本系列文章深入探討了新興的確定性以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)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)上有效地實(shí)現(xiàn)它。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)器人外圍設(shè)備。

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

嵌入式 Linux 是 Linux 內(nèi)核的改編版，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(lái)支持嵌入式 Linux，特別是如果它將部署在實(shí)時(shí)機(jī)器對(duì)機(jī)器 (M2M) 通信、機(jī)器人控制或本系列后面重點(diǎn)介紹的復(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)（板或片上系統(tǒng)），以及用于容納操作系統(tǒng)、庫(kù)、文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序、引導(dǎo)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(yǔ)言編寫的。同樣就像桌面 Linux 或任何其他操作系統(tǒng)一樣，嵌入式 Linux 的作用是將用戶和應(yīng)用程序從底層處理器中抽象出來(lái)，內(nèi)存和其他硬件組件；為各種功能分配和交付系統(tǒng)資源；同時(shí)管理多個(gè)任務(wù)和應(yīng)用程序，等等。因此，嵌入式 Linux 系統(tǒng)堆?？雌饋?lái)就像您的典型桌面。

盡管如此，如果您現(xiàn)在還沒(méi)有注意到，嵌入式 Linux 和傳統(tǒng)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(qū)動(dòng)器啟動(dòng)的能力。

下面提供了一個(gè)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(kù)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。下面當(dāng)然不是一個(gè)詳盡的列表，但一個(gè)很好的起點(diǎn)是使用正確的庫(kù)、強(qiáng)大的交叉編譯器和與 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，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機(jī)器之外的其他機(jī)器上運(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(méi)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(biāo)。

當(dāng)涉及到提供諸如大小優(yōu)化、支持控制處理的特性等特性的交叉編譯器時(shí)，有幾個(gè)選項(xiàng)。但是這里列出了一些最常見(jiàn)的交叉編譯器：

構(gòu)建根

Crosstool-NG

約克托

C 庫(kù)

C 庫(kù)提供內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口，因此必須是交叉編譯過(guò)程的一部分。嵌入式 Linux 系統(tǒng)中的任何程序，無(wú)論是用 python、java 還是其他語(yǔ)言編寫的，都必須在運(yùn)行時(shí)調(diào)用 C 庫(kù)，以便通過(guò) Linux 內(nèi)核訪問(wèn)硬件資源。

以下是一些用于嵌入式 Linux 系統(tǒng)的流行 C 庫(kù)。

glibc – 標(biāo)準(zhǔn)的 GNU C 庫(kù)功能豐富，但以占用大量?jī)?nèi)存為代價(jià)。它也沒(méi)有任何配置選項(xiàng)。

uClibc – “u”表示 uClibc 是一個(gè)用于嵌入式系統(tǒng)的小型微控制器 C 庫(kù)。

musl – musl 也很小，在 RAM 和存儲(chǔ)空間有限的系統(tǒng)中是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

eglibc – eglibc 與 glibc 相同，但經(jīng)過(guò)修改使其更適合在嵌入式設(shè)備中使用，例如支持配置。

特定應(yīng)用程序庫(kù)

嵌入式 Linux 內(nèi)核的功能有限，因此需要特定的庫(kù)。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部分使用。

libgpiod——標(biāo)準(zhǔn)命令行并不是當(dāng)今與 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(kù)，它為來(lái)自單一平臺(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(kù)連接網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)。

serdisplib – 這個(gè)庫(kù)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 – Pigpio 庫(kù)可用于控制 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。

lockdev - 鎖定和解鎖設(shè)備

libxls - 該庫(kù)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(kù)。

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

hidapi – 用于與 USB 和藍(lán)牙 HID 設(shè)備通信的庫(kù)。血紅蛋白

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

奶酪– 奶酪可以幫助您使用網(wǎng)絡(luò)攝像頭拍攝視頻、照片等。

Elisa – 這是一個(gè)簡(jiǎn)單的音樂(lè)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)上電后運(yùn)行的第一個(gè)代碼，它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)器或 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)需要進(jìn)行定制。事實(shí)上，一些嵌入式電路板帶有引導(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)。

這些是您可能每天都在使用的各種基于 Linux 的嵌入式系統(tǒng)背后的關(guān)鍵構(gòu)建塊，甚至可能不知道它們運(yùn)行 Linux，例如智能電視、無(wú)線路由器和網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)設(shè)備。

既然這些基礎(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(lái)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。