Разработка встраиваемых систем Linux для ARM — сложная и многогранная область, сочетающая в себе суть встраиваемых систем, операционных систем Linux и архитектуры ARM. Характеристики низкого энергопотребления архитектуры ARM, преимущества Linux с открытым исходным кодом и широкое применение встроенных систем делают встроенные системы Linux ARM идеальным выбором для многих проектов. Редактор Downcodes предоставит вам подробное руководство, охватывающее все аспекты выбора оборудования, установки операционной системы, разработки драйверов, дизайна приложений и т. д., чтобы помочь вам получить более глубокое понимание процесса и деталей встроенного Linux на ARM. развитие системы.
Подробное описание разработки встроенной системы Linux на ARM: подробное руководство
Разработка встроенной системы Linux для ARM — это сложная технология, охватывающая множество областей, включая встроенные системы, операционные системы Linux и архитектуру ARM. Характеристики низкого энергопотребления архитектуры ARM, характеристики Linux с открытым исходным кодом и широкое применение встроенных систем являются основными причинами выбора встроенных систем Linux ARM. В этой статье подробно представлены все аспекты разработки встроенной системы Linux для ARM: от выбора оборудования, установки операционной системы, разработки драйверов до разработки приложений, а также предоставлено разработчикам подробное руководство.
ARM (Advanced RISC Machine) — это микропроцессорная архитектура, основанная на принципах вычислений с сокращенным набором команд (RISC). Процессоры ARM широко используются в различных встроенных системах, таких как смартфоны, планшеты, устройства Интернета вещей и т. д., благодаря их низкому энергопотреблению, высокой производительности и невысокой стоимости. Основные особенности архитектуры ARM включают в себя:
Архитектура RISC: ARM использует вычисления с сокращенным набором команд, которые имеют простой набор команд и высокую скорость выполнения инструкций. Конструкция с низким энергопотреблением: конструкция процессора ARM подчеркивает низкое энергопотребление и подходит для портативных устройств с батарейным питанием. Высокая модульность: процессоры ARM имеют модульную конструкцию и могут быть адаптированы и расширены в соответствии с потребностями. Поддержка многоядерности. Современные процессоры ARM поддерживают многоядерные конструкции, обеспечивающие высокопроизводительные вычисления.Операционная система Linux стала предпочтительной операционной системой для разработки встраиваемых систем благодаря своим преимуществам, таким как открытый исходный код, стабильность, безопасность и масштабируемость. Встроенные системы Linux имеют следующие преимущества:
Открытый исходный код: операционная система Linux имеет открытый исходный код, и разработчики могут свободно получать исходный код для адаптации и настройки. Стабильность. После многих лет разработки ядро Linux стало очень стабильным и пригодным для долговременной работы встроенных систем. Богатая поддержка драйверов. Ядро Linux поддерживает широкий спектр аппаратных устройств, и разработчики могут легко портировать и использовать различные драйверы. Сильная поддержка сообщества: Linux имеет огромное сообщество разработчиков, и вы сможете вовремя получить помощь, если столкнетесь с проблемами.Выбор подходящей аппаратной платформы — это первый шаг в разработке встроенной системы Linux на ARM. Общие платы для разработки встраиваемых систем ARM включают в себя:
Raspberry Pi: экономичный, сильная поддержка сообщества, подходит для новичков. BeagleBone Black: мощный инструмент для промышленного контроля и автоматизации. NVIDIA Jetson: подходит для высокопроизводительных вычислений и приложений искусственного интеллекта. Микроконтроллеры серии STM32: подходят для маломощных приложений управления в реальном времени.При выборе аппаратной платформы необходимо учитывать следующие факторы:
Производительность процессора: выберите подходящую производительность процессора в зависимости от требований приложения. Память и хранилище. Обеспечьте достаточный объем памяти и хранилища для удовлетворения потребностей операционной системы и приложений. Поддержка периферийных устройств: выберите плату разработки, которая поддерживает соответствующие периферийные устройства в соответствии с требованиями приложения, такие как GPIO, UART, I2C, SPI и т. д. Поддержка сообщества: выберите совет разработчиков с хорошей поддержкой сообщества для помощи и ресурсов.Создание среды разработки встроенной системы Linux на ARM включает в себя следующие шаги:
Установите цепочку инструментов кросс-компиляции. Цепочка инструментов кросс-компиляции используется для компиляции кода на главном компьютере для целевой платы. Обычно используемые цепочки инструментов кросс-компиляции включают цепочку инструментов GNU, цепочку инструментов Linaro и т. д.
sudo apt-get установить gcc-arm-linux-gnueabi
Настройте плату разработки. В соответствии с документацией платы разработки выполните настройку оборудования и запись прошивки. Общие методы настройки включают последовательный порт, USB, Ethernet и т. д.
Установите операционную систему. Загрузите и запишите встроенный образ операционной системы Linux на плату разработки. Вы можете использовать предварительно скомпилированный образ, предоставленный производителем, или скомпилировать настроенный образ из исходного кода.
Настройте сетевое окружение: убедитесь, что плата разработки и хост находятся в одной сетевой среде для удаленной отладки и передачи файлов.
Сначала загрузите исходный код ядра с официального сайта ядра Linux или из репозитория исходного кода, предоставленного производителем. Вы можете использовать инструмент git для загрузки:
клон git https://github.com/torvalds/linux.git
cdlinux
Конфигурация ядра означает выбор соответствующих параметров ядра на основе целевой аппаратной платформы и требований приложения. Общие инструменты настройки включают в себя менюconfig, xconfig и т. д. Запустите инструмент настройки с помощью следующей команды:
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-menuconfig
В инструменте настройки вы можете выбрать тип процессора, периферийное оборудование, файловую систему, сетевой протокол и другие параметры. После сохранения конфигурации будет создан файл .config.
В соответствии с файлом конфигурации используйте цепочку инструментов кросс-компиляции для компиляции ядра. Компиляция ядра включает в себя компиляцию образа ядра, файлов дерева устройств и модулей:
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
После завершения компиляции будут сгенерированы образ ядра zImage, файл дерева устройств *.dtb и модуль ядра *.ko.
Скопируйте скомпилированный образ ядра, файлы дерева устройств и модули на плату разработки. Перенос файла можно выполнить с помощью команды scp:
scp Arch/arm/boot/zImage user@board_ip:/boot/
scp Arch/arm/boot/dts/*.dtb user@board_ip:/boot/
scp-модули/*.ko user@board_ip:/lib/modules/$(uname -r)/
Перезапустите плату разработки и загрузите новый образ ядра и файлы дерева устройств.
Драйверы — это мост между операционной системой и аппаратными устройствами. Ядро Linux предоставляет множество интерфейсов разработки драйверов. К распространенным типам драйверов относятся драйверы символьных устройств, драйверы блочных устройств, драйверы сетевых устройств и т. д. Основные этапы разработки драйверов включают в себя:
Зарегистрировать устройство: зарегистрируйте устройство в ядре и присвойте ему номер. Реализация функций работы устройства: реализация функций работы устройства, таких как открытие, закрытие, чтение и запись. Зарегистрировать драйвер: Зарегистрируйте драйвер в ядре и привяжите функции работы устройства.Драйверы символьных устройств являются наиболее распространенным типом драйверов и используются для управления устройствами, считывающими и записывающими байты. Вот простой пример драйвера символьного устройства:
#включать
#включать
#включать
#define DEVICE_NAME mychardev
#defineBUF_SIZE 1024
статический int major;
статический буфер символов [BUF_SIZE];
static int dev_open(struct inode *inode, struct file *file) {
printk(Устройство KERN_INFO открытоn);
вернуть 0;
}
static int dev_release(struct inode *inode, struct file *file) {
printk(KERN_INFO Устройство закрытоn);
вернуть 0;
}
static ssize_t dev_read(struct file *file, char __user *user_buf, size_t len, loff_t *offset) {
copy_to_user (user_buf, буфер, длина);
вернуть Лен;
}
static ssize_t dev_write(struct file *file, const char __user *user_buf, size_t len, loff_t *offset) {
copy_from_user (буфер, user_buf, len);
вернуть Лен;
}
статическая структура file_operations fops = {
.open = dev_open,
.release = dev_release,
.read = dev_read,
.write = dev_write,
};
статический int __init mychardev_init (void) {
основной = Register_chrdev (0, DEVICE_NAME, &fops);
если (старший <0) {
printk(KERN_ALERT Регистрация символьного устройства не удалась с %dn, основной);
возвращение майора;
}
printk(KERN_INFO Устройство зарегистрировано, основной номер: %dn, основной);
вернуть 0;
}
статическая пустота __exit mychardev_exit (void) {
unregister_chrdev (основной, DEVICE_NAME);
printk(KERN_INFO Устройство не зарегистрированоn);
}
Module_init (mychardev_init);
Module_exit (mychardev_exit);
МОДУЛЬ_ЛИЦЕНЗИЯ(GPL);
MODULE_AUTHOR(Автор);
MODULE_DESCRIPTION (простой драйвер символьного устройства);
Скомпилируйте драйвер в модуль ядра и загрузите его в ядро:
make -C /lib/modules/$(uname -r)/build M=$(PWD) модули
sudo insmod mychardev.ko
Обычно используемые файловые системы во встроенных системах Linux включают:
Ext4: распространенная файловая система Linux, поддерживающая большие файлы и хранилище большой емкости. FAT32: Хорошая совместимость, подходит для съемных носителей, таких как USB-накопители и SD-карты. JFFS2: подходит для устройств флэш-памяти, поддерживает защиту от отключения питания и сжатие. UBIFS: Современная файловая система флэш-памяти для флэш-устройств NAND большой емкости.При выборе файловой системы необходимо учитывать такие факторы, как тип носителя, емкость и требования к производительности.
Корневая файловая система содержит основные файлы и каталоги, необходимые для запуска операционной системы, включая модули ядра, файлы устройств, системные библиотеки, сценарии инициализации и т. д. Шаги по созданию корневой файловой системы включают в себя:
Создание структуры каталогов: создайте базовую структуру каталогов корневой файловой системы, например /bin, /sbin, /lib, /dev, /etc и т. д. Копирование файлов: Скопируйте скомпилированные модули ядра, системные библиотеки, исполняемые файлы и т. д. в соответствующий каталог. Создание файлов устройств. Используйте команду mknod для создания файлов устройств, таких как /dev/console, /dev/null и т. д. Напишите сценарий инициализации: напишите сценарий инициализации /etc/init.d/rcS для выполнения операций инициализации при запуске системы.Чтобы упаковать корневую файловую систему в файл образа, вы можете использовать команду tar:
tar -cvf rootfs.tar *
Запишите образ корневой файловой системы на носитель макетной платы.
Во встроенных системах Linux разработка приложений в основном такая же, как и в настольных системах Linux. Вы можете использовать такие языки программирования, как C/C++, Python и Java, а также использовать для разработки такие инструменты, как GCC и Makefile. Общие встроенные приложения включают в себя:
Программа управления устройствами: управляет аппаратными устройствами путем доступа к файлам устройств или вызова интерфейсов драйверов. Программа сетевой связи: реализует сетевую связь с другими устройствами или серверами, например TCP/IP, UDP, HTTP и другие протоколы. Программа пользовательского интерфейса: используйте библиотеки графического интерфейса (например, Qt, GTK) или технологии веб-интерфейса (например, HTML, JavaScript) для реализации интерфейсов взаимодействия с пользователем.Отладка — важная часть разработки встроенных систем. Обычно используемые методы отладки включают в себя:
Отладка через последовательный порт. Подключите плату разработки и хост через последовательный порт и используйте такие инструменты, как minicom или экран, для вывода и взаимодействия с отладочной информацией. Отладка GDB: используйте отладчик GDB для отладки приложений или модулей ядра. Вы можете генерировать отладочную информацию с помощью цепочки инструментов кросс-компиляции и использовать функцию удаленной отладки. Отладка журнала: вывод отладочной информации в файл журнала или консоль с помощью таких функций, как printk и printf. Удаленная отладка: подключите плату разработки и хост через сеть и используйте инструменты удаленной отладки (такие как SSH, Telnet) для выполнения операций отладки.Оптимизация производительности встроенных систем — важная часть разработки. Общие методы оптимизации производительности включают в себя:
Оптимизация кода. Используйте параметры оптимизации компилятора (например, -O2, -O3) для обрезки и оптимизации кода. Оптимизация памяти: сократите операции выделения и освобождения памяти, чтобы избежать утечек памяти. Оптимизация ввода-вывода: сократите количество ненужных операций ввода-вывода и используйте технологию асинхронного ввода-вывода и кэширования. Оптимизация планирования задач: разумно создавайте приоритеты задач, чтобы избежать вытеснения задач и тупиков.Безопасность встроенных систем Linux является важным фактором при разработке. Общие меры безопасности включают в себя:
Контроль доступа: используйте права пользователя и права доступа к файлам для управления доступом к системным ресурсам. Технология шифрования: используйте технологию шифрования для защиты конфиденциальности и целостности данных, например SSL/TLS, AES и т. д. Брандмауэр: настройте правила брандмауэра, чтобы ограничить доступ к сети и открытие портов. Обновления безопасности: своевременно обновляйте системы и приложения для устранения известных уязвимостей безопасности.Надежность встраиваемых систем является залогом обеспечения долгосрочной стабильной работы системы. Общие меры надежности включают в себя:
Отказоустойчивая конструкция. Разработайте отказоустойчивый механизм для обработки нештатных ситуаций и ошибок, например механизм перезапуска, ведение журнала ошибок и т. д. Резервированная конструкция: используйте резервирование аппаратного и программного обеспечения для повышения надежности и доступности системы. Тестовая проверка. Проведите комплексное тестирование и проверку, включая модульное тестирование, интеграционное тестирование, тестирование системы и т. д., чтобы убедиться, что функции и производительность системы соответствуют требованиям. Поддержка горячей замены. Разработайте аппаратное и программное обеспечение, поддерживающее устройства с возможностью горячей замены, чтобы система могла заменять устройства без простоев.Система управления умным домом представляет собой типичное Linux-приложение, встроенное в ARM. Аппаратное обеспечение системы включает в себя процессоры ARM, модули Wi-Fi, датчики, контроллеры и т. д. Системное программное обеспечение включает встроенную операционную систему Linux, драйверы устройств, протоколы сетевой связи, приложения и т. д. Функции системы включают управление оборудованием, мониторинг состояния, дистанционное управление, сценарии автоматизации и т. д.
Этапы разработки включают в себя:
Выберите плату для разработки. Выберите плату для разработки ARM, которая поддерживает Wi-Fi и богатые периферийные интерфейсы, например Raspberry Pi. Установите операционную систему: загрузите и запишите операционную систему Raspbian на плату разработки. Разрабатывать драйверы: писать драйверы для датчиков и контроллеров, регистрировать устройства и реализовывать рабочие функции. Разрабатывайте приложения: пишите приложения для управления устройствами и сетевой связью, а также используйте протокол MQTT для удаленного управления. Отладка и оптимизация: используйте отладку последовательного порта, отладку GDB и другие технологии для отладки, оптимизации кода и оптимизации производительности. Развертывание и тестирование. Разверните систему в реальной среде и проведите комплексное функциональное тестирование и тестирование производительности.Системы управления промышленной автоматизацией — еще одно типичное приложение Linux, встроенное в ARM. Аппаратное обеспечение системы включает процессор ARM, интерфейс промышленной шины, датчики, исполнительные механизмы и т. д. Системное программное обеспечение включает в себя встроенную операционную систему Linux, ядро планирования в реальном времени, драйвер устройства, алгоритм управления, прикладную программу и т. д. Функции системы включают сбор данных, контроль в режиме реального времени, мониторинг состояния, удаленное обслуживание и т. д.
Этапы разработки включают в себя:
Выберите плату разработки. Выберите плату разработки ARM, которая поддерживает планирование в реальном времени и интерфейсы промышленной шины, например BeagleBone Black. Установите операционную систему: загрузите и запишите операционную систему Linux с патчем планирования в реальном времени на плату разработки. Разрабатывайте драйверы: пишите драйверы для промышленных шинных интерфейсов, датчиков и исполнительных устройств, регистрируйте устройства и реализуйте рабочие функции. Разрабатывайте алгоритмы управления: напишите алгоритмы управления в реальном времени и используйте ядра планирования в реальном времени, чтобы обеспечить работу алгоритмов управления в реальном времени. Разрабатывайте приложения: напишите приложения для сбора данных, мониторинга состояния и удаленного обслуживания, а также используйте протокол Modbus для реализации связи между устройствами. Отладка и оптимизация: используйте отладку последовательного порта, отладку GDB и другие технологии для отладки, оптимизации кода и оптимизации производительности. Развертывание и тестирование. Разверните систему в реальной среде и проведите комплексное функциональное тестирование и тестирование производительности.Благодаря приведенному выше анализу случаев мы можем увидеть сложность и разнообразие разработки встраиваемых систем Linux для ARM. Разработчикам необходимо овладеть знаниями и навыками в выборе оборудования, установке операционной системы, разработке драйверов, проектировании приложений, безопасности и надежности и т. д., чтобы успешно завершить разработку и развертывание встроенных систем.
1. Какие навыки необходимы для разработки встраиваемых систем Linux? Разработка встраиваемой системы Linux требует владения базовыми знаниями языка программирования C/C++ и операционной системы Linux, знания аппаратной и программной архитектуры встраиваемых систем, опыта использования инструментов разработки встраиваемых систем, а также понимания разработки драйверов и системы. Знание встраиваемых устройств. Знание отладки и оптимизации производительности.
2. Как выбрать подходящую плату разработки для разработки встроенной системы Linux? Выбор подходящей платы для разработки зависит от потребностей и бюджета вашего проекта. Во-первых, мы должны рассмотреть, соответствуют ли архитектура процессора, производительность и масштабируемость платы разработки потребностям проекта. Во-вторых, мы должны рассмотреть, является ли среда разработки платы разработки стабильной и надежной, имеется ли полная поддержка программного обеспечения и поддержка сообщества. и, наконец, мы должны учитывать цену и поставку платы для разработки. Доверие к бизнесу.
3. Каковы общие проблемы при разработке встроенных систем Linux? Общие проблемы при разработке встроенных систем Linux включают: понимание и адаптацию аппаратного обеспечения, разработку и отладку драйверов, оптимизацию производительности системы, обеспечение стабильности и безопасности программного обеспечения, тестирование интеграции программного и аппаратного обеспечения и т. д. Кроме того, встраиваемые системы часто должны соответствовать требованиям реального времени и энергопотребления, что также предъявляет более высокие требования к техническим возможностям и опыту разработчиков.
Я надеюсь, что это руководство поможет вам лучше понять и освоить разработку встраиваемых систем Linux для ARM. Помните, что практика — это ключ к освоению технологий, и вам рекомендуется активно пробовать и исследовать!