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作者: Arnoldas Bagdonas 微控制器制造商的開發板，以及他們與開發板一起提供的軟件項目例程，在工程師著手一個新設計時可以提供很大幫助。但在設計項目完成其早期階段后，進一步設計時，制造商提供的軟件也可能會導致一些問題。 使用實時操作系統作為應用程序代碼平臺的設計還面臨著許多挑戰，比如如何將功能分配給不同的并行任務、如何設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廠商發現，避免上述兩個問題的最好方式，是使用基于開源、經過驗證、可擴展、可運行在不同硬件平臺的操作系統Linux開始新的設計。就已經被移植到各種計算機硬件平臺的操作系統的數量來說，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：網絡路由器、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的嵌入式操作系統版本——μClinux，開始一個新的設計項目，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(ARM Cortex-M4內核，最高180MHz)上的一個μClinux項目實現，使用了Emcraft的STM32F429 Discovery Linux板支持包(BSP)。 步驟1：Linux工具和項目布局 每個嵌入式軟件設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。 用于嵌入式開發的工具鏈是一個交叉工具鏈，更常見的叫法是交叉編譯器。 GNU Binutils是嵌入式Linux工具鏈的第一個組件。GNU Binutils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。 接下來是C函數庫。它實現Linux的傳統POSIX應用編程接口(API)，該API可被用來開發用戶空間應用。它通過系統調用與內核對接，并提供高階服務。 工程師有幾種C函數庫選擇： ●glibc是開源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，需要一個交叉調試器。在嵌入式Linux領域，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，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)會自動完成構建一個完整嵌入式系統的過程，并通過產生下述任一或所有任務，簡化了交叉編譯： ●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行文件。它提供了對大多數你通常會在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所提供的幾無差別。對任何小或嵌入式系統來說，BusyBox提供的環境都是相當完整的。” 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器提供源代碼(見圖1)。 
圖1：用于STM32F429 Discovery板的Emcraft BSP的主要部件。 步驟2：引導序列、時鐘系統、存儲器和串行接口 典型的嵌入式Linux啟動順序執行如下： 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)訪問的存儲器控制器。 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。可壓縮Linux映像以節省閃存空間，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(initramfs)作為根文件系統。在項目構建時，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行初始化。 5）一旦初始化進程完成運行級執行和/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的執行，標志著啟動過程的完成。 通過使能就地執行(Execute In Place——XIP)可以顯著縮短啟動時間、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STM32F429 MCU。事實上，用戶可能會發現，開始時，STM32F4系列MCU的外設初始化不容易掌握。幸運的是，意法半導體開發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。該工具包括外設初始化的每一個細節，在配置外設時，會顯示警告和錯誤、并警告硬件沖突。 對小型嵌入式Linux項目來說，STM32F429 MCU內部閃存足夠用。重要的是要記住：嵌入式Linux項目中使用多個二進制映像(引導加載程序、Linux內核和根文件系統)：這些都需要閃存扇區邊界對齊。這就避免了在裝載一個圖像時，另一圖像被部分刪除或損壞的風險。 步驟3：在主機上安裝Linux 要構建一個嵌入式Linux項目，一臺Linux主機是必需的。對于Windows PC，最好是安裝Oracle VirtualBox，以創建“一臺”512Mbyte RAM和16Gbyte硬盤的新虛擬機。 有許多Linux版本可用；據筆者的經驗，Debian就是與VirtualBox環境相匹配的一款。這款Linux主機必須能夠訪問互聯網，以便下載針對這款ARM Cortex-M目標MCU的GNU交叉編譯工具。設計師將創建一個類似于圖1所示的樹形結構，并將交叉構建工具提存到/tools文件夾。 在這點上，有必要建立一個ACTIVATE.sh腳本。只需使用下列代碼就可實現。(<......>是提取到的GNU工具文件夾路徑)： export INSTALL_ROOT=<.......> export PATH=$INSTALL_ROOT/bin:$PATH export CROSS_COMPILE=arm-uclinuxeabiexport CROSS_COMPILE_APPS=arm-uclinuxeabiexport MCU=STMDISCO export ARCH=arm 在干凈的Linux系統中安裝GNU工具，但其使用并非自給自足，實際上還需要其它系統的配合。其運行實際上依賴于若干其它系統組件(如主機C/C++編譯器、標準C函數庫頭文件，以及一些系統工具）。獲得這些必要組件的一種方法是安裝用于C的Eclipse集成開發環境(IDE)。除解決這個迫在眉睫的問題外，Eclipse IDE還可在開發過程中的許多其它方面提供幫助，當然，詳述Eclipse IDE的特性不是本文目的。 現在，是時候啟用Linux終端工具了：點擊“應用程序(Applications)”，然后“附件(Accessories)”和“終端(Terminal)”(見圖2)。
圖2：Linux包含的“終端(Terminal)”工具和“文件(Files)”、一種類似Windows資源管理器的圖形化工具。 終端是用于配置Linux主機和構建嵌入式Linux應用程序的主要工具。鍵入以下命令來安裝Eclipse和其它所需工具： su [輸入根用戶密碼] apt-get install eclipse-cdt apt-get install genromfs apt-get install libncurses5-dev apt-get install git apt-get install mc 準備該Linux項目的最后一步是下載STM32F429 Discovery Buildroot，并解壓到/uclinux文件夾。 步驟4：用Buildroot構建μClinux 現在有必要關閉先前使用根用戶配置文件的終端，并啟動一個新終端。在命令行中輸入“mc”，并使用導航器導航到“Documents”，然后輸入“uClinux”命令。按Ctrl+O并激活Linux ARM Cortex-M開發部分，并運行“.ACTIVATE.sh”命令。再次按下Ctrl+O并進入“stm32f429-linux-builder-master”文件夾。 用戶現在有兩個選擇。如果使用VirtualBox中的示例項目，請遵循“make clean”和“make all”命令序列。如果準備一個全新環境，使用“make”命令。約30分鐘后，新的μClinux映像將可用，如下所示： out\uboot\u-boot.bin out\kernel\arch\arm\boot\ xipuImage.bin out\romfs.bin 將這些新映像寫入閃存。如果使用Windows和ST-LINK工具，下面的代碼將工作： ST-LINK_CLI.exe -ME ST-LINK_CLI.exe -P “u-boot.bin” 0x08000000 ST-LINK_CLI.exe -P “xipuImage.bin” 0x08020000 ST-LINK_CLI.exe -P “romfs.bin” 0x08120000 將串行調試器(serial console)連接到目標電路板(外部RX=>PC10、外部TX=>PC11、115200bits/s、8個數據位、無奇偶校驗、1個停止位模式)，然后按下復位按鈕，該μClinux項目將啟動運行。開機輸出將顯示在串行調試器上，顯示屏將出現Linux的企鵝標識。 步驟5：創建“你好，世界”應用 現在，按照代碼示例和下面的說明，將一個用戶應用添加到μClinux項目中。 創建：“stm32f429-linux-builder-master/user/src/hello.c”文件: #include int main() { printf(“Hello, world\n”); return 0; } 必要時使用Tab鍵，創建：“stm32f429-linux-builder-master/user/Makefile”文件： CC = $(CROSS_COMPILE)gcc LDFLAGS ?=$(CFLAGS) target_out ?= out all: checkdirs [Tab] $(CC) $(LDFLAGS) src/hello/hello.c -o $(target_out)/bin/ hello $(LDLIBS) [Tab] -rm -rf $(target_out)/bin/*.gdb checkdirs: [Tab] mkdir -p $(target_out)/bin clean: [Tab] -rm -rf $(target_out) 通過activate.sh腳本，在不激活交叉編譯環境下，在主機測試“Hello, world”這個應用。 在/user文件夾下，輸入： make all ./out/bin/hello 為將hello.c嵌入到Linux Buildroot里的腳本，修改mk/rootf.mak文件，必要時，使用Tab鍵。（粗體字表示新行開始處）： . . . user_hello: [Tab] make -C $(user_dir) CROSS_COMPILE=$(CROSS_ COMPILE) CFLAGS=$(ROOTFS_CFLAGS) target_ out=$(target_out_user) $(rootfs_target): $(rootfs_dir) $(target_out_busybox)/.config user_hello [Tab] cp -af $(rootfs_dir)/* $(target_out_romfs) [Tab] cp -f $(target_out_kernel)/fs/ext2/ext2.ko $(target_out_romfs)/lib/modules [Tab] cp -f $(target_out_kernel)/fs/mbcache.ko $(target_out_romfs)/lib/modules [Tab] cp -f $(target_out_user)/bin/* $(target_out_romfs)/usr/bin … 需對mk/defs.mak文件做最后修改。加入以下幾行： . . . user_dir := $(root_dir)/user target_out_user := $(target_out)/user user_dir := $(root_dir)/user target_out_user := $(target_out)/user 一旦在目標MCU上建成、下載并運行映像，就可在/usr/bin目錄中找到該應用程序以及其它已有的應用程序。在連接到Discovery板的終端上鍵入“hello[回車]”，可對該應用進行測試。 |
