基于Yocto Project的定制嵌入式Linux產(chǎn)品設(shè)計淺析

引言

Linux作為嵌入式系統(tǒng)的主要工具，具有源代碼開放、完全可定制、支持許多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、服務(wù)器級別高、可靠性高等很多優(yōu)點(diǎn)。但現(xiàn)有的嵌入式Linux市場開始分化，現(xiàn)有的選擇包括半導(dǎo)體廠商提供的實例方案、嵌入式OSV提供商應(yīng)用的嵌入式Linux產(chǎn)品、嵌入式產(chǎn)品開發(fā)商的自有方案和開源項目等。由于缺乏一致性，造成了嵌入式開發(fā)高昂的維護(hù)成本，不僅嵌入式開發(fā)缺乏足夠的專業(yè)人員，而且開發(fā)過程存在安全漏洞問題。在Yocto Project項目中，可以使用許多高效的工具，從而輕松定制嵌入式Linux產(chǎn)品。

1 YoCto Proiect的原理和架構(gòu)

Yocto Project是一個開源項目，由Linux Foundation主導(dǎo)并被嵌入式業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)者所支持。Yocto Project與OpenEmbedded兼容，后者包括了許多開源項目的構(gòu)建方法，可以作為Yocto Project的有效補(bǔ)充。Yocto Project提供基于社區(qū)測試的支持多種架構(gòu)的鏡像。Yocto Project的優(yōu)點(diǎn)如下：具有高質(zhì)量的構(gòu)建系統(tǒng)，平等地支持所有主流的嵌入式架構(gòu)（ARM、Power PC、MIPS、x86（32＆64位）），緊密跟蹤許多上游開源項目的最新發(fā)布版本，具有統(tǒng)一的Linux BSP格式和應(yīng)用程序開發(fā)套件，還可輕松地實現(xiàn)從原型切換到商用嵌入式Linux產(chǎn)品。

Yocto Project架構(gòu)中用戶自定義層由用戶根據(jù)需求定制，包括定制層、BSP（Board Support Package）層、特性層和核心元數(shù)據(jù)（CoreRe cipe）層。上層開源組建最常用的命令為BusyBox和Eglibc等。架構(gòu)中應(yīng)用的開發(fā)套件，由Poky構(gòu)建系統(tǒng)生成交叉工具鏈，使用ADT installer來定制交叉開發(fā)環(huán)境，可以支持在目標(biāo)系統(tǒng)和sysroot上的包管理架構(gòu)，包括Eclipse／Anjuta集成開發(fā)環(huán)境的插件、調(diào)用安裝好的交叉工具鏈，以及模板和調(diào)試工具。元數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了由元工具（bitbake）解析、執(zhí)行。元工具抽象構(gòu)建一個軟件過程中的fetch、unpack、patch、configu re、cornpile、packagc等任務(wù)；同時，元工具還負(fù)責(zé)按不同軟件之間的依賴關(guān)系有序地執(zhí)行編譯。編譯成功后，用戶自定義的Yocto鏡像就可以在嵌入式設(shè)備上使用。Yoto Project架構(gòu)圖如圖1所示。

2 構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)

構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)是一個嵌入式Linux項目的核心，構(gòu)建系統(tǒng)需要定義一組語義讓開發(fā)者可以描述一個特定的構(gòu)建任務(wù)，嵌入式系統(tǒng)負(fù)責(zé)交叉編譯一個項目的整個過程，包括下載源代碼、打上特定的補(bǔ)丁、配置、編譯、安裝，并將安裝結(jié)果按指定格式打包。構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)還要并發(fā)調(diào)度多個構(gòu)建任務(wù)。好的構(gòu)建系統(tǒng)決定了一個嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境的效率和友好度。Yocto內(nèi)核使用GIT進(jìn)行源代碼管理，內(nèi)核功能被組織成小的集合，方便深入定制化并支持多種內(nèi)核開發(fā)流程和管理技術(shù)。所使用的應(yīng)用開發(fā)套件是由Poky構(gòu)建系統(tǒng)生成的交叉工具鏈，使用ADT installer來定制交叉開發(fā)環(huán)境，支持在目標(biāo)系統(tǒng)和sysroot上的包管理架構(gòu)，包括RPM、DEB、IPK，支持Eclipse／Anjuta集成開發(fā)環(huán)境的插件，而且還可以使用Qemu作為模擬器，模擬器支持基于OpenGL的應(yīng)用開發(fā)（QemuGL加速）。

（1）元數(shù)據(jù)Recipe

一份Recipe包括了一組元數(shù)據(jù)，而這些元數(shù)據(jù)則定義了與一個項目相關(guān)的構(gòu)建信息：源代碼的地址，項目相關(guān)的特定配置參數(shù)，如何編譯、安裝和打包數(shù)據(jù)。豐富的類文件有助于最大程度地重用元數(shù)據(jù)，由Profile決定選擇哪些Recipe。Yocto Project包括了一些事例Profi le，一份完整工作的Recipe可能只需要3行元數(shù)據(jù)。

（2）元數(shù)據(jù)層

元數(shù)據(jù)可以相互層疊，以很低的維護(hù)成本來進(jìn)行深層次的定制化，同時還可以增加新的項目，調(diào)整架構(gòu)相關(guān)的編譯標(biāo)志，覆蓋某個項目特定的配置選項。

開發(fā)者提供元數(shù)據(jù)（食譜或菜譜），食譜是由一種標(biāo)記性的語言所寫，由元工具（bitbake）解析、執(zhí)行。每份食譜都是描述某個軟件的“清單”，例如：源代碼從哪里下載，需要哪些補(bǔ)丁文件，可能需要哪些特殊編譯鏈接選項，打包時需要的特殊配置，依賴哪些其他軟件等相關(guān)信息。元工具則抽象了構(gòu)建一個軟件過程中的fetch、unpack、patch、configure、compile、package等任務(wù)；同時，元工具還負(fù)責(zé)按不同軟件之間的依賴關(guān)系有序地執(zhí)行編譯。

3 智能車載系統(tǒng)硬件設(shè)計

隨著汽車電子的發(fā)展，智能車載系統(tǒng)越來越受到關(guān)注，智能車載系統(tǒng)通過信息的傳遞為車輛提供出行指引、安防、救援、遠(yuǎn)程故障診斷等服務(wù)。遠(yuǎn)程信息服務(wù)（Telematics）即通信網(wǎng)絡(luò)為安裝在車上的資訊系統(tǒng)平臺提供的多樣化的信息服務(wù)。TelematicS系統(tǒng)可分為車前座系統(tǒng)、車后座系統(tǒng)，以及車況診斷系統(tǒng)。

其中，車前座系統(tǒng)提供的服務(wù)包括通信、導(dǎo)航、行車安全監(jiān)視、聯(lián)網(wǎng)資訊、路況、天氣等；車后座系統(tǒng)的服務(wù)包括在線下載影音資訊、在線網(wǎng)絡(luò)游戲等；車況診斷系統(tǒng)的服務(wù)包括保養(yǎng)通知、車況預(yù)警等。目前，在車載智能系統(tǒng)中有日產(chǎn)的Carwings、通用公司的Onstar、豐田公司的G-BOOK、一汽奔騰公司的D-Partner以及榮威公司的inKanet等。其中，OnStar是以安防為主的Telematics服務(wù)，G—Book是以資訊及娛樂為主的Telematics服務(wù)。

Telematics服務(wù)功能如下：

①衛(wèi)星定位：通過GPS配合路線資訊，作路況報道與路線指引；

②道路救援：行車過程中，假使發(fā)生車禍或故障意外，通過按鍵自動聯(lián)系救援；

③汽車防竊：通過衛(wèi)星定位提供失竊車輛的搜尋與追蹤，并短信通知車主；

④自動防撞系統(tǒng)：通過傳感器或雷達(dá)，感應(yīng)車與車間的安全行駛距離；

⑤車況掌握：車輛性能與車況的自動偵測、維修診斷等；

⑥個人化資訊接收：收發(fā)電子郵件與個人化資訊等；

⑦多媒體娛樂資訊：高畫質(zhì)與高音質(zhì)的視聽設(shè)備、游戲機(jī)、上網(wǎng)機(jī)、個人資訊中心隨選視訊等。

⑧拖車追蹤：是一種追蹤通過安裝在拖車的翼卡車聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星通信定位數(shù)據(jù)的技術(shù)。

⑨緊急救援：車主在行車過程中如遇到車輛缺油、缺水、故障等現(xiàn)象，可通過按下緊急按鈕向服務(wù)中心進(jìn)行求救。

根據(jù)智能車載系統(tǒng)的功能需求，把車載系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)以模塊的形式實現(xiàn)，智能車載系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

要實現(xiàn)衛(wèi)星定位和道路緊急救援，需要通過GPS模塊作路況報導(dǎo)與路線指引，道路救援和汽車防竊需要GSM／GPRS模塊來通知車主和收發(fā)信息。多媒體娛樂資訊的用戶交互需要液晶觸摸屏和揚(yáng)聲器來實現(xiàn)，數(shù)據(jù)交互功能采用SD卡／USB存儲。攝像頭監(jiān)控車內(nèi)外實時的情

況，智能車載系統(tǒng)還需要加速度傳感器來測量加速度。

4 智能車載系統(tǒng)軟件設(shè)計和實現(xiàn)過程

采用Yocto project來定制智能車載系統(tǒng)的軟件功能模塊，如圖3所示。智能車載系統(tǒng)的軟件主要實現(xiàn)GPS模塊、顯示模塊、控制模塊、通信模塊和娛樂模塊等的功能等。

4．1 定制智能車載系統(tǒng)平臺

在Yocto Project中，現(xiàn)有的元數(shù)據(jù)以功能集合來劃分，通過Profile來定義用戶所需要的集合，智能車載系統(tǒng)需要的功能有Wi—Fi、GPS、GPRS、USB、setial、keyboard、touchscreen等，所以只需要在Profile文件中修改目錄：DISRO_FEATURES=”alsa ext2 touchscreen wifi usb serial keyboard…”

4．2 智能車載系統(tǒng)中添加一個新的項目

添加一個新項目只需要3行元數(shù)據(jù)，需要指定依賴關(guān)系、指定源代碼地址、繼承類，然后會根據(jù)繼承的Yocto Project類來自動生成所需要的構(gòu)建任務(wù)。

首先，要將源代碼從網(wǎng)上下載。bitbake通過SRC_URI變量知道到哪里去下載源碼。把需要的源代碼地址指定：

SRC_URI=http：／／sourceforge．net／project／

4．3 定制實現(xiàn)過程

在Linux下安裝好需要的包之后創(chuàng)建鏡像：

$ wget http：／／www．yoctoprojlect．org／downloads／poky／poky-bernard-5．0．1．tar．bz2

$tar xjf poky-bernard-5．0．1．tar．bz2

$ source poky-betnard-5．0．1／poky-init-build-env poky-5．0．1build

用bitbak定制系統(tǒng)：

$bitbake-k poky-image-sato

使用模擬器，模擬器中用戶可使用終端：

$pokyr-qemu qemux86

定制過程完成，用戶可以定位車載、收發(fā)信息，并實時監(jiān)控車內(nèi)外情況以及享受聽歌、播放視頻、上網(wǎng)等智能車載系統(tǒng)功能。

結(jié)語

采用Yocto Project構(gòu)建的智能車載系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能車載的信息定位、信息收發(fā)、數(shù)據(jù)交互、實時監(jiān)控、用戶交互，以及多媒體娛樂功能，構(gòu)建過程靈活簡單。構(gòu)建一個嵌入式Linux系統(tǒng)需要構(gòu)建引導(dǎo)模塊、內(nèi)核和文件系統(tǒng)。這是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，特別是文件系統(tǒng)的構(gòu)建。Yocto Project就是為了簡化嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建過程而設(shè)計。由以上設(shè)計可以看出，Yocto Project提供足夠的靈活性，定制化非常簡單，當(dāng)用戶不需要應(yīng)用程序的可移植性，并且用戶的嵌入式設(shè)備需要深度定制化時，使用Yocto Prcject最為省時省力。