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移动端

嵌入式项目中使用Linux的技巧

微控制器制造商的开发板,以及他们与开发板一起提供的软件项目例程,在工程师着手一个新设计时可以提供很大帮助。但在设计项目完成其早期阶段后,进一步设计时,制造商提供的软件也可能会导致一些问题。

作者:佚名来源:EDN电子技术设计|2018-05-02 09:18

人工智能+区块链的发展趋势及应用调研报告


微控制器制造商的开发板,以及他们与开发板一起提供的软件项目例程,在工程师着手一个新设计时可以提供很大帮助。但在设计项目完成其早期阶段后,进一步设计时,制造商提供的软件也可能会导致一些问题。

使用实时操作系统作为应用程序代码平台的设计还面临着许多挑战,比如如何将功能分配给不同的并行任务、如何设计高可靠的进程间通信、以及如何在硬件上测试整个软件包等问题。

越来越多的OEM厂商发现,避免上述两个问题的最好方式,是使用基于开源、经过验证、可扩展、可运行在不同硬件平台的操作系统Linux开始新的设计。就已经被移植到各种计算机硬件平台的操作系统的数量来说,Linux首屈一指。Linux的衍生版本已运行在非常广泛的嵌入式系统中,包括:网络路由器、移动电话、建筑自动化控制、电视机和视频游戏控制台。

虽然Linux被成功使用,但并不意味着它很容易使用。Linux包含的代码超过一百万行,其运作带有鲜明的Linux方法论味道,初学者可能难以迅速掌握。

因此,本文的主旨是为使用Linux的嵌入式操作系统版本——μClinux,开始一个新的设计项目,该指南共分为五个步骤。为了说明该指南,本文介绍了在意法半导体的STM32F429微控制器(ARM Cortex-M4内核,最高180MHz)上的一个μClinux项目实现,使用了Emcraft的STM32F429 Discovery Linux板支持包(BSP)。

步骤1:Linux工具和项目布局

每个嵌入式软件设计都从选择合适的工具开始。

工具链是一组连接(或链接)在一起的软件开发工具,它包含诸如GNU编译器集合(GCC)、binutils(一组包括连接器、汇编器和其它用于目标文件和档案工具的开发工具)和glibc(提供系统调用和基本函数的C函数库)等组件;在某些情况下,还可能包括编译器和调试器等其它工具。

用于嵌入式开发的工具链是一个交叉工具链,更常见的叫法是交叉编译器。

GNU Binutils是嵌入式Linux工具链的第一个组件。GNU Binutils包含两款重要工具:

  • “as”,汇编器,将汇编代码(GCC所生成)转换成二进制代码
  • “ld”,连接器,将离散目标代码段连接到库或形成可执行文件

编译器是工具链的第二个重要组成部分。在嵌入式Linux,它被称为GCC,支持许多种微控制器和处理器架构。

接下来是C函数库。它实现Linux的传统POSIX应用编程接口(API),该API可被用来开发用户空间应用。它通过系统调用与内核对接,并提供高阶服务。

工程师有几种C函数库选择:

  • glibc是开源GNU项目提供的可用C函数库。该库是全功能、可移植的,它符合Linux标准。
  • 嵌入式GLIBC(EGLIBC)是一款针对嵌入式系统优化的衍生版。其代码是精简的,支持交叉编译和交叉测试,其源代码和二进制代码与GLIBC的兼容。
  • uClibc是另一款C函数库,可在闪存空间有限、和/或内存占用必须最小的情况下使用。

调试器通常也是工具链的一部分,因为在目标机上调试应用程序运行时,需要一个交叉调试器。在嵌入式Linux领域,GDB是常用调试器。

上述工具是如此地不可或缺,但当它们各自为战时,会花太长时间来编译Linux源代码并将其整合成最终映像(image)。幸运的是,Buildroot(自动生成交叉编译工具的工具)会自动完成构建一个完整嵌入式系统的过程,并通过产生下述任一或所有任务,简化了交叉编译:

  • 交叉编译工具链
  • 根文件系统
  • 内核映像
  • 引导映像

对嵌入式系统设计师来说,还可以方便地使用一种工具(utility)聚合工具,如BusyBox,这种工具将通常最需要的工具整合在一起。根据BusyBox的信息页面介绍,“它将许多常用UNIX工具的微型版本整合成一个小的可执行文件。它提供了对大多数你通常会在GNU fileutils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对应版本的选择少;但所包含选项所提供的预期功能和行为则与对应的GNU所提供的几无差别。对任何小或嵌入式系统来说,BusyBox提供的环境都是相当完整的。”

最后一个重要工具是一款BSP,是为搭载了项目目标MCU或处理器的主板专门做的。

BSP包括预先配置的工具,以及将操作系统加载到主板的引导加载程序。它还为内核和器件驱动器提供源代码(见图1)。

图1:用于STM32F429 Discovery板的Emcraft BSP的主要部件。

步骤2:引导序列、时钟系统、存储器和串行接口

典型的嵌入式Linux启动顺序执行如下:

1)引导加载程序固件(示例项目里的U-Boot)运行于目标MCU内置闪存(无需外部存储器),并在上电/复位后,执行所有必需的初始化工作,包括设置串口和用于外部存储器(RAM)访问的存储器控制器。

2)U-Boot可将Linux映像从外部Flash转移到外部RAM,并将控制交接到RAM中的内核入口点。可压缩Linux映像以节省闪存空间,代价是在启动时要付出解压缩时间。

3)Linux进行引导并安装基于RAM的文件系统(initramfs)作为根文件系统。在项目构建时,Initramfs被填充以所需的文件和目录,然后被简单地链接到内核。

4)在Linux内核下,执行/sbin/init。/sbin/init程序按照/etc/inittab中配置文件的描述对系统进行初始化。

5)一旦初始化进程完成运行级执行和/sbin/init里的命令,它会启动一个登录进程。

6)壳初始化文件/etc/profile的执行,标志着启动过程的完成。

通过使能就地执行(Execute In Place——XIP)可以显著缩短启动时间、提升整体性能,XIP是从闪存执行代码的方法。通常,Linux代码是从闪存加载到外部存储器,然后从外部存储器执行。通过从闪存执行,因不再需复制这步,从而只需较少的存储器,且只读存储器不再占程序空间。

本文的示例项目基于STM32F429 MCU。事实上,用户可能会发现,开始时,STM32F4系列MCU的外设初始化不容易掌握。幸运的是,意法半导体开发了一些工具来帮助解决这一问题。STM32CubeMX初始化代码生成器(部件编号UM1718)属于最新的。该工具包括外设初始化的每一个细节,在配置外设时,会显示警告和错误、并警告硬件冲突。

对小型嵌入式Linux项目来说,STM32F429 MCU内部闪存足够用。重要的是要记住:嵌入式Linux项目中使用多个二进制映像(引导加载程序、Linux内核和根文件系统):这些都需要闪存扇区边界对齐。这就避免了在装载一个图像时,另一图像被部分删除或损坏的风险。

步骤3:在主机上安装Linux

要构建一个嵌入式Linux项目,一台Linux主机是必需的。对于Windows PC,最好是安装Oracle VirtualBox,以创建“一台”512Mbyte RAM和16Gbyte硬盘的新虚拟机。

有许多Linux版本可用;据笔者的经验,Debian就是与VirtualBox环境相匹配的一款。这款Linux主机必须能够访问互联网,以便下载针对这款ARM Cortex-M目标MCU的GNU交叉编译工具。设计师将创建一个类似于图1所示的树形结构,并将交叉构建工具提存到/tools文件夹。

在这点上,有必要建立一个ACTIVATE.sh脚本。只需使用下列代码就可实现。(<......>是提取到的GNU工具文件夹路径):

  1. export INSTALL_ROOT=<.......>  
  2. export PATH=$INSTALL_ROOT/bin:$PATH  
  3. export CROSS_COMPILE=arm-uclinuxeabiexport 
  4. CROSS_COMPILE_APPS=arm-uclinuxeabiexport 
  5. MCU=STMDISCO 
  6. export ARCH=arm 

在干净的Linux系统中安装GNU工具,但其使用并非自给自足,实际上还需要其它系统的配合。其运行实际上依赖于若干其它系统组件(如主机C/C++编译器、标准C函数库头文件,以及一些系统工具)。获得这些必要组件的一种方法是安装用于C的Eclipse集成开发环境(IDE)。除解决这个迫在眉睫的问题外,Eclipse IDE还可在开发过程中的许多其它方面提供帮助,当然,详述Eclipse IDE的特性不是本文目的。

现在,是时候启用Linux终端工具了:点击“应用程序(Applications)”,然后“附件(Accessories)”和“终端(Terminal)”(见图2)。

图2:Linux包含的“终端(Terminal)”工具和“文件(Files)”、一种类似Windows资源管理器的图形化工具。

终端是用于配置Linux主机和构建嵌入式Linux应用程序的主要工具。键入以下命令来安装Eclipse和其它所需工具:

  1. su [输入根用户密码] 
  2. apt-get install eclipse-cdt 
  3. apt-get install genromfs 
  4. apt-get install libncurses5-dev 
  5. apt-get install git 
  6. apt-get install mc 

准备该Linux项目的最后一步是下载STM32F429 Discovery Buildroot,并解压到/uclinux文件夹。

步骤4:用Buildroot构建μClinux

现在有必要关闭先前使用根用户配置文件的终端,并启动一个新终端。在命令行中输入“mc”,并使用导航器导航到“Documents”,然后输入“uClinux”命令。按Ctrl+O并激活Linux ARM Cortex-M开发部分,并运行“.ACTIVATE.sh”命令。再次按下Ctrl+O并进入“stm32f429-linux-builder-master”文件夹。

用户现在有两个选择。如果使用VirtualBox中的示例项目,请遵循“make clean”和“make all”命令序列。如果准备一个全新环境,使用“make”命令。约30分钟后,新的μClinux映像将可用,如下所示:

  1. out\uboot\u-boot.bin 
  2. out\kernel\arch\arm\boot\ xipuImage.bin 
  3. out\romfs.bin 

将这些新映像写入闪存。如果使用Windows和ST-LINK工具,下面的代码将工作:

  1. ST-LINK_CLI.exe -ME 
  2. ST-LINK_CLI.exe -P “u-boot.bin” 0x08000000 
  3. ST-LINK_CLI.exe -P “xipuImage.bin” 0x08020000 
  4. ST-LINK_CLI.exe -P “romfs.bin” 0x08120000 

将串行调试器(serial console)连接到目标电路板(外部RX=>PC10、外部TX=>PC11、115200bits/s、8个数据位、无奇偶校验、1个停止位模式),然后按下复位按钮,该μClinux项目将启动运行。开机输出将显示在串行调试器上,显示屏将出现Linux的企鹅标识。

步骤5:创建“你好,世界”应用

现在,按照代码示例和下面的说明,将一个用户应用添加到μClinux项目中。

创建:“stm32f429-linux-builder-master/user/src/hello.c”文件:

  1. #include  
  2. int main() {  
  3. printf(“Hello, world\n”);  
  4. return 0;  
  5.  
  6. 必要时使用Tab键,创建:“stm32f429-linux-builder-master/user/Makefile”文件:  
  7. CC = $(CROSS_COMPILE)gcc  
  8. LDFLAGS ?=$(CFLAGS)  
  9. target_out ?= out  
  10. all: checkdirs  
  11. [Tab] $(CC) $(LDFLAGS) src/hello/hello.c -o $(target_out)/bin/  
  12. hello $(LDLIBS)  
  13. [Tab] -rm -rf $(target_out)/bin/*.gdb  
  14. checkdirs: 
  15. [Tab] mkdir -p $(target_out)/bin 
  16. clean: 
  17. [Tab] -rm -rf $(target_out) 

通过activate.sh脚本,在不激活交叉编译环境下,在主机测试“Hello, world”这个应用。

在/user文件夹下,输入:

  1. make all  
  2. ./out/bin/hello 

为将hello.c嵌入到Linux Buildroot里的脚本,修改mk/rootf.mak文件,必要时,使用Tab键。(粗体字表示新行开始处):

  1. . . .  
  2. user_hello:  
  3. [Tab] make -C $(user_dir) CROSS_COMPILE=$(CROSS_  
  4. COMPILE) CFLAGS=$(ROOTFS_CFLAGS) target_  
  5. out=$(target_out_user)  
  6. $(rootfs_target): $(rootfs_dir) $(target_out_busybox)/.config  
  7. user_hello  
  8. [Tab] cp -af $(rootfs_dir)/* $(target_out_romfs)  
  9. [Tab] cp -f $(target_out_kernel)/fs/ext2/ext2.ko $(target_out_romfs)/lib/modules  
  10. [Tab] cp -f $(target_out_kernel)/fs/mbcache.ko $(target_out_romfs)/lib/modules  
  11. [Tab] cp -f $(target_out_user)/bin/* $(target_out_romfs)/usr/bin  
  12. … 

需对mk/defs.mak文件做最后修改。加入以下几行:

  1. . . . 
  2. user_dir := $(root_dir)/user 
  3. target_out_user := $(target_out)/user 
  4. user_dir := $(root_dir)/user 
  5. target_out_user := $(target_out)/user 

一旦在目标MCU上建成、下载并运行映像,就可在/usr/bin目录中找到该应用程序以及其它已有的应用程序。在连接到Discovery板的终端上键入“hello[回车]”,可对该应用进行测试。

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