嵌入式项目运用Linux技巧的步骤流程

　　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）：

　　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：

　　su ［输入根用户密码］ apt-get install eclipse-cdt apt-get install genromfs apt-get install libncurses5-dev apt-get install git 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：

　　outubootu-boot.bin outkernelarcharmoot xipuImage.bin out omfs.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：

　　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

　　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。　

　　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。　

　　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。