O desenvolvimento de sistemas Linux embarcados ARM é um campo complexo e multifacetado que combina a essência de sistemas embarcados, sistemas operacionais Linux e arquitetura ARM. As características de baixo consumo de energia da arquitetura ARM, as vantagens de código aberto do Linux e a ampla aplicação de sistemas embarcados tornam os sistemas Linux embarcados ARM uma escolha ideal para muitos projetos. O editor de Downcodes fornecerá um guia completo, cobrindo todos os aspectos da seleção de hardware, instalação do sistema operacional, desenvolvimento de driver, design de aplicativo, etc., para ajudá-lo a obter uma compreensão profunda do processo e detalhes do Linux embarcado ARM. desenvolvimento do sistema.
Desenvolvimento de sistema Linux embarcado ARM detalhado: um guia abrangente
O desenvolvimento de sistemas Linux embarcados ARM é uma tecnologia complexa que envolve vários campos, incluindo sistemas embarcados, sistemas operacionais Linux e arquitetura ARM. As características de baixo consumo de energia da arquitetura ARM, as características de código aberto do Linux e a ampla aplicação de sistemas embarcados são as principais razões para a escolha de sistemas Linux embarcados ARM. Este artigo apresentará em detalhes todos os aspectos do desenvolvimento de sistemas Linux embarcados ARM, desde a seleção de hardware, instalação do sistema operacional, desenvolvimento de drivers até o design de aplicativos, fornecendo aos desenvolvedores um guia completo.
ARM (Advanced RISC Machine) é uma arquitetura de microprocessador baseada em princípios de computação com conjunto de instruções reduzido (RISC). Os processadores ARM são amplamente utilizados em vários sistemas embarcados, como smartphones, tablets, dispositivos de Internet das Coisas, etc., devido ao seu baixo consumo de energia, alto desempenho e alto custo. Os principais recursos da arquitetura ARM incluem:
Arquitetura RISC: ARM usa computação com conjunto de instruções reduzido, que possui um conjunto de instruções simples e alta velocidade de execução de instruções. Design de baixo consumo de energia: O design do processador ARM enfatiza o baixo consumo de energia e é adequado para dispositivos portáteis alimentados por bateria. Altamente modular: Os processadores ARM possuem um design altamente modular e podem ser adaptados e expandidos de acordo com as necessidades. Suporte multi-core: Os processadores ARM modernos suportam designs multi-core, permitindo computação de alto desempenho.O sistema operacional Linux tornou-se o sistema operacional preferido para o desenvolvimento de sistemas embarcados devido às suas vantagens como código aberto, estabilidade, segurança e escalabilidade. Os sistemas Linux embarcados têm as seguintes vantagens:
Código aberto: O sistema operacional Linux é de código aberto e os desenvolvedores podem obter gratuitamente o código-fonte para adaptação e personalização. Estabilidade: Após anos de desenvolvimento, o kernel Linux tornou-se muito estável e adequado para sistemas embarcados de longo prazo. Suporte avançado a drivers: O kernel Linux oferece suporte a uma ampla variedade de dispositivos de hardware e os desenvolvedores podem portar e usar facilmente vários drivers. Forte suporte da comunidade: O Linux tem uma enorme comunidade de desenvolvedores e você pode obter ajuda a tempo se encontrar problemas.A escolha da plataforma de hardware apropriada é o primeiro passo no desenvolvimento de um sistema Linux embarcado ARM. Placas de desenvolvimento embarcadas ARM comuns incluem:
Raspberry Pi: forte suporte comunitário e econômico, adequado para iniciantes. BeagleBone Black: Poderoso para aplicações de controle industrial e automação. NVIDIA Jetson: adequado para aplicações de computação de alto desempenho e inteligência artificial. Microcontroladores da série STM32: adequados para aplicações de controle de baixa potência e em tempo real.Ao escolher uma plataforma de hardware, você precisa considerar os seguintes fatores:
Desempenho do processador: Escolha o desempenho apropriado do processador com base nos requisitos do aplicativo. Memória e armazenamento: Garanta memória e armazenamento adequados para atender às necessidades do sistema operacional e dos aplicativos. Suporte periférico: Escolha uma placa de desenvolvimento que suporte periféricos apropriados de acordo com os requisitos da aplicação, como GPIO, UART, I2C, SPI, etc. Apoio comunitário: Escolha um conselho de desenvolvimento com bom apoio comunitário para ajuda e recursos.Construir um ambiente de desenvolvimento de sistema Linux embarcado ARM inclui as seguintes etapas:
Instale a cadeia de ferramentas de compilação cruzada: A cadeia de ferramentas de compilação cruzada é usada para compilar código no computador host para o quadro de destino. As cadeias de ferramentas de compilação cruzada comumente usadas incluem a cadeia de ferramentas GNU, a cadeia de ferramentas Linaro, etc.
sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabi
Configure a placa de desenvolvimento: De acordo com a documentação da placa de desenvolvimento, execute a configuração do hardware e a gravação do firmware. Os métodos de configuração comuns incluem através de porta serial, USB, Ethernet, etc.
Instale o sistema operacional: Baixe e grave a imagem do sistema operacional Linux incorporado na placa de desenvolvimento. Você pode optar por usar a imagem pré-compilada fornecida pelo fabricante ou compilar uma imagem personalizada a partir do código-fonte.
Configure o ambiente de rede: certifique-se de que a placa de desenvolvimento e o host estejam no mesmo ambiente de rede para depuração remota e transferência de arquivos.
Primeiro, baixe o código-fonte do kernel do site oficial do kernel Linux ou do repositório de código-fonte fornecido pelo fabricante. Você pode usar a ferramenta git para baixar:
clone do git https://github.com/torvalds/linux.git
cdlinux
A configuração do kernel refere-se à seleção de opções de kernel apropriadas com base na plataforma de hardware de destino e nos requisitos do aplicativo. Ferramentas de configuração comuns incluem menuconfig, xconfig, etc. Inicie a ferramenta de configuração com o seguinte comando:
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-menuconfig
Na ferramenta de configuração, você pode selecionar o tipo de processador, periféricos de hardware, sistema de arquivos, protocolo de rede e outras opções. Após salvar a configuração, um arquivo .config será gerado.
De acordo com o arquivo de configuração, use a cadeia de ferramentas de compilação cruzada para compilar o kernel. A compilação do kernel inclui a compilação da imagem do kernel, arquivos da árvore de dispositivos e módulos:
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-zImage
make ARCH=braço CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-dtbs
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-modules
Após a conclusão da compilação, a imagem do kernel zImage, o arquivo da árvore de dispositivos *.dtb e o módulo do kernel *.ko serão gerados.
Copie a imagem do kernel compilada, os arquivos da árvore de dispositivos e os módulos para a placa de desenvolvimento. A transferência de arquivos pode ser feita usando o comando scp:
scp arch/arm/boot/zImage user@board_ip:/boot/
scp arch/arm/boot/dts/*.dtb user@board_ip:/boot/
módulos scp/*.ko user@board_ip:/lib/modules/$(uname -r)/
Reinicie a placa de desenvolvimento e carregue a nova imagem do kernel e os arquivos da árvore de dispositivos.
Os drivers são a ponte entre o sistema operacional e os dispositivos de hardware. O kernel do Linux fornece uma variedade de interfaces de desenvolvimento de drivers. Os tipos de drivers comuns incluem drivers de dispositivos de caracteres, drivers de dispositivos de bloco, drivers de dispositivos de rede, etc. As etapas básicas do desenvolvimento do driver incluem:
Registrar dispositivo: registre o dispositivo no kernel e atribua um número de dispositivo. Implementar funções de operação do dispositivo: implementar funções de operação do dispositivo, como abertura, fechamento, leitura e escrita. Registrar driver: registre o driver no kernel e vincule as funções de operação do dispositivo.Drivers de dispositivo de caracteres são o tipo de driver mais comum e são usados para lidar com dispositivos que leem e gravam bytes. Aqui está um exemplo simples de driver de dispositivo de caractere:
#incluir
#incluir
#incluir
#define DEVICE_NAME mychardev
#defineBUF_SIZE 1024
estático int principal;
buffer de caracteres estático[BUF_SIZE];
static int dev_open(struct inode *inode, struct arquivo *arquivo) {
printk(KERN_INFO Dispositivo aberton);
retornar 0;
}
static int dev_release(struct inode *inode, struct arquivo *arquivo) {
printk(KERN_INFO Dispositivo fechadon);
retornar 0;
}
static ssize_t dev_read(arquivo struct *arquivo, char __user *user_buf, size_t len, loff_t *offset) {
copy_to_user(user_buf, buffer, len);
retornar lente;
}
static ssize_t dev_write(arquivo struct *arquivo, const char __user *user_buf, size_t len, loff_t *offset) {
copy_from_user(buffer, user_buf, len);
retornar lente;
}
estrutura estática file_operações fops = {
.aberto = dev_open,
.liberação = dev_release,
.ler = dev_read,
.write = dev_write,
};
static int __init mychardev_init(void) {
principal = registrador_chrdev(0, DEVICE_NAME, &fops);
se (maior < 0) {
printk(KERN_ALERT O registro do dispositivo char falhou com %dn, major);
retorno principal;
}
printk(KERN_INFO Dispositivo registrado, número principal: %dn, principal);
retornar 0;
}
vazio estático __exit mychardev_exit (void) {
unregister_chrdev(principal, DEVICE_NAME);
printk(KERN_INFO Dispositivo não registradon);
}
module_init(mychardev_init);
module_exit(mychardev_exit);
MODULE_LICENSE(GPL);
MODULE_AUTOR(Autor);
MODULE_DESCRIPTION(Um driver de dispositivo de caractere simples);
Compile o driver em um módulo do kernel e carregue-o no kernel:
make -C /lib/modules/$(uname -r)/build M=$(PWD) módulos
sudo insmod mychardev.ko
Os sistemas de arquivos comumente usados em sistemas Linux embarcados incluem:
Ext4: Um sistema de arquivos Linux comum que oferece suporte a arquivos grandes e armazenamento de grande capacidade. FAT32: Boa compatibilidade, adequado para mídias de armazenamento removíveis, como unidades flash USB e cartões SD. JFFS2: Adequado para dispositivos de memória flash, suporta proteção e compactação contra desligamento. UBIFS: Sistema de arquivos flash moderno para dispositivos flash NAND de grande capacidade.Ao selecionar um sistema de arquivos, fatores como tipo de mídia de armazenamento, capacidade e requisitos de desempenho precisam ser considerados.
O sistema de arquivos raiz contém os arquivos e diretórios básicos necessários para a inicialização do sistema operacional, incluindo módulos do kernel, arquivos de dispositivos, bibliotecas do sistema, scripts de inicialização, etc. As etapas para criar um sistema de arquivos raiz incluem:
Criar estrutura de diretórios: Crie a estrutura de diretórios básica do sistema de arquivos raiz, como /bin, /sbin, /lib, /dev, /etc, etc. Copiar arquivos: Copie os módulos compilados do kernel, bibliotecas do sistema, arquivos executáveis, etc. para o diretório correspondente. Crie arquivos de dispositivo: use o comando mknod para criar arquivos de dispositivo, como /dev/console, /dev/null, etc. Escreva um script de inicialização: Escreva um script de inicialização /etc/init.d/rcS para realizar operações de inicialização quando o sistema for iniciado.Para empacotar o sistema de arquivos raiz em um arquivo de imagem, você pode usar o comando tar:
tar -cvf rootfs.tar *
Grave a imagem do sistema de arquivos raiz na mídia de armazenamento da placa de desenvolvimento.
Em sistemas Linux embarcados, o desenvolvimento de aplicativos é basicamente o mesmo que em sistemas Linux desktop. Você pode usar linguagens de programação como C/C++, Python e Java e usar ferramentas como GCC e Makefile para desenvolvimento. Aplicativos incorporados comuns incluem:
Programa de controle de dispositivos: controla dispositivos de hardware acessando arquivos de dispositivos ou chamando interfaces de driver. Programa de comunicação de rede: realiza comunicação de rede com outros dispositivos ou servidores, como TCP/IP, UDP, HTTP e outros protocolos. Programa de interface de usuário: Use bibliotecas de interface gráfica (como Qt, GTK) ou tecnologias de interface web (como HTML, JavaScript) para implementar interfaces de interação de usuário.A depuração é uma parte importante do desenvolvimento de sistemas embarcados. As técnicas de depuração comumente usadas incluem:
Depuração de porta serial: Conecte a placa de desenvolvimento e o host por meio da porta serial e use ferramentas como minicom ou tela para gerar e interagir com informações de depuração. Depuração GDB: Use o depurador GDB para depurar aplicativos ou módulos do kernel. Você pode gerar informações de depuração por meio da cadeia de ferramentas de compilação cruzada e usar a função de depuração remota. Depuração de log: envia informações de depuração para o arquivo de log ou console por meio de funções como printk e printf. Depuração remota: Conecte a placa de desenvolvimento e o host através da rede e use ferramentas de depuração remota (como SSH, Telnet) para realizar operações de depuração.A otimização do desempenho de sistemas embarcados é uma parte importante do desenvolvimento. Os métodos comuns de otimização de desempenho incluem:
Otimização de código: use opções de otimização do compilador (como -O2, -O3) para cortar e otimizar o código. Otimização de memória: reduza a alocação de memória e libere operações para evitar vazamentos de memória. Otimização de E/S: Reduza operações de E/S desnecessárias e use E/S assíncrona e tecnologia de cache. Otimização do agendamento de tarefas: Projete prioridades de tarefas de maneira razoável para evitar preempção e impasses.A segurança dos sistemas Linux embarcados é uma consideração importante no desenvolvimento. As medidas de segurança comuns incluem:
Controle de acesso: use permissões de usuário e de arquivo para controlar o acesso aos recursos do sistema. Tecnologia de criptografia: Use tecnologia de criptografia para proteger a confidencialidade e integridade dos dados, como SSL/TLS, AES, etc. Firewall: Configure regras de firewall para restringir o acesso à rede e a abertura de portas. Atualizações de segurança: atualize sistemas e aplicativos em tempo hábil para corrigir vulnerabilidades de segurança conhecidas.A confiabilidade dos sistemas embarcados é a chave para garantir a operação estável do sistema a longo prazo. As medidas de confiabilidade comuns incluem:
Projeto tolerante a falhas: Projete um mecanismo tolerante a falhas para lidar com situações anormais e erros, como mecanismo de reinicialização, registro de erros, etc. Design redundante: Use redundância de hardware e software para melhorar a confiabilidade e a disponibilidade do sistema. Verificação de teste: conduza testes e verificações abrangentes, incluindo testes unitários, testes de integração, testes de sistema, etc., para garantir que as funções e o desempenho do sistema atendam aos requisitos. Suporte hot-swap: projete hardware e software que suportem dispositivos hot-swap para garantir que o sistema possa substituir dispositivos sem tempo de inatividade.O sistema de controle residencial inteligente é um aplicativo Linux embarcado ARM típico. O hardware do sistema inclui processadores ARM, módulos Wi-Fi, sensores, controladores, etc. O software do sistema inclui sistema operacional Linux incorporado, drivers de dispositivo, protocolos de comunicação de rede, aplicativos, etc. As funções do sistema incluem controle de equipamentos, monitoramento de status, controle remoto, cenários de automação, etc.
As etapas de desenvolvimento incluem:
Escolha uma placa de desenvolvimento: Escolha uma placa de desenvolvimento ARM que suporte Wi-Fi e interfaces periféricas avançadas, como Raspberry Pi. Instale o sistema operacional: Baixe e grave o sistema operacional Raspbian na placa de desenvolvimento. Desenvolver drivers: escrever drivers para sensores e controladores, registrar dispositivos e implementar funções operacionais. Desenvolva aplicativos: escreva aplicativos para controle de dispositivos e comunicação de rede e use o protocolo MQTT para obter controle remoto. Depuração e otimização: Use depuração de porta serial, depuração GDB e outras tecnologias para depuração, otimização de código e otimização de desempenho. Implantação e testes: Implante o sistema no ambiente real e conduza testes funcionais e de desempenho abrangentes.Os sistemas de controle de automação industrial são outro aplicativo Linux embarcado ARM típico. O hardware do sistema inclui processador ARM, interface de barramento industrial, sensores, atuadores, etc. O software do sistema inclui sistema operacional Linux incorporado, kernel de agendamento em tempo real, driver de dispositivo, algoritmo de controle, programa aplicativo, etc. As funções do sistema incluem coleta de dados, controle em tempo real, monitoramento de status, manutenção remota, etc.
As etapas de desenvolvimento incluem:
Escolha uma placa de desenvolvimento: Escolha uma placa de desenvolvimento ARM que suporte agendamento em tempo real e interfaces de barramento industrial, como BeagleBone Black. Instale o sistema operacional: Baixe e grave o sistema operacional Linux com patch de agendamento em tempo real na placa de desenvolvimento. Desenvolver drivers: escrever drivers para interfaces de barramento industriais, sensores e atuadores, registrar dispositivos e implementar funções operacionais. Desenvolva algoritmos de controle: escreva algoritmos de controle em tempo real e use kernels de agendamento em tempo real para garantir a natureza em tempo real dos algoritmos de controle. Desenvolva aplicativos: escreva aplicativos para coleta de dados, monitoramento de status e manutenção remota e use o protocolo Modbus para implementar a comunicação do dispositivo. Depuração e otimização: Use depuração de porta serial, depuração GDB e outras tecnologias para depuração, otimização de código e otimização de desempenho. Implantação e testes: Implante o sistema no ambiente real e conduza testes funcionais e de desempenho abrangentes.Através da análise do caso acima, podemos ver a complexidade e a diversidade do desenvolvimento de sistemas Linux embarcados ARM. Os desenvolvedores precisam dominar o conhecimento e as habilidades em seleção de hardware, instalação de sistema operacional, desenvolvimento de driver, design de aplicativo, segurança e confiabilidade, etc., para concluir com êxito o desenvolvimento e implantação de sistemas embarcados.
1. Quais habilidades são necessárias para o desenvolvimento de sistemas Linux embarcados? O desenvolvimento de sistemas Linux embarcados requer dominar o conhecimento básico da linguagem de programação C/C++ e do sistema operacional Linux, estar familiarizado com a arquitetura de hardware e software de sistemas embarcados, ter experiência no uso de ferramentas de desenvolvimento embarcadas e também precisa entender o desenvolvimento de drivers e sistema de dispositivos embarcados. Conhecimento de depuração e otimização de desempenho.
2. Como escolher uma placa de desenvolvimento adequada para o desenvolvimento de sistemas Linux embarcados? A escolha da placa de desenvolvimento certa depende das necessidades e do orçamento do seu projeto. Primeiro, devemos considerar se a arquitetura do processador, o desempenho e a escalabilidade da placa de desenvolvimento atendem às necessidades do projeto. Em segundo lugar, devemos considerar se o ambiente de desenvolvimento da placa de desenvolvimento é estável e confiável, se há suporte completo de software e suporte da comunidade. e, por fim, devemos considerar o preço e a oferta do conselho de desenvolvimento. A credibilidade do negócio.
3. Quais são os desafios comuns no desenvolvimento de sistemas Linux embarcados? Os desafios comuns no desenvolvimento de sistemas Linux embarcados incluem: compreensão e adaptação de hardware, desenvolvimento e depuração de drivers, otimização de desempenho do sistema, estabilidade de software e garantia de segurança, testes de integração de software e hardware, etc. Além disso, os sistemas embarcados muitas vezes precisam atender aos requisitos de tempo real e de consumo de energia, o que também impõe requisitos mais elevados às capacidades técnicas e à experiência dos desenvolvedores.
Espero que este guia possa ajudá-lo a entender e dominar melhor o desenvolvimento de sistemas Linux embarcados ARM. Lembre-se de que a prática é a chave para dominar a tecnologia e você é incentivado a tentar e explorar ativamente!