هل تساءلت يومًا كيف يتم إنشاء أنظمة Linux التي نجدها على العديد من الأجهزة اليومية؟ من أجهزة التوجيه، وأجهزة التلفزيون، والهواتف الذكية، إلى الأنظمة الصناعية والسيارات الذكية: جميعها تعمل عادةً على توزيعة لينكس مدمجة مصممة خصيصًا لتلبية احتياجاتها. وتقف وراء عملية التكيف هذه مشاريع مثل OpenEmbedded و مشروع يوكتو، قطع رئيسية أصيلة في عالم البرمجيات المضمنة.
في هذه المقالة، ستتعلم بالتفصيل ما هو OpenEmbedded، وكيف يرتبط بمشروع Yocto، ولماذا هو مهم جدًا في تطوير الأجهزة الإلكترونية الذكية. سنقوم أيضًا بإرشادك خلال مكوناته الأساسية ومزاياه ومفاهيمه الرئيسية وكيف أحدث ثورة في تطوير أنظمة Linux المخصصة لأجهزة محددة.
ما هو OpenEmbedded؟
OpenEmbedded هو إطار عمل لأتمتة البناء وبيئة تجميع متقاطعة تستخدم لإنشاء توزيعات Linux للأجهزة المضمنة. أُنشئ رسميًا عام ٢٠٠٣ بواسطة مجتمع OpenEmbedded. المهمة الرئيسية لهذه البيئة هي تبسيط مهمة بناء صور نظام التشغيل Linux بالكامل والتي تتناسب مع الاحتياجات المحددة للأجهزة التي سيتم استخدامها.
يعتمد نظام التجميع هذا على ملفات تسمى وصفات (الوصفات)، يتم إدارتها من خلال الأداة بيتبيك.تحدد هذه الوصفات كيفية تجميع كل حزمة برامج، وتبعياتها، وما هو الكود الذي يجب تنزيله، وكيفية دمجه في الصورة النهائية.
يتيح لك OpenEmbedded إنشاء ملفات ثنائية للعديد من المعماريات وتعبئة البرامج الناتجة في التنسيقات الأكثر شهرة (ipk، deb، rpm)، بالإضافة إلى إنتاج صور تمهيد جاهزة للاستخدام على اللوحة المستهدفة. وهذا يجعل هذا النظام هو نظام البناء الموصى به لمشروع Yocto، والذي يتعاون معه بشكل وثيق للغاية.
ما هي العلاقة بين OpenEmbedded وYocto Project؟
مشروع Yocto هو مبادرة تعاونية مفتوحة المصدر يقودها Linux Foundation منذ عام 2010، وهدفه هو تسهيل إنشاء أنظمة تشغيل Linux مخصصة ومحسنة للأجهزة المضمنة وأجهزة إنترنت الأشياء. على الرغم من أن العديد من الأشخاص يعتقدون أن Yocto عبارة عن توزيعة Linux، إلا أنها في الواقع عبارة عن مجموعة من الأدوات التي تسمح لك ببناء هذه التوزيعات من الصفر، ومخصصة بالكامل.
يتجلى التعاون بين المشروعين في ذلك يستخدم مشروع Yocto OpenEmbedded كمحرك بناءتتم صيانة الأجزاء الأساسية لنظام بناء OpenEmbedded (BitBake وOpenEmbedded-Core) بشكل مشترك من قِبل كلا المشروعين. بالإضافة إلى ذلك، يوفر Yocto تنفيذ مرجعي يسمى Poky، والذي يتضمن نظام البناء OpenEmbedded بالإضافة إلى مجموعة من الوصفات والطبقات الجاهزة للتخصيص.
وبالتالي، عندما تريد شركة أو مطور إنشاء توزيع Linux محدد لمنتجهم، يوفر Yocto وOpenEmbedded الأدوات وسير العمل والمرونة اللازمة لإنشاء شيء فريد وقابل للتكرار وقابل للصيانة..
المكونات الرئيسية: BitBake، Poky، الطبقات والوصفات
لفهم كيفية عمل OpenEmbedded (وبالتالي Yocto)، من الضروري معرفة عناصره الرئيسية:
- بت بيك: إنه محرك البناء الذي يُفسّر الوصفات، ويحل التبعيات، ويُنفّذ المهام لتوليد الصورة النهائية. يعمل بشكل مشابه لأدوات الأتمتة الأخرى مثل Make، ولكنه مُصمّم لعالم الأنظمة المُدمجة، ويوفر مرونة فائقة.
- نكز: هذا هو التوزيع المرجعي الذي يوفره Yocto. إنه ليس نظام إنتاج نهائي، بل هو نقطة بداية (مثال عملي) يمكن تعديله وتوسيعه بإضافة طبقات ووصفات جديدة.
- OpenEmbedded-Core (OE-Core): يُمثل جوهر البيانات الوصفية المُعتمدة والوصفات المشتركة بين أنظمة متعددة وتوزيعات مُشتقة. ويُوفر مجموعة أساسية من التعريفات والفئات والتكوينات المُشتركة.
- الوصفات: تصف كل وصفة كيفية إنشاء حزمة أو مكون: مكان تنزيلها، وكيفية تجميعها، وما هي التصحيحات التي يجب تطبيقها، وكيفية تثبيتها.
- الطبقات: إنها مجموعات من الوصفات أو البيانات الوصفية ذات الصلة. بفضل نموذج الطبقةمن الممكن عزل المعلومات (على سبيل المثال، طبقة واحدة لواجهة المستخدم الرسومية، وأخرى للبرامج التشغيلية، وأخرى للتطبيقات، وما إلى ذلك)، مما يسهل إعادة الاستخدام والتخصيص.
النموذج الطبقي: التعاون والتخصيص على أعلى مستوى
أحد الإنجازات العظيمة لـ OpenEmbedded و Yocto هو نموذج التطوير القائم على الطبقاتيسمح هذا النظام بـ:
- تعاون بسهولة، حيث يمكن لعدة فرق العمل العمل على طبقات مستقلة (برامج التشغيل، والبرامج الوسيطة، والتطبيقات، وما إلى ذلك) ودمجها وفقًا لاحتياجات المشروع.
- تخصيص النظام بأكمله من خلال عزل منطق كل نظام فرعي. على سبيل المثال، غالبًا ما نجد طبقة محددة لتكوين التوزيع (طبقة التوزيع)، وأخرى لدعم لوحات محددة (طبقات BSP)، وطبقات إضافية للتطبيقات والواجهات الرسومية والبرامج الوسيطة، إلخ.
- تجنب الصراعات وتبسيط الصيانة: يمكن للطبقات أن تستبدل أو تكمل التعليمات من الطبقات الأدنى، مما يؤدي إلى إدارة أكثر كفاءة.
بفضل هذا النهج، يمكن للمطورين إعادة استخدام الطبقات التي أنشأها المجتمع أو تخصيصها لتناسب احتياجات كل منتج.
ما استخدام OpenEmbedded/Yocto؟ الاستخدامات العملية
يتم استخدام كل من OpenEmbedded وYocto Project في مجموعة كبيرة ومتنوعة من المجالات والمنتجات.، مثل:
- الروبوتات الصناعية
- السيارات (المعلومات والترفيه، ووحدات التحكم، وأنظمة ADAS، وما إلى ذلك)
- التصرفات الطبية
- الأجهزة الذكية
- بوابات إنترنت الأشياء
- الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية (أجهزة التلفزيون، وأجهزة التوجيه، وأجهزة فك التشفير، وما إلى ذلك)
- معدات الاتصالات السلكية واللاسلكية
- أنظمة التحكم في الوصول والأتمتة المنزلية المتقدمة
تتعاون شركات مثل Intel وARM وNXP وSeeed Studio وiWave Systems وغيرها الكثير بشكل نشط في تطوير وصيانة OpenEmbedded وYocto. إن النظام البيئي واسع للغاية وموثق جيدًا لدرجة أنه يوجد اليوم عشرات الملايين من الأجهزة التي تعمل بتوزيعات تم إنشاؤها باستخدام هذه الأدوات.
ما هي المزايا الرئيسية لـ OpenEmbedded؟
يوفر OpenEmbedded وتكامله مع Yocto Project عددًا من المزايا القوية للتطوير المضمن:
- التخصيص الشديد: من الممكن إنشاء توزيعات Linux مصممة بشكل مثالي للأجهزة والوظائف المطلوبة، مع إزالة المكونات غير الضرورية وتحسين الموارد.
- المرونة عبر الأنظمة الأساسية: إنها تدعم هياكل وحدة المعالجة المركزية المتعددة (ARM، x86/x64، PowerPC، MIPS…) وتسمح بتكييف نفس سير العمل مع أجهزة مختلفة.
- إمكانية إعادة الإنتاج والتحكم في الإصدار: عملية البناء بأكملها قابلة للإصدار والتكرار. وهذا يضمن أن فريق التطوير بأكمله يبني الصورة نفسها، مما يوفر الأمان ويُسهّل التكامل المستمر (CI/CD).
- دعم المجتمع والأعمال النشط: تتمتع هذه الأدوات بمجتمع عالمي نشط للغاية، بالإضافة إلى دعم من شركات كبرى. وتتوافر فروع LTS مع دعم طويل الأمد وتحديثات دورية وتطور مستمر.
- إدارة التراخيص المخصصة: يسهل النظام إدارة وتدقيق وتوثيق التراخيص المستخدمة في كل صورة أو حزمة، مما يسمح بإنشاء البيانات المخصصة.
في نهاية المطاف، يعد OpenEmbedded أحد الحلول الأقوى والأكثر قابلية للتطوير للمشاريع المضمنة من أي حجم.
المكونات الإضافية وأدوات الدعم
بالإضافة إلى العناصر الأساسية المذكورة أعلاه، يدمج كل من Yocto وOpenEmbedded أو يسمحان بإضافة:
- محمصة: واجهة الويب لـ BitBake وOpenEmbedded، مثالية للتكوين وتشغيل عمليات البناء وعرض الإحصائيات.
- المحاصيل: إطار عمل قائم على حاوية Docker، يسهل التطوير المتبادل على أنظمة تشغيل مختلفة (Windows، Linux، Mac OS).
- مجموعة أدوات التطوير البرمجية القابلة للتوسعة (eSDK): إنه يسمح لك بتطوير تطبيقات مخصصة واختبارها على الأجهزة المستهدفة نفسها، مما يسهل التكامل مع الصورة المولدة.
- دعم QEMU: بفضل QEMU، أصبح من الممكن محاكاة الهندسة المعمارية المستهدفة دون الحاجة إلى أجهزة مادية.
- أدوات التحقق والاختبار: دمج الاختبارات الآلية والانحدارات وفحوصات السلامة لكل بناء.
سير العمل الأساسي باستخدام OpenEmbedded وYocto
يمكن تلخيص العملية النموذجية لإنشاء صورة Linux مخصصة باستخدام هذه الأدوات على النحو التالي:
- تحديد البنية والسياسات والتكوينات في ملفات المشروع.
- تنزيل الكود المصدري والموارد المطلوبة (ملفات tarballs، ومستودعات git، وما إلى ذلك).
- تطبيق التصحيحات ومعالجة المصادر في بيئة معزولة.
- تجميع البرنامج وحزم الثنائيات بالتنسيق المحدد (deb، rpm، ipk).
- تشغيل عمليات مراقبة الجودة (اختبارات السلامة/الانحدار) وإنشاء التقارير.
- إنشاء نظام الملفات الجذر وصور التمهيد لتحميله على الجهاز المستهدف.
بفضل المرونة الكبيرة للنظام والتنظيم حسب الطبقات، يمكنك إعادة استخدام أجزاء كبيرة من عملك لمشاريع أخرى، أو تحديث الصور بسهولة، أو دمج ميزات جديدة دون الحاجة إلى إعادة بناء النظام بأكمله من الصفر..
مسرد المفاهيم الشائعة
- الوصفات: تُحدد هذه الملفات كيفية تجميع برنامج معين وتعبئته. تُخزَّن في طبقات، ويمكنها وراثة أو استبدال معلومات من وصفات سابقة.
- الطبقات: تُجمِّع الوصفات والفئات والتكوينات ذات الصلة. وهي هرمية وتُسهِّل عملية التجميع.
- البيانات الوصفية: ملفات تصف الوصفات والتكوينات وجميع المعلومات اللازمة لبناء الصورة. تتضمن تعليمات حول الإصدارات المستخدمة، والتصحيحات المطلوب تطبيقها، والتبعيات، وما إلى ذلك.
- نكز: تم تضمين توزيع مرجعي في Yocto، وهو مثالي للحصول على نقطة بداية وظيفية.
- بت بيك: أداة البناء الرئيسية. تُعالج الوصفات وتُنفّذ سير العمل بأكمله.
- BSP (حزمة دعم المجلس): مجموعة من البرامج والوصفات الخاصة بلوحة أو بنية محددة.
كيفية البدء باستخدام OpenEmbedded وYocto؟
الخطوة الأولى هي أن يكون لديك جهاز كمبيوتر يعمل بنظام Linux، وسعة تخزين كافية (أكثر من 80 جيجابايت مجانية) والعديد من أنوية وحدة المعالجة المركزية. يُنصح باستخدام أوبونتو أو ديبيان للتوافق، مع العلم أن توزيعات أخرى تدعمها أيضًا. يمكنك أيضًا تشغيله في جهاز افتراضي أو باستخدام WSL على نظام ويندوز، مع العلم أن الأداء سيكون أقل.
الشيء المعتاد هو تنزيل المرجع متوانياستنسخ الطبقات اللازمة (مثلاً، meta-raspberry إذا كنت ترغب بالعمل مع Raspberry Pi)، وأضف أو عدّل الوصفات المناسبة، ثم شغّل التجميع باستخدام BitBake. بعد إنشاء الصورة، تُنسخ على وحدة تخزين الجهاز المستهدف أو بطاقة الذاكرة، وبعد تشغيل الكمبيوتر، يصبح توزيعنا المخصص جاهزًا.
بعض التحديات والاعتبارات
على الرغم من أن نطاق المزايا هائل، إلا أنه يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن قد يكون منحنى التعلم حادًا إذا لم تكن لديك معرفة مسبقة بنظام لينكس، أو البرمجة النصية، أو باش، أو التجميع المتقاطع. إضافةً إلى ذلك، تستهلك عملية البناء موارد كثيرة (ذاكرة الوصول العشوائي، وحدة المعالجة المركزية، القرص الصلب) وقد تستغرق وقتًا طويلاً.
ومع ذلك، بمجرد فهم الأساسيات، إمكانيات التخصيص والتحسين هائلةيمكنك أتمتة تكامل الصور والتحديثات، وتدقيق استخدام الترخيص، وإنشاء موجزات الحزمة الثنائية، وضمان قابلية التوسع الحقيقية عبر فرق التطوير.
اليوم، يُمثل كلٌّ من OpenEmbedded ومشروع Yocto الأساس الذي تُبنى عليه معظم أنظمة Linux المُدمجة الحديثة. فهما يُتيحان تحويل مجموعة من متطلبات الأجهزة والبرامج إلى نظام تشغيل مُخصّص بالكامل ومُحسّن وجاهز للاستخدام لأي جهاز إلكتروني، من مُستشعر صغير إلى محطة طاقة صناعية أو مركبة مُتصلة.