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(tǒng)作為應用程序代碼平臺的設計還面臨著許多挑戰(zhàn)，比如如何將功能分配給不同的并行任務、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(fā)現(xiàn)，避免上述兩個問題的最好方式，是使用基于開源、經(jīng)過驗證、可擴展、可運行在不同硬件平臺的操作系統(tǒng)Linux開始新的設計。就已經(jīng)被移植到各種計算機硬件平臺的操作系統(tǒng)的數(shù)量來說，Linux首屈一指。Linux的衍生版本已運行在非常廣泛的嵌入式系統(tǒng)中，包括：網(wǎng)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(tǒng)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(ARMCortex-M4內(nèi)核，最高180MHz)上的一個μClinux項目實現(xiàn)，使用了Emcraft 的STM32F429DiscoveryLinux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(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)的工具鏈是一個交叉工具鏈，更常見的叫法是交叉編譯器。
GNUBinutils是嵌入式Linux工具鏈的第一個組件。GNUBinutils包含兩款重要工具：
●“as”，匯編器，將匯編代碼(GCC所生成)轉(zhuǎn)換成二進制代碼
●“ld”，連接器，將離散目標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。它實現(xiàn)Linux的傳統(tǒng)POSIX應用編程接口(API)，該API可被用來開發(fā)用戶空間應用。它通過系統(tǒng)調(diào)用與內(nèi)核對接，并提供高階服務。
工程師有幾種C函數(shù)庫選擇：
●glibc是開源GNU項目提供的可用C函數(shù)庫。該庫是全功能、可移植的，它符合Linux標準。
●嵌入式GLIBC(EGLIBC)是一款針對嵌入式系統(tǒng)優(yōu)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(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，因為在目標機上調(diào)試應用程序運行時，需要一個交叉調(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，但當它們各自為戰(zhàn)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(gòu)建一個完整嵌入式系統(tǒng)的過程，并通過產(chǎn)生下述任一或所有任務，簡化了交叉編譯：
●交叉編譯工具鏈
●根文件系統(tǒng)
●內(nèi)核映像
●引導映像
對嵌入式系統(tǒng)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(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小的可執(zhí)行文件。它提供了對大多數(shù)你通常會在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(tǒng)來說，BusyBox提供的環(huán)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(tǒng)加載到主板的引導加載程序。它還為內(nèi)核和器件驅(qū)動器提供源代碼(見圖1)。
圖1：用于STM32F429Discovery板的EmcraftBSP的主要部件
步驟2：引導序列、時鐘系統(tǒng)、存儲器和串行接口
典型的嵌入式Linux啟動順序執(zhí)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(nèi)置閃存(無需外部存儲器)，并在上電/復位后，執(zhí)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(zhuǎn)移到外部RAM，并將控制交接到RAM中的內(nèi)核入口點?？蓧嚎sLinux映像以節(jié)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(tǒng)(initramfs)作為根文件系統(tǒng)。在項目構(gòu)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(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系統(tǒng)進行初始化。
5)一旦初始化進程完成運行級執(zhí)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(zhí)行，標志著啟動過程的完成。
通過使能就地執(zhí)行(ExecuteInPlace——XIP)可以顯著縮短啟動時間、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器，然后從外部存儲器執(zhí)行。通過從閃存執(zhí)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STM32F429MCU。事實上，用戶可能會發(fā)現(xiàn)，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(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UM1718)屬于最新的。該工具包括外設初始化的每一個細節(jié)，在配置外設時，會顯示警告和錯誤、并警告硬件沖突。[!--empirenews.page--]
對小型嵌入式Linux項目來說，STM32F429MCU內(nèi)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(nèi)核和根文件系統(tǒng))：這些都需要閃存扇區(qū)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(gòu)建一個嵌入式Linux項目，一臺Linux主機是必需的。對于WindowsPC，最好是安裝OracleVirtualBox，以創(chuàng)建“一臺”512MbyteRAM和16Gbyte硬盤的新虛擬機。
有許多Linux版本可用;據(jù)筆者的經(jīng)驗，Debian就是與VirtualBox環(huán)境相匹配的一款。這款Linux主機必須能夠訪問互聯(lián)網(wǎng)，以便下載針對這款ARMCortex-M目標MCU的GNU交叉編譯工具。設計師將創(chuàng)建一個類似于圖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。
在這點上，有必要建立一個ACTIVATE.sh腳本。只需使用下列代碼就可實現(xiàn)。(<......>是提取到的GNU工具文件夾路徑)：
exportINSTALL_ROOT=<.......>
exportPATH=$INSTALL_ROOT/bin:$PATH
exportCROSS_COMPILE=arm-uclinuxeabiexport
CROSS_COMPILE_APPS=arm-uclinuxeabiexport
MCU=STMDISCO
exportARCH=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，實際上還需要其它系統(tǒng)的配合。其運行實際上依賴于若干其它系統(tǒng)組件(如主機C/C++ 編譯器、標準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)。除解決這個迫在眉睫的問題外，EclipseIDE還可在開發(fā)過程中的許多其它方面提供幫助，當然，詳述EclipseIDE的特性不是本文目的。
現(xiàn)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(gòu)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-getinstalleclipse-cdt
apt-getinstallgenromfs
apt-getinstalllibncurses5-dev
apt-getinstallgit
apt-getinstallmc
準備該Linux項目的最后一步是下載STM32F429DiscoveryBuildroot，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LinuxARMCortex-M開發(fā)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(xiàn)在有兩個選擇。如果使用VirtualBox中的示例項目，請遵循“makeclean”和“makeall”命令序列。如果準備一個全新環(huán)境，使用“make”命令。約30分鐘后，新的μClinux映像將可用，如下所示：
outubootu-boot.bin
outkernelarcharmbootxipuImage.bin
outromfs.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(serialconsole)連接到目標電路板(外部RX=>PC10、外部TX=>PC11、115200bits/s、8個數(shù)據(jù)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(diào)試器上，顯示屏將出現(xiàn)Linux的企鵝標識。
步驟5：創(chuàng)建“你好，世界”應用
現(xiàn)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(chuàng)建：“stm32f429-linux-builder-master/user/src/hello.c”文件:
#include
intmain(){
printf(“Hello,worldn”);
return0;
}
必要時使用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$(target_out)
通過activate.sh腳本，在不激活交叉編譯環(huán)境下，在主機測試“Hello,world”這個應用。
在/user文件夾下，輸入：
makeall
./out/bin/hello
為將hello.c嵌入到LinuxBuildroot里的腳本，修改mk/rootf.mak文件，必要時，使用Tab鍵。(粗體字表示新行開始處)：
...
user_hello:
[Tab]make-C$(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/*$(target_out_romfs)/usr/bin[!--empirenews.page--]
…
需對mk/defs.mak文件做最后修改。加入以下幾行：
...
user_dir:=$(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。
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