初识 Yocto 项目

Posted 2021-05-19 阿基米东

本章开始介绍 Yocto 项目，将阐述主要概念，贯穿本专栏的种种概念，都会在本章里一一说明。我们将要简述 Yocto 专案的发展历史、建置系统、Poky、OpenEmbedded-Core、BitBake、后设资料（metadata），以及使用 Yocto 的工作流程。

Yocto 项目

Yocto 是项总括计划，犹如一把大伞，涵盖与嵌入式 Linux 系统相关的各种技术，其涵盖范围非常广。尚请注意，Yocto 本身并不是 Linux 发行版（distribution）。其官方网站如此形容 Yocto 项目：

Yocto Project – It’s not an embedded Linux distribution – it creates a custom one for you.

Yocto 是一个开源项目，涵盖各种协力专案，提供样板、工具、方法，帮助你能够以 Linux 为基础来构建系统，不论底层硬件架构是什么，都可以自订并且建立系统，供嵌入式产品使用。

Yocto 项目背后有着 Linux 基金会的资助，不仅仅是一套构建系统，还提供各种工具、程序、样板与方法，让开发人员能够快速地建立软件系统、部署到嵌入式设备（比如 Raspberry Pi、Beagleboard、Nitrogen6x、SAMA5D3、Olinuxino 等）或 QEMU。Yocto 项目主要组成元件有两个：

• Poky —— 这是构建系统（供我们参考的官方建议标准）；
• BitBake —— 这是排程器，此项工具基于 Gentoo 发行版。

Linux 基金会于 2010年11月左右，发表声明宣布这整套成果将会在 Yocto 专案的旗帜之下继续发展，并由 Linux 基金会提供资助（由基金会成员 Richard Purdie 担任主架构师）。然后，Yocto 项目与 OpenEmbedded 通力合作，以称为 OE-Core 的套件后设资料核心集合为基础，结合 Poky 与 OpenEmbedded 最出色的部分，加上其他许多软件层，提供额外的工具元件。

了解建置系统

如前所述，我们和 Yocto 项目身处于建置系统的世界。所谓建置系统，需要具备的功能如下：

• 编译或交叉编译应用程序
• 把应用程序包装成套件
• 测试二进制程序档与生态系统相容性
• 部署产生出来的映像档

为了进行这些步骤，已经存在着许许多多的工具，其中部分如下：

• Buildroot（https://buildroot.org）
• LTIB（http://ltib.org）
• OpenWRT（https://openwrt.org）
• Yocto/OpenEmbedded（https://www.yoctoproject.org）

举例而言，Buildroot 是一组 makefile 档，用来自动化嵌入式系统的构建过程，支持编译 bootloader（如 U-Boot）和 Linux 内核（zImage 或 bzImage），并以 BusyBox 和第三方应用程序支持基本的控管工具；Buildroot 可在各种架构上头运作，诸如 ARM、x86 和 MIPS。如果想进一步了解，请参阅完整的官方文件 https://buildroot.org/docs.html

Buildroot 这套工具，部分由 Free Electrons 公司维护，这家法国公司专精于开发嵌入式 Linux 系统。

比起本专栏所介绍的 Yocto 专案，Buildroot 采用的做法较为简单、单纯，Buildroot 比较适用于产生“初体”，而 Yocto/OpenEmbedded 的方向则是产生整套系统的“发行版”。Buildroot 提供的配方数量约为 700 个，与之相比，Yocto 项目提供超过 8000 个配方。

主要元件

Yocto 项目的主要元件（其他可用工具属于选用性），条列如下：

• BitBake
• OpenEmbedded-Core
• Poky
• BSP 层（meta-raspberry、meta-fsl-arm、meta-ti、meta-intel、meta-sunxi 等等）

下图列出将会介绍的所有层级，后续章节会透过各种各样的范例，逐一学习其中各项工具，让读者能充分掌握。

何谓 Poky？

Poky 是 Yocto 项目官方提供的参考建置系统，包含一些 OpenEmbedded 的基本元件（称为建置系统），以及一组用来建立嵌入式发行版的后设资料，支持好几种目标架构。Poky 是独立的平台，使用 BitBake 工具（任务排程器）、OpenEmbedded-Core 与预设的后设资料组合来进行交叉编译，如下图所示。Poky 提供一整套机制，能构建并整合数以千计的开源软件包。

Poky 构建系统将会成为工业领域的参考标准，各大业界领袖，如 Win River、Intel、Montavista 和 Mentor Graphics 都已表态支持。

Angstrom 是另一套以 OpenEmbedded-Core 为基础所打造出来的系统，你可以把 Angstrom 和 Poky 想象成表兄弟，因为 Poky 也同样基于 OpenEmbedded-Core。

发令中心：BitBake

BitBake 构建引擎，扮演着任务排程器（如同 GNU Make）的角色，负责解析各种脚本档案（例如 shell 脚本和 Python 程序）。

一旦开始构建环境，BitBake 就会着手执行你要求的任务，若没提供任务，BitBake 则会执行叫做 build 的预设任务。

执行任务前，BitBake 会先查询叫做 do_<task name> 的环境变量，应含有需要执行的任务程序（以 Python 或 shell 脚本语言编写），所以，如果要编译某 Yocto 配方，将会使用记录在环境变量 do_compile 里的程序。

简言之，根据配方（或后设资料 metadata）里含有的信息，BitBake 会到网络、本地端的某目录、或是某版本控制系统（如 Git），下载项目的源代码，然后根据动态产生的相依关系图，按照顺序进行构建工作；最后，BitBake 会安装编译好的二进制文件、产生相对应的套件、并且构建出最终的镜像，之后就可以安装到目标机器（对我们来说将会是 Raspberry Pi）。

下图展示 BitBake 是如何工作的：

OpenEmbedded-Core

OpenEmbedded-Core 后设资料集（下图中 meta 那一块），提供作为 Poky 构建工具的引擎，其设计理念是提供几项核心功能（几个配方）。支持六种不同的处理器架构（ARM、x86、x86-64、PowerPC、MIPS、MIPS64），另外，仅支持以 QEMU 模拟出来的虚拟机器。

OpenEmbedded-Core 的内容组织如下所示。这一层包含各个不同的配方，描述如何抓取所需档案、设定组态、编译并包装应用程序和镜像。

├── classes
├── conf
├── files
├── lib
├── recipes-bsp
├── recipes-connectivity
├── recipes-core
├── recipes-devtools
├── recipes-extended
├── recipes-gnome
├── recipes-graphics
├── recipes-kernel
├── recipes-multimedia
├── recipes-rt
├── recipes-sato
├── recipes-support
├── site
├── COPYING.MIT
└── recipes.txt

在本专栏后续的篇幅里，我们将会混合这一层和 Raspberry Pi 的 BSP 层（meta-raspberrypi）。

探索后设资料

后设资料（metadata）由 Python 程序和 shell 脚本文件（.conf、.bb、.bbclass、.inc）混合组成，提供极度有弹性的系统。后设资料意指构建指令本身，以及各种用来控制该构建何物、影响构建过程的相关资料；后设资料所包含的指令和资料，还用来指出该使用哪个版本的软件，以及从哪里获取。Poky 以 OpenEmbedded-Core 为基础并予以扩充，加上另两个不同的层级，属于另外的后设资料子集合，详细描述如下：

• meta-yocto：这一层提供支持的预设发行版、视觉标签、后设资料追踪资讯（维护者、上游状态等等）；
• meta-yocto-bsp：使用者应在这一层之上，提供硬件参考板子支持套件包（BSP），提供给 Poky。

Yocto 项目的工作流程

下图比较高层面的形式描绘出 Yocto 项目的开发环境，以展现交叉编译框架。

让我们逐一检视图中每个组成部分的作用：

• User Configuration（使用者组态）：此处的后设资料，作用是控制整个构建程序。
• Metadata（后设资料层）：此处有好几层，提供软件、机器、发行版的后设资料。
• Sources（源代码）：包含上游释出、本地端项目以及源代码版本控制系统（Git、SVN 等）。
• Build system（构建系统）：这些是在 BitBake 控制之下的程序，这一大区块可再细分，分为 BitBake 如何抓取源代码、补丁、完成编译工作、分析产生套件、建立并测试套件、产生镜像、以及产生交叉开发工具组。
• Package Feeds（套件源）：此处目录包含输出后的套件（RPM、DEB 或 IPK），之后再由构建系统拿去用于建立镜像和 SDK。也可使用网站服务器或其他管道，复制与分享这些套件源，在执行期间扩充、更新装置上既有的映像档内容，如果启用执行期间套件管理功能的话。
• Images（映像档）：由开发程序产生出来的映像档（组成作业系统的各个部分，诸如内核镜像、bootloader 和根文件系统）。
• SDK：由 BitBake 产生的交叉开发工具组，可跟着映像档一同产生，或是分开产生。

总结

本章概述 Yocto 项目的主要组成元件，包括 Poky、OpenEmbedded-Core 和 BitBake，以及其运作概况，如何同在 Yocto 大伞之下协力合作。

下一章将要实地练习 Yocto 的工作流程，以不同作法下载、设定、准备 Poky 构建环境，为 Raspberry Pi 产生出第一支 Poky 镜像。

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注：

• metadata 在这里翻译为后设资料，包括建置指令本身和相关配置。
• image 在这里翻译为映像档，其他常见译词为镜像档。
• recipe 在这里翻译为配方，描述需要执行的动作，例如抓档案、设定组态、编译等等。
• BSP 是 Board Support Package 的缩写，译为板级支持包，内容物是各个板子专属的组态设定、资料、规格等。