嵌入式項(xiàng)目中使用Linux的技巧

微控制器制造商的開發(fā)板，以及他們與開發(fā)板一起提供的軟件項(xiàng)目例程，在工程師著手一個(gè)新設(shè)計(jì)時(shí)可以提供很大幫助。但在設(shè)計(jì)項(xiàng)目完成其早期階段后，進(jìn)一步設(shè)計(jì)時(shí)，制造商提供的軟件也可能會導(dǎo)致一些問題。

使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為應(yīng)用程序代碼平臺的設(shè)計(jì)還面臨著許多挑戰(zhàn)，比如如何將功能分配給不同的并行任務(wù)、如何設(shè)計(jì)高可靠的進(jìn)程間通信、以及如何在硬件上測試整個(gè)軟件包等問題。

越來越多的OEM廠商發(fā)現(xiàn)，避免上述兩個(gè)問題的最好方式，是使用基于開源、經(jīng)過驗(yàn)證、可擴(kuò)展、可運(yùn)行在不同硬件平臺的操作系統(tǒng)Linux開始新的設(shè)計(jì)。就已經(jīng)被移植到各種計(jì)算機(jī)硬件平臺的操作系統(tǒng)的數(shù)量來說，Linux首屈一指。Linux的衍生版本已運(yùn)行在非常廣泛的嵌入式系統(tǒng)中，包括：網(wǎng)絡(luò)路由器、移動電話、建筑自動化控制、電視機(jī)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(yùn)作帶有鮮明的Linux方法論味道，初學(xué)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(tǒng)版本——μClinux，開始一個(gè)新的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，該指南共分為五個(gè)步驟。為了說明該指南，本文介紹了在意法半導(dǎo)體的STM32F429微控制器(ARMCortex-M4內(nèi)核，最高180MHz)上的一個(gè)μClinux項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)，使用了Emcraft 的STM32F429DiscoveryLinux板支持包(BSP)。

步驟1：Linux工具和項(xiàng)目布局

每個(gè)嵌入式軟件設(shè)計(jì)都從選擇合適的工具開始。

工具鏈?zhǔn)且唤M連接(或鏈接)在一起的軟件開發(fā)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(biāo)文件和檔案工具的開發(fā)工具)和glibc(提供系統(tǒng)調(diào)用和基本函數(shù)的C函數(shù)庫)等組件;在某些情況下，還可能包括編譯器和調(diào)試器等其它工具。

用于嵌入式開發(fā)的工具鏈?zhǔn)且粋€(gè)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(gè)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(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼

●“ld”，連接器，將離散目標(biāo)代碼段連接到庫或形成可執(zhí)行文件

編譯器是工具鏈的第二個(gè)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(gòu)。

接下來是C函數(shù)庫。它實(shí)現(xiàn)Linux的傳統(tǒng)POSIX應(yīng)用編程接口(API)，該API可被用來開發(fā)用戶空間應(yīng)用。它通過系統(tǒng)調(diào)用與內(nèi)核對接，并提供高階服務(wù)。

工程師有幾種C函數(shù)庫選擇：

●glibc是開源GNU項(xiàng)目提供的可用C函數(shù)庫。該庫是全功能、可移植的，它符合Linux標(biāo)準(zhǔn)。

●嵌入式GLIBC(EGLIBC)是一款針對嵌入式系統(tǒng)優(yōu)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(jìn)制代碼與GLIBC的兼容。

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

調(diào)試器通常也是工具鏈的一部分，因?yàn)樵谀繕?biāo)機(jī)上調(diào)試應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)，需要一個(gè)交叉調(diào)試器。在嵌入式Linux領(lǐng)域，GDB是常用調(diào)試器。

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

●交叉編譯工具鏈

●根文件系統(tǒng)

●內(nèi)核映像

●引導(dǎo)映像

對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jù) 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(gè)小的可執(zhí)行文件。它提供了對大多數(shù)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(yīng)版本的選擇少;但所包含選項(xiàng)所提供的預(yù)期功能和行為則與對應(yīng)的GNU所提供的幾無差別。對任何小或嵌入式系統(tǒng)來說，BusyBox提供的環(huán)境都是相當(dāng)完整的。”

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

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

圖1：用于STM32F429Discovery板的EmcraftBSP的主要部件

步驟2：引導(dǎo)序列、時(shí)鐘系統(tǒng)、存儲器和串行接口

典型的嵌入式Linux啟動順序執(zhí)行如下：

1)引導(dǎo)加載程序固件(示例項(xiàng)目里的U-Boot)運(yùn)行于目標(biāo)MCU內(nèi)置閃存(無需外部存儲器)，并在上電/復(fù)位后，執(zhí)行所有必需的初始化工作，包括設(shè)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(zhuǎn)移到外部RAM，并將控制交接到RAM中的內(nèi)核入口點(diǎn)?？蓧嚎sLinux映像以節(jié)省閃存空間，代價(jià)是在啟動時(shí)要付出解壓縮時(shí)間。

3)Linux進(jìn)行引導(dǎo)并安裝基于RAM的文件系統(tǒng)(initramfs)作為根文件系統(tǒng)。在項(xiàng)目構(gòu)建時(shí)，Initramfs被填充以所需的文件和目錄，然后被簡單地鏈接到內(nèi)核。

4)在Linux內(nèi)核下，執(zhí)行/sbin/init。/sbin/init程序按照/etc/inittab中配置文件的描述對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。

5)一旦初始化進(jìn)程完成運(yùn)行級執(zhí)行和/sbin/init里的命令，它會啟動一個(gè)登錄進(jìn)程。

6)殼初始化文件/etc/profile的執(zhí)行，標(biāo)志著啟動過程的完成。

通過使能就地執(zhí)行(ExecuteInPlace——XIP)可以顯著縮短啟動時(shí)間、提升整體性能，XIP是從閃存執(zhí)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(zhí)行。通過從閃存執(zhí)行，因不再需復(fù)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。

本文的示例項(xiàng)目基于STM32F429MCU。事實(shí)上，用戶可能會發(fā)現(xiàn)，開始時(shí)，STM32F4系列MCU的外設(shè)初始化不容易掌握。幸運(yùn)的是，意法半導(dǎo)體開發(fā)了一些工具來幫助解決這一問題。STM32CubeMX初始化代碼生成器(部件編號UM1718)屬于最新的。該工具包括外設(shè)初始化的每一個(gè)細(xì)節(jié)，在配置外設(shè)時(shí)，會顯示警告和錯(cuò)誤、并警告硬件沖突。