面向機(jī)器人應(yīng)用的嵌入式Linux移植與應(yīng)用

方超

摘要：本文介紹了機(jī)器人技術(shù)嵌入式系統(tǒng)中Linux操作系統(tǒng)的篩選、剪裁、移植和應(yīng)用，結(jié)合機(jī)器人技術(shù)對系統(tǒng)實時性的要求對Linux系統(tǒng)實時性優(yōu)化做了探討。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；Linux內(nèi)核；移植

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）06-0124-01

1 引言

機(jī)器人技術(shù)是一種集成了力學(xué)、電子學(xué)、計算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、控制理論和人工智能等許多學(xué)科于一體的先進(jìn)技術(shù)。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展一直與嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展密切相關(guān)，機(jī)器人技術(shù)的研究是嵌入式技術(shù)的應(yīng)用，嵌入式技術(shù)的發(fā)展必將提升機(jī)器人的智能水平。20世紀(jì)70年代中期以后，由于智能控制理論的發(fā)展和微處理器的出現(xiàn)，機(jī)器人逐漸成為研究熱點(diǎn)并取得了較大的發(fā)展。目前，嵌入式系統(tǒng)被廣泛用于機(jī)器人控制系統(tǒng)中。

2 linux內(nèi)核的移植

從操作系統(tǒng)的角度來看，完整的嵌入式linux系統(tǒng)一般包括Bootloader、linux內(nèi)核、根文件系統(tǒng)和用戶程序四個部分。由于硬件資源有限，無法將Bootloader和內(nèi)核文件直接存放到存儲系統(tǒng)中，需要針對具體應(yīng)用的功能需求裁剪Bootloader和linux內(nèi)核，并選擇相應(yīng)的C語言庫文件，針對嵌入式芯片的指令集重新編譯內(nèi)核文件，使其具備完整的操作系統(tǒng)功能[1]。

2.1 交叉編譯環(huán)境的搭建

在完備系統(tǒng)構(gòu)建之前，嵌入式linux系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，而且裁剪過的系統(tǒng)一般不能運(yùn)行大型的調(diào)試工具。因此，需要在另外一個平臺上搭建一套linux系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，也叫做交叉編譯環(huán)境。linux系統(tǒng)中常用的交叉編譯工具是GNU工具鏈，包括binutils、gcc和glibc。構(gòu)建交叉編譯工具的方法主要有：（1）單獨(dú)編譯和安裝交叉編譯工具鏈所需要的源代碼和庫文件，最終生成適用于所用處理器的交叉編譯工具；（2）通過Crosstool-ng腳本工具來實現(xiàn)一次編譯，生成交叉編譯工具。第一種方法相對困難，對于不想了解其內(nèi)部機(jī)理的用戶來說可以采用第二種方法。

2.2 Bootloader移植

Bootloader是一段引導(dǎo)內(nèi)核和文件系統(tǒng)啟動的程序，在操作系統(tǒng)上電或者復(fù)位之后，初始化硬件設(shè)備，建立內(nèi)存空間的映射圖，為調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。具體包括配置板載時鐘系統(tǒng)、初始化內(nèi)存、裝載內(nèi)核程序、跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核執(zhí)行，最后調(diào)用Linux操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)。

Bootloader的代碼一般存放在FLASH、EEPROM等固態(tài)存儲器中，其主要的啟動模式有兩種，啟動加載模式和下載模式。其中下載模式是開發(fā)人員常用的模式，即建立宿主PC機(jī)和板載系統(tǒng)之間的連接，把linux內(nèi)核以及根文件系統(tǒng)下載到存儲器中，再對系統(tǒng)進(jìn)行測試。

嵌入式系統(tǒng)中常用的引導(dǎo)程序有U-boot和Redboot等。U-boot代碼結(jié)構(gòu)與linux類似，因此也是最常用的嵌入式linux系統(tǒng)的引導(dǎo)程序。U-boot的運(yùn)行主要分為Stage1和Stage2兩個部分。Stage1使用匯編語言編寫，主要包含依賴于cpu體系結(jié)構(gòu)的代碼，而stage2則通常用C語言來實現(xiàn)相對復(fù)雜的功能，具有更好的可讀性和移植性。要對U-boot進(jìn)行移植，通常要在U-boot通用代碼中添加跟CPU、外設(shè)等硬件相關(guān)的配置文件，再對代碼進(jìn)行配置編譯[2]。

2.3 Linux內(nèi)核的裁剪與移植

內(nèi)核是Linux系統(tǒng)的核心程序，內(nèi)核的移植過程主要包括配置和編譯，主要步驟包括：（1）修改內(nèi)核源碼根目錄下的makefile文件，增加內(nèi)核對ARM系列處理器的支持，并指定交叉編譯器；（2）將與目標(biāo)板相關(guān)的_deconfig文件拷貝到根目錄下.config文件中；（3）配置內(nèi)核，常用的命令有四種，make xconfig、make oldconfig、make config和make menuconfig，一般使用make menuconfig來生成開發(fā)配置界面；（4）編譯內(nèi)核，對配置過程中選擇的功能性驅(qū)動進(jìn)行編譯，生成可執(zhí)行的zImage文件，即壓縮的內(nèi)核鏡像。

2.4 建立根文件系統(tǒng)

文件系統(tǒng)是存儲設(shè)備上的文件的組織和目錄，每個操作系統(tǒng)都至少有一個文件系統(tǒng)。嵌入式linux根文件系統(tǒng)可以通過busybox軟件來完成，具體的步驟包括：（1）安裝busybox軟件；（2）建立設(shè)備節(jié)點(diǎn)console和null，即/dev/console和/dev/null兩個基本的設(shè)備文件；（3）建立根文件系統(tǒng)中其他目錄，/mnt，/proc，/sys，/lib等；（4）建立配置文件/etc/inittab，/etc/init.d/rcs和/etc/fstab；（5）安裝庫函數(shù)，將交叉編譯鏈接庫中的所有.so庫文件拷貝到根文件系統(tǒng)的lib目錄中。

3 基于Linux內(nèi)核的實時性

Linux已經(jīng)被證明是適用于多種應(yīng)用的非常穩(wěn)定和優(yōu)秀的內(nèi)核。但是，由于GNU/ Linux最初設(shè)計為類Unix操作系統(tǒng)，因此其內(nèi)核不能保證實時性能。調(diào)度程序延遲問題，即中斷發(fā)生和負(fù)責(zé)服務(wù)的線程運(yùn)行之間的延遲在緊急情況下可達(dá)到幾十毫秒。這個問題主要是運(yùn)行內(nèi)核代碼時線程無法搶占，以及內(nèi)核中存在長時間不可中斷的關(guān)鍵代碼段，解決調(diào)度程序延遲問題主要有兩種不同的方法[3]。

前一種解決方案最初由RTLinux在1996年提出并開發(fā)，其中包括在硬件和Linux之間插入一個稱為微內(nèi)核的高效代碼層。微內(nèi)核負(fù)責(zé)所有的實時功能，包括中斷、調(diào)度和高分辨率定時。2002年，在ADEOS項目框架中提出了另一個稱為納米內(nèi)核的代碼層。ADEOS提供了一個硬件抽象層，允許實時內(nèi)核和通用內(nèi)核共存。該層的作用是將硬件中斷傳遞給架構(gòu)中更高層的操作系統(tǒng)內(nèi)核。ADEOS系統(tǒng)不實現(xiàn)實時操作系統(tǒng)，但提供了以最高優(yōu)先級將中斷傳遞給實時操作系統(tǒng)的機(jī)制。一旦實時任務(wù)完成，相同的中斷可能會傳遞給非實時操作系統(tǒng)。解決調(diào)度器延遲問題的另一種解決方案是1997年由KURT Linux項目提出的，這種方法包括提供一組內(nèi)核補(bǔ)丁，以便在標(biāo)準(zhǔn)Linux的結(jié)構(gòu)中直接實現(xiàn)Posix 1003.1d實時擴(kuò)展（高分辨率定時器，可搶占內(nèi)核，改進(jìn)的任務(wù)調(diào)度器等）。類似的補(bǔ)丁，即所謂的搶占和低延遲補(bǔ)丁集合在一個補(bǔ)丁中，并可作為從Linux發(fā)行版2.5.4-pre6開始的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核配置選項（CONFIG_PREEMPT）基于為內(nèi)核調(diào)度程序創(chuàng)建機(jī)會的想法，該調(diào)度程序更經(jīng)常地運(yùn)行，從而最小化事件發(fā)生和調(diào)度程序運(yùn)行之間的時間。特別是，搶占補(bǔ)丁修改了自旋鎖宏和中斷返回碼，如果可以搶占當(dāng)前進(jìn)程并重新調(diào)度請求未決，則系統(tǒng)調(diào)用調(diào)度器。

4 結(jié)語

以機(jī)器人的應(yīng)用為背景，在嵌入式系統(tǒng)中引入linux操作系統(tǒng)來完成復(fù)雜任務(wù)，本文詳細(xì)介紹了嵌入式linux系統(tǒng)的裁剪和移植詳細(xì)步驟，并結(jié)合機(jī)器人應(yīng)用對實時性的要求探討了對嵌入式linux系統(tǒng)實時性的優(yōu)化方法。為機(jī)器人的嵌入式應(yīng)用提供良好的參考資料。

參考文獻(xiàn)

[1]王學(xué)龍.嵌入式Linux系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版，2001.

[2]程春雷.ARM平臺下Linux移植中BootLoader的原理和技術(shù)[J].中國電力教育，2007，（s1）：25-27.

[3]李曉寧，李曉峰.基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的研究[J].長春師范大學(xué)學(xué)報， 2010，（2）：48-49.

Abstract：This paper introduces the selection， cutting， transplantation and application of the Linux operating system in the embedded system of robot technology， and discusses the real-time performance optimization of the Linux system based on the requirements of the robot technology to the real-time performance of the system.

Key words：robot； Linux kernel； transplant