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(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(huì)導(dǎo)致一些問(wèn)題。
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使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為應(yīng)用程序代碼平臺(tái)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(cè)試整個(gè)軟件包等問(wèn)題。
越來(lái)越多的OEM廠商發(fā)現(xiàn)，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(yàn)證、可擴(kuò)展、可運(yùn)行在不同硬件平臺(tái)的操作系統(tǒng)Linux開(kāi)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(tái)的操作系統(tǒng)的數(shù)量來(lái)說(shuō)，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(dòng)電話(huà)、建筑自動(dòng)化控制、電視機(jī)和視頻游戲控制臺(tái)。
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(guò)一百萬(wàn)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(kāi)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(shuō)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(kāi)始。
工具鏈?zhǔn)且唤M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(biāo)文件和檔案工具的開(kāi)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(kù))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(kāi)發(fā)的工具鏈?zhǔn)且粋€(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(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼
●“l(fā)d”，連接器，將離散目標(biāo)代碼段連接到庫(kù)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(chēng)為GCC，支持許多種微控制器和處理器架構(gòu)。
接下來(lái)是C函數(shù)庫(kù)。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(lái)開(kāi)發(fā)用戶(hù)空間應(yīng)用。它通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用與內(nèi)核對(duì)接，并提供高階服務(wù)。
工程師有幾種C函數(shù)庫(kù)選擇：
●glibc是開(kāi)源GNU項(xiàng)目提供的可用C函數(shù)庫(kù)。該庫(kù)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(duì)嵌入式系統(tǒng)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(cè)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(kù)，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(huì)花太長(zhǎng)時(shí)間來(lái)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(dòng)生成交叉編譯工具的工具)會(huì)自動(dòng)完成構(gòu)建一個(gè)完整嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)
●內(nèi)核映像
●引導(dǎo)映像
對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jù) 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(zhí)行文件。它提供了對(duì)大多數(shù)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(duì)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(duì)應(yīng)的GNU所提供的幾無(wú)差別。對(duì)任何小或嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，BusyBox提供的環(huán)境都是相當(dāng)完整的?！?/p>
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(zhuān)門(mén)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(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(dǎo)序列、時(shí)鐘系統(tǒng)、存儲(chǔ)器和串行接口
典型的嵌入式Linux啟動(dòng)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(wú)需外部存儲(chǔ)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(chǔ)器(RAM)訪問(wèn)的存儲(chǔ)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)。可壓縮Linux映像以節(jié)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(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(jiǎn)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。
5)一旦初始化進(jìn)程完成運(yùn)行級(jí)執(zhí)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(zhí)行，標(biāo)志著啟動(dòng)過(guò)程的完成。
通過(guò)使能就地執(zhí)行(ExecuteInPlace——XIP)可以顯著縮短啟動(dòng)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(chǔ)器，然后從外部存儲(chǔ)器執(zhí)行。通過(guò)從閃存執(zhí)行，因不再需復(fù)制這步，從而只需較少的存儲(chǔ)器，且只讀存儲(chǔ)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(hù)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，開(kāi)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(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(hào)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(huì)顯示警告和錯(cuò)誤、并警告硬件沖突。