以下分析的目的不是評(píng)估硬件組件的優(yōu)缺點(diǎn)，而是作為研究和識(shí)別包含在完整嵌入式 Linux 系統(tǒng)協(xié)議中的組件的起點(diǎn)，該協(xié)議包括軟件和硬件組件。嵌入式系統(tǒng)通常具有許多用于用戶交互的設(shè)備，例如觸摸屏、鍵盤、傳感器、RS232 接口、USB 等。完全控制由內(nèi)核和眾多用戶應(yīng)用程序以及外圍驅(qū)動(dòng)程序組件的控制提供。例如，可觸摸面板是嵌入式設(shè)備的基本用戶交互設(shè)備之一，其主要功能是識(shí)別觸摸的坐標(biāo)，

因此，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的作用是在每次中斷發(fā)生時(shí)詢問觸摸屏控制器，并要求控制器發(fā)送觸摸坐標(biāo)。當(dāng)系統(tǒng)接收到坐標(biāo)時(shí)，它會(huì)將觸摸和所有數(shù)據(jù)的可用性發(fā)送給應(yīng)用程序。用戶應(yīng)用程序隨后將根據(jù)您的需要處理數(shù)據(jù)。

在要實(shí)現(xiàn)的硬件方面，嵌入式軟件開發(fā)人員正在處理通常在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中找不到的設(shè)備。GSM 模塊、SPI、I2C、ADC、NAND 存儲(chǔ)器、無線電、GPS 和其他設(shè)備就是這樣的例子。

Linux 中的設(shè)備分為三種類型：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、塊設(shè)備和字符設(shè)備。大多數(shù)設(shè)備都屬于字符設(shè)備類別。但是，許多設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不再直接作為字符設(shè)備實(shí)現(xiàn)。它們是在特定于特定設(shè)備的單一框架中開發(fā)的。例如幀緩沖區(qū)（圖形）、V4L2（視頻捕獲）和工業(yè) I/O。

處理器

Linux 在越來越多的架構(gòu)上運(yùn)行，但并非所有這些都用于嵌入式配置。快速瀏覽一下 Linux 內(nèi)核源代碼的arch子目錄會(huì)發(fā)現(xiàn)，官方內(nèi)核支持的架構(gòu)超過 20 種，其他的則由開發(fā)人員在單獨(dú)的開發(fā)樹中維護(hù)。ARM、AVR32、英特爾 x86、M32R、MIPS、摩托羅拉 68000、PowerPC 和 Super-H 是嵌入式 Linux 中使用的一些架構(gòu)。

ARM 是由 ARM Holdings Ltd 維護(hù)和推廣的 CPU 系列。與 IBM、飛思卡爾和英特爾等其他芯片制造商不同，ARM Holdings 不生產(chǎn)自己的處理器。相反，它為客戶創(chuàng)建完整的 CPU 內(nèi)核，收取許可費(fèi)，并允許公司按照它認(rèn)為合適的方式構(gòu)建芯片。所有 ARM 處理器共享相同的 ARM 指令集，這使得 ARM 指令的特定版本的所有變體完全兼容。

這并不意味著所有 ARM CPU 和板卡都可以以相同的方式進(jìn)行編程和設(shè)置。對(duì)于滿足特定架構(gòu)修訂的所有 ARM 處理器，匯編語(yǔ)言和二進(jìn)制代碼都是相同的。

當(dāng)前的架構(gòu)修訂包括 ARMv4T（其中引入了 Thumb 指令集）、ARMv5TE（“Xscale”部件的基礎(chǔ)）、ARMv6（諾基亞的 TI-OMAP 設(shè)備，以及基于 Apple iPhone 的 ARMv6KZ）和 ARMv7。這些架構(gòu)修訂中的每一個(gè)都增強(qiáng)了系列中的功能。例如，ARMv4T 引入了指令集的精簡(jiǎn)版本，旨在使用更少的內(nèi)存，同時(shí)保持足夠的性能水平。還有 ARM 處理器具有增強(qiáng)的 DSP 性能 (“E”)、Java 字節(jié)碼 (“J”) 支持、虛擬化和越來越多的其他選項(xiàng)。

目前，ARM CPU 由東芝、三星和許多其他公司制造。ARM架構(gòu)在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域都非常流行，從手機(jī)和PDA到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，周圍有數(shù)百家產(chǎn)品和服務(wù)供應(yīng)商。

Linux 支持 50 多種不同的 ARM CPU（圖 1）和總共大約 1,900 種不同的機(jī)器類型。鑒于所涉及信息的數(shù)量和種類，以及 ARM Linux 的開發(fā)速度，請(qǐng)參閱支持的 ARM 系統(tǒng)和相關(guān)詳細(xì)信息的完整更新列表。ARM 的處理器系列提供廣泛的價(jià)格和性能選項(xiàng)，具有特定的功耗和占位面積，使其成為其各自應(yīng)用的領(lǐng)導(dǎo)者。ARM 體系結(jié)構(gòu)之所以受歡迎，部分原因在于它為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了無與倫比的開發(fā)工具選擇和廣泛的應(yīng)用選擇。設(shè)計(jì)人員從 ARM 及其半導(dǎo)體合作伙伴那里獲得的靈活性和自由度伴隨著一項(xiàng)艱巨的義務(wù)：系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須選擇最適合其目標(biāo)應(yīng)用的操作系統(tǒng)。但是，有一些更高級(jí)別的決策為選擇操作系統(tǒng)提供了框架。其中包括對(duì)簡(jiǎn)單問題的回答，例如應(yīng)用程序是否需要內(nèi)存管理單元。選擇操作系統(tǒng)的其他方面涉及成本等問題，上市時(shí)間，以及實(shí)時(shí)功能等特殊功能。系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)特定操作系統(tǒng)的熟悉程度是最重要的要求之一。通過使用熟悉的操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將能夠縮短設(shè)計(jì)周期，從而生產(chǎn)出更高性能的系統(tǒng)。在這些條件下，主要問題是評(píng)估在 ARM 平臺(tái)上運(yùn)行的操作系統(tǒng)版本。如果應(yīng)用程序是新應(yīng)用程序或已決定切換到新操作系統(tǒng)，則必須考慮一些因素，即：在這些條件下，主要問題是評(píng)估在 ARM 平臺(tái)上運(yùn)行的操作系統(tǒng)版本。如果應(yīng)用程序是新應(yīng)用程序或已決定切換到新操作系統(tǒng)，則必須考慮一些因素，即：在這些條件下，主要問題是評(píng)估在 ARM 平臺(tái)上運(yùn)行的操作系統(tǒng)版本。如果應(yīng)用程序是新應(yīng)用程序或已決定切換到新操作系統(tǒng)，則必須考慮一些因素，即：

• 總成本（包括直接成本，例如許可、培訓(xùn)、支持和版稅）
• 實(shí)時(shí)能力
• 軟件可用性和性能（易用性和交付高性能系統(tǒng)的能力顯然是評(píng)估操作系統(tǒng)的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)）
• 硬件/CPU 兼容性（使用 ARM 處理器時(shí)，兼容性問題大大減少，因?yàn)?ARM 的市場(chǎng)領(lǐng)先地位是其他硬件制造商在其產(chǎn)品中設(shè)計(jì)兼容性的動(dòng)力）
• 使用/內(nèi)存代碼大小
• 網(wǎng)絡(luò)能力
• 文檔和技術(shù)支持
• 供應(yīng)商聲譽(yù)
• 非經(jīng)常性工程設(shè)計(jì)成本（包括軟件許可、技術(shù)支持以及支付給設(shè)計(jì)師和程序員的工資）

圖 1：ARM 處理器 (ARM11) 的一般布局示例

?

圖 2：PCI 總線

?

圖 3：USB 總線

總線接口

總線和接口是 CPU 和系統(tǒng)外圍設(shè)備之間的連接元件。每個(gè)總線和接口都有自己的復(fù)雜性，Linux 支持級(jí)別提供了各種選項(xiàng)。尤其是Linux支持很多總線，其中一些主要用于工作站或服務(wù)器系統(tǒng)。Linux 系統(tǒng)抽象允許內(nèi)核支持各種設(shè)備，這些設(shè)備可以通過使用特定于平臺(tái)的代碼檢測(cè)到，也可以通過引導(dǎo)加載程序/內(nèi)核提及。在本節(jié)中，我們將嘗試為嵌入式 Linux 系統(tǒng)中使用的主要總線提供描述性支持。

外圍組件互連 (PCI) 是目前最流行的總線（圖 2）。PCI 旨在替代傳統(tǒng)的 Intel PC ISA 總線，現(xiàn)在有兩種形式：具有 120（32 位 PCI）或 184（64 位 PCI-X）通道的傳統(tǒng)并行插槽外形，以及更新的（并且可能更快）PCI Express（通常稱為 PCIe 或 PCI-E）。PCI 需要設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序使用的軟件支持。該支持的第一部分需要在引導(dǎo)時(shí)初始化和配置 PCI 設(shè)備（稱為 PCI 枚舉）。在 PC 系統(tǒng)上，這通常由 BIOS 完成，如果 BIOS 已初始化，內(nèi)核將檢索 PCI 信息；但是，內(nèi)核能夠進(jìn)行初始化和配置。在這兩種情況下，內(nèi)核為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供了一個(gè) API，以便可以訪問和操作有關(guān) PCI 總線上的設(shè)備的信息。還有許多易于使用的工具用于操作 PCI 設(shè)備——例如，用于列出 PCI 設(shè)備和總線的 lspci 列表。

通用串行總線 (USB) 由組成 USB 實(shí)施者論壇 (USB-IF) 的一組公司開發(fā)和維護(hù)。USB（圖 3）最初是為了替代碎片化的鏈路接口而開發(fā)的，由于其低成本、易用性和高速吞吐量，它已迅速成為外圍設(shè)備的首選接口。USB 總線越來越多地出現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)的硬件中，例如來自各個(gè)制造商的 SBC 和 SoC，特別是由于通過 USB On-The-Go (OTG) 增強(qiáng)了外圍設(shè)備：一種允許任何主機(jī)設(shè)備進(jìn)行通信的規(guī)范與 USB 設(shè)備。

USB 設(shè)備以樹的形式連接。根稱為主集線器，通常是連接所有 USB 設(shè)備和非根集線器的主板。主集線器負(fù)責(zé)直接或通過輔助集線器連接到它的所有設(shè)備。Linux USB 支持的主要組件由內(nèi)核中的 USB 堆棧提供，其中還包括 Linux 支持的 USB 設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。用于管理 USB 設(shè)備的工具可通過USB Linux 項(xiàng)目網(wǎng)站獲得。

最后，仍然在設(shè)備管理中使用的一個(gè)特別“古老”的總線是串行端口，它無疑是系統(tǒng)開發(fā)人員最好的朋友（或者他最大的敵人，這取決于他過去使用此接口的經(jīng)驗(yàn)）。許多嵌入式系統(tǒng)是使用主機(jī)和目標(biāo)之間的 RS232 串行鏈路開發(fā)和調(diào)試的。RS232 接口的簡(jiǎn)單性促進(jìn)了它的傳播和采用，盡管它的帶寬與其他傳輸方式相比非常有限。內(nèi)核中的主要串行（UART）驅(qū)動(dòng)程序是drivers/char/serial.c。一些架構(gòu)，例如 SuperH，有其他串行驅(qū)動(dòng)程序來適應(yīng)它們的硬件。但是，Linux 中的串行設(shè)備都可以作為終端設(shè)備進(jìn)行訪問，就像在 Unix 系統(tǒng)中一樣，無論底層硬件和相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序如何。

?

圖 4：Linux 內(nèi)核的 SocketCAN

?

CAN總線詳解

如今，CAN 總線被廣泛用于各種控制應(yīng)用。它是一種在自動(dòng)化、嵌入式設(shè)備和汽車中廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，專門設(shè)計(jì)用于即使在受到電磁波和各種噪聲源存在強(qiáng)烈干擾的環(huán)境中也能工作。

CAN 通過基于“顯性”和“隱性”位的協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。幀可以分為四種類型：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀和過載幀。

在控制系統(tǒng)中實(shí)施 CAN 協(xié)議必須滿足低至幾毫秒的嚴(yán)格時(shí)序要求。在多任務(wù)系統(tǒng)中的多個(gè)進(jìn)程共享同一個(gè) CPU 的用戶空間上下文中，這是無法保證的。根據(jù)要加載的系統(tǒng)，進(jìn)程會(huì)通過調(diào)度程序和系統(tǒng)計(jì)時(shí)器的分辨率來調(diào)整它們的 CPU 時(shí)間。實(shí)現(xiàn)多任務(wù)操作系統(tǒng)協(xié)議的常見替代方法是擁有一個(gè)單獨(dú)的 CAN CPU 或使用所選多任務(wù)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)變體。

多任務(wù)操作系統(tǒng)中的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信在 Internet 協(xié)議 (IP) 通信中是眾所周知的。幾種面向連接和無連接的基于 IP 的協(xié)議，例如 TCP 和 UDP，是常見操作系統(tǒng)中的最新技術(shù)。通過定制這種互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以滿足與 CAN 傳輸協(xié)議相同的要求，實(shí)現(xiàn)了操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)堆棧內(nèi)的總線實(shí)現(xiàn)。

這種方法有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

• 系統(tǒng)調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)編程接口（“網(wǎng)絡(luò)套接字”）
• 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模型
• 在網(wǎng)絡(luò)堆棧中建立的抽象級(jí)別
• 在操作系統(tǒng)上下文中實(shí)現(xiàn)的通信協(xié)議
• 多用戶訪問網(wǎng)絡(luò)

Linux 系統(tǒng)中 CAN 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是通過 SocketCAN 包進(jìn)行規(guī)范的。雖然已經(jīng)有其他基于字符設(shè)備的 Linux CAN 實(shí)現(xiàn)，但 SocketCAN 使用 Berkeley Socket API、Linux 網(wǎng)絡(luò)堆棧，并將 CAN 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)接口。CAN 套接字 API 的設(shè)計(jì)盡可能接近 TCP/IP 協(xié)議，以使程序員熟悉網(wǎng)絡(luò)編程并輕松學(xué)習(xí)如何使用總線（圖 4）。

圖 5：看門狗設(shè)置示例

監(jiān)控系統(tǒng)

故障是現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)不可避免的組成部分，可以通過仔細(xì)設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)測(cè)試來緩解。由設(shè)計(jì)人員來規(guī)劃這種可能性，并通過監(jiān)控硬件和軟件系統(tǒng)作為看門狗系統(tǒng)來提供恢復(fù)方法（圖 5）。

Linux 支持兩種類型的系統(tǒng)監(jiān)控結(jié)構(gòu)：看門狗定時(shí)器和硬件健康監(jiān)控。對(duì)于第一種結(jié)構(gòu)，設(shè)想了硬件和軟件實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于提供系統(tǒng)物理狀態(tài)信息的硬件健康監(jiān)測(cè)，總是需要適當(dāng)?shù)挠布?/font>

Linux 內(nèi)核包括許多看門狗定時(shí)器的驅(qū)動(dòng)程序。支持的看門狗設(shè)備的完整列表可以在看門狗卡子菜單的內(nèi)核編譯配置菜單中找到。該列表包括外圍看門狗定時(shí)器板驅(qū)動(dòng)程序、軟件看門狗驅(qū)動(dòng)程序，以及一些 CPU（如 MachZ 和 SuperH）中的看門狗定時(shí)器驅(qū)動(dòng)程序。雖然建議使用軟件看門狗來避免適當(dāng)?shù)挠布撮T狗的成本，但在某些情況下，軟件看門狗可能無法重新啟動(dòng)系統(tǒng)，并且重新啟動(dòng)的能力將取決于機(jī)器的狀態(tài)和中斷。

看門狗定時(shí)器在 Linux 中被視為 /dev/watchdog，需要定期寫入以避免重新啟動(dòng)系統(tǒng)。

Linux 通過“ lm_sensors 的硬件監(jiān)控”支持幾個(gè)硬件監(jiān)控設(shè)備。該項(xiàng)目網(wǎng)站包含受支持設(shè)備的完整列表以及有關(guān)軟件安裝和操作的大量文檔。項(xiàng)目網(wǎng)站提供的 lm_sensors 包包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和用戶級(jí)實(shí)用程序。這些實(shí)用程序包括許多選項(xiàng)，特別是 sensord，它是一個(gè)可以記錄傳感器值并在發(fā)生警報(bào)情況時(shí)通過 syslog ALERT 級(jí)別向系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)的守護(hù)程序。

貯存

從歷史上看，嵌入式系統(tǒng)上的歸檔是使用只讀代碼的 ROM 和讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的 NVRAM 完成的。然而，今天，它們已被閃存技術(shù)所取代，閃存技術(shù)提供高密度和低成本，大大增加了它們?cè)谇度胧较到y(tǒng)中的使用。在嵌入式 Linux 系統(tǒng)上，閃存通常用于存儲(chǔ)引導(dǎo)加載程序和存儲(chǔ)操作系統(tǒng)映像、應(yīng)用程序、庫(kù)映像和讀寫文件（帶有配置數(shù)據(jù)）。在這四個(gè)中，前三個(gè)對(duì)于系統(tǒng)的大部分運(yùn)行時(shí)都是只讀的。如果您使用的是引導(dǎo)加載程序，您應(yīng)該至少有兩個(gè)分區(qū)：一個(gè)是引導(dǎo)加載程序，另一個(gè)是根文件系統(tǒng)。Flash拆分可以描述為一個(gè)flash map；也就是說，您計(jì)劃如何對(duì)閃存進(jìn)行分區(qū)以進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的固定內(nèi)存映射。圖 6 所示的 MTD 內(nèi)核子系統(tǒng)支持閃存和類似的非易失性固態(tài)存儲(chǔ)。創(chuàng)建 MTD 子系統(tǒng)是為了在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和更高級(jí)別的應(yīng)用程序之間提供一個(gè)抽象層。它由以下元素組成： MTD 核心，包括例行庫(kù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和子系統(tǒng)其余部分使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；映射驅(qū)動(dòng)程序，用于分析收到訪問請(qǐng)求時(shí)處理器必須執(zhí)行的操作；知道與 NOR 閃存通信所需命令的 NOR 驅(qū)動(dòng)程序；實(shí)現(xiàn)對(duì) NAND 閃存控制器的低級(jí)支持的 NAND 驅(qū)動(dòng)程序；用戶模塊，與用戶空間程序交互的層；以及一些特殊閃光燈的單獨(dú)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

圖 6：MTD 架構(gòu)

?

圖 7：設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和 Linux 之間的關(guān)系

?

嵌入式驅(qū)動(dòng)程序

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（圖 7）是 Linux 的一部分，借助定義明確的接口提供對(duì)硬件的訪問。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序分為三種類型：

1. 字符，用于驅(qū)動(dòng)使用標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用（例如 open、read）從應(yīng)用程序訪問的順序訪問設(shè)備。例如，文本控制臺(tái)（/dev/console）和串口（/dev/ttyS0）都是char驅(qū)動(dòng)的例子。
2. 塊，用于通過塊級(jí)別的數(shù)據(jù)交換來驅(qū)動(dòng)隨機(jī)訪問設(shè)備。與字體驅(qū)動(dòng)不同，設(shè)備驅(qū)動(dòng)用于存儲(chǔ)文件系統(tǒng)，它們的應(yīng)用程序不能直接訪問，只能通過文件系統(tǒng)訪問。例如，磁盤驅(qū)動(dòng)程序是塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。
3. 網(wǎng)絡(luò)，被視為一類不同的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，因?yàn)樗鼈兣c網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧交互。內(nèi)核提供了幾個(gè)子程序或用戶空間函數(shù)，允許程序員運(yùn)行最終用戶應(yīng)用程序以與硬件交互。這種對(duì)話通常發(fā)生在 UNIX 或 Linux 系統(tǒng)中，通過讀取和寫入文件的函數(shù)或子程序。另一方面，Linux 內(nèi)核提供了幾個(gè)函數(shù)或子例程來直接與硬件執(zhí)行低級(jí)交互，并允許將信息從內(nèi)核傳輸?shù)接脩艨臻g。

通常，對(duì)于用戶空間中的每個(gè)功能（允許使用設(shè)備或文件），內(nèi)核空間中都有一個(gè)等價(jià)物（允許將信息從內(nèi)核傳遞給用戶，反之亦然）。Linux 內(nèi)核中有許多設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（這是 Linux 的優(yōu)勢(shì)之一），可以很方便地加以區(qū)分，特別是：內(nèi)核代碼，它是內(nèi)核本身的一部分，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能會(huì)損壞整個(gè)系統(tǒng); 為 Linux 內(nèi)核或相應(yīng)子系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)接口的內(nèi)核接口；以及使用標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)的內(nèi)核機(jī)制和服務(wù)，例如內(nèi)存分配和中斷。大多數(shù) Linux 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以在需要時(shí)作為內(nèi)核模塊按需加載，并在不再使用時(shí)卸載，

Linux 內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序可以編譯為可以在運(yùn)行時(shí)加載或內(nèi)置到內(nèi)核本身的模塊。模塊驅(qū)動(dòng)程序稱為可加載內(nèi)核模塊 (LKM)，其行為類似于 Windows DLL。LKM 由單個(gè) ELF 對(duì)象文件組成，通常命名為“serial.ko”。一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是它可以在運(yùn)行時(shí)通過簡(jiǎn)單的命令加載到內(nèi)存中；另外，在更新LKM代碼時(shí)，不需要編譯整個(gè)內(nèi)核；相反，只編譯 LKM。

　　審核編輯：湯梓紅