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嵌入式linux项目实战 嵌入式linux应用程序开发详解篇一
本文yjbys小编为大家准备的是在嵌入式项目中如何使用linux的技巧，希望能帮助到大家!
众所周知，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)。
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。
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。
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，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。
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“.”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：
out\uboot\
out\kernel\arch\arm\boot\
out\
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：
-me
-p “” 0x08000000
-p “” 0x08020000
-p “” 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。
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:
#include
int main() {
printf(“hello, world\n”);
return 0;
}
必要时使用tab键，创建：“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)
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：
make all
./out/bin/hello
为将hello.c嵌入到linux buildroot里的脚本，修改mk/文件，必要时，使用tab键。(粗体字表示新行开始处)：
. . .
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/ $(target_out_romfs)/lib/modules
[tab] cp -f $(target_out_kernel)/fs/ $(target_out_romfs)/lib/modules
[tab] cp -f $(target_out_user)/bin/* $(target_out_romfs)/usr/bin
…
需对mk/文件做最后修改。加入以下几行：
. . .
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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