Pengembangan sistem Linux tertanam ARM adalah bidang yang kompleks dan multi-segi yang menggabungkan esensi sistem tertanam, sistem operasi Linux, dan arsitektur ARM. Karakteristik konsumsi daya yang rendah dari arsitektur ARM, keunggulan open source Linux, dan penerapan sistem tertanam yang luas menjadikan sistem Linux tertanam ARM menjadi pilihan ideal untuk banyak proyek. Editor Downcodes akan memberi Anda panduan komprehensif, yang mencakup semua aspek pemilihan perangkat keras, instalasi sistem operasi, pengembangan driver, desain aplikasi, dll., untuk membantu Anda mendapatkan pemahaman mendalam tentang proses dan detail Linux yang tertanam di ARM. pengembangan sistem.
Detail Pengembangan Sistem Linux Tertanam ARM: Panduan Komprehensif
Pengembangan sistem Linux tertanam ARM adalah teknologi kompleks yang melibatkan berbagai bidang, termasuk sistem tertanam, sistem operasi Linux, dan arsitektur ARM. Karakteristik konsumsi daya yang rendah dari arsitektur ARM, karakteristik open source Linux, dan penerapan sistem tertanam yang luas adalah alasan utama memilih sistem Linux tertanam ARM. Artikel ini akan memperkenalkan secara rinci semua aspek pengembangan sistem Linux tertanam ARM, mulai dari pemilihan perangkat keras, instalasi sistem operasi, pengembangan driver hingga desain aplikasi, memberikan panduan komprehensif kepada pengembang.
ARM (Advanced RISC Machine) adalah arsitektur mikroprosesor berdasarkan prinsip-prinsip komputasi set instruksi tereduksi (RISC). Prosesor ARM banyak digunakan di berbagai sistem tertanam, seperti ponsel cerdas, tablet, perangkat Internet of Things, dll., karena konsumsi dayanya yang rendah, kinerjanya yang tinggi, dan kinerja biayanya yang tinggi. Fitur inti arsitektur ARM meliputi:
Arsitektur RISC: ARM menggunakan komputasi set instruksi yang dikurangi, yang memiliki set instruksi sederhana dan kecepatan eksekusi instruksi yang cepat. Desain konsumsi daya rendah: Desain prosesor ARM menekankan konsumsi daya rendah dan cocok untuk perangkat portabel bertenaga baterai. Sangat modular: Prosesor ARM memiliki desain yang sangat modular dan dapat disesuaikan serta diperluas sesuai kebutuhan. Dukungan multi-core: Prosesor ARM modern mendukung desain multi-core, memungkinkan komputasi berkinerja tinggi.Sistem operasi Linux telah menjadi sistem operasi pilihan untuk pengembangan sistem tertanam karena keunggulannya seperti open source, stabilitas, keamanan, dan skalabilitas. Sistem Linux tertanam memiliki keuntungan sebagai berikut:
Sumber terbuka: Sistem operasi Linux adalah sumber terbuka, dan pengembang dapat dengan bebas memperoleh kode sumber untuk penyesuaian dan penyesuaian. Stabilitas: Setelah bertahun-tahun pengembangan, kernel Linux menjadi sangat stabil dan cocok untuk sistem tertanam yang berjalan dalam jangka panjang. Dukungan driver yang kaya: Kernel Linux mendukung berbagai perangkat keras, dan pengembang dapat dengan mudah melakukan porting dan menggunakan berbagai driver. Dukungan komunitas yang kuat: Linux memiliki komunitas pengembang yang besar, dan Anda bisa mendapatkan bantuan tepat waktu jika mengalami masalah.Memilih platform perangkat keras yang sesuai adalah langkah pertama dalam pengembangan sistem Linux tertanam ARM. Papan pengembangan tertanam ARM yang umum meliputi:
Raspberry Pi: hemat biaya, dukungan komunitas yang kuat, cocok untuk pemula. BeagleBone Black: Kuat untuk aplikasi kontrol dan otomasi industri. NVIDIA Jetson: cocok untuk komputasi kinerja tinggi dan aplikasi kecerdasan buatan. Mikrokontroler seri STM32: cocok untuk aplikasi kontrol real-time berdaya rendah.Saat memilih platform perangkat keras, Anda perlu mempertimbangkan faktor-faktor berikut:
Kinerja prosesor: Pilih kinerja prosesor yang sesuai berdasarkan kebutuhan aplikasi. Memori dan penyimpanan: Pastikan memori dan penyimpanan yang memadai untuk memenuhi kebutuhan sistem operasi dan aplikasi. Dukungan periferal: Pilih papan pengembangan yang mendukung periferal yang sesuai dengan kebutuhan aplikasi, seperti GPIO, UART, I2C, SPI, dll. Dukungan komunitas: Pilih dewan pengembangan dengan dukungan komunitas yang baik untuk bantuan dan sumber daya.Membangun lingkungan pengembangan sistem Linux tertanam ARM mencakup langkah-langkah berikut:
Pasang rantai alat kompilasi silang: Rantai alat kompilasi silang digunakan untuk mengkompilasi kode pada komputer host untuk papan target. Rantai alat kompilasi silang yang umum digunakan mencakup rantai alat GNU, rantai alat Linaro, dll.
sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabi
Konfigurasikan papan pengembangan: Menurut dokumentasi papan pengembangan, lakukan konfigurasi perangkat keras dan pembakaran firmware. Metode konfigurasi umum termasuk melalui port serial, USB, Ethernet, dll.
Instal sistem operasi: Unduh dan bakar image sistem operasi Linux yang tertanam ke papan pengembangan. Anda dapat memilih untuk menggunakan gambar yang telah dikompilasi sebelumnya yang disediakan oleh produsen, atau mengkompilasi gambar yang disesuaikan dari kode sumber.
Konfigurasikan lingkungan jaringan: Pastikan papan pengembangan dan host berada di lingkungan jaringan yang sama untuk debugging jarak jauh dan transfer file.
Pertama, unduh kode sumber kernel dari situs resmi kernel Linux atau repositori kode sumber yang disediakan oleh produsen. Anda dapat menggunakan alat git untuk mengunduh:
git klon https://github.com/torvalds/linux.git
cdlinux
Konfigurasi kernel mengacu pada pemilihan opsi kernel yang sesuai berdasarkan platform perangkat keras target dan persyaratan aplikasi. Alat konfigurasi umum termasuk menuconfig, xconfig, dll. Mulai alat konfigurasi dengan perintah berikut:
buat ARCH=lengan CROSS_COMPILE=lengan-linux-gnueabi-menuconfig
Di alat konfigurasi, Anda dapat memilih jenis prosesor, periferal perangkat keras, sistem file, protokol jaringan, dan opsi lainnya. Setelah menyimpan konfigurasi, file .config akan dibuat.
Menurut file konfigurasi, gunakan rantai alat kompilasi silang untuk mengkompilasi kernel. Kompilasi kernel mencakup kompilasi image kernel, file dan modul pohon perangkat:
buat ARCH=lengan CROSS_COMPILE=lengan-linux-gnueabi- zImage
buat ARCH=lengan CROSS_COMPILE=lengan-linux-gnueabi-dtbs
buat ARCH=lengan CROSS_COMPILE=lengan-linux-gnueabi-modules
Setelah kompilasi selesai, image kernel zImage, file pohon perangkat *.dtb dan modul kernel *.ko akan dibuat.
Salin gambar kernel yang dikompilasi, file pohon perangkat, dan modul ke papan pengembangan. Transfer file dapat dilakukan dengan menggunakan perintah scp:
scp arch/lengan/boot/zImage pengguna@board_ip:/boot/
scp arch/arm/boot/dts/*.dtb pengguna@board_ip:/boot/
scp modul/*.ko pengguna@board_ip:/lib/modules/$(uname -r)/
Mulai ulang papan pengembangan dan muat gambar kernel dan file pohon perangkat baru.
Driver adalah jembatan antara sistem operasi dan perangkat keras. Kernel Linux menyediakan banyak antarmuka pengembangan driver. Jenis driver umum termasuk driver perangkat karakter, driver perangkat blok, driver perangkat jaringan, dll. Langkah-langkah dasar pengembangan driver meliputi:
Daftarkan perangkat: Daftarkan perangkat di kernel dan tetapkan nomor perangkat. Menerapkan fungsi pengoperasian perangkat: menerapkan fungsi pengoperasian perangkat seperti membuka, menutup, membaca dan menulis. Daftarkan driver: Daftarkan driver di kernel dan ikat fungsi operasi perangkat.Driver perangkat karakter adalah jenis driver yang paling umum dan digunakan untuk menangani perangkat yang membaca dan menulis byte. Berikut adalah contoh driver perangkat karakter sederhana:
#termasuk
#termasuk
#termasuk
#define DEVICE_NAME mychardev
#defineBUF_SIZE 1024
statis int mayor;
buffer karakter statis[BUF_SIZE];
static int dev_open(struct inode *inode, file struct *file) {
printk(PERANGKAT KERN_INFO dibukan);
kembali 0;
}
static int dev_release(struct inode *inode, file struct *file) {
printk(KERN_INFO Perangkat ditutupn);
kembali 0;
}
ssize_t statis dev_read(file struct *file, char __user *user_buf, size_t len, loff_t *offset) {
copy_to_user(user_buf, buffer, len);
kembali len;
}
static 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);
kembali len;
}
struct statis file_operations fops = {
.buka = dev_open,
.rilis = dev_rilis,
.baca = dev_read,
.write = dev_write,
};
statis int __init mychardev_init(batal) {
mayor = register_chrdev(0, DEVICE_NAME, &fops);
jika (mayor < 0) {
printk(KERN_ALERT Pendaftaran perangkat char gagal dengan %dn, mayor);
kembali jurusan;
}
printk(KERN_INFO Perangkat terdaftar, nomor utama: %dn, utama);
kembali 0;
}
kekosongan statis __exit mychardev_exit(batal) {
batalkan registrasi_chrdev(utama, DEVICE_NAME);
printk(KERN_INFO Perangkat tidak terdaftarn);
}
module_init(mychardev_init);
module_exit(mychardev_exit);
MODULE_LICENSE(GPL);
MODULE_AUTHOR(Penulis);
MODULE_DESCRIPTION(Driver perangkat karakter sederhana);
Kompilasi driver ke dalam modul kernel dan muat ke dalam kernel:
membuat modul -C /lib/modules/$(uname -r)/build M=$(PWD).
sudo insmod mychardev.ko
Sistem file yang umum digunakan dalam sistem Linux tertanam meliputi:
Ext4: Sistem file Linux umum yang mendukung file besar dan penyimpanan berkapasitas besar. FAT32: Kompatibilitas baik, cocok untuk media penyimpanan yang dapat dilepas seperti USB flash drive dan kartu SD. JFFS2: Cocok untuk perangkat memori flash, mendukung perlindungan dan kompresi matikan. UBIFS: Sistem file flash modern untuk perangkat flash NAND berkapasitas besar.Saat memilih sistem file, faktor-faktor seperti jenis media penyimpanan, kapasitas, dan persyaratan kinerja perlu dipertimbangkan.
Sistem file root berisi file dan direktori dasar yang diperlukan untuk startup sistem operasi, termasuk modul kernel, file perangkat, perpustakaan sistem, skrip inisialisasi, dll. Langkah-langkah membuat sistem file root antara lain:
Buat struktur direktori: Buat struktur direktori dasar dari sistem file root, seperti /bin, /sbin, /lib, /dev, /etc, dll. Salin file: Salin modul kernel yang dikompilasi, perpustakaan sistem, file yang dapat dieksekusi, dll. ke direktori yang sesuai. Buat file perangkat: Gunakan perintah mknod untuk membuat file perangkat, seperti /dev/console, /dev/null, dll. Menulis skrip inisialisasi: Tulis skrip inisialisasi /etc/init.d/rcS untuk melakukan operasi inisialisasi ketika sistem dimulai.Untuk mengemas sistem file root menjadi file gambar, Anda dapat menggunakan perintah tar:
tar -cvf rootfs.tar *
Bakar image sistem file root ke media penyimpanan papan pengembangan.
Dalam sistem Linux tertanam, pengembangan aplikasi pada dasarnya sama dengan sistem Linux desktop. Anda dapat menggunakan bahasa pemrograman seperti C/C++, Python, dan Java, serta menggunakan alat seperti GCC dan Makefile untuk pengembangan. Aplikasi tertanam yang umum meliputi:
Program kontrol perangkat: Mengontrol perangkat keras dengan mengakses file perangkat atau memanggil antarmuka driver. Program komunikasi jaringan: mewujudkan komunikasi jaringan dengan perangkat atau server lain, seperti TCP/IP, UDP, HTTP, dan protokol lainnya. Program antarmuka pengguna: Gunakan pustaka antarmuka grafis (seperti Qt, GTK) atau teknologi antarmuka web (seperti HTML, JavaScript) untuk mengimplementasikan antarmuka interaksi pengguna.Debugging adalah bagian penting dari pengembangan sistem tertanam. Teknik debugging yang umum digunakan meliputi:
Debugging port serial: Hubungkan papan pengembangan dan host melalui port serial, dan gunakan alat seperti minicom atau layar untuk mengeluarkan dan berinteraksi dengan informasi debugging. Debugging GDB: Gunakan debugger GDB untuk men-debug aplikasi atau modul kernel. Anda dapat menghasilkan informasi debug melalui rantai alat kompilasi silang dan menggunakan fungsi debug jarak jauh. Debug log: Keluarkan informasi debug ke file log atau konsol melalui fungsi seperti printk dan printf. Debugging jarak jauh: Hubungkan papan pengembangan dan host melalui jaringan, dan gunakan alat debugging jarak jauh (seperti SSH, Telnet) untuk melakukan operasi debugging.Optimalisasi kinerja sistem tertanam merupakan bagian penting dari pengembangan. Metode pengoptimalan kinerja yang umum meliputi:
Pengoptimalan kode: Gunakan opsi pengoptimalan kompiler (seperti -O2, -O3) untuk memangkas dan mengoptimalkan kode. Pengoptimalan memori: Kurangi alokasi memori dan operasi pelepasan untuk menghindari kebocoran memori. Pengoptimalan I/O: Kurangi operasi I/O yang tidak diperlukan dan gunakan I/O asinkron serta teknologi caching. Pengoptimalan penjadwalan tugas: Rancang prioritas tugas secara wajar untuk menghindari preemption dan kebuntuan tugas.Keamanan sistem Linux tertanam merupakan pertimbangan penting dalam pengembangan. Langkah-langkah keamanan umum meliputi:
Kontrol Akses: Gunakan izin pengguna dan izin file untuk mengontrol akses ke sumber daya sistem. Teknologi enkripsi: Gunakan teknologi enkripsi untuk melindungi kerahasiaan dan integritas data, seperti SSL/TLS, AES, dll. Firewall: Konfigurasikan aturan firewall untuk membatasi akses jaringan dan pembukaan port. Pembaruan keamanan: Pembaruan sistem dan aplikasi secara tepat waktu untuk menambal kerentanan keamanan yang diketahui.Keandalan sistem tertanam adalah kunci untuk memastikan pengoperasian sistem yang stabil dalam jangka panjang. Ukuran keandalan yang umum meliputi:
Desain yang toleran terhadap kesalahan: Rancang mekanisme yang toleran terhadap kesalahan untuk menangani situasi dan kesalahan yang tidak normal, seperti mekanisme restart, pencatatan kesalahan, dll. Desain redundan: Gunakan redundansi perangkat keras dan perangkat lunak untuk meningkatkan keandalan dan ketersediaan sistem. Verifikasi pengujian: Melakukan pengujian dan verifikasi komprehensif, termasuk pengujian unit, pengujian integrasi, pengujian sistem, dll., untuk memastikan bahwa fungsi dan kinerja sistem memenuhi persyaratan. Dukungan hot-swappable: Rancang perangkat keras dan perangkat lunak yang mendukung perangkat hot-swappable untuk memastikan bahwa sistem dapat mengganti perangkat tanpa downtime.Sistem kontrol rumah pintar adalah aplikasi khas Linux yang tertanam di ARM. Perangkat keras sistem mencakup prosesor ARM, modul Wi-Fi, sensor, pengontrol, dll. Perangkat lunak sistem mencakup sistem operasi Linux tertanam, driver perangkat, protokol komunikasi jaringan, aplikasi, dll. Fungsi sistem mencakup kontrol peralatan, pemantauan status, kendali jarak jauh, skenario otomatisasi, dll.
Langkah-langkah pengembangan meliputi:
Pilih papan pengembangan: Pilih papan pengembangan ARM yang mendukung Wi-Fi dan antarmuka periferal yang kaya, seperti Raspberry Pi. Instal sistem operasi: Unduh dan bakar sistem operasi Raspbian ke papan pengembangan. Mengembangkan driver: menulis driver untuk sensor dan pengontrol, mendaftarkan perangkat, dan mengimplementasikan fungsi pengoperasian. Kembangkan aplikasi: Tulis aplikasi untuk kontrol perangkat dan komunikasi jaringan, dan gunakan protokol MQTT untuk mencapai kendali jarak jauh. Debugging dan pengoptimalan: Gunakan debugging port serial, debugging GDB, dan teknologi lainnya untuk debugging, pengoptimalan kode, dan pengoptimalan kinerja. Penerapan dan pengujian: Menerapkan sistem ke lingkungan aktual dan melakukan pengujian fungsional dan kinerja yang komprehensif.Sistem kontrol otomasi industri adalah aplikasi Linux tertanam ARM lainnya. Perangkat keras sistem mencakup prosesor ARM, antarmuka bus industri, sensor, aktuator, dll. Perangkat lunak sistem mencakup sistem operasi Linux tertanam, kernel penjadwalan real-time, driver perangkat, algoritma kontrol, program aplikasi, dll. Fungsi sistem mencakup pengumpulan data, kontrol waktu nyata, pemantauan status, pemeliharaan jarak jauh, dll.
Langkah-langkah pengembangan meliputi:
Pilih papan pengembangan: Pilih papan pengembangan ARM yang mendukung penjadwalan waktu nyata dan antarmuka bus industri, seperti BeagleBone Black. Instal sistem operasi: Unduh dan bakar sistem operasi Linux dengan patch penjadwalan waktu nyata ke papan pengembangan. Mengembangkan driver: menulis driver untuk antarmuka bus industri, sensor dan aktuator, mendaftarkan perangkat, dan mengimplementasikan fungsi pengoperasian. Mengembangkan algoritma kontrol: Tulis algoritma kontrol real-time dan gunakan kernel penjadwalan real-time untuk memastikan sifat algoritma kontrol real-time. Kembangkan aplikasi: Tulis aplikasi untuk pengumpulan data, pemantauan status dan pemeliharaan jarak jauh, dan gunakan protokol Modbus untuk mengimplementasikan komunikasi perangkat. Debugging dan pengoptimalan: Gunakan debugging port serial, debugging GDB, dan teknologi lainnya untuk debugging, pengoptimalan kode, dan pengoptimalan kinerja. Penerapan dan pengujian: Terapkan sistem ke lingkungan aktual dan lakukan pengujian fungsional dan kinerja yang komprehensif.Melalui analisis kasus di atas, kita dapat melihat kompleksitas dan keragaman pengembangan sistem Linux tertanam ARM. Pengembang perlu menguasai pengetahuan dan keterampilan dalam pemilihan perangkat keras, instalasi sistem operasi, pengembangan driver, desain aplikasi, keamanan dan keandalan, dll., agar berhasil menyelesaikan pengembangan dan penerapan sistem tertanam.
1. Keterampilan apa yang diperlukan untuk pengembangan sistem Linux tertanam? Pengembangan sistem Linux tertanam memerlukan penguasaan pengetahuan dasar bahasa pemrograman C/C++ dan sistem operasi Linux, memahami arsitektur perangkat keras dan perangkat lunak sistem tertanam, memiliki pengalaman dalam menggunakan alat pengembangan tertanam, dan juga perlu memahami pengembangan driver dan sistem. perangkat tertanam. Pengetahuan tentang debugging dan optimalisasi kinerja.
2. Bagaimana memilih papan pengembangan yang cocok untuk pengembangan sistem Linux tertanam? Memilih papan pengembangan yang tepat bergantung pada kebutuhan dan anggaran proyek Anda. Pertama, kita harus mempertimbangkan apakah arsitektur prosesor, kinerja dan skalabilitas papan pengembangan memenuhi kebutuhan proyek. Kedua, kita harus mempertimbangkan apakah lingkungan pengembangan papan pengembangan stabil dan dapat diandalkan, apakah terdapat dukungan perangkat lunak yang lengkap dan dukungan komunitas, dan terakhir, kita harus mempertimbangkan harga dan pasokan papan pengembangan. Kredibilitas bisnis.
3. Apa saja tantangan umum dalam pengembangan sistem Linux tertanam? Tantangan umum dalam pengembangan sistem Linux tertanam meliputi: pemahaman dan adaptasi perangkat keras, pengembangan dan debugging driver, optimalisasi kinerja sistem, stabilitas perangkat lunak dan jaminan keamanan, pengujian integrasi perangkat lunak dan perangkat keras, dll. Selain itu, sistem tertanam sering kali harus memenuhi persyaratan waktu nyata dan konsumsi daya, yang juga memberikan persyaratan lebih tinggi pada kemampuan teknis dan pengalaman pengembang.
Saya harap panduan ini dapat membantu Anda lebih memahami dan menguasai pengembangan sistem Linux tertanam ARM. Ingat, latihan adalah kunci untuk menguasai teknologi, dan Anda didorong untuk aktif mencoba dan mengeksplorasi!