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嵌入式系统实时编程与开发全解析
1. 实时编程与内核的关键作用
在实时编程领域，内核对于系统的确定性有着重大影响。多年来，在这方面已经开展了大量工作。启用内核抢占是改善系统实时性的良好开端。若系统仍频繁错过截止时间，可考虑采用 PREEMPT_RT 内核补丁。这些补丁能显著降低延迟，但由于它们尚未被纳入主线，可能会在与特定板卡的供应商内核集成时遇到问题。此外，还可以借助 Ftrace 等工具来查找延迟的根源。
2. 嵌入式系统工程师的技能要求
成为一名嵌入式系统工程师需要具备广泛的技能，包括对硬件的底层知识以及内核与硬件的交互方式。要成为优秀的系统工程师，能够高效地配置和调优用户应用程序。而且，这些工作通常是在硬件性能仅能勉强满足任务需求的情况下完成的。
3. 进一步阅读资源
为了深入了解相关主题，可参考以下资源：
- 《Hard Real - Time Computing Systems: Predictable Scheduling Algorithms and Applications》，作者 Giorgio Buttazzo
- 《Multicore Application Programming》，作者 Darryl Gove
4. Packt 数字图书馆的优势
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5. 其他可能感兴趣的书籍
-
《Linux Device Drivers Development》
- 作者：John Madieu
- ISBN：978 - 1 - 78528 - 000 - 9
- 内容亮点：利用内核工具开发强大的驱动程序；为常用的 I2C 和 SPI 设备开发驱动并使用 regmap API；在驱动中编写和支持设备树；为网络和帧缓冲设备编写高级驱动程序；深入研究 Linux irqdomain API 并编写中断控制器驱动；借助调节器和 PWM 框架提升技能；使用 IIO 框架开发测量系统驱动；充分利用内存管理和 DMA 子系统；访问和管理 GPIO 子系统并开发 GPIO 控制器驱动。
-
《Hands - On RTOS with Microcontrollers》
- 作者：Brian Amos
- ISBN：978 - 1 - 83882 - 673 - 4
- 内容亮点：理解何时在项目中使用 RTOS；探索 RTOS 的任务、互斥锁、信号量和队列等概念；发现不同的微控制器单元（MCUs）并为项目选择最佳的一款；评估和选择适合项目的最佳 IDE 和中间件堆栈；使用专业级工具分析和调试应用程序；在 STM32 板上运行基于 FreeRTOS 的应用程序。
6. 成为 Packt 作者的机会
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7. 留下书籍评价的重要性
请在购买书籍的网站上留下评价，若在亚马逊购买，可在该书的亚马逊页面留下真实评价。这有助于其他潜在读者做出购买决策，让 Packt 了解客户对产品的看法，也能让作者收到关于作品的反馈。
8. 嵌入式开发相关技术点
8.1 硬件与工具
- 硬件平台 ：如 BeagleBone Black、Raspberry Pi 4、QEMU 等。BeagleBone Black 可用于测试根文件系统、安装 Debian 系统等；Raspberry Pi 4 可构建 64 位内核；QEMU 可用于模拟硬件环境，测试根文件系统和构建内核。
-
工具链
：包括交叉编译工具链，如使用 crosstool - NG 为不同硬件平台构建工具链。
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构建 BeagleBone Black 工具链步骤：
- 安装 crosstool - NG。
- 配置相关参数。
- 执行构建命令。
- 构建 QEMU 工具链步骤类似，需根据 QEMU 的特点进行参数配置。
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构建 BeagleBone Black 工具链步骤：
8.2 内核开发
-
内核选择与构建
：选择合适的内核版本，如长期支持版本或稳定支持版本。构建内核的步骤如下：
- 获取内核源代码。
- 进行内核配置，可使用 Kconfig 工具。
- 编译内核和内核模块。
- 可将 initramfs 构建到内核映像中。
-
内核调试
：可使用 GDB、kgdb、kdb 等工具进行内核代码调试，包括早期代码调试、模块调试等。
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以 GDB 为例，调试步骤如下：
- 准备调试环境，设置 sysroot。
- 连接 GDB 和 gdbserver。
- 配置 GDB 命令文件和命令。
- 运行到断点进行调试。
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以 GDB 为例，调试步骤如下：
8.3 文件系统
-
根文件系统
：包含设备节点、库、程序等组件。可使用不同的工具和方法创建和管理根文件系统，如使用 Buildroot 或 Yocto Project。
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使用 Buildroot 创建根文件系统步骤：
- 安装 Buildroot。
- 进行配置。
- 运行构建命令。
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使用 Buildroot 创建根文件系统步骤：
- 文件系统类型 ：有多种文件系统可供选择，如 ext4、F2FS、squashfs 等，需根据存储设备和应用需求进行选择。
8.4 设备驱动开发
- 设备驱动类型 ：包括字符设备驱动、块设备驱动、网络设备驱动等。
-
开发步骤
：
- 了解设备的硬件特性和数据手册。
- 设计驱动接口，如字符驱动接口。
- 编写驱动代码，处理设备的读写、中断等操作。
- 编译和加载驱动模块。
8.5 实时性能优化
- 调度策略 ：选择合适的调度策略，如实时调度策略（FIFO、RR）和时间共享调度策略（CFS）。
- 降低延迟 ：启用内核抢占、使用 PREEMPT_RT 补丁、优化中断处理等。
- 性能测量 ：使用 cyclictest、Ftrace 等工具测量调度延迟和跟踪系统事件。
以下是一个简单的 mermaid 流程图，展示内核构建的基本流程：
graph TD;
A[获取内核源代码] --> B[内核配置];
B --> C[编译内核和模块];
C --> D[构建 initramfs 到内核映像];
D --> E[完成内核构建];
通过以上对嵌入式系统实时编程与开发的详细介绍，涵盖了从实时编程的内核优化到相关工具和技术的应用，以及进一步学习资源和开发机会等方面，希望能为嵌入式开发者提供全面的参考和指导。
9. 内存管理与优化
内存管理在嵌入式系统中至关重要，它直接影响系统的性能和稳定性。
-
内存映射与共享
：可以使用 mmap 函数来实现内存的映射和共享。例如，使用 mmap 访问设备内存、分配私有内存以及实现进程间的内存共享。
- 访问设备内存：通过 mmap 将设备内存映射到进程的地址空间，方便对设备进行读写操作。
- 分配私有内存：使用 mmap 分配一块私有内存区域，供进程内部使用。
- 进程间内存共享：多个进程可以通过 mmap 映射到同一块物理内存，实现数据的共享。
-
内存泄漏检测
：内存泄漏会导致系统性能逐渐下降，甚至崩溃。可以使用 mtrace 和 Valgrind 等工具来检测内存泄漏。
- mtrace：在代码中插入 mtrace 相关的代码，记录内存的分配和释放情况，通过分析日志文件来检测内存泄漏。
- Valgrind：是一个强大的内存调试和分析工具，它可以检测内存泄漏、越界访问等问题。使用 Valgrind 时，只需要在运行程序时加上相应的参数即可。
-
内存优化策略
：为了提高内存的使用效率，可以采取一些优化策略，如内存分离、避免页面错误等。
- 内存分离：将不同类型的内存使用隔离开来，避免相互干扰。
- 避免页面错误：通过合理的内存管理和布局，减少页面错误的发生，提高系统的性能。
10. 电源管理
电源管理对于嵌入式系统来说非常重要，尤其是在电池供电的设备中。
-
CPU 频率和电压调整
：可以使用 CPUFreq 驱动来调整 CPU 的频率，使用 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) 技术来动态调整 CPU 的电压和频率，以达到节能的目的。
- CPUFreq 驱动使用步骤：
1. 配置 CPUFreq 驱动。
2. 根据系统的负载情况，动态调整 CPU 的频率。
- DVFS 技术：根据 CPU 的负载和性能需求，动态调整 CPU 的电压和频率，在保证性能的前提下，降低功耗。
-
空闲状态管理
：使用 CPUIdle 驱动来管理 CPU 的空闲状态，当 CPU 处于空闲状态时，进入低功耗模式，以节省电量。
- CPUIdle 驱动使用步骤：
1. 配置 CPUIdle 驱动。
2. 定义不同的空闲状态和进入条件。
3. 当 CPU 空闲时，自动进入相应的低功耗模式。
-
电源使用测量
：可以使用 PowerTOP 等工具来测量系统的电源使用情况，找出功耗较大的组件和进程，进行针对性的优化。
11. 网络配置与管理
网络功能在嵌入式系统中越来越重要，以下是网络配置和管理的相关内容。
-
网络组件配置
：对于 glibc 库，需要配置相应的网络组件，如 name service switch (NSS) 等，以实现网络功能。
- NSS 配置步骤：
1. 编辑 /etc/nsswitch.conf 文件，配置所需的网络服务。
2. 重启相关服务，使配置生效。
-
网络设备驱动
：开发和使用网络设备驱动，以支持不同类型的网络设备，如以太网、Wi - Fi 等。
- 以太网设备驱动开发步骤：
1. 了解以太网设备的硬件特性和数据手册。
2. 设计驱动接口，处理网络数据包的收发。
3. 编译和加载驱动模块。
- Wi - Fi 设备控制：可以使用相关的工具和库来控制 Wi - Fi 设备，实现连接、断开等操作。
-
网络文件系统（NFS）
：可以使用 NFS 来挂载根文件系统，方便开发和调试。
- NFS 挂载根文件系统步骤：
1. 配置 NFS 服务器，共享根文件系统目录。
2. 在客户端设备上，使用 mount 命令挂载 NFS 共享目录。
12. 系统更新与维护
系统更新和维护是保证嵌入式系统正常运行和安全性的重要环节。
-
本地更新与远程更新
：可以使用 Mender 等工具来实现本地更新和远程更新。
- Mender 本地更新步骤：
1. 安装 Mender 客户端。
2. 配置 Mender 服务器地址。
3. 上传更新包到 Mender 服务器。
4. 在客户端设备上触发更新操作。
- Mender 远程更新步骤类似，只是更新的触发和管理是通过网络远程进行的。
-
更新机制
：有对称图像更新、非对称图像更新和原子文件更新等多种更新机制。
- 对称图像更新：将新的系统镜像替换旧的镜像，更新过程中需要保证数据的一致性。
- 非对称图像更新：根据系统的变化情况，只更新部分数据，减少更新的数据量。
- 原子文件更新：保证文件更新的原子性，避免更新过程中出现错误。
-
恢复模式
：为了防止更新失败导致系统无法正常运行，需要设置恢复模式。当系统更新失败时，可以自动进入恢复模式，恢复到上一个正常的系统状态。
13. 应用开发与调试
应用开发和调试是嵌入式系统开发的重要组成部分。
-
应用开发工具
：可以使用 Python、C、C++ 等编程语言进行应用开发。对于 Python 应用开发，可以使用 pip 来安装 Python 包，使用 venv 来管理 Python 虚拟环境。
- pip 安装 Python 包步骤：
1. 确保 pip 已经安装。
2. 使用 pip install 命令安装所需的 Python 包。
- venv 管理 Python 虚拟环境步骤：
1. 创建虚拟环境：使用 python -m venv 命令创建一个新的虚拟环境。
2. 激活虚拟环境：在终端中执行相应的激活命令。
3. 在虚拟环境中安装和运行 Python 应用。
-
应用调试
：可以使用 GDB、Data Display Debugger (DDD) 等工具进行应用调试。对于多线程应用，调试时需要注意线程的同步和互斥问题。
- GDB 调试应用步骤：
1. 编译应用时加上调试信息（-g 参数）。
2. 使用 GDB 启动应用。
3. 设置断点、查看变量值、单步执行等操作进行调试。
以下是一个 mermaid 流程图，展示系统更新的基本流程：
graph TD;
A[准备更新包] --> B[上传到服务器];
B --> C[客户端检查更新];
C --> D{是否有更新};
D -- 是 --> E[下载更新包];
D -- 否 --> F[结束];
E --> G[验证更新包];
G --> H{验证是否通过};
H -- 是 --> I[应用更新];
H -- 否 --> F;
I --> J[检查更新结果];
J --> K{更新是否成功};
K -- 是 --> L[完成更新];
K -- 否 --> M[进入恢复模式];
M --> F;
综上所述，嵌入式系统实时编程与开发是一个复杂而又充满挑战的领域，涉及到内核优化、硬件交互、内存管理、电源管理、网络配置、系统更新和应用开发等多个方面。通过对这些方面的深入理解和掌握，以及合理运用相关的工具和技术，可以开发出高效、稳定、可靠的嵌入式系统。希望本文能为嵌入式开发者提供有益的参考和帮助，推动嵌入式系统开发技术的不断发展。
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