實(shí)戰(zhàn)：從選型到調(diào)試全解析)
最近盤點(diǎn)了手上幾塊閑置的開發(fā)板發(fā)現(xiàn)最有價(jià)值、也最值得拿出來聊一聊的反而是那塊ARM Cortex A8的System on ModuleSoM核心板。這兩年做工業(yè)控制相關(guān)的項(xiàng)目最后硬件方案定下來的居然是這顆看起來“有點(diǎn)年頭的芯片”搭配核心板形態(tài)說實(shí)話自己一開始也沒想到。SoM這類模塊把CPU、DDR、eMMC、電源管理這些難啃的硬骨頭預(yù)先集成好用戶拿到的是一塊經(jīng)過驗(yàn)證的核心小板只需要按產(chǎn)品需求設(shè)計(jì)自己的底板外設(shè)就行。對(duì)中小團(tuán)隊(duì)、個(gè)人開發(fā)者、以及想快速出原型驗(yàn)證方案的人來說這種模式是真的省心。這篇文章就圍繞這個(gè)平臺(tái)把選型邏輯、硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)、交叉編譯環(huán)境、調(diào)試方法和常見坑位完整梳理一遍給同樣在評(píng)估Cortex A8 SoM方案的朋友做參考。1. 項(xiàng)目背景與方案選型為什么是Cortex A8 SoM很多人一聽到Cortex A8第一反應(yīng)是“這玩意兒是不是太老了”畢竟現(xiàn)在手機(jī)上的ARM核心都已經(jīng)到Cortex-X系列了。但嵌入式工業(yè)產(chǎn)品和消費(fèi)電子完全是兩個(gè)節(jié)奏。Cortex A8在工控、醫(yī)療、電力、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)這些領(lǐng)域還有大量存量市場(chǎng)芯片供貨穩(wěn)定BSP完善資料豐富而且價(jià)格早就被攤薄了。加上SoM這種產(chǎn)品形態(tài)本身就是為了降低開發(fā)門檻而存在的兩者結(jié)合起來對(duì)一個(gè)要快速出貨的項(xiàng)目來說反而是一條非常務(wù)實(shí)的路徑。1.1 先搞清楚SoM到底解決了什么問題SoM全稱System on Module國(guó)內(nèi)通常叫核心板或者模塊系統(tǒng)。它和整板設(shè)計(jì)的核心區(qū)別在于SoM把“技術(shù)難度高、但差異化價(jià)值低”的部分集成到一起比如處理器、DDR顆粒、eMMC/NAND Flash、PMU電源管理單元、時(shí)鐘晶振甚至網(wǎng)絡(luò)PHY都會(huì)放上去。這些部分恰恰是硬件設(shè)計(jì)中最容易出問題的區(qū)域——DDR布線要等長(zhǎng)、阻抗匹配要高精度、電源時(shí)序要嚴(yán)格、高速信號(hào)要控干擾哪一項(xiàng)做不好都是“能用但偶發(fā)死機(jī)”這種最難排查的故障。我需要提醒的就是SoM最大的價(jià)值不是省那幾顆料而是省掉了一整個(gè)維度的debug時(shí)間。底板設(shè)計(jì)你只需要關(guān)心外圍接口RS485電平轉(zhuǎn)換、CAN收發(fā)器、繼電器驅(qū)動(dòng)、ADC前端采集、以太網(wǎng)變壓器座、LCD接口這些難度直接從“高速數(shù)字電路”降到了“常規(guī)外圍電路”的層級(jí)。實(shí)際上用了SoM之后硬件工程師可以把精力放在產(chǎn)品的差異化部分而不是反復(fù)去驗(yàn)證DDR信號(hào)完整性和電源紋波。1.2 Cortex A8這顆“老芯片”憑什么還能打Cortex A8是ARM第一代超標(biāo)量Cortex應(yīng)用處理器主頻通常落在600MHz到1GHz這個(gè)區(qū)間。在SoM生態(tài)里最典型的代表就是TI的AM335x系列基于Cortex A8核心集成了SGX530 GPU、Ethernet MAC、CAN控制器、PRU協(xié)處理器等一大堆工業(yè)場(chǎng)景需要的功能。相比Cortex A9和A7A8的流水線更深同頻性能其實(shí)并不差關(guān)鍵是對(duì)外的接口非常齊全工業(yè)級(jí)溫寬-40到85度的型號(hào)也很多這是很多消費(fèi)級(jí)ARM芯片給不了的。和Cortex A7比A8沒有明顯劣勢(shì)在單核性能上反而更好。和A9比A8少一個(gè)核心但功耗更低、更穩(wěn)定。對(duì)于單進(jìn)程處理為主的工控應(yīng)用比如HMI人機(jī)界面、協(xié)議網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)采集終端A8的性能完全夠用。加上AM335x系列的PRU協(xié)處理器還能做實(shí)時(shí)IO控制這在Linux系統(tǒng)下做硬實(shí)時(shí)擴(kuò)展很自然是很多純A8/A9芯片不具備的。1.3 選型時(shí)最在意的幾個(gè)指標(biāo)我在評(píng)估SoM方案時(shí)會(huì)按下面的優(yōu)先級(jí)來看順序基本就是決定項(xiàng)目成敗的權(quán)重排序選型指標(biāo)為什么重要我的判斷標(biāo)準(zhǔn)引腳兼容性核心板換型號(hào)/升級(jí)不用重畫底板同一封裝下有多個(gè)型號(hào)可選引腳pin-to-pin兼容BSP成熟度直接決定軟件工程師的存活率官方提供完整U-Boot/內(nèi)核/文件系統(tǒng)長(zhǎng)期維護(hù)供貨周期工業(yè)項(xiàng)目生命周期通常5-10年芯片廠商明確承諾工業(yè)級(jí)10年供貨文檔與社區(qū)資料遇到問題能否自己解決官方有詳細(xì)的TRM技術(shù)參考手冊(cè)、勘誤表、應(yīng)用筆記價(jià)格與起訂量成本復(fù)核可行性單顆芯片價(jià)格和最小起訂量都在可接受范圍對(duì)Cortex A8這個(gè)級(jí)別的SoM一般核心板價(jià)格在200到500元之間底板自己打樣整套硬件成本控制起來非常靈活。如果直接畫整板光是DDR3布線要處理的信號(hào)完整性問題就夠團(tuán)隊(duì)喝一壺的。這也是越來越多方案商寧可多花幾百塊買核心板也不愿意自己去啃高速布線的核心原因。2. 硬件架構(gòu)與關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)確定了SoM方案之后還得知道核心板上到底發(fā)生了什么。畢竟軟件工程師要寫驅(qū)動(dòng)、調(diào)設(shè)備樹對(duì)硬件結(jié)構(gòu)沒有概念的話做起來會(huì)非常吃力。這里以典型的AM335x Cortex A8核心板為例把硬件架構(gòu)拆開來看。2.1 核心板內(nèi)部都有什么一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Cortex A8 SoM核心區(qū)域通常包含以下幾大塊處理器AM335x系列Cortex A8內(nèi)核主頻最高1GHz工業(yè)級(jí)型號(hào)可到800MHz。DDR3內(nèi)存常見配置為256MB到1GB采用128Mb/256Mb×16bit顆粒組合數(shù)據(jù)總線寬度通常是16bit兩顆疊die組成32bit。存儲(chǔ)4GB到16GB eMMC或者NAND Flash。eMMC方案是目前的主流原因是軟件升級(jí)和系統(tǒng)穩(wěn)定性都更好。PMU電源管理單元典型的如TPS65217提供多路DCDC和LDO輸出完成上電時(shí)序。以太網(wǎng)PHY很多SoM會(huì)直接板載一顆MAC PHY芯片比如AR8031/AR8035引出RJ45接口省掉底板的以太網(wǎng)設(shè)計(jì)。時(shí)鐘24MHz主晶振32.768kHz RTC晶振以及DDR顆粒需要的參考時(shí)鐘。SoM的核心設(shè)計(jì)理念就是“能放上去的高難度器件都放上去”。底板B2B連接器或者郵票孔焊盤引出的通常是帶保護(hù)的GPIO、串口、CAN、USB、以太網(wǎng)、LCD信號(hào)。這些信號(hào)電平在底板上做轉(zhuǎn)換不需要再跑高速DDR信號(hào)這就是SoM能保持體積小但可靠性高的原因。2.2 DDR等長(zhǎng)布線與電源完整性的那些坑如果你自己去畫整板DDR3部分的布線規(guī)則是最考察硬件功底的。DDR3工作在400MHz到800MHz信號(hào)上升沿非常陡要走Fly-by拓?fù)浔M量緩解反射和同步開關(guān)噪聲。先說等長(zhǎng)DDR3地址/控制信號(hào)組要求相對(duì)于時(shí)鐘信號(hào)等長(zhǎng)偏差一般控制在±20mil以內(nèi)數(shù)據(jù)信號(hào)組DQ/DQS/DM以字節(jié)通道為單位每組內(nèi)部等長(zhǎng)偏差控制在±5mil以內(nèi)而且DQ到DQS需要做相對(duì)時(shí)序差補(bǔ)償。這個(gè)活兒用Cadence Allegro或者Altium的Interactive Diff Pair Length Tuning工具調(diào)起來很磨人手工拉線經(jīng)常一拉就是一整天。再說電源完整性DDR3的VDD和VTT供電質(zhì)量直接影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。核心板通常采用同步降壓轉(zhuǎn)換器輸出1.5V/1.35V DDR電源VTT基準(zhǔn)電壓必須從源端經(jīng)過去耦電阻和磁珠隔離后單獨(dú)供給。布線時(shí)要注意DDR電源層必須有完整的參考平面回流路徑不能被分割否則會(huì)出現(xiàn)“常溫下沒事一跑高溫就死機(jī)”這種詭異故障。如果你選用成熟的SoM模塊這些問題都已經(jīng)由模塊廠商解決了。設(shè)備樹里會(huì)看到DDR3的時(shí)序參數(shù)配置這些參數(shù)是基于PCB的布線和芯片datasheet標(biāo)定好的。你自己做底板時(shí)只需要給SoM供電根本不用管DDR信號(hào)。這也是為什么我前面強(qiáng)調(diào)使用SoM不是浪費(fèi)錢而是把高速電路設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)嫁給模塊廠商這比省幾百塊錢重要得多。2.3 電源樹與時(shí)序設(shè)計(jì)的思路Cortex A8核心板的電源樹比MCU復(fù)雜得多通常有這么多路VDD_CORE核心電壓0.9V到1.1V左右動(dòng)態(tài)調(diào)壓給ARM核和內(nèi)部邏輯供電。VDD_MPUMPU電壓1.1V到1.3V左右專門給Cortex A8處分。VDDS_DDRDDR3供電1.5V或1.35V取決于DDR3L還是DDR3。VDDS_SRAMSRAM待機(jī)電壓1.8V。VDDS_A模擬電源比如ADC、PLL、USB PHY、以太網(wǎng)PHY等通常3.3V。VDDS_RTCRTC電源獨(dú)立1.8V或3.3V。PMU芯片的主要工作不是簡(jiǎn)單降壓而是管理上電時(shí)序。典型上電順序?yàn)橄冉oRTC電源然后是SRAM電源核心電壓再是IO電源最后是DDR電源和模擬電源。順序錯(cuò)了芯片長(zhǎng)期工作會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部閂鎖Latch-up風(fēng)險(xiǎn)直接燒掉芯片都不是沒可能。官方勘誤表里專門有一條就是關(guān)于電源時(shí)序要求的我建議做硬件設(shè)計(jì)的人把TRM里的Power Sequencing章節(jié)完整讀一遍這比看100篇博客都有用。從底板設(shè)計(jì)角度你需要關(guān)心的是SoM引出的電源域有哪些。一般SoM會(huì)把3.3V和5V的IO電源引到B2B連接器上底板外設(shè)直接掛這些電源就行。電源紋波控制在50mV內(nèi)是基礎(chǔ)要求如果外設(shè)里有模擬電路或者射頻模塊還需要額外加LC濾波避免開關(guān)頻率干擾。3. 軟件工具鏈與交叉編譯環(huán)境搭建硬件平臺(tái)確定之后軟件才是大頭。Cortex A8上跑的是Linux或者裸機(jī)程序絕大多數(shù)場(chǎng)景都是Linux。既然是ARM處理器所有軟件都必須依賴交叉編譯在x86的PC上生成ARM架構(gòu)的可執(zhí)行文件。這個(gè)過程對(duì)剛?cè)腴T的嵌入式工程師來說最容易卡住的地方就是工具鏈的選擇和環(huán)境變量的配置。3.1 ARM GNU工具鏈版本選擇的第一課做交叉編譯第一步就是選對(duì)工具鏈。對(duì)于Cortex A8常見的有三個(gè)選擇arm-none-eabi-gcc用于裸機(jī)開發(fā)沒有Linux用戶空間支持編譯出來的程序不依賴操作系統(tǒng)直接跑在硬件上。適合做裸機(jī)固件、RTOS應(yīng)用。arm-linux-gnueabihf-gcc用于帶Linux系統(tǒng)的用戶空間程序編譯支持硬浮點(diǎn)針對(duì)ARMv7-A架構(gòu)。Cortex A8帶VFPv3浮點(diǎn)單元用gnueabihf版本能發(fā)揮浮點(diǎn)性能。Linaro GCC針對(duì)ARM的長(zhǎng)期支持工具鏈版本更新快性能優(yōu)化好是很多板級(jí)SDK的基礎(chǔ)。一個(gè)很典型的坑是用錯(cuò)了工具鏈版本編譯出來的程序要么段錯(cuò)誤要么直接提示Illegal instruction。比如你用arm-none-eabi-gcc去編譯Linux用戶態(tài)程序鏈接階段就過不了因?yàn)槿鄙賚ibc和動(dòng)態(tài)鏈接器。用arm-linux-gnueabi軟浮點(diǎn)版去跑硬浮點(diǎn)環(huán)境老版本的glibc會(huì)出現(xiàn)浮點(diǎn)參數(shù)傳遞不一致的問題。所以選工具鏈之前先確認(rèn)目標(biāo)系統(tǒng)的glibc版本和動(dòng)態(tài)鏈接器路徑再?zèng)Q定工具鏈版本。我習(xí)慣的做法是直接用板卡SDK里自帶的工具鏈或者從Linaro官方下載最新的arm-linux-gnueabihf工具鏈解壓到/opt目錄然后手動(dòng)設(shè)置環(huán)境變量export PATH/opt/gcc-arm-linux-gnueabihf/bin:$PATH export CROSS_COMPILEarm-linux-gnueabihf- export ARCHarm這三行環(huán)境變量算是所有ARM交叉編譯的基礎(chǔ)。ARCH告訴內(nèi)核構(gòu)建系統(tǒng)目標(biāo)架構(gòu)是armCROSS_COMPILE指定前綴讓Makefile自動(dòng)調(diào)用arm-linux-gnueabihf-gcc、arm-linux-gnueabihf-ld這些工具。3.2 U-Boot與內(nèi)核編譯跟著Makefile走一遍拿到Cortex A8 SoM之后要構(gòu)建系統(tǒng)鏡像核心就三步編譯U-Boot引導(dǎo)程序、編譯Linux內(nèi)核、構(gòu)建根文件系統(tǒng)。U-Boot編譯相對(duì)簡(jiǎn)單因?yàn)樗總€(gè)板卡都有單獨(dú)配置文件。以AM335x為例make am335x_evm_defconfig make -j8編譯完會(huì)生成MLO和u-boot.img兩個(gè)文件。MLO是TI特有的二級(jí)引導(dǎo)加載器放在SD卡的FAT分區(qū)或者eMMC的boot分區(qū)里負(fù)責(zé)初始化DDR和外設(shè)再將U-Boot主程序加載到內(nèi)存。U-Boot主程序再引導(dǎo)內(nèi)核。內(nèi)核編譯稍微麻煩一些因?yàn)樾枰冗x設(shè)備樹和內(nèi)核配置make omap2plus_defconfig make zImage make am335x-evm.dtb這里有個(gè)細(xì)節(jié)Cortex A8的DTS設(shè)備樹源文件會(huì)定義板卡上的所有硬件外設(shè)比如串口地址、GPIO復(fù)用、LCD時(shí)序、以太網(wǎng)MAC、CAN控制器等。如果你在底板上新增了一個(gè)I2C設(shè)備或者換了一個(gè)LCD屏都需要修改對(duì)應(yīng)的DTS節(jié)點(diǎn)重新編譯設(shè)備樹。設(shè)備樹寫錯(cuò)最典型的癥狀是“某個(gè)外設(shè)能識(shí)別但驅(qū)動(dòng)加載失敗”所以每次修改DTS后我都建議先用dtc工具反編譯看實(shí)際加載的設(shè)備樹內(nèi)容確認(rèn)節(jié)點(diǎn)確實(shí)生效了。3.3 根文件系統(tǒng)與Busybox的交叉編譯內(nèi)核跑起來之后必須掛載根文件系統(tǒng)否則系統(tǒng)只能停在Kernel panic - not syncing: VFS: Unable to mount root fs。對(duì)于精簡(jiǎn)的嵌入式系統(tǒng)最常用的做法是使用Busybox構(gòu)建最小根文件系統(tǒng)。Busybox號(hào)稱Linux系統(tǒng)的瑞士軍刀把ls、cp、sh、init等幾百個(gè)常用命令合并成一個(gè)靜態(tài)鏈接的可執(zhí)行文件大小只有幾百KB。交叉編譯Busybox的命令如下make ARCHarm CROSS_COMPILEarm-linux-gnueabihf- defconfig make ARCHarm CROSS_COMPILEarm-linux-gnueabihf- menuconfig make ARCHarm CROSS_COMPILEarm-linux-gnueabihf- -j8編譯完成后在busybox目錄下執(zhí)行make install會(huì)生成一個(gè)_install目錄里面就是基本的目錄結(jié)構(gòu)和busybox軟鏈接。再手動(dòng)創(chuàng)建一些系統(tǒng)目錄加上必要的設(shè)備節(jié)點(diǎn)用cp命令把交叉編譯好的glibc庫(kù)libc.so、ld-linux.so等拷進(jìn)lib目錄基本上就是一個(gè)可啟動(dòng)的根文件系統(tǒng)了。但這里有一個(gè)天坑Busybox默認(rèn)編譯配置可能不帶動(dòng)態(tài)加載支持如果你后續(xù)要在系統(tǒng)里跑Qt等重量級(jí)應(yīng)用動(dòng)態(tài)庫(kù)依賴會(huì)很難處理。更讓我頭疼的是如果工具鏈的glibc版本和之前編譯內(nèi)核時(shí)用的工具鏈glibc版本不同從文件系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)“version GLIBC_2.27 not found”這類錯(cuò)誤。遇到這種情況要么升級(jí)/降級(jí)工具鏈要么直接用Buildroot或Yocto一鍵生成完整系統(tǒng)鏡像少走彎路。3.4 Qt應(yīng)用在嵌入式Linux上的部署如果產(chǎn)品要做HMI人機(jī)界面Qt是繞不開的方案。Cortex A8 SGX530 GPU雖然性能有限但跑Qt的EglFS模式做一個(gè)簡(jiǎn)單的觸摸界面還是相當(dāng)流暢的。Qt的交叉編譯比普通C程序復(fù)雜得多。你需要先編譯Qt庫(kù)本身再編譯你的應(yīng)用程序。典型的配置步驟./configure -prefix /opt/qt-5.15.2-arm \ -xplatform linux-arm-gnueabihf-g \ -eglfs -opengl es2 \ -no-feature-vnc -no-feature-xcb \ -nomake examples -nomake tests \ -release make -j8 make install重點(diǎn)在于xplatform參數(shù)它指定了Qt的交叉編譯平臺(tái)描述文件。如果不指定Qt默認(rèn)會(huì)按x86桌面平臺(tái)編譯生成的庫(kù)根本沒法在ARM上跑。即使交叉編譯成功部署時(shí)也要注意把Qt的插件目錄platforms、imageformats等和動(dòng)態(tài)庫(kù)完整拷貝到根文件系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的路徑否則跑起來會(huì)直接報(bào)qt.qpa.plugin: Could not find the Qt platform plugin eglfs這個(gè)經(jīng)典錯(cuò)誤。我對(duì)Qt交叉編譯的建議是能用Buildroot就別裸編譯。Buildroot把工具鏈、內(nèi)核、根文件系統(tǒng)、Qt庫(kù)、應(yīng)用集成到一條流水線上生成鏡像后直接燒錄底層的依賴問題大部分都被自動(dòng)處理了。之前裸著編譯Qt浪費(fèi)了我整整兩天時(shí)間換成Buildroot之后兩小時(shí)就出鏡像了項(xiàng)目周期緊張的時(shí)候效率就是王道。4. 虛擬化調(diào)試環(huán)境QEMU模擬ARM開發(fā)板在拿不到實(shí)體板卡之前QEMU模擬器是預(yù)研和算法驗(yàn)證的好幫手。尤其對(duì)于Cortex A8這種級(jí)別性能模擬相對(duì)成熟跑一個(gè)精簡(jiǎn)Linux系統(tǒng)完全沒問題。很多人在找“ARM開發(fā)板模擬器”的時(shí)候默認(rèn)就是QEMU因?yàn)樗悄壳白钔ㄓ玫拈_源方案。4.1 為什么需要模擬器沒有模擬器的時(shí)代每次寫底層代碼都要反復(fù)燒寫SD卡、刷eMMC那不僅是時(shí)間成本還有燒寫次數(shù)多了導(dǎo)致Flash壽命的問題。當(dāng)你需要反復(fù)驗(yàn)證內(nèi)核配置、測(cè)試根文件系統(tǒng)依賴、調(diào)應(yīng)用程序啟動(dòng)流程時(shí)QEMU的啟動(dòng)時(shí)間通常只有10幾秒比硬件板卡還要快而且可以直接掛接GDB調(diào)試內(nèi)核和應(yīng)用程序調(diào)試體驗(yàn)比實(shí)體板還順。另一個(gè)典型場(chǎng)景是跨平臺(tái)CI。如果你的團(tuán)隊(duì)沒有足夠的實(shí)體板卡分配給每個(gè)開發(fā)人員可以在CI服務(wù)器上啟動(dòng)QEMU虛擬機(jī)跑自動(dòng)化測(cè)試用例。我就是用QEMU來跑TCP協(xié)議網(wǎng)關(guān)的壓力測(cè)試沒有給每臺(tái)開發(fā)機(jī)配板子服務(wù)器上同步用QEMU模擬ARM環(huán)境效果很穩(wěn)定。4.2 QEMU在Cortex A8平臺(tái)上的實(shí)測(cè)用法Cortex A8的模擬QEMU支持比較齊全的是TI的AM335x系列對(duì)應(yīng)的機(jī)器型號(hào)是ti_sitara或者beaglebone等?；締?dòng)命令如下qemu-system-arm -machine beaglebone \ -m 512M \ -kernel zImage \ -dtb am335x-bone.dtb \ -drive filerootfs.ext4,formatraw \ -append consolettyO0,115200 root/dev/mmcblk0 rw \ -serial stdio \ -net nic -net user注意Cortex A8的調(diào)試串口在AM335x上叫ttyO0不是ttyS0這個(gè)細(xì)節(jié)直接關(guān)系到你能否在串口終端看到內(nèi)核日志。我第一次用QEMU跑AM335x時(shí)append參數(shù)里寫錯(cuò)了串口名控制臺(tái)一片空白排查了半天才發(fā)現(xiàn)是控制臺(tái)參數(shù)的問題。用QEMU啟動(dòng)之后就能在串口終端里看到完整的Linux啟動(dòng)日志進(jìn)入shell。我在QEMU里完成過U-Boot啟動(dòng)階段的測(cè)試。方法是先用QEMU加載MLO和u-boot.imgqemu-system-arm -machine beaglebone -m 256M \ -sd sd_image.img \ -serial stdio把U-Boot寫到SD卡鏡像里QEMU就能從SD卡啟動(dòng)完整模擬ROM → MLO → U-Boot → kernel的啟動(dòng)鏈路。調(diào)試U-Boot階段這個(gè)方式比反復(fù)插拔SD卡高效得多。芯片的啟動(dòng)模式撥碼開關(guān)與SD卡分區(qū)結(jié)構(gòu)的配合也能在QEMU里反復(fù)驗(yàn)證做板卡生產(chǎn)時(shí)就能避免“燒錄成功但無法啟動(dòng)”的問題。4.3 模擬器與現(xiàn)實(shí)板卡之間容易踩的坑用模擬器調(diào)試有個(gè)大坑就是感覺“在模擬器上能運(yùn)行在真板上起不來”的現(xiàn)象。我踩過一次在QEMU里跑得好好的一個(gè)內(nèi)核配置燒到真板之后發(fā)現(xiàn)以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)根本不工作。原因很簡(jiǎn)單QEMU模擬的以太網(wǎng)控制器和真實(shí)板卡上的PHY芯片并不是同款驅(qū)動(dòng)模型差別巨大。模擬器只能驗(yàn)證軟件邏輯和系統(tǒng)流程沒法驗(yàn)證外設(shè)驅(qū)動(dòng)的硬件相關(guān)性。所以我的習(xí)慣是模擬器只用來驗(yàn)證“與硬件無關(guān)”的部分比如文件系統(tǒng)完整性、啟動(dòng)腳本、應(yīng)用程序邏輯一旦涉及外設(shè)驅(qū)動(dòng)、時(shí)鐘配置、DDR時(shí)序必須拿到真實(shí)板卡上調(diào)試。否則就是自己騙自己項(xiàng)目最后一樣要花大把時(shí)間在真機(jī)聯(lián)調(diào)上。5. 常見問題與排查技巧實(shí)錄在實(shí)際開發(fā)過程中總會(huì)遇到各種千奇百怪的問題這里把幾個(gè)經(jīng)典場(chǎng)景的排查過程和解決方案整理出來希望能幫人少走彎路。5.1 Keil中ARM Compiler許可證錯(cuò)誤c9555e怎么處理很多做Cortex A8 SoM底板的工程師同一時(shí)間還會(huì)用Keil MDK做MCU開發(fā)。經(jīng)常遇到的報(bào)錯(cuò)是ARM Compiler許可證錯(cuò)誤c9555eKeil打開工程直接編譯不了。這個(gè)錯(cuò)誤出現(xiàn)在Keil使用ARM Compiler 5.06時(shí)最常見因?yàn)榫幾g器授權(quán)驗(yàn)證文件過期或者被誤刪導(dǎo)致IDE認(rèn)為許可證無效。處理辦法分三步先檢查許可證狀態(tài)打開Keil uVision點(diǎn)擊File → License Management看能否看到有效的ARM Compiler許可證記錄。如果顯示invalid或者沒有就需要重新激活。其次卸載重裝對(duì)應(yīng)版本的ARM Compiler官方下載地址能找到ARM Compiler 5.06 update 7build 960安裝后通常能修復(fù)c9555e錯(cuò)誤。最后如果重裝編譯器還是不行檢查殺毒軟件是否把FlexNet的許可證文件當(dāng)病毒清理了在信任區(qū)加白名單一下。這個(gè)錯(cuò)誤和ARM Cortex A8的Linux交叉編譯沒什么關(guān)系A(chǔ)RM Compiler 5.06是MDK里用來編譯MCU程序的很多做ARM開發(fā)的人容易把這兩個(gè)“ARM編譯器”混為一談。實(shí)際上一套是ARM自家商業(yè)編譯器另一套是GNU開源工具鏈兩者針對(duì)的目標(biāo)平臺(tái)和生態(tài)完全不同。5.2 交叉編譯工具鏈的一些“隱形”陷阱交叉編譯的坑很多時(shí)候不是語(yǔ)法問題而是環(huán)境問題。第一個(gè)坑是“使用”-static“靜態(tài)鏈接但庫(kù)不完整”。在Cortex A8上跑一個(gè)數(shù)據(jù)采集程序用arm-linux-gnueabihf-gcc編譯時(shí)加了-static參數(shù)編譯成功但運(yùn)行時(shí)報(bào)Segmentation fault。查下來是因?yàn)殪o態(tài)鏈接了glibc的NSS模塊而這個(gè)模塊在目標(biāo)板上的/etc/nsswitch.conf和庫(kù)緩存不匹配。解決辦法很簡(jiǎn)單去掉-static用動(dòng)態(tài)鏈接方式并把對(duì)應(yīng)的.so庫(kù)拷貝到目標(biāo)板。第二個(gè)坑是“硬浮點(diǎn)和軟浮點(diǎn)的ABI不兼容”。Cortex A8支持硬浮點(diǎn)VFPv3但如果你用了gnueabi軟浮點(diǎn)工具鏈編譯的庫(kù)去鏈接gnueabihf硬浮點(diǎn)編譯的程序鏈接器會(huì)報(bào)“selected processor does not support pld”或者直接報(bào)錯(cuò)無法解析符號(hào)。排查思路是檢查工具鏈前綴和系統(tǒng)內(nèi)庫(kù)的編譯方式是否一致。第三個(gè)坑是“文件系統(tǒng)屬性錯(cuò)亂”。每次用root用戶交叉編譯的文件拷貝到目標(biāo)板后權(quán)限位可能丟掉。別人遇到過啟動(dòng)時(shí)提示“-sh: ./app: Permission denied”ls -l看文件權(quán)限明明是755。最后用stat命令看了inode屬性才發(fā)現(xiàn)是ext4的security.capability屬性被錯(cuò)誤設(shè)置用setcap -r命令清理后解決。5.3 ARM平臺(tái)上的應(yīng)用軟件兼容性問題Cortex A8跑的是ARM架構(gòu)Linux很多習(xí)慣在x86上用的閉源軟件在ARM上根本沒有對(duì)應(yīng)版本。最常見的就是Navicat在ARM服務(wù)器上裝navicat基本是裝不了的很多地方安裝失敗就是因?yàn)橹挥衳86的deb包強(qiáng)行安裝之后會(huì)提示Exec format error。遇到這種情況我的原則是“先找替代方案再考慮源碼編譯”。數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具在ARM上可以用DBeaver或者命令行客戶端代替容器部署的話先確認(rèn)docker是否有ARM版本鏡像。這里要專門說一個(gè)點(diǎn)docker desktop本身在ARM Mac上沒問題但如果你在中國(guó)市場(chǎng)常見的統(tǒng)信UOS等ARM系統(tǒng)上裝docker直接用軟件源里的版本往往依賴關(guān)系殘缺我見過有人安裝依賴文件后無法運(yùn)行的大概率是libc6版本和docker二進(jìn)制不兼容。處理方法是優(yōu)先用發(fā)行版自帶倉(cāng)庫(kù)的docker.io包或者自己下載對(duì)應(yīng)的arm64版本靜態(tài)二進(jìn)制包手動(dòng)部署。另一個(gè)讓我印象很深的場(chǎng)景是存儲(chǔ)性能測(cè)試工具vdbench。很多搞存儲(chǔ)的同事習(xí)慣在x86服務(wù)器上跑vdbench換到ARM服務(wù)器上就發(fā)現(xiàn)原生的vdbench只有x86版本。其實(shí)vdbench是基于Java的只要ARM上有對(duì)應(yīng)架構(gòu)的JRE就能跑不需要特意找ARM版安裝ARM版的JDK8之后直接執(zhí)行vdbench腳本就行。5.4 常見問題速查表問題現(xiàn)象可能原因排查步驟啟動(dòng)后串口無輸出U-Boot燒錄位置錯(cuò)誤或DDR初始化失敗檢查MLO分區(qū)位置確認(rèn)啟動(dòng)撥碼開關(guān)檢查DDR電源內(nèi)核啟動(dòng)到一半停止設(shè)備樹和硬件不匹配用dtc反編譯DTB核對(duì)硬件引腳復(fù)用交叉編譯程序提示Illegal instruction工具鏈浮點(diǎn)ABI不匹配確認(rèn)工具鏈hf/eabi重新編譯以太網(wǎng)丟包嚴(yán)重PHY供電紋波過大示波器測(cè)PHY供電紋波增加濾波電容Qt程序無法啟動(dòng)eglfs缺少GPU驅(qū)動(dòng)或插件目錄不完整檢查libQt5EglFs.so是否存在確認(rèn)SGX驅(qū)動(dòng)加載系統(tǒng)時(shí)間每次重啟都重置RTC時(shí)鐘未配置或電池沒電確認(rèn)RTC設(shè)備樹節(jié)點(diǎn)檢查RTC電池電壓文件系統(tǒng)只讀掛載eMMC文件系統(tǒng)壞塊過多用fsck檢查文件系統(tǒng)考慮換eMMC6. 這個(gè)平臺(tái)后續(xù)還能怎么擴(kuò)展Cortex A8的SoM做完了第一版之后接下來的擴(kuò)展方向其實(shí)很明確。如果你想在同一個(gè)底板上做性能升級(jí)業(yè)內(nèi)主流做法是找引腳兼容的更高端核心板比如從AM335x升級(jí)到AM437x或者AM57x這兩款雖然核心不同但很多底板設(shè)計(jì)是可以平移的。做產(chǎn)品規(guī)劃的時(shí)候從一開始就預(yù)留好引腳兼容的擴(kuò)展位能省掉一次完整的改版成本。如果你的應(yīng)用開始涉及到圖像處理或者輕量級(jí)AI推理Cortex A8內(nèi)置的SGX530 GPU確實(shí)有些吃力。此時(shí)可以考慮外掛一顆USB接口的NPU加速棒或者換用帶NPU的SoM模塊比如瑞芯微RK3588S、算能BM1684這類雖然核心不是Cortex A8了但軟件框架和交叉編譯的思路完全一樣。對(duì)嵌入式Linux工程師來說工具鏈的使用、設(shè)備樹的修改、Uboot的編譯流程這些底層技能是通用的換平臺(tái)只是換個(gè)配置而已。從量產(chǎn)角度來看用SoM方案還有一個(gè)好處是核心板單獨(dú)做老化測(cè)試底板只負(fù)責(zé)外圍接口生產(chǎn)故障率會(huì)低很多。我見過整板方案出貨后出現(xiàn)DDR虛焊導(dǎo)致的現(xiàn)象在SoM方案里基本不會(huì)出現(xiàn)。這也是為什么很多工業(yè)級(jí)產(chǎn)品寧愿成本高一點(diǎn)也要用核心板模塊廠商在SMT工藝和測(cè)試流程上的積累不是一般組裝廠能替代的。另外如果你手頭正好有閑置的Cortex A8板子建議別急著吃灰拿它來練手Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)、學(xué)一學(xué)設(shè)備樹語(yǔ)法、跑一跑Buildroot構(gòu)建系統(tǒng)都是性價(jià)比非常高的學(xué)習(xí)路徑。這塊“老平臺(tái)”的文檔和資料在網(wǎng)絡(luò)上非常豐富遇到的問題幾乎都有人踩過學(xué)習(xí)曲線比最新旗艦芯片平滑得多。我在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)最終把一個(gè)項(xiàng)目做成功的往往不是平臺(tái)有多新而是你手里這套工具鏈有多稱手、對(duì)平臺(tái)的每個(gè)細(xì)節(jié)有多少把握。 ARM Cortex A8核心板（SoM）開發(fā)實(shí)戰(zhàn)：從選型到調(diào)試全解析
最近盤點(diǎn)了手上幾塊閑置的開發(fā)板發(fā)現(xiàn)最有價(jià)值、也最值得拿出來聊一聊的反而是那塊ARM Cortex A8的System on ModuleSoM核心板。這兩年做工業(yè)控制相關(guān)的項(xiàng)目最后硬件方案定下來的居然是這顆看起來“有點(diǎn)年頭的芯片”搭配核心板形態(tài)說實(shí)話自己一開始也沒想到。SoM這類模塊把CPU、DDR、eMMC、電源管理這些難啃的硬骨頭預(yù)先集成好用戶拿到的是一塊經(jīng)過驗(yàn)證的核心小板只需要按產(chǎn)品需求設(shè)計(jì)自己的底板外設(shè)就行。對(duì)中小團(tuán)隊(duì)、個(gè)人開發(fā)者、以及想快速出原型驗(yàn)證方案的人來說這種模式是真的省心。這篇文章就圍繞這個(gè)平臺(tái)把選型邏輯、硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)、交叉編譯環(huán)境、調(diào)試方法和常見坑位完整梳理一遍給同樣在評(píng)估Cortex A8 SoM方案的朋友做參考。1. 項(xiàng)目背景與方案選型為什么是Cortex A8 SoM很多人一聽到Cortex A8第一反應(yīng)是“這玩意兒是不是太老了”畢竟現(xiàn)在手機(jī)上的ARM核心都已經(jīng)到Cortex-X系列了。但嵌入式工業(yè)產(chǎn)品和消費(fèi)電子完全是兩個(gè)節(jié)奏。Cortex A8在工控、醫(yī)療、電力、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)這些領(lǐng)域還有大量存量市場(chǎng)芯片供貨穩(wěn)定BSP完善資料豐富而且價(jià)格早就被攤薄了。加上SoM這種產(chǎn)品形態(tài)本身就是為了降低開發(fā)門檻而存在的兩者結(jié)合起來對(duì)一個(gè)要快速出貨的項(xiàng)目來說反而是一條非常務(wù)實(shí)的路徑。1.1 先搞清楚SoM到底解決了什么問題SoM全稱System on Module國(guó)內(nèi)通常叫核心板或者模塊系統(tǒng)。它和整板設(shè)計(jì)的核心區(qū)別在于SoM把“技術(shù)難度高、但差異化價(jià)值低”的部分集成到一起比如處理器、DDR顆粒、eMMC/NAND Flash、PMU電源管理單元、時(shí)鐘晶振甚至網(wǎng)絡(luò)PHY都會(huì)放上去。這些部分恰恰是硬件設(shè)計(jì)中最容易出問題的區(qū)域——DDR布線要等長(zhǎng)、阻抗匹配要高精度、電源時(shí)序要嚴(yán)格、高速信號(hào)要控干擾哪一項(xiàng)做不好都是“能用但偶發(fā)死機(jī)”這種最難排查的故障。我需要提醒的就是SoM最大的價(jià)值不是省那幾顆料而是省掉了一整個(gè)維度的debug時(shí)間。底板設(shè)計(jì)你只需要關(guān)心外圍接口RS485電平轉(zhuǎn)換、CAN收發(fā)器、繼電器驅(qū)動(dòng)、ADC前端采集、以太網(wǎng)變壓器座、LCD接口這些難度直接從“高速數(shù)字電路”降到了“常規(guī)外圍電路”的層級(jí)。實(shí)際上用了SoM之后硬件工程師可以把精力放在產(chǎn)品的差異化部分而不是反復(fù)去驗(yàn)證DDR信號(hào)完整性和電源紋波。1.2 Cortex A8這顆“老芯片”憑什么還能打Cortex A8是ARM第一代超標(biāo)量Cortex應(yīng)用處理器主頻通常落在600MHz到1GHz這個(gè)區(qū)間。在SoM生態(tài)里最典型的代表就是TI的AM335x系列基于Cortex A8核心集成了SGX530 GPU、Ethernet MAC、CAN控制器、PRU協(xié)處理器等一大堆工業(yè)場(chǎng)景需要的功能。相比Cortex A9和A7A8的流水線更深同頻性能其實(shí)并不差關(guān)鍵是對(duì)外的接口非常齊全工業(yè)級(jí)溫寬-40到85度的型號(hào)也很多這是很多消費(fèi)級(jí)ARM芯片給不了的。和Cortex A7比A8沒有明顯劣勢(shì)在單核性能上反而更好。和A9比A8少一個(gè)核心但功耗更低、更穩(wěn)定。對(duì)于單進(jìn)程處理為主的工控應(yīng)用比如HMI人機(jī)界面、協(xié)議網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)采集終端A8的性能完全夠用。加上AM335x系列的PRU協(xié)處理器還能做實(shí)時(shí)IO控制這在Linux系統(tǒng)下做硬實(shí)時(shí)擴(kuò)展很自然是很多純A8/A9芯片不具備的。1.3 選型時(shí)最在意的幾個(gè)指標(biāo)我在評(píng)估SoM方案時(shí)會(huì)按下面的優(yōu)先級(jí)來看順序基本就是決定項(xiàng)目成敗的權(quán)重排序選型指標(biāo)為什么重要我的判斷標(biāo)準(zhǔn)引腳兼容性核心板換型號(hào)/升級(jí)不用重畫底板同一封裝下有多個(gè)型號(hào)可選引腳pin-to-pin兼容BSP成熟度直接決定軟件工程師的存活率官方提供完整U-Boot/內(nèi)核/文件系統(tǒng)長(zhǎng)期維護(hù)供貨周期工業(yè)項(xiàng)目生命周期通常5-10年芯片廠商明確承諾工業(yè)級(jí)10年供貨文檔與社區(qū)資料遇到問題能否自己解決官方有詳細(xì)的TRM技術(shù)參考手冊(cè)、勘誤表、應(yīng)用筆記價(jià)格與起訂量成本復(fù)核可行性單顆芯片價(jià)格和最小起訂量都在可接受范圍對(duì)Cortex A8這個(gè)級(jí)別的SoM一般核心板價(jià)格在200到500元之間底板自己打樣整套硬件成本控制起來非常靈活。如果直接畫整板光是DDR3布線要處理的信號(hào)完整性問題就夠團(tuán)隊(duì)喝一壺的。這也是越來越多方案商寧可多花幾百塊買核心板也不愿意自己去啃高速布線的核心原因。2. 硬件架構(gòu)與關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)確定了SoM方案之后還得知道核心板上到底發(fā)生了什么。畢竟軟件工程師要寫驅(qū)動(dòng)、調(diào)設(shè)備樹對(duì)硬件結(jié)構(gòu)沒有概念的話做起來會(huì)非常吃力。這里以典型的AM335x Cortex A8核心板為例把硬件架構(gòu)拆開來看。2.1 核心板內(nèi)部都有什么一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Cortex A8 SoM核心區(qū)域通常包含以下幾大塊處理器AM335x系列Cortex A8內(nèi)核主頻最高1GHz工業(yè)級(jí)型號(hào)可到800MHz。DDR3內(nèi)存常見配置為256MB到1GB采用128Mb/256Mb×16bit顆粒組合數(shù)據(jù)總線寬度通常是16bit兩顆疊die組成32bit。存儲(chǔ)4GB到16GB eMMC或者NAND Flash。eMMC方案是目前的主流原因是軟件升級(jí)和系統(tǒng)穩(wěn)定性都更好。PMU電源管理單元典型的如TPS65217提供多路DCDC和LDO輸出完成上電時(shí)序。以太網(wǎng)PHY很多SoM會(huì)直接板載一顆MAC PHY芯片比如AR8031/AR8035引出RJ45接口省掉底板的以太網(wǎng)設(shè)計(jì)。時(shí)鐘24MHz主晶振32.768kHz RTC晶振以及DDR顆粒需要的參考時(shí)鐘。SoM的核心設(shè)計(jì)理念就是“能放上去的高難度器件都放上去”。底板B2B連接器或者郵票孔焊盤引出的通常是帶保護(hù)的GPIO、串口、CAN、USB、以太網(wǎng)、LCD信號(hào)。這些信號(hào)電平在底板上做轉(zhuǎn)換不需要再跑高速DDR信號(hào)這就是SoM能保持體積小但可靠性高的原因。2.2 DDR等長(zhǎng)布線與電源完整性的那些坑如果你自己去畫整板DDR3部分的布線規(guī)則是最考察硬件功底的。DDR3工作在400MHz到800MHz信號(hào)上升沿非常陡要走Fly-by拓?fù)浔M量緩解反射和同步開關(guān)噪聲。先說等長(zhǎng)DDR3地址/控制信號(hào)組要求相對(duì)于時(shí)鐘信號(hào)等長(zhǎng)偏差一般控制在±20mil以內(nèi)數(shù)據(jù)信號(hào)組DQ/DQS/DM以字節(jié)通道為單位每組內(nèi)部等長(zhǎng)偏差控制在±5mil以內(nèi)而且DQ到DQS需要做相對(duì)時(shí)序差補(bǔ)償。這個(gè)活兒用Cadence Allegro或者Altium的Interactive Diff Pair Length Tuning工具調(diào)起來很磨人手工拉線經(jīng)常一拉就是一整天。再說電源完整性DDR3的VDD和VTT供電質(zhì)量直接影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。核心板通常采用同步降壓轉(zhuǎn)換器輸出1.5V/1.35V DDR電源VTT基準(zhǔn)電壓必須從源端經(jīng)過去耦電阻和磁珠隔離后單獨(dú)供給。布線時(shí)要注意DDR電源層必須有完整的參考平面回流路徑不能被分割否則會(huì)出現(xiàn)“常溫下沒事一跑高溫就死機(jī)”這種詭異故障。如果你選用成熟的SoM模塊這些問題都已經(jīng)由模塊廠商解決了。設(shè)備樹里會(huì)看到DDR3的時(shí)序參數(shù)配置這些參數(shù)是基于PCB的布線和芯片datasheet標(biāo)定好的。你自己做底板時(shí)只需要給SoM供電根本不用管DDR信號(hào)。這也是為什么我前面強(qiáng)調(diào)使用SoM不是浪費(fèi)錢而是把高速電路設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)嫁給模塊廠商這比省幾百塊錢重要得多。2.3 電源樹與時(shí)序設(shè)計(jì)的思路Cortex A8核心板的電源樹比MCU復(fù)雜得多通常有這么多路VDD_CORE核心電壓0.9V到1.1V左右動(dòng)態(tài)調(diào)壓給ARM核和內(nèi)部邏輯供電。VDD_MPUMPU電壓1.1V到1.3V左右專門給Cortex A8處分。VDDS_DDRDDR3供電1.5V或1.35V取決于DDR3L還是DDR3。VDDS_SRAMSRAM待機(jī)電壓1.8V。VDDS_A模擬電源比如ADC、PLL、USB PHY、以太網(wǎng)PHY等通常3.3V。VDDS_RTCRTC電源獨(dú)立1.8V或3.3V。PMU芯片的主要工作不是簡(jiǎn)單降壓而是管理上電時(shí)序。典型上電順序?yàn)橄冉oRTC電源然后是SRAM電源核心電壓再是IO電源最后是DDR電源和模擬電源。順序錯(cuò)了芯片長(zhǎng)期工作會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部閂鎖Latch-up風(fēng)險(xiǎn)直接燒掉芯片都不是沒可能。官方勘誤表里專門有一條就是關(guān)于電源時(shí)序要求的我建議做硬件設(shè)計(jì)的人把TRM里的Power Sequencing章節(jié)完整讀一遍這比看100篇博客都有用。從底板設(shè)計(jì)角度你需要關(guān)心的是SoM引出的電源域有哪些。一般SoM會(huì)把3.3V和5V的IO電源引到B2B連接器上底板外設(shè)直接掛這些電源就行。電源紋波控制在50mV內(nèi)是基礎(chǔ)要求如果外設(shè)里有模擬電路或者射頻模塊還需要額外加LC濾波避免開關(guān)頻率干擾。3. 軟件工具鏈與交叉編譯環(huán)境搭建硬件平臺(tái)確定之后軟件才是大頭。Cortex A8上跑的是Linux或者裸機(jī)程序絕大多數(shù)場(chǎng)景都是Linux。既然是ARM處理器所有軟件都必須依賴交叉編譯在x86的PC上生成ARM架構(gòu)的可執(zhí)行文件。這個(gè)過程對(duì)剛?cè)腴T的嵌入式工程師來說最容易卡住的地方就是工具鏈的選擇和環(huán)境變量的配置。3.1 ARM GNU工具鏈版本選擇的第一課做交叉編譯第一步就是選對(duì)工具鏈。對(duì)于Cortex A8常見的有三個(gè)選擇arm-none-eabi-gcc用于裸機(jī)開發(fā)沒有Linux用戶空間支持編譯出來的程序不依賴操作系統(tǒng)直接跑在硬件上。適合做裸機(jī)固件、RTOS應(yīng)用。arm-linux-gnueabihf-gcc用于帶Linux系統(tǒng)的用戶空間程序編譯支持硬浮點(diǎn)針對(duì)ARMv7-A架構(gòu)。Cortex A8帶VFPv3浮點(diǎn)單元用gnueabihf版本能發(fā)揮浮點(diǎn)性能。Linaro GCC針對(duì)ARM的長(zhǎng)期支持工具鏈版本更新快性能優(yōu)化好是很多板級(jí)SDK的基礎(chǔ)。一個(gè)很典型的坑是用錯(cuò)了工具鏈版本編譯出來的程序要么段錯(cuò)誤要么直接提示Illegal instruction。比如你用arm-none-eabi-gcc去編譯Linux用戶態(tài)程序鏈接階段就過不了因?yàn)槿鄙賚ibc和動(dòng)態(tài)鏈接器。用arm-linux-gnueabi軟浮點(diǎn)版去跑硬浮點(diǎn)環(huán)境老版本的glibc會(huì)出現(xiàn)浮點(diǎn)參數(shù)傳遞不一致的問題。所以選工具鏈之前先確認(rèn)目標(biāo)系統(tǒng)的glibc版本和動(dòng)態(tài)鏈接器路徑再?zèng)Q定工具鏈版本。我習(xí)慣的做法是直接用板卡SDK里自帶的工具鏈或者從Linaro官方下載最新的arm-linux-gnueabihf工具鏈解壓到/opt目錄然后手動(dòng)設(shè)置環(huán)境變量export PATH/opt/gcc-arm-linux-gnueabihf/bin:$PATH export CROSS_COMPILEarm-linux-gnueabihf- export ARCHarm這三行環(huán)境變量算是所有ARM交叉編譯的基礎(chǔ)。ARCH告訴內(nèi)核構(gòu)建系統(tǒng)目標(biāo)架構(gòu)是armCROSS_COMPILE指定前綴讓Makefile自動(dòng)調(diào)用arm-linux-gnueabihf-gcc、arm-linux-gnueabihf-ld這些工具。3.2 U-Boot與內(nèi)核編譯跟著Makefile走一遍拿到Cortex A8 SoM之后要構(gòu)建系統(tǒng)鏡像核心就三步編譯U-Boot引導(dǎo)程序、編譯Linux內(nèi)核、構(gòu)建根文件系統(tǒng)。U-Boot編譯相對(duì)簡(jiǎn)單因?yàn)樗總€(gè)板卡都有單獨(dú)配置文件。以AM335x為例make am335x_evm_defconfig make -j8編譯完會(huì)生成MLO和u-boot.img兩個(gè)文件。MLO是TI特有的二級(jí)引導(dǎo)加載器放在SD卡的FAT分區(qū)或者eMMC的boot分區(qū)里負(fù)責(zé)初始化DDR和外設(shè)再將U-Boot主程序加載到內(nèi)存。U-Boot主程序再引導(dǎo)內(nèi)核。內(nèi)核編譯稍微麻煩一些因?yàn)樾枰冗x設(shè)備樹和內(nèi)核配置make omap2plus_defconfig make zImage make am335x-evm.dtb這里有個(gè)細(xì)節(jié)Cortex A8的DTS設(shè)備樹源文件會(huì)定義板卡上的所有硬件外設(shè)比如串口地址、GPIO復(fù)用、LCD時(shí)序、以太網(wǎng)MAC、CAN控制器等。如果你在底板上新增了一個(gè)I2C設(shè)備或者換了一個(gè)LCD屏都需要修改對(duì)應(yīng)的DTS節(jié)點(diǎn)重新編譯設(shè)備樹。設(shè)備樹寫錯(cuò)最典型的癥狀是“某個(gè)外設(shè)能識(shí)別但驅(qū)動(dòng)加載失敗”所以每次修改DTS后我都建議先用dtc工具反編譯看實(shí)際加載的設(shè)備樹內(nèi)容確認(rèn)節(jié)點(diǎn)確實(shí)生效了。3.3 根文件系統(tǒng)與Busybox的交叉編譯內(nèi)核跑起來之后必須掛載根文件系統(tǒng)否則系統(tǒng)只能停在Kernel panic - not syncing: VFS: Unable to mount root fs。對(duì)于精簡(jiǎn)的嵌入式系統(tǒng)最常用的做法是使用Busybox構(gòu)建最小根文件系統(tǒng)。Busybox號(hào)稱Linux系統(tǒng)的瑞士軍刀把ls、cp、sh、init等幾百個(gè)常用命令合并成一個(gè)靜態(tài)鏈接的可執(zhí)行文件大小只有幾百KB。交叉編譯Busybox的命令如下make ARCHarm CROSS_COMPILEarm-linux-gnueabihf- defconfig make ARCHarm CROSS_COMPILEarm-linux-gnueabihf- menuconfig make ARCHarm CROSS_COMPILEarm-linux-gnueabihf- -j8編譯完成后在busybox目錄下執(zhí)行make install會(huì)生成一個(gè)_install目錄里面就是基本的目錄結(jié)構(gòu)和busybox軟鏈接。再手動(dòng)創(chuàng)建一些系統(tǒng)目錄加上必要的設(shè)備節(jié)點(diǎn)用cp命令把交叉編譯好的glibc庫(kù)libc.so、ld-linux.so等拷進(jìn)lib目錄基本上就是一個(gè)可啟動(dòng)的根文件系統(tǒng)了。但這里有一個(gè)天坑Busybox默認(rèn)編譯配置可能不帶動(dòng)態(tài)加載支持如果你后續(xù)要在系統(tǒng)里跑Qt等重量級(jí)應(yīng)用動(dòng)態(tài)庫(kù)依賴會(huì)很難處理。更讓我頭疼的是如果工具鏈的glibc版本和之前編譯內(nèi)核時(shí)用的工具鏈glibc版本不同從文件系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)“version GLIBC_2.27 not found”這類錯(cuò)誤。遇到這種情況要么升級(jí)/降級(jí)工具鏈要么直接用Buildroot或Yocto一鍵生成完整系統(tǒng)鏡像少走彎路。3.4 Qt應(yīng)用在嵌入式Linux上的部署如果產(chǎn)品要做HMI人機(jī)界面Qt是繞不開的方案。Cortex A8 SGX530 GPU雖然性能有限但跑Qt的EglFS模式做一個(gè)簡(jiǎn)單的觸摸界面還是相當(dāng)流暢的。Qt的交叉編譯比普通C程序復(fù)雜得多。你需要先編譯Qt庫(kù)本身再編譯你的應(yīng)用程序。典型的配置步驟./configure -prefix /opt/qt-5.15.2-arm \ -xplatform linux-arm-gnueabihf-g \ -eglfs -opengl es2 \ -no-feature-vnc -no-feature-xcb \ -nomake examples -nomake tests \ -release make -j8 make install重點(diǎn)在于xplatform參數(shù)它指定了Qt的交叉編譯平臺(tái)描述文件。如果不指定Qt默認(rèn)會(huì)按x86桌面平臺(tái)編譯生成的庫(kù)根本沒法在ARM上跑。即使交叉編譯成功部署時(shí)也要注意把Qt的插件目錄platforms、imageformats等和動(dòng)態(tài)庫(kù)完整拷貝到根文件系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的路徑否則跑起來會(huì)直接報(bào)qt.qpa.plugin: Could not find the Qt platform plugin eglfs這個(gè)經(jīng)典錯(cuò)誤。我對(duì)Qt交叉編譯的建議是能用Buildroot就別裸編譯。Buildroot把工具鏈、內(nèi)核、根文件系統(tǒng)、Qt庫(kù)、應(yīng)用集成到一條流水線上生成鏡像后直接燒錄底層的依賴問題大部分都被自動(dòng)處理了。之前裸著編譯Qt浪費(fèi)了我整整兩天時(shí)間換成Buildroot之后兩小時(shí)就出鏡像了項(xiàng)目周期緊張的時(shí)候效率就是王道。4. 虛擬化調(diào)試環(huán)境QEMU模擬ARM開發(fā)板在拿不到實(shí)體板卡之前QEMU模擬器是預(yù)研和算法驗(yàn)證的好幫手。尤其對(duì)于Cortex A8這種級(jí)別性能模擬相對(duì)成熟跑一個(gè)精簡(jiǎn)Linux系統(tǒng)完全沒問題。很多人在找“ARM開發(fā)板模擬器”的時(shí)候默認(rèn)就是QEMU因?yàn)樗悄壳白钔ㄓ玫拈_源方案。4.1 為什么需要模擬器沒有模擬器的時(shí)代每次寫底層代碼都要反復(fù)燒寫SD卡、刷eMMC那不僅是時(shí)間成本還有燒寫次數(shù)多了導(dǎo)致Flash壽命的問題。當(dāng)你需要反復(fù)驗(yàn)證內(nèi)核配置、測(cè)試根文件系統(tǒng)依賴、調(diào)應(yīng)用程序啟動(dòng)流程時(shí)QEMU的啟動(dòng)時(shí)間通常只有10幾秒比硬件板卡還要快而且可以直接掛接GDB調(diào)試內(nèi)核和應(yīng)用程序調(diào)試體驗(yàn)比實(shí)體板還順。另一個(gè)典型場(chǎng)景是跨平臺(tái)CI。如果你的團(tuán)隊(duì)沒有足夠的實(shí)體板卡分配給每個(gè)開發(fā)人員可以在CI服務(wù)器上啟動(dòng)QEMU虛擬機(jī)跑自動(dòng)化測(cè)試用例。我就是用QEMU來跑TCP協(xié)議網(wǎng)關(guān)的壓力測(cè)試沒有給每臺(tái)開發(fā)機(jī)配板子服務(wù)器上同步用QEMU模擬ARM環(huán)境效果很穩(wěn)定。4.2 QEMU在Cortex A8平臺(tái)上的實(shí)測(cè)用法Cortex A8的模擬QEMU支持比較齊全的是TI的AM335x系列對(duì)應(yīng)的機(jī)器型號(hào)是ti_sitara或者beaglebone等?；締?dòng)命令如下qemu-system-arm -machine beaglebone \ -m 512M \ -kernel zImage \ -dtb am335x-bone.dtb \ -drive filerootfs.ext4,formatraw \ -append consolettyO0,115200 root/dev/mmcblk0 rw \ -serial stdio \ -net nic -net user注意Cortex A8的調(diào)試串口在AM335x上叫ttyO0不是ttyS0這個(gè)細(xì)節(jié)直接關(guān)系到你能否在串口終端看到內(nèi)核日志。我第一次用QEMU跑AM335x時(shí)append參數(shù)里寫錯(cuò)了串口名控制臺(tái)一片空白排查了半天才發(fā)現(xiàn)是控制臺(tái)參數(shù)的問題。用QEMU啟動(dòng)之后就能在串口終端里看到完整的Linux啟動(dòng)日志進(jìn)入shell。我在QEMU里完成過U-Boot啟動(dòng)階段的測(cè)試。方法是先用QEMU加載MLO和u-boot.imgqemu-system-arm -machine beaglebone -m 256M \ -sd sd_image.img \ -serial stdio把U-Boot寫到SD卡鏡像里QEMU就能從SD卡啟動(dòng)完整模擬ROM → MLO → U-Boot → kernel的啟動(dòng)鏈路。調(diào)試U-Boot階段這個(gè)方式比反復(fù)插拔SD卡高效得多。芯片的啟動(dòng)模式撥碼開關(guān)與SD卡分區(qū)結(jié)構(gòu)的配合也能在QEMU里反復(fù)驗(yàn)證做板卡生產(chǎn)時(shí)就能避免“燒錄成功但無法啟動(dòng)”的問題。4.3 模擬器與現(xiàn)實(shí)板卡之間容易踩的坑用模擬器調(diào)試有個(gè)大坑就是感覺“在模擬器上能運(yùn)行在真板上起不來”的現(xiàn)象。我踩過一次在QEMU里跑得好好的一個(gè)內(nèi)核配置燒到真板之后發(fā)現(xiàn)以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)根本不工作。原因很簡(jiǎn)單QEMU模擬的以太網(wǎng)控制器和真實(shí)板卡上的PHY芯片并不是同款驅(qū)動(dòng)模型差別巨大。模擬器只能驗(yàn)證軟件邏輯和系統(tǒng)流程沒法驗(yàn)證外設(shè)驅(qū)動(dòng)的硬件相關(guān)性。所以我的習(xí)慣是模擬器只用來驗(yàn)證“與硬件無關(guān)”的部分比如文件系統(tǒng)完整性、啟動(dòng)腳本、應(yīng)用程序邏輯一旦涉及外設(shè)驅(qū)動(dòng)、時(shí)鐘配置、DDR時(shí)序必須拿到真實(shí)板卡上調(diào)試。否則就是自己騙自己項(xiàng)目最后一樣要花大把時(shí)間在真機(jī)聯(lián)調(diào)上。5. 常見問題與排查技巧實(shí)錄在實(shí)際開發(fā)過程中總會(huì)遇到各種千奇百怪的問題這里把幾個(gè)經(jīng)典場(chǎng)景的排查過程和解決方案整理出來希望能幫人少走彎路。5.1 Keil中ARM Compiler許可證錯(cuò)誤c9555e怎么處理很多做Cortex A8 SoM底板的工程師同一時(shí)間還會(huì)用Keil MDK做MCU開發(fā)。經(jīng)常遇到的報(bào)錯(cuò)是ARM Compiler許可證錯(cuò)誤c9555eKeil打開工程直接編譯不了。這個(gè)錯(cuò)誤出現(xiàn)在Keil使用ARM Compiler 5.06時(shí)最常見因?yàn)榫幾g器授權(quán)驗(yàn)證文件過期或者被誤刪導(dǎo)致IDE認(rèn)為許可證無效。處理辦法分三步先檢查許可證狀態(tài)打開Keil uVision點(diǎn)擊File → License Management看能否看到有效的ARM Compiler許可證記錄。如果顯示invalid或者沒有就需要重新激活。其次卸載重裝對(duì)應(yīng)版本的ARM Compiler官方下載地址能找到ARM Compiler 5.06 update 7build 960安裝后通常能修復(fù)c9555e錯(cuò)誤。最后如果重裝編譯器還是不行檢查殺毒軟件是否把FlexNet的許可證文件當(dāng)病毒清理了在信任區(qū)加白名單一下。這個(gè)錯(cuò)誤和ARM Cortex A8的Linux交叉編譯沒什么關(guān)系A(chǔ)RM Compiler 5.06是MDK里用來編譯MCU程序的很多做ARM開發(fā)的人容易把這兩個(gè)“ARM編譯器”混為一談。實(shí)際上一套是ARM自家商業(yè)編譯器另一套是GNU開源工具鏈兩者針對(duì)的目標(biāo)平臺(tái)和生態(tài)完全不同。5.2 交叉編譯工具鏈的一些“隱形”陷阱交叉編譯的坑很多時(shí)候不是語(yǔ)法問題而是環(huán)境問題。第一個(gè)坑是“使用”-static“靜態(tài)鏈接但庫(kù)不完整”。在Cortex A8上跑一個(gè)數(shù)據(jù)采集程序用arm-linux-gnueabihf-gcc編譯時(shí)加了-static參數(shù)編譯成功但運(yùn)行時(shí)報(bào)Segmentation fault。查下來是因?yàn)殪o態(tài)鏈接了glibc的NSS模塊而這個(gè)模塊在目標(biāo)板上的/etc/nsswitch.conf和庫(kù)緩存不匹配。解決辦法很簡(jiǎn)單去掉-static用動(dòng)態(tài)鏈接方式并把對(duì)應(yīng)的.so庫(kù)拷貝到目標(biāo)板。第二個(gè)坑是“硬浮點(diǎn)和軟浮點(diǎn)的ABI不兼容”。Cortex A8支持硬浮點(diǎn)VFPv3但如果你用了gnueabi軟浮點(diǎn)工具鏈編譯的庫(kù)去鏈接gnueabihf硬浮點(diǎn)編譯的程序鏈接器會(huì)報(bào)“selected processor does not support pld”或者直接報(bào)錯(cuò)無法解析符號(hào)。排查思路是檢查工具鏈前綴和系統(tǒng)內(nèi)庫(kù)的編譯方式是否一致。第三個(gè)坑是“文件系統(tǒng)屬性錯(cuò)亂”。每次用root用戶交叉編譯的文件拷貝到目標(biāo)板后權(quán)限位可能丟掉。別人遇到過啟動(dòng)時(shí)提示“-sh: ./app: Permission denied”ls -l看文件權(quán)限明明是755。最后用stat命令看了inode屬性才發(fā)現(xiàn)是ext4的security.capability屬性被錯(cuò)誤設(shè)置用setcap -r命令清理后解決。5.3 ARM平臺(tái)上的應(yīng)用軟件兼容性問題Cortex A8跑的是ARM架構(gòu)Linux很多習(xí)慣在x86上用的閉源軟件在ARM上根本沒有對(duì)應(yīng)版本。最常見的就是Navicat在ARM服務(wù)器上裝navicat基本是裝不了的很多地方安裝失敗就是因?yàn)橹挥衳86的deb包強(qiáng)行安裝之后會(huì)提示Exec format error。遇到這種情況我的原則是“先找替代方案再考慮源碼編譯”。數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具在ARM上可以用DBeaver或者命令行客戶端代替容器部署的話先確認(rèn)docker是否有ARM版本鏡像。這里要專門說一個(gè)點(diǎn)docker desktop本身在ARM Mac上沒問題但如果你在中國(guó)市場(chǎng)常見的統(tǒng)信UOS等ARM系統(tǒng)上裝docker直接用軟件源里的版本往往依賴關(guān)系殘缺我見過有人安裝依賴文件后無法運(yùn)行的大概率是libc6版本和docker二進(jìn)制不兼容。處理方法是優(yōu)先用發(fā)行版自帶倉(cāng)庫(kù)的docker.io包或者自己下載對(duì)應(yīng)的arm64版本靜態(tài)二進(jìn)制包手動(dòng)部署。另一個(gè)讓我印象很深的場(chǎng)景是存儲(chǔ)性能測(cè)試工具vdbench。很多搞存儲(chǔ)的同事習(xí)慣在x86服務(wù)器上跑vdbench換到ARM服務(wù)器上就發(fā)現(xiàn)原生的vdbench只有x86版本。其實(shí)vdbench是基于Java的只要ARM上有對(duì)應(yīng)架構(gòu)的JRE就能跑不需要特意找ARM版安裝ARM版的JDK8之后直接執(zhí)行vdbench腳本就行。5.4 常見問題速查表問題現(xiàn)象可能原因排查步驟啟動(dòng)后串口無輸出U-Boot燒錄位置錯(cuò)誤或DDR初始化失敗檢查MLO分區(qū)位置確認(rèn)啟動(dòng)撥碼開關(guān)檢查DDR電源內(nèi)核啟動(dòng)到一半停止設(shè)備樹和硬件不匹配用dtc反編譯DTB核對(duì)硬件引腳復(fù)用交叉編譯程序提示Illegal instruction工具鏈浮點(diǎn)ABI不匹配確認(rèn)工具鏈hf/eabi重新編譯以太網(wǎng)丟包嚴(yán)重PHY供電紋波過大示波器測(cè)PHY供電紋波增加濾波電容Qt程序無法啟動(dòng)eglfs缺少GPU驅(qū)動(dòng)或插件目錄不完整檢查libQt5EglFs.so是否存在確認(rèn)SGX驅(qū)動(dòng)加載系統(tǒng)時(shí)間每次重啟都重置RTC時(shí)鐘未配置或電池沒電確認(rèn)RTC設(shè)備樹節(jié)點(diǎn)檢查RTC電池電壓文件系統(tǒng)只讀掛載eMMC文件系統(tǒng)壞塊過多用fsck檢查文件系統(tǒng)考慮換eMMC6. 這個(gè)平臺(tái)后續(xù)還能怎么擴(kuò)展Cortex A8的SoM做完了第一版之后接下來的擴(kuò)展方向其實(shí)很明確。如果你想在同一個(gè)底板上做性能升級(jí)業(yè)內(nèi)主流做法是找引腳兼容的更高端核心板比如從AM335x升級(jí)到AM437x或者AM57x這兩款雖然核心不同但很多底板設(shè)計(jì)是可以平移的。做產(chǎn)品規(guī)劃的時(shí)候從一開始就預(yù)留好引腳兼容的擴(kuò)展位能省掉一次完整的改版成本。如果你的應(yīng)用開始涉及到圖像處理或者輕量級(jí)AI推理Cortex A8內(nèi)置的SGX530 GPU確實(shí)有些吃力。此時(shí)可以考慮外掛一顆USB接口的NPU加速棒或者換用帶NPU的SoM模塊比如瑞芯微RK3588S、算能BM1684這類雖然核心不是Cortex A8了但軟件框架和交叉編譯的思路完全一樣。對(duì)嵌入式Linux工程師來說工具鏈的使用、設(shè)備樹的修改、Uboot的編譯流程這些底層技能是通用的換平臺(tái)只是換個(gè)配置而已。從量產(chǎn)角度來看用SoM方案還有一個(gè)好處是核心板單獨(dú)做老化測(cè)試底板只負(fù)責(zé)外圍接口生產(chǎn)故障率會(huì)低很多。我見過整板方案出貨后出現(xiàn)DDR虛焊導(dǎo)致的現(xiàn)象在SoM方案里基本不會(huì)出現(xiàn)。這也是為什么很多工業(yè)級(jí)產(chǎn)品寧愿成本高一點(diǎn)也要用核心板模塊廠商在SMT工藝和測(cè)試流程上的積累不是一般組裝廠能替代的。另外如果你手頭正好有閑置的Cortex A8板子建議別急著吃灰拿它來練手Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)、學(xué)一學(xué)設(shè)備樹語(yǔ)法、跑一跑Buildroot構(gòu)建系統(tǒng)都是性價(jià)比非常高的學(xué)習(xí)路徑。這塊“老平臺(tái)”的文檔和資料在網(wǎng)絡(luò)上非常豐富遇到的問題幾乎都有人踩過學(xué)習(xí)曲線比最新旗艦芯片平滑得多。我在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)最終把一個(gè)項(xiàng)目做成功的往往不是平臺(tái)有多新而是你手里這套工具鏈有多稱手、對(duì)平臺(tái)的每個(gè)細(xì)節(jié)有多少把握。