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    嵌入式項目中使用Linux有哪些技巧?

    • 發布:嵌入式培訓
    • 來源:嵌入式教程
    • 時間:2019-05-24 16:29

    微控制器制造商的開發板,以及他們與開發板一起提供的軟件項目例程,在工程師著手一個新設計時可以提供很大幫助。但在設計項目完成其早期階段后,進一步設計時,制造商提供的軟件也可能會導致一些問題。

    使用實時操作系統作為應用程序代碼平臺的設計還面臨著許多挑戰,比如如何將功能分配給不同的并行任務、如何設計高可靠的進程間通信、以及如何在硬件上測試整個軟件包等問題。

    越來越多的OEM廠商發現,避免上述兩個問題的最好方式,是使用基于開源、經過驗證、可擴展、可運行在不同硬件平臺的操作系統Linux開始新的設計。就已經被移植到各種計算機硬件平臺的操作系統的數量來說,Linux首屈一指。

    Linux的衍生版本已運行在非常廣泛的嵌入式系統中,包括:網絡路由器、移動電話、建筑自動化控制、電視機和視頻游戲控制臺。

    雖然Linux被成功使用,但并不意味著它很容易使用。Linux包含的代碼超過一百萬行,其運作帶有鮮明的Linux方法論味道,初學者可能難以迅速掌握。

    因此,本文的主旨是為使用Linux的嵌入式操作系統版本——μClinux,開始一個新的設計項目,該指南共分為五個步驟。為了說明該指南,本文介紹了在意法半導體的STM32F429微控制器(ARMCortex-M4內核,最高180MHz)上的一個μClinux項目實現,使用了Emcraft 的STM32F429DiscoveryLinux板支持包(BSP)。

    嵌入式項目中使用Linux有哪些技巧?

    步驟一、Linux工具和項目布局

    每個嵌入式軟件設計都從選擇合適的工具開始。

    工具鏈是一組連接(或鏈接)在一起的軟件開發工具,它包含諸如GNU編譯器集合(GCC)、binutils(一組包括連接器、匯編器和其它用于目標文件和檔案工具的開發工具)和glibc(提供系統調用和基本函數的C函數庫)等組件;在某些情況下,還可能包括編譯器和調試器等其它工具。

    用于嵌入式開發的工具鏈是一個交叉工具鏈,更常見的叫法是交叉編譯器。

    GNUBinutils是嵌入式Linux工具鏈的第一個組件。GNUBinutils包含兩款重要工具:

    ●“as”,匯編器,將匯編代碼(GCC所生成)轉換成二進制代碼

    ●“ld”,連接器,將離散目標代碼段連接到庫或形成可執行文件

    編譯器是工具鏈的第二個重要組成部分。在嵌入式Linux,它被稱為GCC,支持許多種微控制器和處理器架構。

    接下來是C函數庫。它實現Linux的傳統POSIX應用編程接口(API),該API可被用來開發用戶空間應用。它通過系統調用與內核對接,并提供高階服務。

    工程師有幾種C函數庫選擇:

    ●glibc是開源GNU項目提供的可用C函數庫。該庫是全功能、可移植的,它符合Linux標準。

    ●嵌入式GLIBC(EGLIBC)是一款針對嵌入式系統優化的衍生版。其代碼是精簡的,支持交叉編譯和交叉測試,其源代碼和二進制代碼與GLIBC的兼容。

    ●uClibc是另一款C函數庫,可在閃存空間有限、和/或內存占用必須最小的情況下使用。

    調試器通常也是工具鏈的一部分,因為在目標機上調試應用程序運行時,需要一個交叉調試器。在嵌入式Linux領域,GDB是常用調試器。

    上述工具是如此地不可或缺,但當它們各自為戰時,會花太長時間來編譯Linux源代碼并將其整合成最終映像(image)。幸運的是,Buildroot(自動生成交叉編譯工具的工具)會自動完成構建一個完整嵌入式系統的過程,并通過產生下述任一或所有任務,簡化了交叉編譯:

    ●交叉編譯工具鏈

    ●根文件系統

    ●內核映像

    ●引導映像

    對嵌入式系統設計師來說,還可以方便地使用一種工具(utility)聚合工具,如BusyBox,這種工具將通常最需要的工具整合在一起。根據 BusyBox的信息頁面介紹,“它將許多常用UNIX工具的微型版本整合成一個小的可執行文件。它提供了對大多數你通常會在GNUfileutils和 shellutils等工具中看到的工具的替代。BusyBox里的工具通常比其全功能GNU對應版本的選擇少;但所包含選項所提供的預期功能和行為則與對應的GNU所提供的幾無差別。對任何小或嵌入式系統來說,BusyBox提供的環境都是相當完整的。”

    最后一個重要工具是一款BSP,是為搭載了項目目標MCU或處理器的主板專門做的。

    BSP包括預先配置的工具,以及將操作系統加載到主板的引導加載程序。它還為內核和器件驅動器提供源代碼(見圖1)。

    內核和器件驅動器提供源代碼

    步驟二、引導序列、時鐘系統、存儲器和串行接口

    典型的嵌入式Linux啟動順序執行如下:

    1)引導加載程序固件(示例項目里的U-Boot)運行于目標MCU內置閃存(無需外部存儲器),并在上電/復位后,執行所有必需的初始化工作,包括設置串口和用于外部存儲器(RAM)訪問的存儲器控制器。

    2)U-Boot可將Linux映像從外部Flash轉移到外部RAM,并將控制交接到RAM中的內核入口點。可壓縮Linux映像以節省閃存空間,代價是在啟動時要付出解壓縮時間。

    3)Linux進行引導并安裝基于RAM的文件系統(initramfs)作為根文件系統。在項目構建時,Initramfs被填充以所需的文件和目錄,然后被簡單地鏈接到內核。

    4)在Linux內核下,執行/sbin/init。/sbin/init程序按照/etc/inittab中配置文件的描述對系統進行初始化。

    5)一旦初始化進程完成運行級執行和/sbin/init里的命令,它會啟動一個登錄進程。

    6)殼初始化文件/etc/profile的執行,標志著啟動過程的完成。

    通過使能就地執行(ExecuteInPlace——XIP)可以顯著縮短啟動時間、提升整體性能,XIP是從閃存執行代碼的方法。通常,Linux代碼是從閃存加載到外部存儲器,然后從外部存儲器執行。通過從閃存執行,因不再需復制這步,從而只需較少的存儲器,且只讀存儲器不再占程序空間。

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