嵌入式Linux上的以太網(wǎng)TSN簡(jiǎn)介

本系列文章深入探討了新興的確定性以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，即以太網(wǎng)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN），以及如何在各種基于Linux的嵌入式系統(tǒng)上有效實(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包技術(shù)在設(shè)備之間進(jìn)行通信并控制機(jī)器人外設(shè)。

首先，需要對(duì)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(diǎn)介紹的實(shí)時(shí)機(jī)器對(duì)機(jī)器 （M2M） 通信、機(jī)器人控制或復(fù)雜計(jì)時(shí)應(yīng)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(tái)（板級(jí)或片上系統(tǒng)），以及用于容納操作系統(tǒng)、庫、文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序、引導(dǎo)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(yīng)用程序;為各種職能部門分配和交付系統(tǒng)資源;同時(shí)管理多個(gè)任務(wù)和應(yīng)用程序，依此類推。因此，嵌入式 Linux 系統(tǒng)堆?？雌饋砭拖竦湫偷淖烂嬉粯?。

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(dòng)器啟動(dòng)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(dǎo)加載程序

由于嵌入式 Linux 是為特定應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的，因此工程師在開始進(jìn)行需要開源操作系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須使用一些特定的開發(fā)工具。以下當(dāng)然不是詳盡的列表，但一個(gè)好的起點(diǎn)是使用正確的庫、強(qiáng)大的交叉編譯器以及與 Linux 內(nèi)核配對(duì)的高效引導(dǎo)加載程序。

交叉編譯器

對(duì)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(jì)算機(jī)以外的其他計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。例如，在您的 PC 或筆記本電腦上運(yùn)行的交叉編譯器能夠生成為嵌入式系統(tǒng)（如 Android 智能手機(jī)）編寫的代碼。

嵌入式 Linux 系統(tǒng)需要交叉編譯器，因?yàn)檫@些設(shè)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(biāo)。

對(duì)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(gè)選項(xiàng)。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(yīng)用程序之間提供了一個(gè)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(yùn)行時(shí)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(biāo)準(zhǔn)的 GNU C 庫充滿了功能，但這是以大量?jī)?nèi)存占用為代價(jià)的。它也沒有任何配置選項(xiàng)。

uClibc– “u”表示uClibc是一個(gè)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(chǔ)量有限的系統(tǒng)中是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

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

特定于應(yīng)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)命令行并不是與 Linux 設(shè)備文件交互的唯一方式。libgpiod用于與Linux設(shè)備中的GPIO硬件進(jìn)行交互。

libusb– libusb 是一個(gè) C 庫，它為來自單個(gè)平臺(tái)的所有通用 USB 設(shè)備提供驅(qū)動(dòng)程序。

套接字– 套接字庫連接網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)。

serdisplib– 該庫可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)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(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議。

鎖定開發(fā)–鎖定和解鎖設(shè)備

libxls– 此庫用于讀取和轉(zhuǎn)換 excel 文件。

libstroke– 用于識(shí)別鼠標(biāo)筆劃和手勢(shì)的庫。

libserialport– 在編寫使用串行端口的軟件時(shí)抽象出特定于操作系統(tǒng)的詳細(xì)信息

hidapi– 用于與 USB 和藍(lán)牙 HID 設(shè)備通信的庫。乙二醇

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

奶酪–奶酪可幫助您使用網(wǎng)絡(luò)攝像頭拍攝視頻，照片等。

Elisa–它是一個(gè)簡(jiǎn)單的音樂播放器，因此您可以播放任何音頻。

引導(dǎo)加載程序

引導(dǎo)加載程序是系統(tǒng)通電后運(yùn)行的第一個(gè)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(dòng)器、SD 卡或閃存等可引導(dǎo)設(shè)備加載操作系統(tǒng)。一旦引導(dǎo)加載程序?yàn)?Linux 內(nèi)核設(shè)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(dǎo)加載程序。

引導(dǎo)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(jìn)行定制。事實(shí)上，一些嵌入式主板帶有引導(dǎo)加載程序。

這里有一些常用的引導(dǎo)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(yùn)行 Linux，例如智能電視、無線路由器和網(wǎng)絡(luò)連接存儲(chǔ)設(shè)備。

現(xiàn)在這些基礎(chǔ)知識(shí)已經(jīng)解決，在第 2 部分中，我們將仔細(xì)研究嵌入式硬件目標(biāo)的來龍去脈，我們將在其上運(yùn)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