第1章 單片機(jī)和Linux的區(qū)別

1.1.有哪些產(chǎn)品使用單片機(jī)或Linux？

所有的電子產(chǎn)品，所用技術(shù)都可以認(rèn)為要么是單片機(jī)，要么是Linux；GUI方面主要是QT/Android，它們都是運(yùn)行于Linux之上的。

也許你不服！不是還有ucos、vxwork、wince、IOS嗎？下面這個(gè)圖是關(guān)于操作系統(tǒng)的占比，是2016年的，我沒(méi)找到更新的圖，但是很有參考意義：

我們說(shuō)的單片機(jī)不使用操作系統(tǒng)，在上圖中沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)。但是使用單片機(jī)設(shè)備肯定遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)Linux。很多人也是先學(xué)習(xí)單片機(jī)，從單片機(jī)進(jìn)入電子工程師行業(yè)。

日常生活中，有哪些產(chǎn)品使用單片機(jī)、Linux呢？

下面舉一些例子：

我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品時(shí)，是使用單片機(jī)還是Linux，取決于成本：硬件成本、軟件成本、維護(hù)成本、升級(jí)成本。

而不應(yīng)該根據(jù)個(gè)人偏好來(lái)選擇：我喜歡單片機(jī)，所以就排斥使用Linux；我喜歡Linux，就排斥使用單片機(jī)。為了有更多的選擇，我們需要既懂單片機(jī)，又懂Linux。

1.2，在硬件操作上單片機(jī)和Linux是類(lèi)似的

以點(diǎn)燈為例，

無(wú)論是單片機(jī)還是Linux，我們要做的事情都一樣：

① 看原理圖，確定引腳是哪一個(gè)，確定它輸出什么電平才可以

② 看芯片手冊(cè)，確定要怎么操作寄存器

③ 寫(xiě)程序

但是，怎么編寫(xiě)程序，單片機(jī)和Linux有很大不同。

1.3，在單片機(jī)中點(diǎn)燈、使用LCD

使用單片機(jī)開(kāi)發(fā)程序時(shí)，我們一上來(lái)就寫(xiě)一個(gè)main函數(shù)，下面是一些簡(jiǎn)化的代碼：

LED程序里面的init_led、led_on、led_off函數(shù)是你一個(gè)人寫(xiě)的，愛(ài)取什么名就取什么名，愛(ài)怎么寫(xiě)就怎么寫(xiě)。

LCD程序里的函數(shù)也是你寫(xiě)的，完全是自由發(fā)揮。

很多單片機(jī)項(xiàng)目不是很復(fù)雜，2、3個(gè)人從上到下統(tǒng)統(tǒng)搞定，里面的函數(shù)大多時(shí)間是直接去讀寫(xiě)寄存器。

很多單片機(jī)項(xiàng)目嚴(yán)重依賴(lài)于硬件，換一個(gè)芯片后怎么辦？重寫(xiě)一套代碼唄。

在單片機(jī)程序里，沒(méi)有應(yīng)用程序、驅(qū)動(dòng)程序的概念，很可能一個(gè)人包攬了硬件設(shè)計(jì)、模塊調(diào)試(或稱(chēng)之為驅(qū)動(dòng))、功能開(kāi)發(fā)(或稱(chēng)之為應(yīng)用)的全部活。

1.4.在Linux中點(diǎn)燈、使用LCD

在Linux中，不允許應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員直接去操作硬件，比如你想點(diǎn)個(gè)燈，不好意思，你無(wú)法直接訪問(wèn)寄存器；你需要通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)訪問(wèn)寄存器。

為什么？有幾大原因：

① Linux系統(tǒng)中運(yùn)行著眾多程序，必須保證質(zhì)量差的程序無(wú)法破壞系統(tǒng)：

假設(shè)你寫(xiě)的程序比較爛，那我不能讓你去隨便訪問(wèn)寄存器，把系統(tǒng)搞崩潰了怎么辦？你本意是去點(diǎn)燈，但是你看錯(cuò)了寄存器，你把電源關(guān)了怎么辦？

所以這些操作硬件的活，還是交給信得過(guò)的人來(lái)做吧：交給驅(qū)動(dòng)工程師，他既懂硬件又懂軟件。

② 保證程序的可移植性：

編寫(xiě)應(yīng)用程序時(shí)，大家都使用統(tǒng)一的函數(shù)，以后換一個(gè)芯片時(shí)，應(yīng)用程序不用變；只需要根據(jù)這個(gè)接口提供驅(qū)動(dòng)程序就可以了。

③ 團(tuán)隊(duì)協(xié)作：

使用Linux系統(tǒng)的項(xiàng)目一般比較大，術(shù)業(yè)有專(zhuān)攻，一個(gè)人不太可能從上到下都全部掌握。比如做人臉識(shí)別項(xiàng)目，有擅長(zhǎng)做圖像處理的，他可不管你要用多少種攝像頭，有圖像給他就可以。而多種攝像頭的硬件操作方法各有不同，這些交給驅(qū)動(dòng)程序工程師。

所以，在Linux中應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序是分開(kāi)的。

以LED、LCD程序?yàn)槔?，?jiǎn)化的代碼如下：

也許你已經(jīng)大概猜出來(lái)了，應(yīng)用程序怎么調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序？通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的接口：

①open：

打開(kāi)驅(qū)動(dòng)程序。

② read/write：

讀、寫(xiě)數(shù)據(jù)。

③ ioctl：

傳入各種參數(shù)，獲得各種參數(shù)。

④ mmap：

內(nèi)存映射，比如映射之后，應(yīng)用程序可以直接讀寫(xiě)LCD的顯存。

你看！從這些接口里，我們根本看不到寄存器的操作。底層的程序驅(qū)動(dòng)會(huì)根據(jù)這些調(diào)用，去設(shè)置寄存器、操作硬件。

所以，我高大上的應(yīng)用工程師，干嘛苦哈哈地去看原理圖、看芯片手冊(cè)、讀寫(xiě)寄存器，搞不好還要去調(diào)試硬件BUG。這些臟活、累活就交給驅(qū)動(dòng)工程師吧?？蛻?hù)的需求千變?nèi)f化，我996時(shí)間都不夠用了。

切，我上懂軟件、下懂硬件的驅(qū)動(dòng)工程師，肯定不能把這么重要的活交給你去做了，把我的系統(tǒng)搞崩潰了怎么辦。

開(kāi)玩笑、開(kāi)玩笑、開(kāi)玩笑的，有應(yīng)用工程師、驅(qū)動(dòng)工程師的優(yōu)劣之分，大家都是為了做出產(chǎn)品。

現(xiàn)在有一個(gè)趨勢(shì)，一個(gè)任務(wù)從上到下你都需要懂，這就是所謂的全棧工程師。

還是以LED為例，應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序的協(xié)作如下圖所示：

在Linux中，“一切皆文件”，要訪問(wèn)某個(gè)硬件，也是要打開(kāi)文件、讀寫(xiě)文件。應(yīng)用程序要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的文件接口：open/read/write/ioctl/mmap等來(lái)訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)程序。

既然如此，怎么寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序呢？最簡(jiǎn)單的方法就是：APP要調(diào)用open來(lái)打開(kāi)驅(qū)動(dòng)程序，那驅(qū)動(dòng)‘程序里就提供一個(gè)xxx_open函數(shù)來(lái)初始化硬件；APP要調(diào)用write來(lái)寫(xiě)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)程序里就提供一個(gè)xxx_write函數(shù)來(lái)接收數(shù)據(jù)并操作硬件。

用xxx_open、xxx_write來(lái)構(gòu)成一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，這就是驅(qū)動(dòng)框架。

怎么實(shí)現(xiàn)這些xxx_open、xxx_write函數(shù)？我們要做的事情跟單片機(jī)是類(lèi)似的，一樣要去看電路圖、看芯片手冊(cè)，然后在這些函數(shù)里讀寫(xiě)寄存器：這稱(chēng)為硬件操作。

所以，Linux驅(qū)動(dòng)程序= 驅(qū)動(dòng)框架 + 硬件操作。

有單片機(jī)基礎(chǔ)的人，對(duì)硬件操作比較熟悉了，把重點(diǎn)放在驅(qū)動(dòng)框架上就可以。

高能預(yù)警：驅(qū)動(dòng)框架可不簡(jiǎn)單，對(duì)于LED來(lái)說(shuō)是簡(jiǎn)單，但是還有更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)程序，它要考慮“通用”，這很要命。

第2章 嵌入式Linux快速入門(mén)

這幾天在群里跟學(xué)員聊天，有一位學(xué)員的學(xué)習(xí)方法很好：先觀其廣，再究其深。有時(shí)候要“不求甚解”，很多時(shí)候保持疑問(wèn)先學(xué)下去，這些疑問(wèn)就自然解決了。

比如課程中涉及匯編知識(shí)，如果你要徹底弄清楚，你需要去學(xué)習(xí)《ARM架構(gòu)與編程》；當(dāng)你學(xué)完這本書(shū)，你的同學(xué)搞不好已經(jīng)可以上手工作了。

2.1 短期的目標(biāo)是什么?

我們先把學(xué)習(xí)目標(biāo)定下來(lái)：快速了解嵌入式Linux開(kāi)發(fā)的流程，知道要學(xué)什么，具備跟從業(yè)者交流的能力。

2.2 一個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)的組成  

下面我們用類(lèi)比和邏輯推導(dǎo)出嵌入式Linux系統(tǒng)的組成，沒(méi)錯(cuò)，“推導(dǎo)”。

從上圖可以知道：

① 組成：

嵌入式Linux系統(tǒng)

= bootloader + linux內(nèi)核 + 根文件系統(tǒng)(里面含有APP)。

② bootloader：

它的目的是啟動(dòng)內(nèi)核，去哪讀內(nèi)核？讀到哪里？去Flash等外設(shè)讀內(nèi)核，存到內(nèi)存里去。所以需要有Flash里外設(shè)的驅(qū)動(dòng)能力，為了調(diào)試方便還會(huì)有網(wǎng)絡(luò)功能。

所以，可以認(rèn)為 booloader = 裸機(jī)集合，它就是一個(gè)復(fù)雜的單片機(jī)程序。

③ Linux內(nèi)核

Linux內(nèi)核的最主要目的是去啟動(dòng)APP，APP保存在哪里？保存在“根文件系統(tǒng)”里。“根文件系統(tǒng)”又保存在哪里？在Flash、SD卡等設(shè)備里，甚至可能在網(wǎng)絡(luò)上。所以Linux內(nèi)核要有這些Flash、SD卡里設(shè)備的驅(qū)動(dòng)能力。

不僅如此，Linux內(nèi)核還有進(jìn)程調(diào)度能力、內(nèi)存管理等功能。

所以：Linux內(nèi)核 = 驅(qū)動(dòng)集合 + 進(jìn)程調(diào)度 + 內(nèi)存管理等。

2.3 要學(xué)習(xí)bootloader嗎

Bootloader有很多種，常用的叫作u-boot。

在實(shí)際工作中，對(duì)于u-boot基本上是修修改改，甚至不改。但是u-boot本身是很復(fù)雜的，比如為了便于調(diào)試，它支持網(wǎng)絡(luò)功能；有些內(nèi)核是保存在FAT32分區(qū)里，于是它要能解析FAT32分區(qū)，讀FAT32分區(qū)的文件。

花那么多精力去學(xué)習(xí)u-boot，但是工作中基本用不到，這對(duì)初學(xué)者很不友善。

所以，對(duì)于初學(xué)者，我建議：理解u-boot的作用、會(huì)使用u-boot的命令，這就可以了。

如果你的工作就是修改、完善bootloader，那么再去研究它吧。

2.4，要學(xué)習(xí)Linux內(nèi)核、要學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)程序嗎

之前我們說(shuō)過(guò)Linux內(nèi)核 = 驅(qū)動(dòng)集合 + 進(jìn)程調(diào)度 + 內(nèi)存管理等，如果要學(xué)習(xí)Linux內(nèi)核，從驅(qū)動(dòng)程序入手是一個(gè)好辦法。

但是人人都要學(xué)習(xí)Linux內(nèi)核、人人都要學(xué)習(xí)Linux驅(qū)動(dòng)嗎？顯然不是。

作為初學(xué)者，懂幾個(gè)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序，有利于工作交流；理解中斷、進(jìn)程、線程的概念，無(wú)論是對(duì)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)、應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，都是很有好處的。

所以對(duì)于初學(xué)者，建議前期只學(xué)習(xí)這幾個(gè)驅(qū)動(dòng)：LED、按鍵、中斷。

① LED驅(qū)動(dòng)程序：

這是最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序。

② 按鍵驅(qū)動(dòng)程序：

它也比較簡(jiǎn)單，從它引入“中斷”。

③ 中斷：

從“中斷”它可以引入：休眠-喚醒、進(jìn)程/線程、POLL機(jī)制、異步通知等概念。這些概念無(wú)論是對(duì)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)，還是對(duì)應(yīng)用開(kāi)發(fā)，都很重要。

所以，對(duì)于初學(xué)者，我建議必須學(xué)習(xí)這幾個(gè)驅(qū)動(dòng)：LED、按鍵、中斷。

入門(mén)之后，如果你想從事內(nèi)核開(kāi)發(fā)、驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)，那么可以去鉆研幾個(gè)驅(qū)動(dòng)程序(輸入系統(tǒng)、I2C總線、SPI總線等)，掌握若干個(gè)大型驅(qū)動(dòng)程序后，你對(duì)內(nèi)核的套路就有所了解了，再去研究其他部分(比如進(jìn)程管理、文件系統(tǒng))時(shí)你會(huì)發(fā)現(xiàn)套路是如此通用。

攝像頭(VL42)、聲卡ALSA驅(qū)動(dòng)是Linux中比較復(fù)雜的2類(lèi)驅(qū)動(dòng)，它們是很難的，如果工作與此相關(guān)再去研究。

2.5，要學(xué)習(xí)Linux應(yīng)用程序嗎？先學(xué)一些基礎(chǔ)技能

要學(xué)，即使以后你只想研究?jī)?nèi)核，一些基本的應(yīng)用開(kāi)發(fā)編寫(xiě)能力也是需要的：

① 基本設(shè)備的訪問(wèn)，比如LCD、輸入設(shè)備

② 進(jìn)程、線程、進(jìn)程通信、線程同步與互斥

③ 休眠-喚醒、POLL機(jī)制、信號(hào)

④ 網(wǎng)絡(luò)編程

①②③部分的知識(shí)，跟驅(qū)動(dòng)有密切的關(guān)系，它們是相輔相承的。

掌握了基本驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)能力、基本應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力之后，在工作中你就可以跟別人友好溝通了，不至于一臉懵逼。

2.6，應(yīng)用程序是怎么啟動(dòng)的？要了解一下根文件系統(tǒng)

你辛辛苦苦寫(xiě)出了應(yīng)用程序，怎么把它放到板子上，讓它開(kāi)機(jī)就自動(dòng)啟動(dòng)？

你寫(xiě)的程序，它依賴(lài)于哪些庫(kù)，這些庫(kù)放到板子上哪個(gè)目錄？

怎么做一個(gè)可升級(jí)的系統(tǒng)？即使升級(jí)中途斷電了，也要保證程序至少還可以運(yùn)行老的版本？

這些都需要我們了解一下根文件系統(tǒng)。

先了解一下init進(jìn)程：它要讀取配置文件，根據(jù)配置文件啟動(dòng)各個(gè)APP。了解了init進(jìn)程，你就了解了根文件系統(tǒng)的組成，就可以隨心所欲裁剪系統(tǒng)，為你的項(xiàng)目制作出最精簡(jiǎn)的系統(tǒng)。

第3章 學(xué)習(xí)方法

3.1，先不要打破砂鍋問(wèn)到底

嵌入式涉及的東西太多太雜了，如果心里沒(méi)有主線，碰到什么都要去研究個(gè)透徹，最終反而忘記自己要學(xué)什么了。

嵌入式涉及硬件知識(shí)、軟件知識(shí)，軟件里涉及匯編、ARM架構(gòu)、C語(yǔ)言、Makefile、Shell；又分為bootloader、內(nèi)核、驅(qū)動(dòng)、基本的APP、GUI。

比如我們會(huì)用到Makefile，了解它的基本規(guī)則，會(huì)用我們提供的Makefile就可以。不需要深入研究那些make函數(shù)，因?yàn)樵诠ぷ髦卸加鞋F(xiàn)成的Makefile給你使用，不需要自己去編寫(xiě)一套Makefile。何必花上好幾天去深入研究它呢？

比如我們會(huì)用到bootloader，難道又要花上幾個(gè)月來(lái)深入研究u-boot嗎？工作中基本不需要改u-boot，會(huì)用那幾個(gè)命令就可以。

甚至有些學(xué)員先去買(mǎi)本shell的書(shū)來(lái)學(xué)習(xí)shell命令，何必？我們?cè)谝曨l中用到什么命令，你不懂時(shí)再去百度一下這些命令就可以了。

不要脫離初學(xué)者的主線：應(yīng)用基礎(chǔ)、驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)。有了這2個(gè)基礎(chǔ)后，你想深入研究某部分時(shí)，再去花時(shí)間吧。

3.2，思路要清晰，不怕抄代碼

視頻里的代碼，請(qǐng)你一定要自己去寫(xiě)一次、寫(xiě)多次。為什么我現(xiàn)在寫(xiě)驅(qū)動(dòng)那么熟？我2009年在華清遠(yuǎn)見(jiàn)上課時(shí)，每次上課我都要給學(xué)生寫(xiě)一次那些驅(qū)動(dòng)，十幾次下來(lái)閉著眼睛都知道內(nèi)核的套路了。

記不住那些函數(shù)？我也記不住，我都是去參考同類(lèi)的驅(qū)動(dòng)程序，這又不是閉卷考試。

但是要理清楚思路，你寫(xiě)這個(gè)程序要完成什么功能、怎么實(shí)現(xiàn)這些功能？這個(gè)要弄清楚。

有了思路后再寫(xiě)代碼，不知道怎么寫(xiě)？沒(méi)關(guān)系，看看視頻，看看示例，然后關(guān)閉視頻看看能否自己寫(xiě)出來(lái)。

3.3 對(duì)自己的方向很了解，我只能帶你到這里了

我的專(zhuān)長(zhǎng)是操作系統(tǒng)，是快速地帶領(lǐng)大家掌握一些項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)知識(shí)。

如果你決定深入研究某方面時(shí)，我并不能帶你多久。你要去看源碼，去看這方面的專(zhuān)業(yè)書(shū)籍。比如想深入鉆研內(nèi)核的內(nèi)存管理時(shí)，它有頁(yè)表映射(你需要閱讀ARM架構(gòu)的手冊(cè))、SLAB分配器、vmalloc/malloc實(shí)現(xiàn)、mmap實(shí)現(xiàn)、缺頁(yè)中斷、父進(jìn)程子進(jìn)程之間的頁(yè)面管理等等，內(nèi)容非常多。有時(shí)候連書(shū)籍都沒(méi)有，你需要直接啃代碼。

當(dāng)你想從事某個(gè)行業(yè)時(shí)，就需要深入研究行業(yè)相關(guān)的知識(shí)。比如CAN總線，它可以寫(xiě)成一本書(shū)：CAN協(xié)議、CAN報(bào)文、Socket CAN、車(chē)身網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，CAN應(yīng)用報(bào)文，CAN網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文，CAN診斷報(bào)文。

想做物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，需要深入研究MQTT，MQTT協(xié)議相對(duì)簡(jiǎn)單，但是MQTT英文原版協(xié)議有130多頁(yè)，中文版有近100頁(yè)，是一本小書(shū)了。

每個(gè)行業(yè)都有自己的業(yè)務(wù)邏輯，在掌握基本的編程能力之一，你需要結(jié)合具體的業(yè)務(wù)去深入學(xué)習(xí)。

洋洋灑灑寫(xiě)了6000字，先寫(xiě)到這里吧，后面有空繼續(xù)寫(xiě)，歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的學(xué)習(xí)方法。

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是否要從單片機(jī)轉(zhuǎn)嵌入式Linux？

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