本系列文章深入探討了新興的確定性以太網標準以太網時間敏感網絡 (TSN)，以及如何在各種基于 Linux 的嵌入式系統上有效地實現它。我們將使用一系列低成本、現成的開發板硬件，演示如何為我們的用例配置 Raspberry Pi 和聯發科 LinkIt 智能板，然后使用實時數據包技術在設備之間進行通信，并控制機器人外圍設備。

首先，需要對底層組件有基本的了解。在本文中，我們從嵌入式 Linux 開始。

桌面 Linux 與嵌入式 Linux

嵌入式 Linux 是 Linux 內核的改編版，用于嵌入式系統。嵌入式 Linux 最流行的例子是 Android 操作系統。

但是，需要大量硬件資源來支持嵌入式 Linux，特別是如果它將部署在實時機器對機器 (M2M) 通信、機器人控制或本系列后面重點介紹的復雜計時應用等用例中. 這些資源至少包括支持以太網和其他基本接口的嵌入式硬件平臺（板或片上系統），以及用于容納操作系統、庫、文件系統、應用程序、引導加載程序、等等

就像普通的 Linux 一樣，嵌入式 Linux 是開源的、可修改的，并且是用 C 語言編寫的。同樣就像桌面 Linux 或任何其他操作系統一樣，嵌入式 Linux 的作用是將用戶和應用程序從底層處理器中抽象出來，內存和其他硬件組件；為各種功能分配和交付系統資源；同時管理多個任務和應用程序，等等。因此，嵌入式 Linux 系統堆棧看起來就像您的典型桌面。

盡管如此，如果您現在還沒有注意到，嵌入式 Linux 和傳統桌面 Linux 之間存在許多顯著差異。其中包括直接從閃存而不是硬盤驅動器啟動的能力。

下面提供了一個比較嵌入式和桌面 Linux 之間一些主要差異的圖表。

嵌入式 Linux：交叉編譯器、庫和引導加載程序

由于嵌入式 Linux 是為特定應用程序設計的，因此工程師在開始需要開源操作系統的系統設計時必須使用一些特定的開發工具。下面當然不是一個詳盡的列表，但一個很好的起點是使用正確的庫、強大的交叉編譯器和與 Linux 內核配對的高效引導加載程序。

交叉編譯器

對于不熟悉的人，交叉編譯器是一種編譯器，它執行編寫的代碼以在編譯器所在的機器之外的其他機器上運行。例如，在您的 PC 或筆記本電腦上運行的交叉編譯器能夠生成為嵌入式系統（如 Android 智能手機）編寫的代碼。

嵌入式 Linux 系統需要交叉編譯器，因為這些設備通常沒有本地編譯代碼所需的資源，因此必須在其他地方編譯代碼然后交付給目標。

當涉及到提供諸如大小優化、支持控制處理的特性等特性的交叉編譯器時，有幾個選項。但是這里列出了一些最常見的交叉編譯器：

構建根

Crosstool-NG

約克托

C 庫

C 庫提供內核和應用程序之間的接口，因此必須是交叉編譯過程的一部分。嵌入式 Linux 系統中的任何程序，無論是用 python、java 還是其他語言編寫的，都必須在運行時調用 C 庫，以便通過 Linux 內核訪問硬件資源。

以下是一些用于嵌入式 Linux 系統的流行 C 庫。

glibc – 標準的 GNU C 庫功能豐富，但以占用大量內存為代價。它也沒有任何配置選項。

uClibc – “u”表示 uClibc 是一個用于嵌入式系統的小型微控制器 C 庫。

musl – musl 也很小，在 RAM 和存儲空間有限的系統中是一個不錯的選擇。

eglibc – eglibc 與 glibc 相同，但經過修改使其更適合在嵌入式設備中使用，例如支持配置。

特定應用程序庫

嵌入式 Linux 內核的功能有限，因此需要特定的庫。我們當然不能全部列出，但下面列出了一些更受歡迎的。其中一些將在本系列的后面部分使用。

libgpiod——標準命令行并不是當今與 Linux 設備文件交互的唯一方式。libgpiod 用于與 Linux 設備中的 GPIO 硬件進行交互。

libusb ——libusb 是一個 C 庫，它為來自單一平臺的所有通用 USB 設備提供驅動程序。

套接字——套接字庫連接網絡上的節點。

serdisplib – 這個庫可以驅動多個顯示器，如 OLED、USB 顯示器或帶有內置控制器的顯示器。

Pigpio – Pigpio 庫可用于控制 Raspberry Pi GPIO。

opc-ua – opc-ua 協議是一種適用于時間敏感網絡的協議。

lockdev - 鎖定和解鎖設備

libxls - 該庫用于讀取和轉換 excel 文件。

libstroke – 用于識別鼠標筆劃和手勢的庫。

libserialport – 在編寫使用串行端口的軟件時提取特定于操作系統的詳細信息

hidapi – 用于與 USB 和藍牙 HID 設備通信的庫。血紅蛋白

mjpg_streamer – 用于從一個或多個輸入中捕獲 JPEG 幀并通過 IP 網絡流式傳輸它們

奶酪– 奶酪可以幫助您使用網絡攝像頭拍攝視頻、照片等。

Elisa – 這是一個簡單的音樂播放器，因此您可以播放任何音頻。

引導加載程序

引導加載程序是系統上電后運行的第一個代碼，它處理基本的硬件初始化，并從嵌入式 Linux 系統中的硬盤驅動器或 SD 卡或閃存等可引導設備加載操作系統。一旦引導加載程序為 Linux 內核設置了可執行環境并且內核開始執行，就不再需要引導加載程序。

引導加載程序有各種形狀和大小，可以根據用戶或系統需要進行定制。事實上，一些嵌入式電路板帶有引導加載程序。

這里有一些常用的引導加載程序和它們支持的處理器架構。

這些是您可能每天都在使用的各種基于 Linux 的嵌入式系統背后的關鍵構建塊，甚至可能不知道它們運行 Linux，例如智能電視、無線路由器和網絡附加存儲設備。

既然這些基礎知識已經解決，在第 2 部分中，我們將仔細研究嵌入式硬件目標的來龍去脈，我們將在其上運行嵌入式 Linux，稍后將支持我們的以太網 TSN 堆棧。