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)致一些問題。

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)軟件包等問題。

越來越多的OEM廠商發(fā)現(xiàn)，避免上述兩個(gè)問題的最好方式，是使用基于開源、經(jīng)過驗(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)量來說，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、建筑自動(dòng)化控制、電視機(jī)和視頻游戲控制臺(tái)。

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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(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。為了說明該指南，本文介紹了在意法半導(dǎo)體的STM32F429微控制器(ARM Cortex-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STM32F429 Discovery Linux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始。

工具鏈?zhǔn)且唤M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(biāo)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?zhǔn)且粋€(gè)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(gè)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(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼
• “ld”，連接器，將離散目標(biāo)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(gè)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(shí)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(duì)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(xiàng)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(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，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)的過程，并通過產(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(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(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所提供的幾無差別。對(duì)任何小或嵌入式系統(tǒng)來說，BusyBox提供的環(huán)境都是相當(dāng)完整的。”

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(dǎo)加載程序。它還為內(nèi)核和器件驅(qū)動(dòng)器提供源代碼(見圖1)。

圖1：用于STM32F429 Discovery板的Emcraft BSP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)過程的完成。

通過使能就地執(zhí)行(Execute In Place——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STM32F429 MCU。事實(shí)上，用戶可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，開始時(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(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。

對(duì)小型嵌入式Linux項(xiàng)目來說，STM32F429 MCU內(nèi)部閃存足夠用。重要的是要記住：嵌入式Linux項(xiàng)目中使用多個(gè)二進(jìn)制映像(引導(dǎo)加載程序、Linux內(nèi)核和根文件系統(tǒng))：這些都需要閃存扇區(qū)邊界對(duì)齊。這就避免了在裝載一個(gè)圖像時(shí)，另一圖像被部分刪除或損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

步驟3：在主機(jī)上安裝Linux

要構(gòu)建一個(gè)嵌入式Linux項(xiàng)目，一臺(tái)Linux主機(jī)是必需的。對(duì)于Windows PC，最好是安裝Oracle VirtualBox，以創(chuàng)建“一臺(tái)”512Mbyte RAM和16Gbyte硬盤的新虛擬機(jī)。

有許多Linux版本可用；據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，Debian就是與VirtualBox環(huán)境相匹配的一款。這款Linux主機(jī)必須能夠訪問互聯(lián)網(wǎng)，以便下載針對(duì)這款A(yù)RM Cortex-M目標(biāo)MCU的GNU交叉編譯工具。設(shè)計(jì)師將創(chuàng)建一個(gè)類似于圖1所示的樹形結(jié)構(gòu)，并將交叉構(gòu)建工具提存到/tools文件夾。

在這點(diǎn)上，有必要建立一個(gè)ACTIVATE.sh腳本。只需使用下列代碼就可實(shí)現(xiàn)。(<......>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(tǒng)中安裝GNU工具，但其使用并非自給自足，實(shí)際上還需要其它系統(tǒng)的配合。其運(yùn)行實(shí)際上依賴于若干其它系統(tǒng)組件(如主機(jī)C/C++編譯器、標(biāo)準(zhǔn)C函數(shù)庫頭文件，以及一些系統(tǒng)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(fā)環(huán)境(IDE)。除解決這個(gè)迫在眉睫的問題外，Eclipse IDE還可在開發(fā)過程中的許多其它方面提供幫助，當(dāng)然，詳述Eclipse IDE的特性不是本文目的。

現(xiàn)在，是時(shí)候啟用Linux終端工具了：點(diǎn)擊“應(yīng)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(jī)和構(gòu)建嵌入式Linux應(yīng)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(zhǔn)備該Linux項(xiàng)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(gòu)建μClinux

現(xiàn)在有必要關(guān)閉先前使用根用戶配置文件的終端，并啟動(dòng)一個(gè)新終端。在命令行中輸入“mc”，并使用導(dǎo)航器導(dǎo)航到“Documents”，然后輸入“uClinux”命令。按Ctrl+O并激活Linux ARM Cortex-M開發(fā)部分，并運(yùn)行“.ACTIVATE.sh”命令。再次按下Ctrl+O并進(jìn)入“stm32f429-linux-builder-master”文件夾。

用戶現(xiàn)在有兩個(gè)選擇。如果使用VirtualBox中的示例項(xiàng)目，請(qǐng)遵循“make clean”和“make all”命令序列。如果準(zhǔn)備一個(gè)全新環(huán)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(diào)試器(serial console)連接到目標(biāo)電路板(外部RX=>PC10、外部TX=>PC11、115200bits/s、8個(gè)數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗(yàn)、1個(gè)停止位模式)，然后按下復(fù)位按鈕，該μClinux項(xiàng)目將啟動(dòng)運(yùn)行。開機(jī)輸出將顯示在串行調(diào)試器上，顯示屏將出現(xiàn)Linux的企鵝標(biāo)識(shí)。

步驟5：創(chuàng)建“你好，世界”應(yīng)用

現(xiàn)在，按照代碼示例和下面的說明，將一個(gè)用戶應(yīng)用添加到μClinux項(xiàng)目中。

創(chuàng)建：“stm32f429-linux-builder-master/user/src/hello.c”文件:

#include  
int main() {  
printf(“Hello, world\n”);  
return 0;  
}  
必要時(shí)使用Tab鍵，創(chuàng)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(huán)境下，在主機(jī)測(cè)試“Hello, world”這個(gè)應(yīng)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(shí)，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(duì)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(biāo)MCU上建成、下載并運(yùn)行映像，就可在/usr/bin目錄中找到該應(yīng)用程序以及其它已有的應(yīng)用程序。在連接到Discovery板的終端上鍵入“hello[回車]”，可對(duì)該應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試。