本系列文章深入探討了新興的確定性以太網(wǎng)標準，即以太網(wǎng)時間敏感網(wǎng)絡（TSN），以及如何在各種基于Linux的嵌入式系統(tǒng)上有效實施。我們將使用一系列低成本、現(xiàn)成的開發(fā)板硬件，演示如何為我們的用例配置 Raspberry Pi 和聯(lián)發(fā)科 LinkIt 智能板，然后使用實時數(shù)據(jù)包技術(shù)在設備之間進行通信并控制機器人外設。

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的比較

嵌入式Linux是Linux內(nèi)核的改編，用于嵌入式系統(tǒng)。嵌入式Linux最流行的例子是Android操作系統(tǒng)。

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本系列后面重點介紹的實時機器對機器 （M2M） 通信、機器人控制或復雜計時應用等用例中。這些資源至少包括支持以太網(wǎng)和其他基本接口的嵌入式硬件平臺（板級或片上系統(tǒng)），以及用于容納操作系統(tǒng)、庫、文件系統(tǒng)、應用程序、引導加載程序等的充足 NOR 或 NAND 閃存。

就像普通的Linux一樣，嵌入式Linux是開源的，可修改的，用C編寫的。也就像桌面Linux或任何其他操作系統(tǒng)一樣，嵌入式Linux的作用是從底層處理器，內(nèi)存和其他硬件組件中抽象用戶和應用程序;為各種職能部門分配和交付系統(tǒng)資源;同時管理多個任務和應用程序，依此類推。因此，嵌入式 Linux 系統(tǒng)堆棧看起來就像典型的桌面一樣。

盡管如此，如果你現(xiàn)在還沒有注意到，嵌入式Linux和傳統(tǒng)的桌面Linux之間有許多顯著的差異。其中包括直接從閃存而不是硬盤驅(qū)動器啟動的能力。

下面提供了比較嵌入式和桌面 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，因此工程師在開始進行需要開源操作系統(tǒng)的系統(tǒng)設計時，必須使用一些特定的開發(fā)工具。以下當然不是詳盡的列表，但一個好的起點是使用正確的庫、強大的交叉編譯器以及與 Linux 內(nèi)核配對的高效引導加載程序。

交叉編譯器

對于不熟悉的人來說，交叉編譯器是一種編譯器，它執(zhí)行編寫的代碼以在編譯器所在的計算機以外的其他計算機上運行。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(tǒng)（如 Android 智能手機）編寫的代碼。

嵌入式 Linux 系統(tǒng)需要交叉編譯器，因為這些設備通常沒有在本地編譯代碼所需的資源，因此必須在其他地方編譯代碼，然后將其交付給目標。

對于提供大小優(yōu)化、支持控制處理的特征等功能的交叉編譯器，有幾個選項。但這里列出了一些最常見的交叉編譯器：

構(gòu)建根

交叉工具-NG

約克托

C 庫

C 庫在內(nèi)核和應用程序之間提供了一個接口，因此必須是交叉編譯過程的一部分。嵌入式Linux系統(tǒng)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(diào)用C庫，以便通過Linux內(nèi)核訪問硬件資源。

以下是一些用于嵌入式 Linux 系統(tǒng)的流行 C 庫。

glibc– 標準的 GNU C 庫充滿了功能，但這是以大量內(nèi)存占用為代價的。它也沒有任何配置選項。

uClibc– “u”表示uClibc是一個微控制器C庫，體積小，可用于嵌入式系統(tǒng)。

musl– musl 也很小，在 RAM 和存儲量有限的系統(tǒng)中是一個不錯的選擇。

EGLIBC– EGLIBC與glibc相同，但進行了修改，使其更適合在嵌入式設備中使用，例如支持配置。

特定于應用程序的庫

嵌入式 Linux 內(nèi)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使用。

libgpiod– 如今，標準命令行并不是與 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，它為來自單個平臺的所有通用 USB 設備提供驅(qū)動程序。

套接字– 套接字庫連接網(wǎng)絡上的節(jié)點。

serdisplib– 該庫可以驅(qū)動多個顯示器，如 OLED、USB 顯示器或帶有內(nèi)置控制器的顯示器。

Pigpio – PigpioLibrary caann 用于控制 Raspberry Pi GPIO。

opc-ua– opc-ua協(xié)議是一種適用于時間敏感網(wǎng)絡的協(xié)議。

鎖定開發(fā)–鎖定和解鎖設備

libxls– 此庫用于讀取和轉(zhuǎn)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抽象出特定于操作系統(tǒng)的詳細信息

hidapi– 用于與 USB 和藍牙 HID 設備通信的庫。乙二醇

mjpg_streamer– 用于從一個或多個輸入捕獲 JPEG 幀并通過 IP 網(wǎng)絡流式傳輸它們

奶酪–奶酪可幫助您使用網(wǎng)絡攝像頭拍攝視頻，照片等。

Elisa–它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(tǒng)通電后運行的第一個代碼，處理基本的硬件初始化，并從嵌入式 Linux 系統(tǒng)中的硬盤驅(qū)動器、SD 卡或閃存等可引導設備加載操作系統(tǒng)。一旦引導加載程序為 Linux 內(nèi)核設置了可執(zhí)行環(huán)境并且內(nèi)核開始執(zhí)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(jù)用戶或系統(tǒng)需求進行定制。事實上，一些嵌入式主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(gòu)。

這些是各種基于 Linux 的嵌入式系統(tǒng)背后的關(guān)鍵構(gòu)建塊，您可能每天都在使用，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(wǎng)絡連接存儲設備。

現(xiàn)在這些基礎知識已經(jīng)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(wǎng) TSN 堆棧。

審核編輯：郭婷