第1章单片机和Linux的区别1.1有什么产品使用单片机或Linux
所有的电子产品,所用技术都可以觉得要么是单片机,要么是Linux;GUI方面主要是QT/Android,它们都是运行于Linux之上的。
其实你不服!不是还有ucos、vxwork、wince、IOS吗?下边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,而且很有参考意义:
我们说的单片机不使用操作系统,在上图中没有彰显下来。并且使用单片机设备肯定远远超过Linux。好多人也是先学习单片机,从单片机步入电子工程师行业
日常生活中,有什么产品使用单片机、Linux呢?下边举一些事例:
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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。而不应当按照个人偏好来选择:我喜欢单片机,所以就敌视使用Linux;我喜欢Linux,就敌视使用单片机。为了有更多的选择嵌入式linux基础教程,我们须要既懂单片机,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,确定它输出哪些电平才可以
②看芯片指南,确定要如何操作寄存器
③写程序
然而,如何编撰程序,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,下边是一些简化的代码:
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LED程序上面的init_led、led_on、led_off函数是你一个人写的,爱取哪些名就取哪些名,爱怎样写就如何写。
LCD程序里的函数也是你写的,完全是自由发挥。
好多单片机项目不是很复杂,2、3个人从上到下统统搞定,上面的函数大多时间是直接去读写寄存器。
好多单片机项目严重依赖于硬件,换一个芯片后如何办?重画一套代码呗。
在单片机程序里,没有应用程序、驱动程序的概念,很可能一个人独揽了硬件设计、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,不容许应用开发人员直接去操作硬件,例如你想点个灯,不好意思,你没法直接访问寄存器;你须要通过驱动程序来访问寄存器。
为何?有几大诱因:
①Linux系统中运行着诸多程序,必须保证质量差的程序未能破坏系统:
假定你写的程序比较烂,那我不能让你去随意访问寄存器,把系统搞崩溃了如何办?你原意是去点灯,而且你看错了寄存器,你把电源关了如何办?
所以这种操作硬件的活,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:
编撰应用程序时,你们都使用统一的函数,之后换一个芯片时,应用程序不用变;只须要依照这个插口提供驱动程序就可以了。
③团队协作:
使用Linux系统的项目通常比较大linux下载工具,术业有专攻,一个人不太可能从上到下都全部把握。例如做人脸辨识项目,有擅长做图象处理的,他可不管你要用多少种摄像头,有图象给他就可以。而多种摄像头的硬件操作方式各有不同,这种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:
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其实你已然大约猜下来了,应用程序如何调用驱动程序?通过标准的插口:
①open:
打开驱动程序。
②read/write:
读、写数据。
③ioctl:
传入各类参数,获得各类参数。
④mmap:
显存映射,例如映射以后,应用程序可以直接读写LCD的内存。
你看!从这种插口里,我们根本看不到寄存器的操作。底层的程序驱动会按照这种调用,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、看在片指南、读写寄存器,搞不好还要去调试硬件BUG。那些脏活、累活就交给驱动工程师吧。顾客的需求千变万化,我996时间都不够用了。
切,我上懂软件、下懂硬件的驱动工程师,肯定不能把如此重要的活交给你去做了,把我的系统搞崩溃了怎样办。
开玩笑、开玩笑、开玩笑的,有应用工程师、驱动工程师的好坏之分,你们都是为了作出产品。现今有一个趋势,一个任务从上到下你都须要懂,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右图所示:
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。应用程序要按照标准的文件插口:open/read/write/ioctl/mmap等来访问驱动程序。
既然这么,如何写驱动程序呢?最简单的方式就是: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。
如何实现这种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、看芯片指南,之后在这种函数里读写寄存器: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,把重点放到驱动框架上就可以。
高能预警:驱动框架可不简单,对于LED来说是简单,而且还有更复杂的驱动程序linux虚拟主机,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式挺好:先观其广,再究其深。有时侯要“不求甚解”,好多时侯保持疑惑先学下去,这种疑惑就自然解决了。
例如课程中涉及汇编知识,假如你要彻底弄清楚,你须要去学习《ARM构架与编程》;当你学完这本书,你的朋友搞不好早已可以上手工作了。
2.1短期的目标是哪些
我们先把学习目标定出来:快速了解嵌入式Linux开发的流程,晓得要学哪些,具备跟从业者交流的能力。
2.2一个嵌入式Linux系统的组成
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下边我们用类比和逻辑推导入嵌入式Linux系统的组成,没错,“推导”。
从上图可以晓得:
①组成:
嵌入式Linux系统
=bootloader+linux内核+根文件系统(上面富含APP)。
②bootloader:
它的目的是启动内核,去哪等读内核?读到那里?去Flash等外设读内核,存到显存里去。所以须要有Flash里外设的驱动能力,为了调试便捷都会有网路功能。
所以,可以觉得booloader=裸机集合,它就是一个复杂的单片机程序。
③Linux内核
Linux内核的最主要目的是去启动APP,APP保存在那里?保存在“根文件系统”里。“根文件系统”又保存在那里?在Flash、SD卡等设备里,甚至可能在网路上。所以Linux内核要有这种Flash、SD卡内设备的驱动能力。
除了这么,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+显存管理等。
2.3要学习bootloader吗
Bootloader有好多种,常用的叫作u-boot。
在实际工作中,对于u-boot基本上是修更改改,甚至不改。并且u-boot本身是很复杂的,例如为了易于调试,它支持网路功能;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。
花这么多精力去学习u-boot,而且工作中基本用不到,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。
假如你的工作就是更改、完善bootloader,这么再去研究它吧。
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+显存管理等,假如要学习Linux内核,从驱动程序入手是一个好办法。
而且人人都要学习Linux内核、人人都要学习Linux驱动吗?其实不是。
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,都是很有用处的。
所以对于初学者,建议前期只学习这几个驱动:LED、按键、中断。
①LED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-唤起、进程/线程、POLL机制、异步通知等概念。这种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。
入门以后,假如你想从事内核开发、驱动开发,这么可以去钻研几个驱动程序(输入系统、I2C总线、SPI总线等),把握若干个小型驱动程序后,你对内核的套路就有所了解了,再去研究其他部份(例如进程管理、文件系统)时你会发觉套路是这么通用。
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,假如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,虽然之后你只想研究内核,一些基本的应用开发编撰能力也是须要的:
①基本设备的访问,例如LCD、输入设备
②进程、线程、进程通讯、线程同步与互斥
③休眠-唤起、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。
把握了基本驱动开发能力、基本应用开发能力以后,在工作中你就可以跟他人友好沟通了,不至于一脸懵逼。
2.6,应用程序是怎样启动的?要了解一下根文件系统
你辛辛苦苦写出了应用程序,如何把它放在板子上,让它开机就手动启动?
你写的程序,它依赖于什么库,这种库放在板子上那个目录?
如何做一个可升级的系统?虽然升级中途断电了,也要保证程序起码还可以运行老的版本?
这种都须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,依照配置文件启动各个APP。
了解了init进程,你就了解了根文件系统的组成,就可以随心所欲剪裁系统,为你的项目制做出最精简的系统。
第3章学习方式3.1,先不要打破沙锅问究竟
嵌入式涉及的东西太多太杂了,若果心中没有主线,遇到哪些都要去研究个透彻,最终反倒忘掉自己要学哪些了。
嵌入式涉及硬件知识、软件知识,软件里涉及汇编、ARM构架、C语言、Makefile、Shell;又分为bootloader、内核、驱动、基本的APP、GUI。
例如我们会用到Makefile,了解它的基本规则,会用我们提供的Makefile就可以。
不须要深入研究这些make函数,由于在工作中都有现成的Makefile给你使用,不须要自己去编撰一套Makefile。不必花上好几天去深入研究它呢?
例如我们会用到bootloader,莫非又要花上几个月来深入研究u-boot吗?工作中基本不须要改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,不必?我们在视频中用到哪些命令,你不懂时再去百度一下那些命令就可以了。
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。为何我如今写驱动这么熟?我2009年在华清远见上课时,
每次上课我都要给中学生写一次这些驱动嵌入式linux基础教程,十几次出来闭着眼睛都晓得内核的套路了。
记不住这些函数?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。
并且要理清楚思路,你写这个程序要完成哪些功能、怎么实现这种功能?这个要弄清楚。
有了思路后再写代码,不晓得如何写?没关系,瞧瞧视频,瞧瞧示例,之后关掉视频瞧瞧能够自己写下来。
3.3,对自己的方向很了解,我只能带你到这儿了
我的专长是操作系统,是快速地率领你们把握一些项目开发的基础知识。
假如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。
例如想深入钻研内核的显存管理时,它有页表映射(你须要阅读ARM构架的指南)、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,内容十分多。有时侯连书籍都没有,你须要直接啃代码。
当你想从事某个行业时,就须要深入研究行业相关的知识。
例如CAN总线,它可以写成一本书:CAN合同、CAN报文、SocketCAN、车身网路拓扑结构,CAN应用报文,CAN网路管理报文,CAN确诊报文。
想做物联网网段,须要深入研究MQTT,MQTT合同相对简单,而且MQTT英语原版合同有130多页,英文版有近100页,是一本小书了。
每位行业都有自己的业务逻辑,在把握基本的编程能力之一,你须要结合具体的业务去深入学习。
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