El desarrollo de sistemas Linux integrados ARM es un campo complejo y multifacético que combina la esencia de los sistemas integrados, los sistemas operativos Linux y la arquitectura ARM. Las características de bajo consumo de energía de la arquitectura ARM, las ventajas de código abierto de Linux y la amplia aplicación de sistemas integrados hacen de los sistemas Linux integrados ARM una opción ideal para muchos proyectos. El editor de Downcodes le proporcionará una guía completa que cubrirá todos los aspectos de la selección de hardware, la instalación del sistema operativo, el desarrollo de controladores, el diseño de aplicaciones, etc., para ayudarle a obtener una comprensión profunda del proceso y los detalles de Linux integrado en ARM. desarrollo del sistema.
Desarrollo detallado del sistema ARM Embedded Linux: una guía completa
El desarrollo de sistemas Linux integrados ARM es una tecnología compleja que involucra múltiples campos, incluidos los sistemas integrados, los sistemas operativos Linux y la arquitectura ARM. Las características de bajo consumo de energía de la arquitectura ARM, las características de código abierto de Linux y la amplia aplicación de los sistemas integrados son las principales razones para elegir los sistemas Linux integrados ARM. Este artículo presentará en detalle todos los aspectos del desarrollo del sistema Linux integrado ARM, desde la selección de hardware, la instalación del sistema operativo, el desarrollo de controladores hasta el diseño de aplicaciones, y brindará a los desarrolladores una guía completa.
ARM (Advanced RISC Machine) es una arquitectura de microprocesador basada en principios de computación de conjunto de instrucciones reducido (RISC). Los procesadores ARM se utilizan ampliamente en varios sistemas integrados, como teléfonos inteligentes, tabletas, dispositivos de Internet de las cosas, etc., debido a su bajo consumo de energía, alto rendimiento y alto costo. Las características principales de la arquitectura ARM incluyen:
Arquitectura RISC: ARM utiliza computación con conjunto de instrucciones reducido, que tiene un conjunto de instrucciones simple y una velocidad de ejecución de instrucciones rápida. Diseño de bajo consumo de energía: el diseño del procesador ARM enfatiza el bajo consumo de energía y es adecuado para dispositivos portátiles que funcionan con baterías. Altamente modular: los procesadores ARM tienen un diseño altamente modular y pueden adaptarse y ampliarse según las necesidades. Compatibilidad con múltiples núcleos: los procesadores ARM modernos admiten diseños de múltiples núcleos, lo que permite una informática de alto rendimiento.El sistema operativo Linux se ha convertido en el sistema operativo preferido para el desarrollo de sistemas integrados debido a sus ventajas como código abierto, estabilidad, seguridad y escalabilidad. Los sistemas Linux integrados tienen las siguientes ventajas:
Código abierto: el sistema operativo Linux es de código abierto y los desarrolladores pueden obtener libremente el código fuente para adaptarlo y personalizarlo. Estabilidad: Después de años de desarrollo, el kernel de Linux se ha vuelto muy estable y adecuado para sistemas integrados que se ejecutan a largo plazo. Amplia compatibilidad con controladores: el kernel de Linux admite una amplia gama de dispositivos de hardware y los desarrolladores pueden migrar y utilizar fácilmente varios controladores. Fuerte apoyo comunitario: Linux tiene una enorme comunidad de desarrolladores y puede obtener ayuda a tiempo si tiene problemas.Elegir la plataforma de hardware adecuada es el primer paso en el desarrollo de un sistema Linux integrado ARM. Las placas de desarrollo integradas ARM comunes incluyen:
Raspberry Pi: soporte comunitario sólido y rentable, adecuado para principiantes. BeagleBone Black: Potente para aplicaciones de automatización y control industrial. NVIDIA Jetson: adecuado para aplicaciones informáticas y de inteligencia artificial de alto rendimiento. Microcontroladores de la serie STM32: adecuados para aplicaciones de control en tiempo real de baja potencia.Al elegir una plataforma de hardware, es necesario considerar los siguientes factores:
Rendimiento del procesador: elija el rendimiento del procesador adecuado según los requisitos de la aplicación. Memoria y almacenamiento: asegúrese de que la memoria y el almacenamiento sean adecuados para satisfacer las necesidades del sistema operativo y las aplicaciones. Soporte de periféricos: elija una placa de desarrollo que admita los periféricos adecuados según los requisitos de la aplicación, como GPIO, UART, I2C, SPI, etc. Apoyo de la comunidad: elija una junta de desarrollo con buen apoyo de la comunidad para obtener ayuda y recursos.La creación de un entorno de desarrollo de sistema Linux integrado ARM incluye los siguientes pasos:
Instale la cadena de herramientas de compilación cruzada: la cadena de herramientas de compilación cruzada se utiliza para compilar el código en la computadora host para la placa de destino. Las cadenas de herramientas de compilación cruzada más utilizadas incluyen la cadena de herramientas GNU, la cadena de herramientas Linaro, etc.
sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabi
Configure la placa de desarrollo: de acuerdo con la documentación de la placa de desarrollo, realice la configuración del hardware y la grabación del firmware. Los métodos de configuración comunes incluyen a través de puerto serie, USB, Ethernet, etc.
Instale el sistema operativo: descargue y grabe la imagen del sistema operativo Linux integrado en la placa de desarrollo. Puede optar por utilizar la imagen precompilada proporcionada por el fabricante o compilar una imagen personalizada a partir del código fuente.
Configure el entorno de red: asegúrese de que la placa de desarrollo y el host estén en el mismo entorno de red para la depuración remota y la transferencia de archivos.
Primero, descargue el código fuente del kernel del sitio web oficial del kernel de Linux o del repositorio de código fuente proporcionado por el fabricante. Puedes usar la herramienta git para descargar:
clon de git https://github.com/torvalds/linux.git
cdlinux
La configuración del kernel se refiere a seleccionar las opciones apropiadas del kernel según la plataforma de hardware de destino y los requisitos de la aplicación. Las herramientas de configuración comunes incluyen menuconfig, xconfig, etc. Inicie la herramienta de configuración con el siguiente comando:
hacer ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-menuconfig
En la herramienta de configuración, puede seleccionar el tipo de procesador, periféricos de hardware, sistema de archivos, protocolo de red y otras opciones. Después de guardar la configuración, se generará un archivo .config.
Según el archivo de configuración, utilice la cadena de herramientas de compilación cruzada para compilar el kernel. La compilación del kernel incluye la compilación de la imagen del kernel, los archivos del árbol de dispositivos y los módulos:
hacer ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-zImage
hacer ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-dtbs
hacer ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-modules
Una vez completada la compilación, se generarán la imagen del kernel zImage, el archivo de árbol de dispositivos *.dtb y el módulo del kernel *.ko.
Copie la imagen del kernel compilado, los archivos del árbol de dispositivos y los módulos a la placa de desarrollo. La transferencia de archivos se puede realizar usando el comando scp:
scp arch/arm/boot/zImagen usuario@board_ip:/boot/
scp arch/arm/boot/dts/*.dtb usuario@board_ip:/boot/
módulos scp/*.ko usuario@board_ip:/lib/modules/$(uname -r)/
Reinicie la placa de desarrollo y cargue la nueva imagen del kernel y los archivos del árbol de dispositivos.
Los controladores son el puente entre el sistema operativo y los dispositivos de hardware. El kernel de Linux proporciona una gran cantidad de interfaces de desarrollo de controladores. Los tipos de controladores comunes incluyen controladores de dispositivos de caracteres, controladores de dispositivos de bloque, controladores de dispositivos de red, etc. Los pasos básicos del desarrollo de controladores incluyen:
Registrar dispositivo: registre el dispositivo en el kernel y asigne un número de dispositivo. Implementar funciones de operación del dispositivo: implementar funciones de operación del dispositivo como apertura, cierre, lectura y escritura. Registrar controlador: registre el controlador en el kernel y vincule las funciones de operación del dispositivo.Los controladores de dispositivos de caracteres son el tipo de controlador más común y se utilizan para manejar dispositivos que leen y escriben bytes. A continuación se muestra un ejemplo de controlador de dispositivo de caracteres sencillo:
#incluir
#incluir
#incluir
#define DEVICE_NAME mychardev
#defineBUF_SIZE 1024
estático int mayor;
buffer de caracteres estático[BUF_SIZE];
static int dev_open(struct inode *inode, struct file *file) {
printk(KERN_INFO Dispositivo abierton);
devolver 0;
}
static int dev_release(estructura inodo *inodo, archivo de estructura *archivo) {
printk(KERN_INFO Dispositivo cerradon);
devolver 0;
}
static ssize_t dev_read(estructura archivo *archivo, char __user *user_buf, size_t len, loff_t *offset) {
copy_to_user(user_buf, buffer, len);
devolver len;
}
static ssize_t dev_write(estructura archivo *archivo, const char __user *user_buf, size_t len, loff_t *offset) {
copy_from_user(búfer, usuario_buf, len);
devolver len;
}
estructura estática file_operaciones petimetres = {
.abierto = dev_open,
.liberación = dev_release,
.read = dev_read,
.escribir = dev_write,
};
estático int __init mychardev_init(vacío) {
mayor = registrar_chrdev(0, NOMBRE_DISPOSITIVO, &fops);
si (mayor < 0) {
printk(KERN_ALERT El registro del dispositivo char falló con %dn, mayor);
volver mayor;
}
printk(KERN_INFO Dispositivo registrado, número mayor: %dn, mayor);
devolver 0;
}
vacío estático __exit mychardev_exit(void) {
unregister_chrdev(principal, NOMBRE_DISPOSITIVO);
printk(KERN_INFO Dispositivo no registradon);
}
module_init(mychardev_init);
module_exit(mychardev_exit);
MÓDULO_LICENCIA(GPL);
MODULE_AUTHOR(Autor);
MODULE_DESCRIPTION(Un controlador de dispositivo de caracteres simples);
Compile el controlador en un módulo del kernel y cárguelo en el kernel:
hacer -C /lib/modules/$(uname -r)/build M=$(PWD) módulos
sudo insmod mychardev.ko
Los sistemas de archivos comúnmente utilizados en sistemas Linux integrados incluyen:
Ext4: un sistema de archivos común de Linux que admite archivos grandes y almacenamiento de gran capacidad. FAT32: Buena compatibilidad, adecuado para medios de almacenamiento extraíbles como unidades flash USB y tarjetas SD. JFFS2: Adecuado para dispositivos de memoria flash, admite compresión y protección de apagado. UBIFS: Sistema de archivos flash moderno para dispositivos flash NAND de gran capacidad.Al seleccionar un sistema de archivos, se deben considerar factores como el tipo de medio de almacenamiento, la capacidad y los requisitos de rendimiento.
El sistema de archivos raíz contiene los archivos y directorios básicos necesarios para el inicio del sistema operativo, incluidos módulos del kernel, archivos de dispositivo, bibliotecas del sistema, scripts de inicialización, etc. Los pasos para crear un sistema de archivos raíz incluyen:
Crear estructura de directorios: cree la estructura de directorios básica del sistema de archivos raíz, como /bin, /sbin, /lib, /dev, /etc, etc. Copiar archivos: copie los módulos del kernel compilados, las bibliotecas del sistema, los archivos ejecutables, etc. al directorio correspondiente. Crear archivos de dispositivo: use el comando mknod para crear archivos de dispositivo, como /dev/console, /dev/null, etc. Escriba un script de inicialización: escriba un script de inicialización /etc/init.d/rcS para realizar operaciones de inicialización cuando se inicie el sistema.Para empaquetar el sistema de archivos raíz en un archivo de imagen, puede usar el comando tar:
alquitrán -cvf rootfs.tar *
Grabe la imagen del sistema de archivos raíz en el medio de almacenamiento de la placa de desarrollo.
En los sistemas Linux integrados, el desarrollo de aplicaciones es básicamente el mismo que en los sistemas Linux de escritorio. Puede utilizar lenguajes de programación como C/C++, Python y Java, y utilizar herramientas como GCC y Makefile para el desarrollo. Las aplicaciones integradas comunes incluyen:
Programa de control de dispositivos: controla los dispositivos de hardware accediendo a los archivos del dispositivo o llamando a las interfaces del controlador. Programa de comunicación de red: realiza comunicación de red con otros dispositivos o servidores, como TCP/IP, UDP, HTTP y otros protocolos. Programa de interfaz de usuario: utilice bibliotecas de interfaz gráfica (como Qt, GTK) o tecnologías de interfaz web (como HTML, JavaScript) para implementar interfaces de interacción del usuario.La depuración es una parte importante del desarrollo de sistemas integrados. Las técnicas de depuración más utilizadas incluyen:
Depuración del puerto serie: conecte la placa de desarrollo y el host a través del puerto serie y utilice herramientas como minicom o screen para generar información de depuración e interactuar con ella. Depuración de GDB: utilice el depurador de GDB para depurar aplicaciones o módulos del kernel. Puede generar información de depuración a través de la cadena de herramientas de compilación cruzada y utilizar la función de depuración remota. Depuración de registros: envíe información de depuración al archivo de registro o a la consola mediante funciones como printk y printf. Depuración remota: conecte la placa de desarrollo y el host a través de la red y utilice herramientas de depuración remota (como SSH, Telnet) para realizar operaciones de depuración.La optimización del rendimiento de los sistemas integrados es una parte importante del desarrollo. Los métodos comunes de optimización del rendimiento incluyen:
Optimización de código: utilice las opciones de optimización del compilador (como -O2, -O3) para recortar y optimizar el código. Optimización de la memoria: reduzca las operaciones de asignación y liberación de memoria para evitar pérdidas de memoria. Optimización de E/S: reduzca las operaciones de E/S innecesarias y utilice tecnología de almacenamiento en caché y E/S asíncronas. Optimización de la programación de tareas: diseñe razonablemente las prioridades de las tareas para evitar la preferencia y el estancamiento de las tareas.La seguridad de los sistemas Linux integrados es una consideración importante en el desarrollo. Las medidas de seguridad comunes incluyen:
Control de acceso: utilice permisos de usuario y permisos de archivos para controlar el acceso a los recursos del sistema. Tecnología de cifrado: utilice tecnología de cifrado para proteger la confidencialidad y la integridad de los datos, como SSL/TLS, AES, etc. Firewall: configure reglas de firewall para restringir el acceso a la red y la apertura de puertos. Actualizaciones de seguridad: actualice oportunamente los sistemas y aplicaciones para corregir las vulnerabilidades de seguridad conocidas.La confiabilidad de los sistemas integrados es la clave para garantizar un funcionamiento estable a largo plazo del sistema. Las medidas de confiabilidad comunes incluyen:
Diseño tolerante a fallas: diseñe un mecanismo tolerante a fallas para manejar situaciones anormales y errores, como un mecanismo de reinicio, registro de errores, etc. Diseño redundante: utilice redundancia de hardware y software para mejorar la confiabilidad y disponibilidad del sistema. Verificación de pruebas: realice pruebas y verificaciones integrales, incluidas pruebas unitarias, pruebas de integración, pruebas de sistemas, etc., para garantizar que las funciones y el rendimiento del sistema cumplan con los requisitos. Soporte intercambiable en caliente: diseñe hardware y software que admitan dispositivos intercambiables en caliente para garantizar que el sistema pueda reemplazar dispositivos sin tiempo de inactividad.El sistema de control del hogar inteligente es una aplicación típica de Linux integrada en ARM. El hardware del sistema incluye procesadores ARM, módulos Wi-Fi, sensores, controladores, etc. El software del sistema incluye el sistema operativo Linux integrado, controladores de dispositivos, protocolos de comunicación de red, aplicaciones, etc. Las funciones del sistema incluyen control de equipos, monitoreo de estado, control remoto, escenarios de automatización, etc.
Los pasos de desarrollo incluyen:
Elija una placa de desarrollo: elija una placa de desarrollo ARM que admita Wi-Fi e interfaces periféricas ricas, como Raspberry Pi. Instale el sistema operativo: descargue y grabe el sistema operativo Raspbian en la placa de desarrollo. Desarrollar controladores: escribir controladores para sensores y controladores, registrar dispositivos e implementar funciones operativas. Desarrolle aplicaciones: escriba aplicaciones para el control de dispositivos y la comunicación de red, y utilice el protocolo MQTT para lograr el control remoto. Depuración y optimización: utilice la depuración de puerto serie, la depuración de GDB y otras tecnologías para la depuración, optimización de código y optimización del rendimiento. Implementación y pruebas: implemente el sistema en el entorno real y realice pruebas funcionales y de rendimiento integrales.Los sistemas de control de automatización industrial son otra aplicación típica de Linux integrada en ARM. El hardware del sistema incluye procesador ARM, interfaz de bus industrial, sensores, actuadores, etc. El software del sistema incluye el sistema operativo Linux integrado, el kernel de programación en tiempo real, el controlador de dispositivo, el algoritmo de control, el programa de aplicación, etc. Las funciones del sistema incluyen recopilación de datos, control en tiempo real, monitoreo de estado, mantenimiento remoto, etc.
Los pasos de desarrollo incluyen:
Elija una placa de desarrollo: elija una placa de desarrollo ARM que admita programación en tiempo real e interfaces de bus industriales, como BeagleBone Black. Instale el sistema operativo: descargue y grabe el sistema operativo Linux con parche de programación en tiempo real en la placa de desarrollo. Desarrollar controladores: escribir controladores para interfaces de bus industriales, sensores y actuadores, registrar dispositivos e implementar funciones operativas. Desarrolle algoritmos de control: escriba algoritmos de control en tiempo real y utilice núcleos de programación en tiempo real para garantizar la naturaleza en tiempo real de los algoritmos de control. Desarrolle aplicaciones: escriba aplicaciones para recopilación de datos, monitoreo de estado y mantenimiento remoto, y utilice el protocolo Modbus para implementar la comunicación del dispositivo. Depuración y optimización: utilice la depuración de puerto serie, la depuración de GDB y otras tecnologías para la depuración, optimización de código y optimización del rendimiento. Implementación y pruebas: implemente el sistema en el entorno real y realice pruebas funcionales y de rendimiento integrales.A través del análisis de casos anterior, podemos ver la complejidad y diversidad del desarrollo de sistemas Linux integrados ARM. Los desarrolladores deben dominar los conocimientos y habilidades en la selección de hardware, instalación de sistemas operativos, desarrollo de controladores, diseño de aplicaciones, seguridad y confiabilidad, etc., para poder completar con éxito el desarrollo y la implementación de sistemas integrados.
1. ¿Qué habilidades se requieren para el desarrollo de sistemas Linux integrados? El desarrollo de sistemas Linux integrados requiere dominar el conocimiento básico del lenguaje de programación C/C++ y el sistema operativo Linux, estar familiarizado con la arquitectura de hardware y software de los sistemas integrados, tener experiencia en el uso de herramientas de desarrollo integradas y también debe comprender el desarrollo de controladores y el sistema. de dispositivos embebidos. Conocimientos de depuración y optimización del rendimiento.
2. ¿Cómo elegir una placa de desarrollo adecuada para el desarrollo de sistemas Linux integrados? Elegir la placa de desarrollo adecuada depende de las necesidades y el presupuesto de su proyecto. Primero, debemos considerar si la arquitectura del procesador, el rendimiento y la escalabilidad de la placa de desarrollo satisfacen las necesidades del proyecto. En segundo lugar, debemos considerar si el entorno de desarrollo de la placa de desarrollo es estable y confiable, si existe soporte completo de software y soporte comunitario. y por último, hay que considerar el precio y la oferta de la placa de desarrollo. La credibilidad del negocio.
3. ¿Cuáles son los desafíos comunes en el desarrollo de sistemas Linux integrados? Los desafíos comunes en el desarrollo de sistemas Linux integrados incluyen: comprensión y adaptación del hardware, desarrollo y depuración de controladores, optimización del rendimiento del sistema, estabilidad del software y garantía de seguridad, pruebas de integración de software y hardware, etc. Además, los sistemas integrados a menudo necesitan cumplir requisitos de tiempo real y de consumo de energía, que también imponen mayores requisitos a las capacidades técnicas y la experiencia de los desarrolladores.
Espero que esta guía pueda ayudarle a comprender y dominar mejor el desarrollo de sistemas Linux integrados en ARM. Recuerde, la práctica es la clave para dominar la tecnología y le recomendamos que pruebe y explore activamente.