Linux 被部署到比 Linus Torvalds 在他的宿舍里開發(fā)時(shí)所預(yù)期的更廣泛的設(shè)備。令人震驚的支持了各種芯片，使得Linux 可以應(yīng)用于大大小小的設(shè)備上：從 IBM 的巨型機(jī)到不如其連接的端口大的微型設(shè)備，以及各種大小的設(shè)備。它被用于大型企業(yè)數(shù)據(jù)中心、互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備和個(gè)人的開發(fā)系統(tǒng)。它還為消費(fèi)類電子產(chǎn)品、移動(dòng)電話和許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供了動(dòng)力。

在為桌面和企業(yè)級(jí)設(shè)備構(gòu)建 Linux 軟件時(shí)，開發(fā)者通常在他們的構(gòu)建機(jī)器上使用桌面發(fā)行版，如 Ubuntu 以便盡可能與被部署的機(jī)器相似。如 VirtualBox 和 Docker 這樣的工具使得開發(fā)、測(cè)試和生產(chǎn)環(huán)境更好的保持了一致。

什么是嵌入式系統(tǒng)?

維基百科將嵌入式系統(tǒng)定義為：“在更大的機(jī)械或電氣系統(tǒng)中具有專用功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，往往伴隨著實(shí)時(shí)計(jì)算限制。”

我覺(jué)得可以很簡(jiǎn)單地說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)是大多數(shù)人不認(rèn)為是計(jì)算機(jī)的計(jì)算機(jī)。它的主要作用是作為某種設(shè)備，而不被視為通用計(jì)算平臺(tái)。

嵌入式系統(tǒng)編程的開發(fā)環(huán)境通常與測(cè)試和生產(chǎn)環(huán)境大不相同。它們可能會(huì)使用不同的芯片架構(gòu)、軟件堆棧甚至操作系統(tǒng)。開發(fā)工作流程對(duì)于嵌入式開發(fā)人員與桌面和 Web 開發(fā)人員來(lái)說(shuō)是非常不同的。通常，其構(gòu)建后的輸出將包含目標(biāo)設(shè)備的整個(gè)軟件映像，包括內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、庫(kù)和應(yīng)用程序軟件(有時(shí)也包括引導(dǎo)加載程序)。

在本文中，我將對(duì)構(gòu)建嵌入式 Linux 系統(tǒng)的四種常用方式進(jìn)行縱覽。我將介紹一下每種產(chǎn)品的工作原理，并提供足夠的信息來(lái)幫助讀者確定使用哪種工具進(jìn)行設(shè)計(jì)。我不會(huì)教你如何使用它們中的任何一個(gè);一旦縮小了選擇范圍，就有大量深入的在線學(xué)習(xí)資源。沒(méi)有任何選擇適用于所有情況，我希望提供足夠的細(xì)節(jié)來(lái)指導(dǎo)您的決定。

Yocto

Yocto 項(xiàng)目 定義為“一個(gè)開源協(xié)作項(xiàng)目，提供模板、工具和方法，幫助您為嵌入式產(chǎn)品創(chuàng)建定制的基于 Linux 的系統(tǒng)，而不管硬件架構(gòu)如何。”它是用于創(chuàng)建定制的 Linux 運(yùn)行時(shí)映像的配方、配置值和依賴關(guān)系的集合，可根據(jù)您的特定需求進(jìn)行定制。

完全公開：我在嵌入式 Linux 中的大部分工作都集中在 Yocto 項(xiàng)目上，而且我對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和偏見(jiàn)可能很明顯。

Yocto 使用 Openembedded 作為其構(gòu)建系統(tǒng)。從技術(shù)上講，這兩個(gè)是獨(dú)立的項(xiàng)目;然而，在實(shí)踐中，用戶不需要了解區(qū)別，項(xiàng)目名稱經(jīng)?？梢曰Q使用。

Yocto 項(xiàng)目的輸出大致由三部分組成：

目標(biāo)運(yùn)行時(shí)二進(jìn)制文件：這些包括引導(dǎo)加載程序、內(nèi)核、內(nèi)核模塊、根文件系統(tǒng)映像。以及將 Linux 部署到目標(biāo)平臺(tái)所需的任何其他輔助文件。

包流：這是可以安裝在目標(biāo)上的軟件包集合。您可以根據(jù)需要選擇軟件包格式(例如，deb、rpm、ipk)。其中一些可能預(yù)先安裝在目標(biāo)運(yùn)行時(shí)二進(jìn)制文件中，但可以構(gòu)建用于安裝到已部署系統(tǒng)的軟件包。

目標(biāo) SDK：這些是安裝在目標(biāo)平臺(tái)上的軟件的庫(kù)和頭文件的集合。應(yīng)用程序開發(fā)人員在構(gòu)建代碼時(shí)使用它們，以確保它們與適當(dāng)?shù)膸?kù)鏈接

優(yōu)點(diǎn)

Yocto 項(xiàng)目在行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，并得到許多有影響力的公司的支持。此外，它還擁有一個(gè)龐大且充滿活力的開發(fā)人員社區(qū)和生態(tài)系統(tǒng)。開源愛(ài)好者和企業(yè)贊助商的結(jié)合的方式有助于推動(dòng) Yocto 項(xiàng)目。

獲得 Yocto 的支持有很多選擇。如果您想自己動(dòng)手，有書籍和其他培訓(xùn)材料。如果您想獲得專業(yè)知識(shí)，有許多有 Yocto 經(jīng)驗(yàn)的工程師。而且許多商業(yè)組織可以為您的設(shè)計(jì)提供基于 Yocto 的 Turnkey 產(chǎn)品或基于服務(wù)的實(shí)施和定制。

Yocto 項(xiàng)目很容易通過(guò) 層 進(jìn)行擴(kuò)展，層可以獨(dú)立發(fā)布以添加額外的功能，或針對(duì)項(xiàng)目發(fā)布時(shí)尚不可用的平臺(tái)，或用于保存系統(tǒng)特有定制功能。層可以添加到你的配置中，以添加未特別包含在市面上版本中的獨(dú)特功能;例如，“meta-browser” 層包含 Web 瀏覽器的清單，可以輕松為您的系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建。因?yàn)樗鼈兪仟?dú)立維護(hù)的，所以層可以按不同的時(shí)間發(fā)布(根據(jù)層的開發(fā)速度)，而不是跟著標(biāo)準(zhǔn)的 Yocto 版本發(fā)布。

Yocto 可以說(shuō)是本文討論的任何方式中最廣泛的設(shè)備支持。由于許多半導(dǎo)體和電路板制造商的支持，Yocto 很可能能夠支持您選擇的任何目標(biāo)平臺(tái)。主版本 Yocto 分支僅支持少數(shù)幾塊主板(以便達(dá)成合理的測(cè)試和發(fā)布周期)，但是，標(biāo)準(zhǔn)工作模式是使用外部主板支持層。

最后，Yocto 非常靈活和可定制。您的特定應(yīng)用程序的自定義可以存儲(chǔ)在一個(gè)層進(jìn)行封裝和隔離，通常將要素層特有的自定義項(xiàng)存儲(chǔ)為層本身的一部分，這可以將相同的設(shè)置同時(shí)應(yīng)用于多個(gè)系統(tǒng)配置。Yocto 還提供了一個(gè)定義良好的層優(yōu)先和覆蓋功能。這使您可以定義層應(yīng)用和搜索元數(shù)據(jù)的順序。它還使您可以覆蓋具有更高優(yōu)先級(jí)的層的設(shè)置;例如，現(xiàn)有清單的許多自定義功能都將保留。

缺點(diǎn)

Yocto 項(xiàng)目最大的缺點(diǎn)是學(xué)習(xí)曲線陡峭。學(xué)習(xí)該系統(tǒng)并真正理解系統(tǒng)需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。 根據(jù)您的需求，這可能對(duì)您的應(yīng)用程序不重要的技術(shù)和能力投入太大。 在這種情況下，與一家商業(yè)供應(yīng)商合作可能是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

Yocto 項(xiàng)目的開發(fā)時(shí)間和資源相當(dāng)高。 需要構(gòu)建的包(包括工具鏈，內(nèi)核和所有目標(biāo)運(yùn)行時(shí)組件)的數(shù)量相當(dāng)不少。 Yocto 開發(fā)人員的開發(fā)工作站往往是大型系統(tǒng)。 不建議使用小型筆記本電腦。 這可以通過(guò)使用許多提供商提供的基于云的構(gòu)建服務(wù)器來(lái)緩解。 另外，Yocto 有一個(gè)內(nèi)置的緩存機(jī)制，當(dāng)它確定用于構(gòu)建特定包的參數(shù)沒(méi)有改變時(shí)，它允許它重新使用先前構(gòu)建的組件。

建議

為您的下一個(gè)嵌入式 Linux 設(shè)計(jì)使用 Yocto 項(xiàng)目是一個(gè)強(qiáng)有力的選擇。 在這里介紹的選項(xiàng)中，無(wú)論您的目標(biāo)用例如何，它都是最廣泛適用的。 廣泛的行業(yè)支持，積極的社區(qū)和廣泛的平臺(tái)支持使其成為必須設(shè)計(jì)師的不錯(cuò)選擇。

Buildroot

Buildroot 項(xiàng)目定義為“通過(guò)交叉編譯生成嵌入式 Linux 系統(tǒng)的簡(jiǎn)單、高效且易于使用的工具。”它與 Yocto 項(xiàng)目具有許多相同的目標(biāo)，但它注重簡(jiǎn)單性和簡(jiǎn)約性。一般來(lái)說(shuō)，Buildroot 會(huì)禁用所有軟件包的所有可選編譯時(shí)設(shè)置(有一些值得注意的例外)，從而生成盡可能小的系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要啟用適用于給定設(shè)備的設(shè)置。

Buildroot 從源代碼構(gòu)建所有組件，但不支持按目標(biāo)包管理。因此，它有時(shí)稱為固件生成器，因?yàn)殓R像在構(gòu)建時(shí)大部分是固定的。應(yīng)用程序可以更新目標(biāo)文件系統(tǒng)，但是沒(méi)有機(jī)制將新軟件包安裝到正在運(yùn)行的系統(tǒng)中。

Buildroot 輸出主要由三部分組成：

將 Linux 部署到目標(biāo)平臺(tái)所需的根文件系統(tǒng)映像和任何其他輔助文件

適用于目標(biāo)硬件的內(nèi)核，引導(dǎo)加載程序和內(nèi)核模塊

用于構(gòu)建所有目標(biāo)二進(jìn)制文件的工具鏈。

優(yōu)點(diǎn)

Buildroot 對(duì)簡(jiǎn)單性的關(guān)注意味著，一般來(lái)說(shuō)，它比 Yocto 更容易學(xué)習(xí)。核心構(gòu)建系統(tǒng)用 Make 編寫，并且足夠短以便開發(fā)人員了解整個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)可擴(kuò)展到足以滿足嵌入式 Linux 開發(fā)人員的需求。 Buildroot 核心通常只處理常見(jiàn)用例，但它可以通過(guò)腳本進(jìn)行擴(kuò)展。

Buildroot 系統(tǒng)使用普通的 Makefile 和 Kconfig 語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行配置。 Kconfig 由 Linux 內(nèi)核社區(qū)開發(fā)，廣泛用于開源項(xiàng)目，使得許多開發(fā)人員都熟悉它。

由于禁用所有可選的構(gòu)建時(shí)設(shè)置的設(shè)計(jì)目標(biāo)，Buildroot 通常會(huì)使用開箱即用的配置生成盡可能最小的鏡像。一般來(lái)說(shuō)，構(gòu)建時(shí)間和構(gòu)建主機(jī)資源的規(guī)模將比 Yocto 項(xiàng)目的規(guī)模更小。

缺點(diǎn)

關(guān)注簡(jiǎn)單性和最小化啟用的構(gòu)建方式意味著您可能需要執(zhí)行大量的自定義來(lái)為應(yīng)用程序配置 Buildroot 構(gòu)建。此外，所有配置選項(xiàng)都存儲(chǔ)在單個(gè)文件中，這意味著如果您有多個(gè)硬件平臺(tái)，則需要為每個(gè)平臺(tái)進(jìn)行每個(gè)定制更改。

對(duì)系統(tǒng)配置文件的任何更改都需要全部重新構(gòu)建所有軟件包。與 Yocto 相比，這個(gè)問(wèn)題通過(guò)最小的鏡像大小和構(gòu)建時(shí)間得到了一定的解決，但在你調(diào)整配置時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致構(gòu)建時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

中間軟件包狀態(tài)緩存默認(rèn)情況下未啟用，并且不像 Yocto 實(shí)施那么徹底。這意味著，雖然第一次構(gòu)建可能比等效的 Yocto 構(gòu)建短，但后續(xù)構(gòu)建可能需要重建許多組件。

建議

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用程序，使用 Buildroot 進(jìn)行下一個(gè)嵌入式 Linux 設(shè)計(jì)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。如果您的設(shè)計(jì)需要多種硬件類型或其他差異，但由于同步多個(gè)配置的復(fù)雜性，您可能需要重新考慮，但對(duì)于由單一設(shè)置組成的系統(tǒng)，Buildroot 可能適合您。

OpenWRT/LEDE

OpenWRT 項(xiàng)目開始為消費(fèi)類路由器開發(fā)定制固件。您當(dāng)?shù)亓闶凵烫峁┑脑S多低成本路由器都可以運(yùn)行 Linux 系統(tǒng)，但可能無(wú)法開箱即用。這些路由器的制造商可能無(wú)法提供頻繁的更新來(lái)解決新的威脅，即使他們這樣做，安裝更新鏡像的機(jī)制也很困難且容易出錯(cuò)。 OpenWRT 項(xiàng)目為許多已被其制造商放棄的設(shè)備生成更新的固件鏡像，讓這些設(shè)備煥發(fā)新生。

OpenWRT 項(xiàng)目的主要交付物是可用于大量商業(yè)設(shè)備的二進(jìn)制鏡像。它有網(wǎng)絡(luò)可訪問(wèn)的軟件包存儲(chǔ)庫(kù)，允許設(shè)備最終用戶將新軟件添加到他們的系統(tǒng)中。 OpenWRT 構(gòu)建系統(tǒng)是一個(gè)通用構(gòu)建系統(tǒng)，它允許開發(fā)人員創(chuàng)建自定義版本以滿足他們自己的需求并添加新軟件包，但其主要重點(diǎn)是目標(biāo)二進(jìn)制文件。

優(yōu)點(diǎn)

如果您正在為商業(yè)設(shè)備尋找替代固件，則 OpenWRT 應(yīng)位于您的選項(xiàng)列表中。它的維護(hù)良好，可以保護(hù)您免受制造商固件無(wú)法解決的問(wèn)題。您也可以添加額外的功能，使您的設(shè)備更有用。

如果您的嵌入式設(shè)計(jì)專注于網(wǎng)絡(luò)，則 OpenWRT 是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序是 OpenWRT 的主要用例，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)許多可用的軟件包。

缺點(diǎn)

OpenWRT 對(duì)您的設(shè)計(jì)限制很多(與 Yocto 和 Buildroot 相比)。如果這些決定不符合您的設(shè)計(jì)目標(biāo)，則可能需要進(jìn)行大量的修改。

在部署的設(shè)備中允許基于軟件包的更新是很難管理的。按照其定義，這會(huì)導(dǎo)致與您的 QA 團(tuán)隊(duì)測(cè)試的軟件負(fù)載不同。此外，很難保證大多數(shù)軟件包管理器的原子安裝，以及錯(cuò)誤的電源循環(huán)可能會(huì)使您的設(shè)備處于不可預(yù)知的狀態(tài)。

建議

OpenWRT 是愛(ài)好者項(xiàng)目或商用硬件再利用的不錯(cuò)選擇。它也是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的不錯(cuò)選擇。如果您需要從默認(rèn)設(shè)置進(jìn)行大量定制，您可能更喜歡 Buildroot 或 Yocto。

桌面發(fā)行版

設(shè)計(jì)嵌入式 Linux 系統(tǒng)的一種常見(jiàn)方法是從桌面發(fā)行版開始，例如 Debian 或 Red Hat，并刪除不需要的組件，直到安裝的鏡像符合目標(biāo)設(shè)備的占用空間。這是 Raspberry Pi 平臺(tái)流行的 Raspbian發(fā)行版的方法。

優(yōu)點(diǎn)

這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是熟悉。通常，嵌入式 Linux 開發(fā)人員也是桌面 Linux 用戶，并且精通他們的選擇發(fā)行版。在目標(biāo)上使用類似的環(huán)境可能會(huì)讓開發(fā)人員更快地入門。根據(jù)所選的分布，可以使用 apt 和 yum 等標(biāo)準(zhǔn)封裝工具安裝許多其他工具。

可以將顯示器和鍵盤連接到目標(biāo)設(shè)備，并直接在那里進(jìn)行所有的開發(fā)。對(duì)于不熟悉嵌入式空間的開發(fā)人員來(lái)說(shuō)，這可能是一個(gè)更為熟悉的環(huán)境，無(wú)需配置和使用棘手的跨開發(fā)平臺(tái)設(shè)置。

大多數(shù)桌面發(fā)行版可用的軟件包數(shù)量通常大于前面討論的嵌入式特定的構(gòu)建器可用軟件包數(shù)量。由于較大的用戶群和更廣泛的用例，您可能能夠找到您的應(yīng)用程序所需的所有運(yùn)行時(shí)包，這些包已經(jīng)構(gòu)建并可供使用。

缺點(diǎn)

將目標(biāo)平臺(tái)作為您的主要開發(fā)環(huán)境可能會(huì)很慢。運(yùn)行編譯器工具是一項(xiàng)資源密集型操作，根據(jù)您構(gòu)建的代碼的多少，這可能會(huì)嚴(yán)重妨礙您的性能。

除了一些例外情況，桌面發(fā)行版的設(shè)計(jì)并不適合低資源系統(tǒng)，并且可能難以充分裁剪目標(biāo)映像。同樣，桌面環(huán)境中的預(yù)設(shè)工作流程對(duì)于大多數(shù)嵌入式設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)都不理想。以這種方式獲得可再現(xiàn)的環(huán)境很困難。手動(dòng)添加和刪除軟件包很容易出錯(cuò)。這可以使用特定于發(fā)行版的工具進(jìn)行腳本化，例如基于 Debian 系統(tǒng)的 debootstrap。為了進(jìn)一步提高可再現(xiàn)性，您可以使用配置管理工具，如 CFEngine(我的雇主 Mender.io 完整披露了 這一工具)。但是，您仍然受發(fā)行版提供商的支配，他們將更新軟件包以滿足他們的需求，而不是您的需求。

建議

對(duì)于您打算推向市場(chǎng)的產(chǎn)品，請(qǐng)謹(jǐn)慎使用此方法。這對(duì)于愛(ài)好者應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的模型;但是，對(duì)于需要支持的產(chǎn)品，這種方法很可能會(huì)遇到麻煩。雖然您可能能夠獲得更快的起步，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，您可能會(huì)花費(fèi)您的時(shí)間和精力。

其他考慮

這個(gè)討論集中在構(gòu)建系統(tǒng)的功能上，但通常有非功能性需求可能會(huì)影響您的決定。如果您已經(jīng)選擇了片上系統(tǒng)(SoC)或電路板，則您的選擇很可能由供應(yīng)商決定。如果您的供應(yīng)商為特定系統(tǒng)提供板級(jí)支持包(BSP)，使用它通常會(huì)節(jié)省相當(dāng)多的時(shí)間，但請(qǐng)研究 BSP 的質(zhì)量以避免在開發(fā)周期后期發(fā)生問(wèn)題。

如果您的預(yù)算允許，您可能需要考慮為目標(biāo)操作系統(tǒng)使用商業(yè)供應(yīng)商。有些公司會(huì)為這里討論的許多選項(xiàng)提供經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和支持的配置，除非您擁有嵌入式 Linux 構(gòu)建系統(tǒng)方面的專業(yè)知識(shí)，否則這是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，可以讓您專注于核心能力。

作為替代，您可以考慮為您的開發(fā)人員進(jìn)行商業(yè)培訓(xùn)。這可能比商業(yè)操作系統(tǒng)供應(yīng)商便宜，并且可以讓你更加自給自足。這是快速找到您選擇的構(gòu)建系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)曲線。

最后，您可能已經(jīng)有一些開發(fā)人員擁有一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)。如果你的工程師有傾向性，當(dāng)你做出決定時(shí)，肯定值得考慮。

總結(jié)

構(gòu)建嵌入式 Linux 系統(tǒng)有多種選擇，每種都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。將這部分設(shè)計(jì)放在優(yōu)先位置至關(guān)重要，因?yàn)樵谝院蟮倪^(guò)程中切換系統(tǒng)的成本非常高。除了這些選擇之外，還有新的系統(tǒng)在開發(fā)中。希望這次討論能夠?yàn)樵u(píng)估新的系統(tǒng)(以及這里提到的系統(tǒng))提供一些背景，并幫助您為下一個(gè)項(xiàng)目做出堅(jiān)實(shí)的決定。