嵌入式項目中使用Linux的技巧

微控制器制造商的開(kāi)發(fā)板，以及他們與開(kāi)發(fā)板一起提供的軟件項目例程，在工程師著(zhù)手一個(gè)新設計時(shí)可以提供很大幫助。但在設計項目完成其早期階段后，進(jìn)一步設計時(shí)，制造商提供的軟件也可能會(huì )導致一些問(wèn)題。

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

越來(lái)越多的OEM廠(chǎng)商發(fā)現，避免上述兩個(gè)問(wèn)題的最好方式，是使用基于開(kāi)源、經(jīng)過(guò)驗證、可擴展、可運行在不同硬件平臺的操作系統Linux開(kāi)始新的設計。就已經(jīng)被移植到各種計算機硬件平臺的操作系統的數量來(lái)說(shuō)，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(wǎng)絡(luò )路由器、移動(dòng)電話(huà)、建筑自動(dòng)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(zhù)它很容易使用。Linux包含的代碼超過(guò)一百萬(wàn)行，其運作帶有鮮明的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的嵌入式操作系統版本——μClinux，開(kāi)始一個(gè)新的設計項目，該指南共分為五個(gè)步驟。為了說(shuō)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(gè)μClinux項目實(shí)現，使用了Emcraft 的STM32F429DiscoveryLinux板支持包(BSP)。

步驟1：Linux工具和項目布局

每個(gè)嵌入式軟件設計都從選擇合適的工具開(kāi)始。

工具鏈是一組連接(或鏈接)在一起的軟件開(kāi)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文件和檔案工具的開(kāi)發(fā)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(kāi)發(fā)的工具鏈是一個(gè)交叉工具鏈，更常見(jiàn)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)轉換成二進(jìn)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(gè)重要組成部分。在嵌入式Linux，它被稱(chēng)為GCC，支持許多種微控制器和處理器架構。

接下來(lái)是C函數庫。它實(shí)現Linux的傳統POSIX應用編程接口(API)，該API可被用來(lái)開(kāi)發(fā)用戶(hù)空間應用。它通過(guò)系統調用與內核對接，并提供高階服務(wù)。

工程師有幾種C函數庫選擇：

●glibc是開(kāi)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(yōu)化的衍生版。其代碼是精簡(jiǎn)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(shí)，需要一個(gè)交叉調試器。在嵌入式Linux領(lǐng)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(shí)，會(huì )花太長(cháng)時(shí)間來(lái)編譯Linux源代碼并將其整合成最終映像(image)。幸運的是，Buildroot(自動(dòng)生成交叉編譯工具的工具)會(huì )自動(dòng)完成構建一個(gè)完整嵌入式系統的過(guò)程，并通過(guò)產(chǎn)生下述任一或所有任務(wù)，簡(jiǎn)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(lái)說(shuō)，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(yè)面介紹，“它將許多常用UNIX工具的微型版本整合成一個(gè)小的可執行文件。它提供了對大多數你通常會(huì )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(wú)差別。對任何小或嵌入式系統來(lái)說(shuō)，BusyBox提供的環(huán)境都是相當完整的。”

最后一個(gè)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(zhuān)門(mén)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(dòng)器提供源代碼(見(jiàn)圖1)。

圖1：用于STM32F429Discovery板的EmcraftBSP的主要部件

步驟2：引導序列、時(shí)鐘系統、存儲器和串行接口

典型的嵌入式Linux啟動(dòng)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(wú)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(fǎng)問(wèn)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(diǎn)?？蓧嚎sLinux映像以節省閃存空間，代價(jià)是在啟動(dòng)時(shí)要付出解壓縮時(shí)間。

3)Linux進(jìn)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(shí)，Initramfs被填充以所需的文件和目錄，然后被簡(jiǎn)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(jìn)行初始化。

5)一旦初始化進(jìn)程完成運行級執行和/sbin/init里的命令，它會(huì )啟動(dòng)一個(gè)登錄進(jìn)程。

6)殼初始化文件/etc/profile的執行，標志著(zhù)啟動(dòng)過(guò)程的完成。

通過(guò)使能就地執行(ExecuteInPlace——XIP)可以顯著(zhù)縮短啟動(dòng)時(shí)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(guò)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。

本文的示例項目基于STM32F429MCU。事實(shí)上，用戶(hù)可能會(huì )發(fā)現，開(kāi)始時(shí)，STM32F4系列MCU的外設初始化不容易掌握。幸運的是，意法半導體開(kāi)發(fā)了一些工具來(lái)幫助解決這一問(wèn)題。STM32CubeMX初始化代碼生成器(部件編號UM1718)屬于最新的。該工具包括外設初始化的每一個(gè)細節，在配置外設時(shí)，會(huì )顯示警告和錯誤、并警告硬件沖突。