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嵌入式項目中使用Linux的技巧

作者: 時間:2016-09-12 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

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

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201609/303271.htm

使用實時操作系統(tǒng)作為應(yīng)用程序代碼平臺的設(shè)計還面臨著許多挑戰(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(fā)現(xiàn),避免上述兩個問題的最好方式,是使用基于開源、經(jīng)過驗證、可擴展、可運行在不同硬件平臺的操作系統(tǒng)開始新的設(shè)計。就已經(jīng)被移植到各種計算機硬件平臺的操作系統(tǒng)的數(shù)量來說,首屈一指。的衍生版本已運行在非常廣泛的系統(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的操作系統(tǒng)版本——μClinux,開始一個新的設(shè)計,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(nèi)核,最高180MHz)上的一個μClinux項目實現(xiàn),使用了Emcraft 的STM32F429DiscoveryLinux板支持包(BSP)。

步驟1:Linux工具和項目布局

每個軟件設(shè)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(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(zhuǎn)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(zhí)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(gòu)。

接下來是C函數(shù)庫。它實現(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標準。

●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,因為在目標機上調(diào)試應(yīng)用程序運行時,需要一個交叉調(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,但當它們各自為戰(zhàn)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(gòu)建一個完整嵌入式系統(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

●引導映像

對嵌入式系統(tǒng)設(shè)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(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(yù)先配置的工具,以及將操作系統(tǒng)加載到主板的引導加載程序。它還為內(nèi)核和器件驅(qū)動器提供源代碼(見圖1)。

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圖1:用于STM32F429Discovery板的EmcraftBSP的主要部件

步驟2:引導序列、時鐘系統(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)引導加載程序固件(示例項目里的U-Boot)運行于目標MCU內(nèi)置閃存(無需外部存儲器),并在上電/復位后,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??蓧嚎sLinux映像以節(jié)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(tǒng)(initramfs)作為根文件系統(tǒng)。在項目構(gòu)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(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)進行初始化。

5)一旦初始化進程完成運行級執(zhí)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(zhí)行,標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。事實上,用戶可能會發(fā)現(xiàn),開始時,STM32F4系列MCU的外設(shè)初始化不容易掌握。幸運的是,意法半導體開發(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)初始化的每一個細節(jié),在配置外設(shè)時,會顯示警告和錯誤、并警告硬件沖突。


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