών χρήσης: Το σύστημα διευκολύνει τη διαχείριση, τον έλεγχο και την τεκμηρίωση των αδειών χρήσης που χρησιμοποιούνται σε κάθε εικόνα ή πακέτο, επιτρέποντας τη δημιουργία προσαρμοσμένων μανιφέστων.

Τελικά, το OpenEmbedded είναι μια από τις πιο ισχυρές και επεκτάσιμες λύσεις για ενσωματωμένα έργα οποιουδήποτε μεγέθους.

Πρόσθετα εξαρτήματα και εργαλεία υποστήριξης

Εκτός από τα βασικά στοιχεία που αναφέρθηκαν παραπάνω, τόσο το Yocto όσο και το OpenEmbedded ενσωματώνουν ή επιτρέπουν την προσθήκη:

• Τοστιέρα: Διεπαφή ιστού για BitBake και OpenEmbedded, ιδανική για διαμόρφωση, εκκίνηση builds και προβολή στατιστικών.
• ΣΠΑΡΤΑ: Πλαίσιο Docker που βασίζεται σε κοντέινερ, το οποίο διευκολύνει την διασταυρούμενη ανάπτυξη σε διαφορετικά λειτουργικά συστήματα (Windows, Linux, Mac OS).
• Επεκτάσιμο SDK (eSDK): Σας επιτρέπει να αναπτύξετε προσαρμοσμένες εφαρμογές και να τις δοκιμάσετε στο ίδιο το υλικό-στόχο, διευκολύνοντας την ενσωμάτωση με την παραγόμενη εικόνα.
• Υποστήριξη QEMU: Είναι δυνατή η μίμηση αρχιτεκτονικών-στόχων χωρίς την ανάγκη φυσικού υλικού χάρη στο QEMU.
• Εργαλεία επικύρωσης και δοκιμής: Ενσωμάτωση αυτοματοποιημένων δοκιμών, παλινδρομήσεων και ελέγχων ακεραιότητας για κάθε έκδοση.

σχετικό άρθρο:

Embedded Open Source Summit 2024 (EOSS 2024): Τι να δείτε σε αυτή τη νέα έκδοση της εκδήλωσης;

Η βασική ροή εργασίας χρησιμοποιώντας OpenEmbedded και Yocto

Η τυπική διαδικασία για τη δημιουργία μιας προσαρμοσμένης εικόνας Linux χρησιμοποιώντας αυτά τα εργαλεία μπορεί να συνοψιστεί ως εξής:

1. Ορίστε την αρχιτεκτονική, τις πολιτικές και τις διαμορφώσεις στα αρχεία του έργου.
2. Λήψη πηγαίου κώδικα και τους απαιτούμενους πόρους (tarballs, αποθετήρια git, κ.λπ.).
3. Εφαρμογή ενημερώσεων κώδικα και πηγών διεργασιών σε ένα απομονωμένο περιβάλλον.
4. Μεταγλώττιση του λογισμικού και συσκευασία των δυαδικών αρχείων στην επιλεγμένη μορφή (deb, rpm, ipk).
5. Διεξαγωγή ποιοτικών ελέγχων (δοκιμές λογικής/παλινδρόμησης) και να δημιουργούν αναφορές.
6. Δημιουργήστε το ριζικό σύστημα αρχείων και τις εικόνες εκκίνησης για φόρτωση στη συσκευή-στόχο.

Χάρη στη μεγάλη ευελιξία του συστήματος και την οργάνωση ανά επίπεδα, Μπορείτε να επαναχρησιμοποιήσετε μεγάλα μέρη της εργασίας σας για άλλα έργα, να ενημερώσετε εύκολα εικόνες ή να ενσωματώσετε νέες λειτουργίες χωρίς να χρειάζεται να ανακατασκευάσετε ολόκληρο το σύστημα από την αρχή..

Γλωσσάριο κοινών εννοιών

• Συνταγές: Ορίζουν τον τρόπο με τον οποίο μεταγλωττίζεται και συσκευάζεται ένα δεδομένο λογισμικό. Αποθηκεύονται σε επίπεδα και μπορούν να κληρονομήσουν ή να αντικαταστήσουν πληροφορίες από προηγούμενες συνταγές.
• Επίπεδα: Ομαδοποιούν σχετικές συνταγές, κλάσεις και διαμορφώσεις. Είναι ιεραρχικές και διευκολύνουν την αρθρωσιμότητα.
• Μεταδεδομένα: Αρχεία που περιγράφουν συνταγές, διαμορφώσεις και όλες τις πληροφορίες που απαιτούνται για τη δημιουργία της εικόνας. Περιλαμβάνουν οδηγίες σχετικά με το ποιες εκδόσεις θα χρησιμοποιηθούν, ποιες ενημερώσεις κώδικα θα εφαρμοστούν, εξαρτήσεις και ούτω καθεξής.
• Σακί: Διανομή αναφοράς που περιλαμβάνεται στο Yocto, ιδανική για να έχετε ένα λειτουργικό σημείο εκκίνησης.
• BitBake: Κύριο εργαλείο δημιουργίας. Επεξεργάζεται συνταγές και εκτελεί ολόκληρη τη ροή εργασίας.
• BSP (Πακέτο Υποστήριξης Διοικητικού Συμβουλίου): Ένα σύνολο λογισμικού και συνταγών ειδικά για μια συγκεκριμένη πλακέτα ή αρχιτεκτονική.

Πώς να ξεκινήσετε με το OpenEmbedded και το Yocto;

Το πρώτο βήμα είναι να έχετε έναν υπολογιστή Linux, επαρκή χωρητικότητα αποθήκευσης (περισσότερα από 80 GB δωρεάν) και αρκετούς πυρήνες CPU. Συνιστώνται τα Ubuntu ή Debian για συμβατότητα, αν και υποστηρίζονται και άλλες διανομές. Μπορείτε επίσης να το εκτελέσετε σε εικονική μηχανή ή με WSL σε Windows, αν και η απόδοση θα είναι χαμηλότερη.

Η συνήθης διαδικασία είναι να κατεβάσετε την αναφορά Σακί, κλωνοποιήστε τα απαραίτητα επίπεδα (για παράδειγμα, meta-raspberry αν θέλετε να εργαστείτε με ένα Raspberry Pi), προσθέστε ή τροποποιήστε τις κατάλληλες συνταγές και εκκινήστε τη μεταγλώττιση με το BitBake. Μόλις δημιουργηθεί η εικόνα, εγγράφεται στον χώρο αποθήκευσης ή στην κάρτα της συσκευής-στόχου και, μετά την εκκίνηση του υπολογιστή, έχουμε έτοιμη την προσαρμοσμένη διανομή μας.

Ορισμένες προκλήσεις και σκέψεις

Αν και το εύρος των πλεονεκτημάτων είναι τεράστιο, πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι η καμπύλη μάθησης μπορεί να είναι απότομη αν δεν έχετε προηγούμενη γνώση Linux, scripting, Bash ή cross-compiling. Επιπλέον, η διαδικασία δημιουργίας απαιτεί πολλούς πόρους (RAM, CPU, δίσκος) και μπορεί να διαρκέσει πολύ.

Ωστόσο, μόλις κατανοηθούν τα βασικά, Οι δυνατότητες προσαρμογής και βελτιστοποίησης είναι τεράστιες, μπορείτε να αυτοματοποιήσετε την ενσωμάτωση και τις ενημερώσεις εικόνων, να ελέγξετε τη χρήση αδειών χρήσης, να δημιουργήσετε ροές δυαδικών πακέτων και να διασφαλίσετε πραγματική επεκτασιμότητα σε όλες τις ομάδες ανάπτυξης.

Σήμερα, τόσο το OpenEmbedded όσο και το Yocto Project αντιπροσωπεύουν τη βάση πάνω στην οποία κατασκευάζονται τα περισσότερα σύγχρονα ενσωματωμένα συστήματα Linux. Επιτρέπουν τη μετατροπή ενός συνόλου απαιτήσεων υλικού και λογισμικού σε ένα πλήρως προσαρμοσμένο, βελτιστοποιημένο και έτοιμο προς χρήση λειτουργικό σύστημα για οποιαδήποτε ηλεκτρονική συσκευή, από έναν μικρό αισθητήρα έως έναν βιομηχανικό σταθμό παραγωγής ενέργειας ή ένα συνδεδεμένο όχημα.