Lời mở đầu

Chào mừng bạn đến với series về Yocto Project!

Trong loạt bài này, chúng ta sẽ khám phá Yocto thông qua nền tảng QEMU/*QEMU(Quick Emulator) là một chương trình giả lập mạnh mẽ được sử dụng bởi KVM để tạo môi trường ảo/*. Ở các bài viết đầu tiên, mình sẽ giới thiệu các khái niệm cơ bản và các bước thiết lập ban đầu, sau đó sẽ đi vào thực hành và chỉnh sửa mã nguồn mở của Yocto Project.

Nhưng trước tiên, hãy cùng tìm hiểu Yocto là gì và mục đích của nó nhé!

Yocto được phát triển nhằm giúp các nhà phát triển dễ dàng tạo ra hệ điều hành Linux tùy chỉnh cho các thiết bị nhúng.

Trong thế giới phần mềm nhúng, mỗi thiết bị bạn đang sử dụng như board Raspberry Pi, Beagle Bone Black, hay NXP bị giới hạn tài nguyên, không có đủ RAM hay không gian lưu trữ để chứa cả hệ điều hành như Ubuntu. Ví dụ, Raspberry Pi không có đủ dung lượng để chạy toàn bộ hệ điều hành như vậy.

Trước khi Yocto ra đời, việc tạo ra hệ điều hành Linux yêu cầu rất nhiều công sức và thời gian. Chỉ những người có chuyên môn sâu về lĩnh vực này mới có thể tự xây dựng và tích hợp các thành phần phần mềm khác nhau từ nhiều nguồn khác nhau.

Yocto được phát triển để giải quyết vấn đề này bằng cách cung cấp một bộ công cụ và quy trình thống nhất, giúp đơn giản và tự động hóa quá trình build, config và custome một bản phân phối DISTRO phù hợp với dự án.

Trường hợp nếu không sử dụng Yocto để tạo ra bản phân phối Linux tùy chỉnh, quy trình có thể sẽ diễn ra theo các bước thủ công như sau:

1.Chuẩn bị các thành phần hệ thống

Developer sẽ phải chọn kernel phù hợp với phần cứng, các thư viện cần thiết (glibc, musl), và các công cụ khác như busybox (quản lí tiện ích hệ thống cơ bản), systemd (quản lí process)… .

2. Thu thập source code

Từng thành phần phần mềm phải được tải xuống từ các nguồn khác nhau như source kernel sẽ phải tải ở trang web kernel.org, busybox từ busybox.net, và các package ở github. Quá trình cũng khá mất thời gian và phức tạp vì mỗi thành phần có các version khác nhau và yêu cầu phụ thuộc vào nhau.

3. Thiết lập môi trường biên dịch

Công cụ Cross-compiler: Đối với hầu hết các hệ thống nhúng, cross-compiler để biên dịch mã cho một kiến trúc phần cứng khác với máy tính phát triển như arm-none-eabi-gcc cho kiến trúc ARM, aarch64-linux-gnu-gcc cho ARM 64-bit.
Tạo toolchain: Nếu không có Yocto , ta sẽ phải tự xây dựng hoặc tìm kiếm một toolchain phù hợp như từ GNU Toolchain hoặc Buildroot.
Thiết lập biến môi trường: Developer cần thiết lập đúng các biến môi trường, như PATH, CFLAGS, LDFLAGS để đảm bảo quá trình biên dịch source code chính xác.

4. Cấu hình Kernel

Tải xuống mã nguồn của kernel và cấu hình nó bằng cách sử dụng lệnh make menuconfig hoặc edit file .config trực tiếp. Bật, tắt các tính năng liên quan đến phần cứng hoặc phần mềm cần thiết sau đó biên dịch kernel bằng cách sử dụng lệnh make.

5. Biên dịch và cài đặt các thư viện và tool

Thư viện C chuẩn biên dịch bằng glibc hoặc musl.
Các công cụ cơ bản biên dịch và cài đặt các công cụ hệ thống như busybox , init và các driver khác.
Mỗi thành phần phải được biên dịch riêng lẻ và phù hợp với kernel và kiến trúc phần cứng.

6. Tạo root filesystem: Tạo một thư mục root, sau đó sao chép tất cả các file đã biên dịch vào các vị trí tương ứng ( /bin , /lib , /sbin). Phải tự thiết lập các file cấu hình, các device file trong /dev và init scripts cho hệ thống.

7. Tạo bộ nạp khởi động (bootloader)

Tải xuống, cấu hình và biên dịch bootloader như u-boot.
Cần phải điều chỉnh bootloader để có thể load kernel và root file system từ phần cứng.

8. Đóng gói distro

Tạo ra file image của hệ thống file gốc đã tạo. Có thể sử dụng công cụ như dd để tạo image, sau đó copy vào sd card hoặc ổ cứng.

9. Update và maintain

Khi có bản cập nhật mới cho các thành phần như kernel hoặc thư viện, quá trình cập nhật sẽ rất phức tạp vì cần phải kiểm tra lại tính tương thích các thành phần đã sử dụng. Nếu có thay đổi hoặc thêm mới các thành phần, developer sẽ cần phải làm lại toàn bộ quy trình từ thu thập mã nguồn, biên dịch, tích hợp và kiểm thử.

Qua các bước trên bạn cũng thấy đấy quy trình này không chỉ tốn rất nhiều thời gian mà còn đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về từng phần của hệ điều hành. Hiện nay đã có các tool giúp chúng ta có thể tự build hệ điều hành. Bạn có thể xem qua bức hình dưới đây.

The tools build distro_1.png — Hình 1: Các tool để build hệ điều hành nhân Linux riêng

Trong số các công cụ trong ảnh, những công cụ phù hợp nhất để xây dựng hệ điều hành nhúng cho các board như Yocto Project, OpenEmbedded, Buildroot, PTXdist. Nhưng mình lại chọn Yocto Project để build hệ điều hành này là gồm có các lí do sau:

Tính linh hoạt và tùy biến cao: Yocto cho phép bạn tùy chỉnh từng phần của hệ điều hành, từ kernel đến các gói phần mềm và cấu hình hệ thống.
Được hỗ trợ bởi các nhà sản xuất lớn: Nhiều hãng sản xuất chip lớn như NXP, Texas Instruments, Intel, và Renesas hỗ trợ Yocto và cung cấp các layer riêng cho dòng sản phẩm của họ, giúp dễ dàng tích hợp driver và tối ưu cho phần cứng.
Cộng đồng và tài liệu phong phú: Yocto có một cộng đồng lớn và tài liệu chi tiết, giúp bạn dễ dàng tìm được hỗ trợ khi gặp vấn đề.
Hệ sinh thái OpenEmbedded: Yocto sử dụng OpenEmbedded làm nền tảng, cung cấp một hệ sinh thái mạnh mẽ với hàng nghìn recipes cho các gói phần mềm.

cấu trúc cơ bản yocto_1.png — Hình 2: Mô hình các thành phần của Yocto Project

Hỉnh ảnh trên mô trả về cấu trúc và mối liên hệ giữa OpenEmbedded, Poky và Yocto có thể hiểu đơn giản như sau:

Yocto Project là open source giúp chúng ta tạo ra hệ điều hành Linux tùy chỉnh cho thiết bị nhúng. Yocto không phải là một hệ điều hành, mà là một bộ công cụ và không gian làm việc để giúp bạn xây dựng hệ điều hành.
Poky là một ví dụ về hệ điều hành nhúng mà Yocto cung cấp. Nó giống như một dự án mẫu. Poky bao gồm BitBake (công cụ để tự động hóa quá trình xây dựng) và OpenEmbedded-Core.
OpenEmbedded là nền tảng mà Yocto sử dụng. Nó cung cấp các công cụ và metadata cần thiết để build hệ điều hành nhúng.

Các thuật ngữ cơ bản của Yocto

Poky là một bản phân phối (distrobution) tham chiếu từ Yocto Project, bao gồm hệ thống build OpenEmbedded (BitBake và OpenEmbedded Core) cùng với metadata để build DISTRO từ source code. Poky không chứa các file binary, mà chỉ là một ví dụ về cách tạo hệ điều hành Linux.

Tại sao lại đặt tên Poky? Có 2 giả thiết về tên này:
Poky trong tiếng Anh có nghĩa là nhỏ. Ý tưởng ở đây là phân phối này được thiết kế để xây dựng các hình ảnh hệ điều hành nhỏ cho các thiết bị.
Pocky là một nhãn hiệu thanh bánh quy socola trên thị trường hiện nay. Nhưng việc sử dụng một tên đã được đăng ký bản quyền có thể gặp rắc rối, vì vậy họ đã thay đổi cách viết thành poky nhưng giữ nguyên cách phát âm.

Hình 3: Thương hiệu bánh socola Pocky (Nguồn ảnh lấy từ internet)

Metadata Đây là bản thiết kế dùng để để build DISTRO Linux. Nó bao gồm các Recipe, class, file config và các hướng dẫn cho hệ thống build biết cách biên dịch

Recipe (.bb/.bbappend)Các file này mô tả cách lấy, cấu hình và biên dịch phần mềm, file .bbappend bổ sung các hướng dẫn trong file .bb.
Class (.bbclass) Các file này chứa các thông tin hữu ích chia sẽ giữa các recipe, giống như cách một lớp cơ sở hoạt động trong C++.
Cấu hình (.conf) Các tệp cấu hình kiểm soát các tùy chọn build khác nhau, như máy nào cần build hoặc những tính năng nào cần đưa vào.

Layer đây là các tập hợp các hướng dẫn và cài đặt liên quan. Các layer giúp tổ chức quy trình build và làm cho việc tái sử dụng các phần của hệ thống build trở nên dễ dàng hơn.

BitBake là tool đọc metadata, xác định các dependencies, và thực hiện các tác vụ cần thiết để build phần mềm.

Yocto Workflow

Yocto workflow.jpg — Hình 4: Hình ảnh mô tả hoạt động làm việc của Yocto

Cấu hình và cài đặt: Developer bắt đầu bằng việc xác định các yêu cầu cơ bản, chẳng hạn như loại kiến trúc phần cứng, các bản vá lỗi cần áp dụng, và danh sách các package cần thiết. Những thông tin này được chỉ định trong các file conf và các file recipe.
Tải source code: Yocto sử dụng hệ thống Bitbake để tải mã nguồn từ các nguồn chỉ định trong recipe, bao gồm các tarballs, kho lưu trữ Git, SVN, hoặc các nguồn khác.
Giải nén: sau khi tải mã nguồn, hệ thống giải nén mã vào một thư mục làm việc tạm thời WORKDIR. Nếu có bản vá nào được chỉ định, chúng sẽ được áp dụng tự động để chỉnh sửa mã nguồn theo yêu cầu.
Cấu hình và biên dịch: tiếp theo, hệ thống sẽ cấu hình source code, có thể tạo ra các file makefile từ cấu hình đó, và bắt đầu biên dịch phần mềm. Tại đây, hệ thống sử dụng định dạng ra file binary (như deb, rpm, hoặc ipk) để đóng gói phần mềm.
QA Test: trong suốt quá trình xây dựng, cần kiểm tra tính hợp lý được thực hiện để đảm bảo các gói phần mềm biên dịch chính xác.
Tạo feed package: sau khi phần mềm đã được biên dịch và đóng gói, hệ thống tạo feed package. Feed package này được sử dụng để tạo ra root file system.
Tạo image và SDK: hệ thống sẽ tạo ra root file system image, người dùng cũng có thể tạo một SDK để phát triển ứng dụng cho hệ thống.

Ở bài viết tiếp theo mình sẽ trình bày về việc cách setup môi trường và build Yocto Project trên nền tảng QEMU nhé.