如何学习嵌入式Linux_韦东山

Posted 2023-03-03 韦东山

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版本	日期	作者	说明
V1	2020	韦东山	适用于嵌入式Linux初学者

我在100ASK_IMX6ULL售后群里，发现很多初学者只有单片机基础，甚至没有单片机基础。在学习Linux时，对很多概念比较陌生，导致不知道学什么，也不知道学了之后有什么用。

从事嵌入式Linux培训12年来，我们写过很多《关于如何学习linux》的文章，这是最新的，本文将不断更新。

• 新学习路线、视频介绍、资料下载（免费视频）：
  https://www.100ask.net/detail/p_5f18007de4b0df48afbcd477/6

• 嵌入式Linux应用开发基础知识（免费视频）：
  https://www.100ask.net/detail/p_5f338ae3e4b075dc42ad44a1/8

• 嵌入式Linux驱动开发基础知识（免费视频）：
  https://www.100ask.net/detail/p_5f1aa2dde4b0df48afbd775f/8

• 嵌入式Linxu实战项目（免费视频）：
  https://www.100ask.net/detail/p_5f181e8fe4b0df48afbce201/8

第1章 单片机和Linux的区别

1.1 有哪些产品使用单片机或Linux

• 所有的电子产品，所用技术都可以认为要么是单片机，要么是Linux；GUI方面主要是QT/android，它们都是运行于Linux之上的。
• 也许你不服！不是还有ucos、vxwork、wince、ios吗？下面这个图是关于操作系统的占比，是2016年的，我没找到更新的图，但是很有参考意义：
• 我们说的单片机不使用操作系统，在上图中没有体现出来。但是使用单片机设备肯定远远超过Linux。很多人也是先学习单片机，从单片机进入电子工程师行业
• 日常生活中，有哪些产品使用单片机、Linux呢？下面举一些例子：
  
• 我们设计一个产品时，是使用单片机还是Linux，取决于成本：硬件成本、软件成本、维护成本、升级成本。而不应该根据个人偏好来选择：我喜欢单片机，所以就排斥使用Linux；我喜欢Linux，就排斥使用单片机。为了有更多的选择，我们需要既懂单片机，又懂Linux。

1.2 在硬件操作上单片机和Linux是类似的

• 以点灯为例，
  无论是单片机还是Linux，我们要做的事情都一样：

1. 看原理图，确定引脚是哪一个，确定它输出什么电平才可以
2. 看芯片手册，确定要怎么操作寄存器
3. 写程序

但是，怎么编写程序，单片机和Linux有很大不同。

1.3 在单片机中点灯、使用LCD

• 使用单片机开发程序时，我们一上来就写一个main函数，下面是一些简化的代码：
  
• LED程序里面的init_led、led_on、led_off函数是你一个人写的，爱取什么名就取什么名，爱怎么写就怎么写。
• LCD程序里的函数也是你写的，完全是自由发挥。
• 很多单片机项目不是很复杂，2、3个人从上到下统统搞定，里面的函数大多时间是直接去读写寄存器。
• 很多单片机项目严重依赖于硬件，换一个芯片后怎么办？重写一套代码呗。
• 在单片机程序里，没有应用程序、驱动程序的概念，很可能一个人包揽了硬件设计、模块调试(或称之为驱动)、功能开发(或称之为应用)的全部活。

1.4 在Linux中点灯、使用LCD

• 在Linux中，不允许应用开发人员直接去操作硬件，比如你想点个灯，不好意思，你无法直接访问寄存器；你需要通过驱动程序来访问寄存器。
• 为什么？有几大原因：

1. Linux系统中运行着众多程序，必须保证质量差的程序无法破坏系统：
   假设你写的程序比较烂，那我不能让你去随便访问寄存器，把系统搞崩溃了怎么办？你本意是去点灯，但是你看错了寄存器，你把电源关了怎么办？
    
   所以这些操作硬件的活，还是交给信得过的人来做吧：交给驱动工程师，他既懂硬件又懂软件。

2. 保证程序的可移植性：
   编写应用程序时，大家都使用统一的函数，以后换一个芯片时，应用程序不用变；只需要根据这个接口提供驱动程序就可以了。

3. 团队协作：
   使用Linux系统的项目一般比较大，术业有专攻，一个人不太可能从上到下都全部掌握。比如做人脸识别项目，有擅长做图像处理的，他可不管你要用多少种摄像头，有图像给他就可以。而多种摄像头的硬件操作方法各有不同，这些交给驱动程序工程师。

• 所以，在Linux中应用程序和驱动程序是分开的。

• 以LED、LCD程序为例，简化的代码如下：
  

• 也许你已经大概猜出来了，应用程序怎么调用驱动程序？通过标准的接口：

1. open：
   打开驱动程序。
2. read/write：
   读、写数据。
3. ioctl：
   传入各种参数，获得各种参数。
4. mmap：
   内存映射，比如映射之后，应用程序可以直接读写LCD的显存。

• 你看！从这些接口里，我们根本看不到寄存器的操作。底层的程序驱动会根据这些调用，去设置寄存器、操作硬件。
• 所以，我高大上的应用工程师，干嘛苦哈哈地去看原理图、看在片手册、读写寄存器，搞不好还要去调试硬件BUG。这些脏活、累活就交给驱动工程师吧。客户的需求千变万化，我996时间都不够用了。
• 我上懂软件、下懂硬件的驱动工程师，肯定不能把这么重要的活交给你去做了，把我的系统搞崩溃了怎么办。
• 开玩笑、开玩笑、开玩笑的，有应用工程师、驱动工程师的优劣之分，大家都是为了做出产品。现在有一个趋势，一个任务从上到下你都需要懂，这就是所谓的全栈工程师。
• 还是以LED为例，应用程序和驱动程序的协作如下图所示：
• 在Linux中，“一切皆文件”，要访问某个硬件，也是要打开文件、读写文件。应用程序要根据标准的文件接口：open/read/write/ioctl/mmap等来访问驱动程序。
• 既然如此，怎么写驱动程序呢？最简单的方法就是：APP要调用open来打开驱动程序，那驱动‘程序里就提供一个xxx_open函数来初始化硬件；APP要调用write来写数据，驱动程序里就提供一个xxx_write函数来接收数据并操作硬件。
• 用xxx_open、xxx_write来构成一个驱动程序，这就是驱动框架。
• 怎么实现这些xxx_open、xxx_write函数？我们要做的事情跟单片机是类似的，一样要去看电路图、看芯片手册，然后在这些函数里读写寄存器：这称为硬件操作。
• 所以，Linux驱动程序= 驱动框架 + 硬件操作。
• 有单片机基础的人，对硬件操作比较熟悉了，把重点放在驱动框架上就可以。
• 高能预警：驱动框架可不简单，对于LED来说是简单，但是还有更复杂的驱动程序，它要考虑“通用”，这很要命。

第2章 嵌入式Linux快速入门

• 这几天在群里跟学员聊天，有一位学员的学习方法很好：先观其广，再究其深。有时候要“不求甚解”，很多时候保持疑问先学下去，这些疑问就自然解决了。
• 比如课程中涉及汇编知识，如果你要彻底弄清楚，你需要去学习《ARM架构与编程》；当你学完这本书，你的同学搞不好已经可以上手工作了。

2.1 短期的目标是什么

• 我们先把学习目标定下来：快速了解嵌入式Linux开发的流程，知道要学什么，具备跟从业者交流的能力。

2.2 一个嵌入式Linux系统的组成

• 下面我们用类比和逻辑推导出嵌入式Linux系统的组成，没错，“推导”。
  从上图可以知道：

1. 组成：
   嵌入式Linux系统
   = bootloader + linux内核 + 根文件系统(里面含有APP)。

2. bootloader：
   它的目的是启动内核，去哪等读内核？读到哪里？去Flash等外设读内核，存到内存里去。所以需要有Flash里外设的驱动能力，为了调试方便还会有网络功能。
    
   所以，可以认为 booloader = 裸机集合，它就是一个复杂的单片机程序。

3. Linux内核：
   Linux内核的最主要目的是去启动APP，APP保存在哪里？保存在“根文件系统”里。“根文件系统”又保存在哪里？在Flash、SD卡等设备里，甚至可能在网络上。所以Linux内核要有这些Flash、SD卡里设备的驱动能力。

• 不仅如此，Linux内核还有进程调度能力、内存管理等功能。
• 所以：Linux内核 = 驱动集合 + 进程调度 + 内存管理等。

2.3 要学习bootloader吗

• Bootloader有很多种，常用的叫作u-boot。
• 在实际工作中，对于u-boot基本上是修修改改，甚至不改。但是u-boot本身是很复杂的，比如为了便于调试，它支持网络功能；有些内核是保存在FAT32分区里，于是它要能解析FAT32分区，读FAT32分区的文件。
• 花那么多精力去学习u-boot，但是工作中基本用不到，这对初学者很不友善。
• 所以，对于初学者，我建议：理解u-boot的作用、会使用u-boot的命令，这就可以了。
• 如果你的工作就是修改、完善bootloader，那么再去研究它吧。

2.4 要学习Linux内核、要学习驱动程序吗

• 之前我们说过Linux内核 = 驱动集合 + 进程调度 + 内存管理等，如果要学习Linux内核，从驱动程序入手是一个好办法。
• 但是人人都要学习Linux内核、人人都要学习Linux驱动吗？显然不是。
• 作为初学者，懂几个简单的驱动程序，有利于工作交流；理解中断、进程、线程的概念，无论是对驱动开发、应用程序开发，都是很有好处的。
• 所以对于初学者，建议前期只学习这几个驱动：LED、按键、中断。

1. LED驱动程序：
   这是最简单的驱动程序。

2. 按键驱动程序：
   它也比较简单，从它引入“中断”。

3. 中断：
   从“中断”它可以引入：休眠-唤醒、进程/线程、POLL机制、异步通知等概念。这些概念无论是对驱动开发，还是对应用开发，都很重要。

• 所以，对于初学者，我建议必须学习这几个驱动：LED、按键、中断。
• 入门之后，如果你想从事内核开发、驱动开发，那么可以去钻研几个驱动程序(输入系统、I2C总线、SPI总线等)，掌握若干个大型驱动程序后，你对内核的套路就有所了解了，再去研究其他部分(比如进程管理、文件系统)时你会发现套路是如此通用。
• 摄像头(VL42)、声卡ALSA驱动是Linux中比较复杂的2类驱动，它们是很难的，如果工作与此相关再去研究。

2.5，要学习Linux应用程序吗？先学一些基础技能

• 要学，即使以后你只想研究内核，一些基本的应用开发编写能力也是需要的：

1. 基本设备的访问，比如LCD、输入设备
2. 进程、线程、进程通信、线程同步与互斥
3. 休眠-唤醒、POLL机制、信号
4. 网络编程

• ①②③部分的知识，跟驱动有密切的关系，它们是相辅相承的。
• 掌握了基本驱动开发能力、基本应用开发能力之后，在工作中你就可以跟别人友好沟通了，不至于一脸懵逼。

2.6，应用程序是怎么启动的？要了解一下根文件系统

• 你辛辛苦苦写出了应用程序，怎么把它放到板子上，让它开机就自动启动？
• 你写的程序，它依赖于哪些库，这些库放到板子上哪个目录？
• 怎么做一个可升级的系统？即使升级中途断电了，也要保证程序至少还可以运行老的版本？
• 这些都需要我们了解一下根文件系统。
• 先了解一下init进程：它要读取配置文件，根据配置文件启动各个APP。
• 了解了init进程，你就了解了根文件系统的组成，就可以随心所欲裁剪系统，为你的项目制作出最精简的系统。

第3章 学习方法

3.1，先不要打破砂锅问到底

• 嵌入式涉及的东西太多太杂了，如果心里没有主线，碰到什么都要去研究个透彻，最终反而忘记自己要学什么了。
• 嵌入式涉及硬件知识、软件知识，软件里涉及汇编、ARM架构、C语言、Makefile、Shell；又分为bootloader、内核、驱动、基本的APP、GUI。
• 比如我们会用到Makefile，了解它的基本规则，会用我们提供的Makefile就可以。
• 不需要深入研究那些make函数，因为在工作中都有现成的Makefile给你使用，不需要自己去编写一套Makefile。何必花上好几天去深入研究它呢？
• 比如我们会用到bootloader，难道又要花上几个月来深入研究u-boot吗？工作中基本不需要改u-boot，会用那几个命令就可以。
• 甚至有些学员先去买本shell的书来学习shell命令，何必？我们在视频中用到什么命令，你不懂时再去百度一下这些命令就可以了。
• 不要脱离初学者的主线：应用基础、驱动基础。有了这2个基础后，你想深入研究某部分时，再去花时间吧。

3.2，思路要清晰，不怕抄代码

• 视频里的代码，请你一定要自己去写一次、写多次。为什么我现在写驱动那么熟？我2009年在华清远见上课时，
• 每次上课我都要给学生写一次那些驱动，十几次下来闭着眼睛都知道内核的套路了。
• 记不住那些函数？我也记不住，我都是去参考同类的驱动程序，这又不是闭卷考试。
• 但是要理清楚思路，你写这个程序要完成什么功能、怎么实现这些功能？这个要弄清楚。
• 有了思路后再写代码，不知道怎么写？没关系，看看视频，看看示例，然后关闭视频看看能否自己写出来。

3.3，对自己的方向很了解，我只能带你到这里了

• 我的专长是操作系统，是快速地带领大家掌握一些项目开发的基础知识。
• 如果你决定深入研究某方面时，我并不能带你多久。你要去看源码，去看这方面的专业书籍。
• 比如想深入钻研内核的内存管理时，它有页表映射(你需要阅读ARM架构的手册)、SLAB分配器、vmalloc/malloc实现、mmap实现、缺页中断、父进程子进程之间的页面管理等等，内容非常多。有时候连书籍都没有，你需要直接啃代码。
• 当你想从事某个行业时，就需要深入研究行业相关的知识。
• 比如CAN总线，它可以写成一本书：CAN协议、CAN报文、Socket CAN、车身网络拓扑结构，CAN应用报文，CAN网络管理报文，CAN诊断报文。
• 想做物联网网关，需要深入研究MQTT，MQTT协议相对简单，但是MQTT英文原版协议有130多页，中文版有近100页，是一本小书了。
• 每个行业都有自己的业务逻辑，在掌握基本的编程能力之一，你需要结合具体的业务去深入学习。