学习嵌入式linux需要先学什么？

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第1章MCU和Linux的区别

1.1什么产品用的是MCU或者Linux？

所有的电子产品，使用的技术可以考虑要么是单片机，要么是Linux；GUI主要是QT/Android，都运行在Linux上。

也许你不接受！不是有ucos，vxwork，wince，IOS吗？下图是关于操作系统的比例，来自2016。没有找到更新的图表，但是很有参考意义:

我们说的单片机不使用操作系统，上图没有体现。但是单芯片设备的使用肯定是远远多于Linux的。很多人也是先学单片机，从单片机进入电子工程师行业。

日常生活中，哪些产品使用单片机和Linux？以下是一些例子:

我们设计一个产品，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。而不是根据个人喜好选择:我喜欢单片机，所以我排斥使用Linux；我喜欢Linux，所以排斥用单片机。为了有更多的选择，我们需要既懂单片机又懂Linux。

1.2在硬件操作上和Linux差不多。

以照明为例，

不管是单片机还是Linux，我们都要做同样的事情:

①看原理图，确定是哪个引脚，输出什么电平。

②查看芯片手册，确定如何操作寄存器。

③写一个程序

但是，如何写程序和Linux有很大的不同。

1.3照明用单片机和液晶显示器

用单片机开发程序时，一开始就写一个主函数。以下是一些简化代码:

led程序中的init_led，led_on，led_off函数都是自己写的。你可以取任何你喜欢的名字，随你怎么写。

LCD程序里的功能也是你写的，完全自由发挥。

很多单片机项目都不是很复杂。两三个人自上而下全部做，大部分时间里面的功能都是直接读写寄存器。

许多单片机项目严重依赖硬件。换了一个芯片之后该怎么办？重写一组代码。

在单片机程序中，没有应用程序和驱动程序的概念，很可能一个人做硬件设计、模块调试(或驱动)、功能开发(或应用)的所有工作。

Linux中的1.4照明和使用LCD

在Linux中，不允许应用程序开发人员直接操作硬件。比如你要点灯，对不起，不能直接访问寄存器。你需要通过驱动程序访问寄存器。

为什么？有几个原因:

Linux系统中运行的程序很多，需要保证质量差的程序不能破坏系统:

假设你写的程序是坏的，那我不能让你随便访问寄存器，让系统崩溃怎么办？你本打算点灯，但你看错了登记簿。如果你关掉电源，你应该做什么？

所以操作硬件的工作应该由可以信任的人来做:既懂硬件又懂软件的驱动工程师。

(2)保证程序的可移植性:

写应用程序的时候，大家都用统一的函数，以后换个芯片，应用程序就不用改了；按照这个接口提供驱动就可以了。

③团队合作:

。使用Linux系统的项目一般都比较大，而且术业有专攻，一个人不可能从上到下都掌握。比如你在做人脸识别项目，有人擅长图像处理。他不在乎你要用多少种相机，给他一个图像就行。各种摄像头的硬件操作方法不一样，交给驱动工程师。

因此，在Linux中，应用程序和驱动程序是分离的。

以LED和LCD程序为例，简化代码如下:

也许你已经大概猜到了，应用是怎么调用驱动的？通过标准接口:

①打开:

打开驱动程序。

②读/写:

读取和写入数据。

③ ioctl:

传入各种参数，得到各种参数。

④ mmap:

内存映射，比如映射后应用可以直接读写LCD的显示内存。

看啊！从这些接口上，我们根本看不到寄存器的操作。底层程序驱动程序将根据这些调用设置寄存器并操作硬件。

所以，我这个高大上的应用工程师，又何必去读原理图，读片内手册，读写寄存器，甚至调试硬件bug呢？把脏活累活留给驱动工程师。客户的需求千变万化，我没有足够的时间做996。

啧啧，作为一个既懂软件又懂硬件的驱动工程师，我当然不能把这么重要的工作交给你。如果我的系统崩溃了怎么办？

开玩笑，开玩笑，开玩笑，应用工程师和驱动工程师各有利弊，大家都在努力做产品。有一个趋势是你需要从上到下的去理解一个任务，也就是所谓的全栈工程师。

还是以LED为例，应用和驱动的配合如下图所示:

在Linux中，“一切都是一个文件”。要访问某个硬件，还需要打开文件，读写文件。应用程序应该根据标准文件接口访问驱动程序:open/read/write/ioctl/mmap等。

既然如此，怎么写驱动呢？最简单的办法是:如果APP要调用open打开驱动，在驱动程序中提供一个xxx_open函数，初始化硬件；APP调用write写数据，驱动提供xxx_write函数接收数据，操作硬件。

用xxx_open和xxx_write组成一个驱动，就是驱动框架。

如何实现这些xxx_open和xxx_write函数？我们要做的和单片机差不多。我们要看电路图和芯片手册，然后读写这些函数中的寄存器:这叫硬件操作。

所以，Linux驱动=？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，可以把重点放在驱动架上。

高能预警:驱动框架不简单，对LED来说简单，但还有更复杂的驱动，要考虑“通用”，这是很致命的。

第2章嵌入式Linux快速入门

这几天和群里的同学聊天，有一个同学的学习方法很好:先看广度，再探深度。有时候要“不求人解”。很多时候，保持疑惑，先学会，这些问题自然就解决了。

比如课程涉及到组装知识。想要彻底理解，需要学习ARM架构和编程。当你学完这本书的时候，你的同学可能已经可以开始工作了。

2.1的短期目标是什么？

先定下学习目标:快速了解嵌入式Linux的开发流程，知道要学什么，具备与从业者交流的能力。

下面我们用类比和逻辑来推导嵌入式Linux系统的构成，对，“推导”。

从上图可以看出:

①构成:

嵌入式Linux系统

= bootloader+linux内核+根文件系统(其中包含APP)。

②引导加载程序:

它的目的是启动内核，哪里等着读内核？在哪里读？转到Flash和其他外设读取内核并保存在内存中。所以需要具备Flash中外设的驱动能力，为了调试方便会有网络功能。

所以可以认为booloader =裸机集，是一个复杂的单片机程序。

③ Linux内核

Linux内核的主要用途是启动应用程序。APP保存在哪里？将其保存在根文件系统中。“根文件系统”保存在哪里？在Flash、SD卡等设备中，甚至可能在网络上。所以Linux内核应该具备Flash和SD卡中这些设备的驱动能力。

不仅如此，Linux内核还具有进程调度和内存管理的功能。

所以:Linux内核=驱动集+进程调度+内存管理等。

2.3要不要学bootloader？

Bootloader有很多种，俗称u-boot。

实际工作中，u-boot基本都是修改甚至不改。但是，u-boot本身就很复杂。比如为了方便调试，支持网络功能。一些内核存储在FAT32分区中，因此它应该能够解析FAT32分区并读取FAT32分区的文件。

我花那么多精力学u-boot，工作中却几乎用不到，对新手很不友好。

所以对于新手，我建议:了解u-boot的功能，使用u-boot的命令，就够了。

如果你的工作是修改和改进bootloader，那就再研究一遍。

2.4想学Linux内核和驱动吗？

我们之前说过Linux内核=驱动集+进程调度+内存管理等。如果想学习Linux内核，从驱动入手是个不错的方法。

但是每个人都要学Linux内核和Linux驱动吗？显然不是。

作为初学者，认识几个简单的司机有利于工作交流；理解中断、进程、线程的概念，对驱动开发和应用开发都非常有益。

所以对于新手来说，建议前期只学这几个驱动:LED、按键、中断。

① LED驱动器:

这是最简单的驱动程序。

②关键驱动因素:

也比较简单，从中引入“中断”。

③中断:

从“中断”可以引入睡眠-唤醒、进程/线程、轮询机制、异步通知等概念。这些概念对于驱动程序开发和应用程序开发都非常重要。

所以对于新手来说，我建议一定要学习这几个驱动:LED、key、中断。

入门之后，如果想从事内核开发和驱动开发，可以钻研几个驱动(输入系统、I2C总线、SPI总线等。).掌握了几个大的驱动之后，你就对内核例程有所了解了。当你研究其他部分(比如流程管理、文件系统)的时候，你会发现，套路就是这么通用。

摄像头(VL42)和声卡ALSA驱动是Linux中两个比较复杂的驱动，难度很大。如果作品与此有关，我们将再次研究它们。

2.5，要不要学Linux应用？先学点基本功。

要学，哪怕以后只想学内核，也需要一些基本的应用开发和编写技巧:

①访问基本设备，如LCD和输入设备。

②进程、线程、进程通信、线程同步、互斥。

③睡眠-唤醒、轮询机制和信号。

④网络编程

① ② ③部分知识与驾驶密切相关，两者相辅相成。

掌握了基本的驱动开发能力和基本的应用开发能力后，在工作中就可以友好地与人交流，不会显得不知所措。

2.6.应用程序是如何启动的？要了解根文件系统

你辛辛苦苦写了一个应用，如何把它放在板子上，让它开机自动启动？

你写的程序，它依赖于哪些库，这些库放在板的哪个目录下？

如何做一个可升级的系统？即使升级中途断电，也要保证程序至少能运行老版本吗？

这些都需要我们去了解根文件系统。

我们来看看init进程:它读取配置文件，根据配置文件启动每个APP。

了解了init过程，你就明白了根文件系统的组成，你就可以随意裁剪系统，为你的项目做出最精简的系统。

第三章学习方法

3.1，先别刨根问底。

嵌入式涉及的东西太多。如果心里没有主线，就要把所有的东西都学透，最终忘记自己想学的东西。

嵌入式涉及硬件知识和软件知识，软件涉及汇编、ARM架构、C语言、Makefile和Shell。分为bootloader、内核、驱动、基础APP、GUI。

比如我们会用Makefile来理解它的基本规则，我们会用我们提供的Makefile。

你不需要深入研究那些make函数，因为有现成的makefile供你在工作中使用，你也不需要自己写一个makefile。为什么要花几天时间深入研究呢？

例如，我们将使用bootloader。我们要花几个月的时间来研究u-boot吗？工作中基本不需要换u-boot，用那些命令就可以了。

甚至有的同学去买个shell的书先学习shell命令。为什么？我们在视频中使用什么命令？不懂的时候就去百度一下这些命令。

不要脱离初学者的主线:应用基础和驾驶基础。有了这两个基础，当你想深入研究一个部分的时候，再花时间。

3.2，思路清晰，不怕抄代码。

请自行编写视频中的代码一次和多次。为什么我现在写驱动这么好？2009年我在华清预见班的时候，

我每节课都要给学生写一遍那些驱动，闭着眼睛十几遍就知道内核例程了。

记不住那些功能？我也记不起来了。我总是指同一类司机。不是闭卷考试。

但是要有一个清晰的思路，你写这个程序是想完成什么功能，这些功能是怎么实现的？这需要澄清。

有了想法再写代码。不知道怎么写。不要紧，看看视频，看看例子，然后关闭视频，看看自己能不能写出来。

3.3，我很清楚自己的方向，所以只能带你到这里。

我的专业是操作系统，就是快速带领大家掌握一些项目开发的基础知识。

如果你决定钻研什么，我不能带你去太久。你应该去看看源代码和这方面的专业书籍。

比如你要钻研内核的内存管理，它有页表映射(需要看ARM架构的手册)、SLAB分配器、vmalloc/malloc实现、mmap实现、缺页中断、父进程与子进程之间的页面管理等。，而且内容很多。有时候连书都没有，需要直接啃代码。

当你想从事某个行业的时候，你需要深入学习行业相关的知识。

比如CAN总线可以写成一本书:CAN协议、CAN报文、Socket CAN、车身网络拓扑、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协议比较简单，但是MQTT协议英文原版有130多页，中文版有近100页，很短的一本书。

每个行业都有自己的商业逻辑。要想掌握其中一项基本的编程能力，需要结合具体业务进行深入学习。

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