Le développement de systèmes Linux embarqués ARM est un domaine complexe et aux multiples facettes qui combine l'essence des systèmes embarqués, des systèmes d'exploitation Linux et de l'architecture ARM. Les caractéristiques de faible consommation d'énergie de l'architecture ARM, les avantages open source de Linux et la large application des systèmes embarqués font des systèmes Linux embarqués ARM un choix idéal pour de nombreux projets. L'éditeur de Downcodes vous fournira un guide complet, couvrant tous les aspects de la sélection du matériel, de l'installation du système d'exploitation, du développement des pilotes, de la conception des applications, etc., pour vous aider à acquérir une compréhension approfondie du processus et des détails de Linux embarqué ARM. développement du système.
Développement du système Linux embarqué ARM détaillé : un guide complet
Le développement de systèmes Linux embarqués ARM est une technologie complexe impliquant plusieurs domaines, notamment les systèmes embarqués, les systèmes d'exploitation Linux et l'architecture ARM. Les caractéristiques de faible consommation d'énergie de l'architecture ARM, les caractéristiques open source de Linux et la large application des systèmes embarqués sont les principales raisons de choisir les systèmes Linux embarqués ARM. Cet article présentera en détail tous les aspects du développement du système Linux embarqué ARM, depuis la sélection du matériel, l'installation du système d'exploitation, le développement de pilotes jusqu'à la conception d'applications, fournissant ainsi aux développeurs un guide complet.
ARM (Advanced RISC Machine) est une architecture de microprocesseur basée sur les principes du calcul à jeu d'instructions réduit (RISC). Les processeurs ARM sont largement utilisés dans divers systèmes embarqués, tels que les smartphones, les tablettes, les appareils Internet des objets, etc., en raison de leur faible consommation d'énergie, de leurs hautes performances et de leur coût élevé. Les principales fonctionnalités de l'architecture ARM incluent :
Architecture RISC : ARM utilise le calcul à jeu d'instructions réduit, qui possède un jeu d'instructions simple et une vitesse d'exécution rapide des instructions. Conception à faible consommation d'énergie : la conception du processeur ARM met l'accent sur une faible consommation d'énergie et convient aux appareils portables alimentés par batterie. Hautement modulaire : les processeurs ARM ont une conception hautement modulaire et peuvent être personnalisés et étendus en fonction des besoins. Prise en charge multicœur : les processeurs ARM modernes prennent en charge les conceptions multicœurs, permettant un calcul haute performance.Le système d'exploitation Linux est devenu le système d'exploitation préféré pour le développement de systèmes embarqués en raison de ses avantages tels que l'open source, la stabilité, la sécurité et l'évolutivité. Les systèmes Linux embarqués présentent les avantages suivants :
Open source : le système d'exploitation Linux est open source et les développeurs peuvent obtenir librement le code source pour l'adapter et le personnaliser. Stabilité : Après des années de développement, le noyau Linux est devenu très stable et adapté aux systèmes embarqués fonctionnant à long terme. Prise en charge riche des pilotes : le noyau Linux prend en charge une large gamme de périphériques matériels et les développeurs peuvent facilement porter et utiliser divers pilotes. Fort soutien de la communauté : Linux dispose d'une énorme communauté de développeurs et vous pouvez obtenir de l'aide à temps si vous rencontrez des problèmes.Le choix de la plate-forme matérielle appropriée est la première étape du développement du système Linux embarqué ARM. Les cartes de développement embarquées ARM courantes incluent :
Raspberry Pi : support communautaire solide et rentable, adapté aux débutants. BeagleBone Black : Puissant pour les applications de contrôle industriel et d’automatisation. NVIDIA Jetson : adapté aux applications de calcul haute performance et d’intelligence artificielle. Microcontrôleurs de la série STM32 : adaptés aux applications de contrôle en temps réel à faible consommation.Lors du choix d'une plate-forme matérielle, vous devez prendre en compte les facteurs suivants :
Performances du processeur : choisissez les performances du processeur appropriées en fonction des exigences de l'application. Mémoire et stockage : assurez-vous d'une mémoire et d'un stockage adéquats pour répondre aux besoins du système d'exploitation et des applications. Prise en charge des périphériques : choisissez une carte de développement qui prend en charge les périphériques appropriés en fonction des exigences de l'application, tels que GPIO, UART, I2C, SPI, etc. Soutien communautaire : choisissez un conseil de développement bénéficiant d’un bon soutien communautaire en matière d’aide et de ressources.La création d'un environnement de développement de système Linux embarqué ARM comprend les étapes suivantes :
Installez la chaîne d'outils de compilation croisée : La chaîne d'outils de compilation croisée est utilisée pour compiler le code sur l'ordinateur hôte pour la carte cible. Les chaînes d'outils de compilation croisée couramment utilisées incluent la chaîne d'outils GNU, la chaîne d'outils Linaro, etc.
sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabi
Configurer la carte de développement : selon la documentation de la carte de développement, effectuez la configuration matérielle et la gravure du micrologiciel. Les méthodes de configuration courantes incluent le port série, USB, Ethernet, etc.
Installez le système d'exploitation : Téléchargez et gravez l'image du système d'exploitation Linux intégré sur la carte de développement. Vous pouvez choisir d'utiliser l'image précompilée fournie par le fabricant ou de compiler une image personnalisée à partir du code source.
Configurez l'environnement réseau : assurez-vous que la carte de développement et l'hôte sont dans le même environnement réseau pour le débogage à distance et le transfert de fichiers.
Tout d'abord, téléchargez le code source du noyau depuis le site Web officiel du noyau Linux ou le référentiel de code source fourni par le fabricant. Vous pouvez utiliser l'outil git pour télécharger :
clone git https://github.com/torvalds/linux.git
cdlinux
La configuration du noyau fait référence à la sélection des options de noyau appropriées en fonction de la plate-forme matérielle cible et des exigences de l'application. Les outils de configuration courants incluent menuconfig, xconfig, etc. Démarrez l'outil de configuration avec la commande suivante :
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-menuconfig
Dans l'outil de configuration, vous pouvez sélectionner le type de processeur, les périphériques matériels, le système de fichiers, le protocole réseau et d'autres options. Après avoir enregistré la configuration, un fichier .config sera généré.
Selon le fichier de configuration, utilisez la chaîne d'outils de compilation croisée pour compiler le noyau. La compilation du noyau inclut la compilation de l'image du noyau, des fichiers de l'arborescence des périphériques et des modules :
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- zImage
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-dtbs
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-modules
Une fois la compilation terminée, l'image du noyau zImage, le fichier d'arborescence des périphériques *.dtb et le module du noyau *.ko seront générés.
Copiez l'image du noyau compilée, les fichiers de l'arborescence des périphériques et les modules sur la carte de développement. Le transfert de fichiers peut être effectué à l'aide de la commande scp :
scp arch/arm/boot/zImage utilisateur@board_ip:/boot/
scp arch/arm/boot/dts/*.dtb user@board_ip:/boot/
scp modules/*.ko user@board_ip:/lib/modules/$(uname -r)/
Redémarrez la carte de développement et chargez la nouvelle image du noyau et les fichiers de l'arborescence des périphériques.
Les pilotes constituent le pont entre le système d’exploitation et les périphériques matériels. Le noyau Linux fournit une multitude d'interfaces de développement de pilotes. Les types de pilotes courants incluent les pilotes de périphériques caractères, les pilotes de périphériques bloc, les pilotes de périphériques réseau, etc. Les étapes de base du développement des pilotes comprennent :
Enregistrer le périphérique : enregistrez le périphérique dans le noyau et attribuez un numéro de périphérique. Mettre en œuvre les fonctions de fonctionnement de l'appareil : mettre en œuvre les fonctions de fonctionnement de l'appareil telles que l'ouverture, la fermeture, la lecture et l'écriture. Enregistrer le pilote : enregistrez le pilote dans le noyau et liez les fonctions de fonctionnement du périphérique.Les pilotes de périphériques de caractères sont le type de pilote le plus courant et sont utilisés pour gérer les périphériques qui lisent et écrivent des octets. Voici un exemple simple de pilote de périphérique de caractères :
#inclure
#inclure
#inclure
#define DEVICE_NAME mychardev
#defineBUF_SIZE 1024
statique int majeur ;
tampon de caractères statiques [BUF_SIZE] ;
static int dev_open (struct inode *inode, struct file *file) {
printk(Périphérique KERN_INFO ouvertn);
renvoie 0 ;
}
static int dev_release (struct inode *inode, struct file *file) {
printk(KERN_INFO Périphérique fermén);
renvoie 0 ;
}
statique ssize_t dev_read (struct file *file, char __user *user_buf, size_t len, loff_t *offset) {
copy_to_user(user_buf, tampon, len);
retourner len;
}
statique ssize_t dev_write(struct file *file, const char __user *user_buf, size_t len, loff_t *offset) {
copy_from_user(buffer, user_buf, len);
retourner len;
}
structure statique file_operations fops = {
.open = dev_open,
.release = dev_release,
.read = dev_read,
.write = dev_write,
} ;
static int __init mychardev_init(void) {
majeur = register_chrdev(0, DEVICE_NAME, &fops);
si (majeur < 0) {
printk (KERN_ALERT L'enregistrement du périphérique char a échoué avec %dn, majeur) ;
retour majeur ;
}
printk(KERN_INFO Périphérique enregistré, numéro majeur : %dn, majeur );
renvoie 0 ;
}
static void __exit mychardev_exit(void) {
unregister_chrdev(majeur, DEVICE_NAME);
printk(KERN_INFO Périphérique non enregistrén);
}
module_init(monchardev_init);
module_exit(mychardev_exit);
MODULE_LICENSE(GPL);
MODULE_AUTHOR(Auteur);
MODULE_DESCRIPTION(Un pilote de périphérique à caractères simples);
Compilez le pilote dans un module du noyau et chargez-le dans le noyau :
make -C /lib/modules/$(uname -r)/build M=$(PWD) modules
sudo insmod mychardev.ko
Les systèmes de fichiers couramment utilisés dans les systèmes Linux embarqués incluent :
Ext4 : un système de fichiers Linux commun qui prend en charge les fichiers volumineux et le stockage de grande capacité. FAT32 : Bonne compatibilité, adapté aux supports de stockage amovibles tels que les clés USB et les cartes SD. JFFS2 : convient aux périphériques de mémoire flash, prend en charge la protection contre la mise hors tension et la compression. UBIFS : système de fichiers flash moderne pour les périphériques flash NAND de grande capacité.Lors de la sélection d'un système de fichiers, des facteurs tels que le type de support de stockage, la capacité et les exigences de performances doivent être pris en compte.
Le système de fichiers racine contient les fichiers et répertoires de base requis pour le démarrage du système d'exploitation, notamment les modules du noyau, les fichiers de périphérique, les bibliothèques système, les scripts d'initialisation, etc. Les étapes pour créer un système de fichiers racine incluent :
Créer une structure de répertoires : créez la structure de répertoires de base du système de fichiers racine, telle que /bin, /sbin, /lib, /dev, /etc, etc. Copier des fichiers : copiez les modules du noyau compilés, les bibliothèques système, les fichiers exécutables, etc. dans le répertoire correspondant. Créer des fichiers de périphérique : utilisez la commande mknod pour créer des fichiers de périphérique, tels que /dev/console, /dev/null, etc. Écrire un script d'initialisation : écrivez un script d'initialisation /etc/init.d/rcS pour effectuer des opérations d'initialisation au démarrage du système.Pour empaqueter le système de fichiers racine dans un fichier image, vous pouvez utiliser la commande tar :
tar -cvf rootfs.tar *
Gravez l'image du système de fichiers racine sur le support de stockage de la carte de développement.
Dans les systèmes Linux embarqués, le développement d'applications est fondamentalement le même que dans les systèmes Linux de bureau. Vous pouvez utiliser des langages de programmation tels que C/C++, Python et Java, ainsi que des outils tels que GCC et Makefile pour le développement. Les applications intégrées courantes incluent :
Programme de contrôle des périphériques : contrôle les périphériques matériels en accédant aux fichiers du périphérique ou en appelant les interfaces du pilote. Programme de communication réseau : réalise la communication réseau avec d'autres appareils ou serveurs, tels que TCP/IP, UDP, HTTP et d'autres protocoles. Programme d'interface utilisateur : utilisez des bibliothèques d'interface graphique (telles que Qt, GTK) ou des technologies d'interface Web (telles que HTML, JavaScript) pour implémenter des interfaces d'interaction utilisateur.Le débogage est une partie importante du développement de systèmes embarqués. Les techniques de débogage couramment utilisées incluent :
Débogage du port série : connectez la carte de développement et l'hôte via le port série et utilisez des outils tels que minicom ou écran pour afficher et interagir avec les informations de débogage. Débogage GDB : utilisez le débogueur GDB pour déboguer des applications ou des modules du noyau. Vous pouvez générer des informations de débogage via la chaîne d'outils de compilation croisée et utiliser la fonction de débogage à distance. Débogage du journal : affiche les informations de débogage dans le fichier journal ou la console via des fonctions telles que printk et printf. Débogage à distance : connectez la carte de développement et l'hôte via le réseau et utilisez des outils de débogage à distance (tels que SSH, Telnet) pour effectuer des opérations de débogage.L'optimisation des performances des systèmes embarqués est une partie importante du développement. Les méthodes courantes d’optimisation des performances incluent :
Optimisation du code : utilisez les options d'optimisation du compilateur (telles que -O2, -O3) pour découper et optimiser le code. Optimisation de la mémoire : réduisez l'allocation de mémoire et les opérations de libération pour éviter les fuites de mémoire. Optimisation des E/S : réduisez les opérations d’E/S inutiles et utilisez la technologie d’E/S asynchrones et de mise en cache. Optimisation de la planification des tâches : concevez raisonnablement les priorités des tâches pour éviter la préemption et les blocages des tâches.La sécurité des systèmes Linux embarqués est une considération importante dans le développement. Les mesures de sécurité courantes comprennent :
Contrôle d'accès : utilisez les autorisations utilisateur et les autorisations de fichiers pour contrôler l'accès aux ressources système. Technologie de cryptage : utilisez la technologie de cryptage pour protéger la confidentialité et l'intégrité des données, telles que SSL/TLS, AES, etc. Pare-feu : configurez les règles de pare-feu pour restreindre l'accès au réseau et l'ouverture des ports. Mises à jour de sécurité : mettez à jour en temps opportun les systèmes et les applications pour corriger les vulnérabilités de sécurité connues.La fiabilité des systèmes embarqués est la clé pour garantir un fonctionnement stable à long terme du système. Les mesures de fiabilité courantes comprennent :
Conception tolérante aux pannes : concevez un mécanisme tolérant aux pannes pour gérer les situations anormales et les erreurs, telles que le mécanisme de redémarrage, la journalisation des erreurs, etc. Conception redondante : utilisez la redondance matérielle et logicielle pour améliorer la fiabilité et la disponibilité du système. Vérification des tests : effectuez des tests et des vérifications complets, y compris des tests unitaires, des tests d'intégration, des tests de système, etc., pour garantir que les fonctions et les performances du système répondent aux exigences. Prise en charge du remplacement à chaud : concevez du matériel et des logiciels prenant en charge les périphériques remplaçables à chaud pour garantir que le système peut remplacer les périphériques sans temps d'arrêt.Le système de contrôle de maison intelligente est une application Linux intégrée ARM typique. Le matériel système comprend les processeurs ARM, les modules Wi-Fi, les capteurs, les contrôleurs, etc. Le logiciel système comprend le système d'exploitation Linux intégré, les pilotes de périphériques, les protocoles de communication réseau, les applications, etc. Les fonctions du système incluent le contrôle des équipements, la surveillance de l'état, le contrôle à distance, les scénarios d'automatisation, etc.
Les étapes de développement comprennent :
Choisissez une carte de développement : choisissez une carte de développement ARM prenant en charge le Wi-Fi et les interfaces périphériques riches, telles que Raspberry Pi. Installez le système d'exploitation : Téléchargez et gravez le système d'exploitation Raspbian sur la carte de développement. Développer des pilotes : écrire des pilotes pour les capteurs et les contrôleurs, enregistrer les appareils et mettre en œuvre les fonctions d'exploitation. Développer des applications : écrivez des applications pour le contrôle des appareils et la communication réseau, et utilisez le protocole MQTT pour réaliser le contrôle à distance. Débogage et optimisation : utilisez le débogage du port série, le débogage GDB et d'autres technologies pour le débogage, l'optimisation du code et l'optimisation des performances. Déploiement et tests : déployez le système dans l'environnement réel et effectuez des tests fonctionnels et de performances complets.Les systèmes de contrôle d’automatisation industrielle sont une autre application Linux embarquée typique d’ARM. Le matériel système comprend un processeur ARM, une interface de bus industriel, des capteurs, des actionneurs, etc. Le logiciel système comprend le système d'exploitation Linux intégré, le noyau de planification en temps réel, le pilote de périphérique, l'algorithme de contrôle, le programme d'application, etc. Les fonctions du système incluent la collecte de données, le contrôle en temps réel, la surveillance de l'état, la maintenance à distance, etc.
Les étapes de développement comprennent :
Choisissez une carte de développement : choisissez une carte de développement ARM qui prend en charge la planification en temps réel et les interfaces de bus industriels, telles que BeagleBone Black. Installez le système d'exploitation : téléchargez et gravez le système d'exploitation Linux avec le correctif de planification en temps réel sur la carte de développement. Développer des pilotes : écrire des pilotes pour les interfaces de bus industriels, les capteurs et les actionneurs, enregistrer les appareils et mettre en œuvre les fonctions d'exploitation. Développer des algorithmes de contrôle : écrivez des algorithmes de contrôle en temps réel et utilisez des noyaux de planification en temps réel pour garantir la nature temps réel des algorithmes de contrôle. Développer des applications : écrivez des applications pour la collecte de données, la surveillance de l'état et la maintenance à distance, et utilisez le protocole Modbus pour mettre en œuvre la communication des appareils. Débogage et optimisation : utilisez le débogage du port série, le débogage GDB et d'autres technologies pour le débogage, l'optimisation du code et l'optimisation des performances. Déploiement et tests : déployez le système dans l'environnement réel et effectuez des tests fonctionnels et de performances complets.Grâce à l'analyse de cas ci-dessus, nous pouvons constater la complexité et la diversité du développement du système Linux embarqué ARM. Les développeurs doivent maîtriser les connaissances et les compétences en matière de sélection du matériel, d'installation du système d'exploitation, de développement de pilotes, de conception d'applications, de sécurité et de fiabilité, etc., afin de mener à bien le développement et le déploiement de systèmes embarqués.
1. Quelles compétences sont requises pour le développement de systèmes Linux embarqués ? Le développement de systèmes Linux embarqués nécessite de maîtriser les connaissances de base du langage de programmation C/C++ et du système d'exploitation Linux, d'être familier avec l'architecture matérielle et logicielle des systèmes embarqués, d'avoir de l'expérience dans l'utilisation d'outils de développement embarqués, et doit également comprendre le développement des pilotes et du système. des appareils embarqués. Connaissance du débogage et de l’optimisation des performances.
2. Comment choisir une carte de développement appropriée pour le développement de systèmes Linux embarqués ? Le choix de la bonne carte de développement dépend des besoins et du budget de votre projet. Premièrement, nous devons déterminer si l'architecture du processeur, les performances et l'évolutivité de la carte de développement répondent aux besoins du projet. Deuxièmement, nous devons déterminer si l'environnement de développement de la carte de développement est stable et fiable, s'il existe un support logiciel complet et un support communautaire. et enfin, nous devons considérer le prix et l'offre du conseil de développement, la crédibilité de l'entreprise.
3. Quels sont les défis courants liés au développement de systèmes Linux embarqués ? Les défis courants dans le développement de systèmes Linux embarqués comprennent : la compréhension et l'adaptation du matériel, le développement et le débogage de pilotes, l'optimisation des performances du système, la stabilité et l'assurance de la sécurité des logiciels, les tests d'intégration logicielle et matérielle, etc. En outre, les systèmes embarqués doivent souvent répondre à des exigences en matière de temps réel et de consommation d’énergie, ce qui impose également des exigences plus élevées en termes de capacités techniques et d’expérience des développeurs.
J'espère que ce guide pourra vous aider à mieux comprendre et maîtriser le développement du système Linux embarqué ARM. N’oubliez pas que la pratique est la clé pour maîtriser la technologie et que vous êtes encouragé à essayer et explorer activement !