一篇看懂嵌入式Linux

嵌入式Linux跟桌面Linux一樣，是一個(gè)操作系統(tǒng)。從單片機(jī)走過(guò)來(lái)的童鞋往往習(xí)慣于直接控制寄存器，事必躬親，從零開(kāi)始實(shí)現(xiàn)想要的功能。而在嵌入式Linux的世界里，我們首先要拋棄這個(gè)思想，應(yīng)把它作為最后沒(méi)辦法的辦法。
就像我們想要在windows系統(tǒng)中編寫(xiě)一個(gè)程序，首先想到的不是操作CPU芯片的寄存器，而是學(xué)習(xí)Windows API一樣。我們?cè)谇度胧絣inux編程時(shí)，首先想到的應(yīng)該是使用現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)或軟件或Linux API。沒(méi)有的話(huà)看看能不能修改一下現(xiàn)成的資源為己所用。還是不行的話(huà)才考慮自己從頭開(kāi)始寫(xiě)。
嵌入式Linux大廈是由很多層組成的，當(dāng)我們想找一個(gè)人時(shí)，首先要明確他在那一層樓。同樣的，我們遇到問(wèn)題時(shí)，首先要知道是哪個(gè)方面的問(wèn)題，然后才有可能知道到哪里尋找答案。下面我們把這座大廈進(jìn)行一下拆解。
我們平時(shí)使用Linux系統(tǒng)的話(huà)，最常用的工具就是Shell（或者用windows中常見(jiàn)的說(shuō)法：命令行），初學(xué)者接觸Linux的第一個(gè)東西往往也是shell。也許你已經(jīng)知道，把shell命令組合起來(lái)寫(xiě)成一個(gè)文件，亦即shell編程，也是一門(mén)大學(xué)問(wèn)，它能做的事很多很強(qiáng)大，但僅限于對(duì)Linux系統(tǒng)的操作。
我們一定不會(huì)用shell命令去編寫(xiě)一個(gè)顯示屏程序，或者一個(gè)GPS導(dǎo)航程序。而且作為嵌入式Linux開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，shell不可能作為最終產(chǎn)品工作的平臺(tái)，因?yàn)槲覀儾荒芤笥脩?hù)在屏幕中輸入代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)功能。因此我認(rèn)為對(duì)嵌入式開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，shell命令無(wú)需深究，掌握基本操作就夠了。
shell基本操作主要包括：獲取命令幫助，到達(dá)指定目錄，查看目錄內(nèi)容，權(quán)限修改，文件的復(fù)制粘貼等基本操作，文件搜索，文件內(nèi)容查看和編輯，系統(tǒng)關(guān)機(jī)重啟……（這些只是最基本的，后面再慢慢學(xué)別的命令，比如學(xué)習(xí)進(jìn)程編程時(shí)，再學(xué)習(xí)進(jìn)程相關(guān)的命令；學(xué)習(xí)C語(yǔ)言編程時(shí)，再學(xué)各種編譯和調(diào)試命令也不遲）
學(xué)習(xí)嵌入式Linux，我們的最終目的是制作一套嵌入式系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)功能。往往需要用C/C++或Python等其他語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)程序，但是編程之前我們要先明確一些基本概念。
最基本的，當(dāng)我們編寫(xiě)程序時(shí)，首先要明確嵌入式Linux分為用戶(hù)空間和內(nèi)核空間。用戶(hù)空間是應(yīng)用程序運(yùn)行的空間，內(nèi)核空間就是操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行的空間。這是從軟件的角度來(lái)說(shuō)的，對(duì)應(yīng)于ARM芯片來(lái)說(shuō)，就是芯片的不同“工作模式”。這兩個(gè)空間是通過(guò)“地理隔離”實(shí)現(xiàn)互相完全獨(dú)立的，它們各自的程序使用不同的內(nèi)存地址區(qū)間，各自使用自己的頭文件（有些頭文件在兩個(gè)空間內(nèi)甚至是重名的，要注意區(qū)分）、各自調(diào)用屬于自己空間的函數(shù)（哪怕實(shí)現(xiàn)的功能相同，比如printf()和printk()），而且不能互相直接訪問(wèn)（用指針也不行）。（意味著學(xué)習(xí)這兩部分的編程時(shí)要學(xué)習(xí)兩套獨(dú)立的知識(shí)體系）
內(nèi)核空間相關(guān)的東西有：Linux內(nèi)核源碼、內(nèi)核編譯和配置、內(nèi)核移植、文件系統(tǒng)、Busybox、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)、中斷編程……
用戶(hù)空間相關(guān)的東西有：Shell、應(yīng)用程序編譯和調(diào)試、進(jìn)程、線程、文件IO編程、網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)、Qt圖形界面編程……
如果你僅僅要開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，那你就可以遠(yuǎn)離內(nèi)核空間那些東西了。對(duì)你來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)程序、底層硬件、操作系統(tǒng)的工作方式等都是透明的，你寫(xiě)的程序在別的芯片上也能跑得很好。
但如果你想要開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序，或者定制自己的操作系統(tǒng)，或者你想向一片“全裸”芯片中寫(xiě)入操作系統(tǒng)，并使它正常運(yùn)行起來(lái)，那就得學(xué)習(xí)內(nèi)核空間的知識(shí)了。
如果你想讓“全裸”芯片運(yùn)行起來(lái)，還會(huì)遇到一塊比內(nèi)核更底層的東西，Bootloader。它是在內(nèi)核啟動(dòng)前運(yùn)行的一段程序，用來(lái)初始化硬件、建立內(nèi)存空間映射等，與芯片的品牌、型號(hào)極其相關(guān)。我們通常對(duì)一些現(xiàn)成的Bootloader進(jìn)行修改來(lái)滿(mǎn)足需求，常見(jiàn)的Bootloader有U-Boot、Vivi等。
再多說(shuō)一句，如果想從零開(kāi)始做一個(gè)嵌入式設(shè)備，還有更底層的問(wèn)題需要解決和學(xué)習(xí)：電路設(shè)計(jì)、PCB布線等。
因此，我們看到的嵌入式Linux書(shū)籍就可以粗略分成兩個(gè)方向：一類(lèi)講嵌入式Linux應(yīng)用程序編程，另一類(lèi)講如何搭建一個(gè)完整的嵌入式Linux平臺(tái)。分別對(duì)應(yīng)的就是用戶(hù)空間和內(nèi)核空間的事情。
雖然用戶(hù)空間和內(nèi)核空間是獨(dú)立的，但就像Windows提供了API，允許我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作一樣，用戶(hù)空間的程序也可以通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)訪問(wèn)內(nèi)核（就是一些的C語(yǔ)言函數(shù)）。但由于系統(tǒng)調(diào)用非常基礎(chǔ)，所以有時(shí)使用起來(lái)很麻煩。比如說(shuō)一個(gè)簡(jiǎn)單的給變量分配內(nèi)存空間的操作，就需要?jiǎng)佑枚鄠€(gè)系統(tǒng)調(diào)用。Linux定義一些庫(kù)函數(shù)(API)來(lái)將系統(tǒng)調(diào)用組合成某些常用的功能，以方便我們編程（同樣是C語(yǔ)言函數(shù)）。因此，我們?cè)谧x別人的程序時(shí)，就要區(qū)分其中的函數(shù)是系統(tǒng)調(diào)用，還是庫(kù)函數(shù)，還是C/C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的函數(shù)，還是用戶(hù)自己定義的函數(shù)。如果是前三者，就可以到各個(gè)地方搜索相應(yīng)的資料，這樣學(xué)習(xí)起來(lái)就快很多。
那么shell程序和我們用C/C++編寫(xiě)的程序有什么區(qū)別呢？事實(shí)上，我們?cè)趕hell中寫(xiě)的每一個(gè)命令，都對(duì)應(yīng)了一個(gè)程序，在程序內(nèi)部就是通過(guò)調(diào)用各種API來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的。因此用shell能實(shí)現(xiàn)的功能，理論上都能用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。
作為嵌入式Linux開(kāi)發(fā)初學(xué)者，簡(jiǎn)單熟悉了shell以后，就可以開(kāi)始進(jìn)行一些C語(yǔ)言編程的嘗試了。
我們最早接觸編程一般都是在大學(xué)的編程課上，而且往往用的是Visual C++ 6.0。竊以為這是讓我對(duì)編程原理長(zhǎng)期困惑不解的罪魁禍?zhǔn)?！啥是環(huán)境變量？為啥要設(shè)置include路徑，lib路徑？為啥一點(diǎn)編譯按鈕就會(huì)出來(lái)那么多后綴名不同的文件？這些很基礎(chǔ)很重要的問(wèn)題都被VC6.0這個(gè)外殼掩蓋了。但哪怕你在Linux中使用gcc編譯一個(gè)最簡(jiǎn)單程序，一定就會(huì)像我一樣馬上明白把一個(gè).c的源文件變成一個(gè)可執(zhí)行文件，中間究竟發(fā)生了什么事情。如果你再用gdb調(diào)試一個(gè)程序，就會(huì)明白得更多一點(diǎn)。
關(guān)于C/C++編程的基本工具，我們需要學(xué)習(xí)的有：vim等代碼編輯器、diff等文件比較的shell命令、gcc等編譯器、gdb等調(diào)試工具、交叉編譯等。這里需要特別提到一個(gè)重要工具（網(wǎng)站）：github，根據(jù)百度的解釋?zhuān)且粋€(gè)“分布式的版本控制系統(tǒng)”，初學(xué)者還用不到版本控制，那就可以單純把它當(dāng)成一個(gè)開(kāi)放的源代碼庫(kù)。這個(gè)網(wǎng)站里有大量?jī)?yōu)秀的源代碼供學(xué)習(xí)和使用。
學(xué)習(xí)了基本的編程方法，我們就該接觸Linux的API等內(nèi)容了。畢竟，我們的嵌入式系統(tǒng)要與設(shè)備進(jìn)行交互，只用C/C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)是不夠的。在此之前，需要建立一個(gè)Linux的重要概念：一切皆文件。甚至硬件設(shè)備對(duì)Linux系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，也是文件。這樣對(duì)設(shè)備的操作就等同于對(duì)文件進(jìn)行讀、寫(xiě)，或讀寫(xiě)以外的操作。這部分內(nèi)容在各種書(shū)籍資料中通常以“文件IO編程”命名，作為一個(gè)章節(jié)來(lái)寫(xiě)。我覺(jué)得這是應(yīng)當(dāng)?shù)谝粋€(gè)來(lái)學(xué)的東西，因?yàn)榭吹阶约耗茈S意操控文件和外設(shè)是一件讓人很振奮的事情！成就感是繼續(xù)學(xué)習(xí)的一大動(dòng)力！
另外一個(gè)重要內(nèi)容是，理解進(jìn)程和線程。通過(guò)學(xué)習(xí)這個(gè)部分，能管中窺豹地大致領(lǐng)略到Linux系統(tǒng)如何進(jìn)行調(diào)度，你的程序是怎么在Linux中運(yùn)行的。這是操作系統(tǒng)原理的內(nèi)容，但作為非軟件專(zhuān)業(yè)出身的人，沒(méi)辦法，只能自學(xué)了。
其他應(yīng)用程序編程如網(wǎng)絡(luò)編程、Qt圖形編程等就不一一說(shuō)明了。
驅(qū)動(dòng)程序可能是我們將來(lái)接觸內(nèi)核空間遇到的第一個(gè)內(nèi)容。不過(guò)暫時(shí)還沒(méi)什么特別想說(shuō)的。內(nèi)核空間距離初學(xué)者還是有點(diǎn)遠(yuǎn)的……以后再來(lái)學(xué)這部分內(nèi)容。0次