第1章?單片機和Linux的區別

1.1.有哪些產品使用單片機或Linux？

所有的電子產品，所用技術都可以認為要么是單片機，要么是Linux；GUI方面主要是QT/Android，它們都是運行于Linux之上的。

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

我們說的單片機不使用操作系統，在上圖中沒有體現出來。但是使用單片機設備肯定遠遠超過Linux。很多人也是先學習單片機，從單片機進入電子工程師行業。

日常生活中，有哪些產品使用單片機、Linux呢？

下面舉一些例子：

我們設計一個產品時，是使用單片機還是Linux，取決于成本：硬件成本、軟件成本、維護成本、升級成本。

而不應該根據個人偏好來選擇：我喜歡單片機，所以就排斥使用Linux；我喜歡Linux，就排斥使用單片機。為了有更多的選擇，我們需要既懂單片機，又懂Linux。

1.2，在硬件操作上單片機和Linux是類似的

以點燈為例，

無論是單片機還是Linux，我們要做的事情都一樣：

① 看原理圖，確定引腳是哪一個，確定它輸出什么電平才可以

② 看芯片手冊，確定要怎么操作寄存器

③ 寫程序

但是，怎么編寫程序，單片機和Linux有很大不同。

1.3，在單片機中點燈、使用LCD

使用單片機開發程序時，我們一上來就寫一個main函數，下面是一些簡化的代碼：

LED程序里面的init_led、led_on、led_off函數是你一個人寫的，愛取什么名就取什么名，愛怎么寫就怎么寫。

LCD程序里的函數也是你寫的，完全是自由發揮。

很多單片機項目不是很復雜，2、3個人從上到下統統搞定，里面的函數大多時間是直接去讀寫寄存器。

很多單片機項目嚴重依賴于硬件，換一個芯片后怎么辦？重寫一套代碼唄。

在單片機程序里，沒有應用程序、驅動程序的概念，很可能一個人包攬了硬件設計、模塊調試(或稱之為驅動)、功能開發(或稱之為應用)的全部活。

1.4.在Linux中點燈、使用LCD

在Linux中，不允許應用開發人員直接去操作硬件，比如你想點個燈，不好意思，你無法直接訪問寄存器；你需要通過驅動程序來訪問寄存器。

為什么？有幾大原因：

① Linux系統中運行著眾多程序，必須保證質量差的程序無法破壞系統：

假設你寫的程序比較爛，那我不能讓你去隨便訪問寄存器，把系統搞崩潰了怎么辦？你本意是去點燈，但是你看錯了寄存器，你把電源關了怎么辦？

所以這些操作硬件的活，還是交給信得過的人來做吧：交給驅動工程師，他既懂硬件又懂軟件。

② 保證程序的可移植性：

編寫應用程序時，大家都使用統一的函數，以后換一個芯片時，應用程序不用變；只需要根據這個接口提供驅動程序就可以了。

③ 團隊協作：

使用Linux系統的項目一般比較大，術業有專攻，一個人不太可能從上到下都全部掌握。比如做人臉識別項目，有擅長做圖像處理的，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，這些交給驅動程序工程師。

所以，在Linux中應用程序和驅動程序是分開的。

以LED、LCD程序為例，簡化的代碼如下：

也許你已經大概猜出來了，應用程序怎么調用驅動程序？通過標準的接口：

①open：

打開驅動程序。

② read/write：

讀、寫數據。

③ ioctl：

傳入各種參數，獲得各種參數。

④ mmap：

內存映射，比如映射之后，應用程序可以直接讀寫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。底層的程序驅動會根據這些調用，去設置寄存器、操作硬件。

所以，我高大上的應用工程師，干嘛苦哈哈地去看原理圖、看芯片手冊、讀寫寄存器，搞不好還要去調試硬件BUG。這些臟活、累活就交給驅動工程師吧?？蛻舻男枨笄ё內f化，我996時間都不夠用了。

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

開玩笑、開玩笑、開玩笑的，有應用工程師、驅動工程師的優劣之分，大家都是為了做出產品。

現在有一個趨勢，一個任務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，應用程序和驅動程序的協作如下圖所示：

在Linux中，“一切皆文件”，要訪問某個硬件，也是要打開文件、讀寫文件。應用程序要根據標準的文件接口：open/read/write/ioctl/mmap等來訪問驅動程序。

既然如此，怎么寫驅動程序呢？最簡單的方法就是：APP要調用open來打開驅動程序，那驅動‘程序里就提供一個xxx_open函數來初始化硬件；APP要調用write來寫數據，驅動程序里就提供一個xxx_write函數來接收數據并操作硬件。

用xxx_open、xxx_write來構成一個驅動程序，這就是驅動框架。

怎么實現這些xxx_open、xxx_write函數？我們要做的事情跟單片機是類似的，一樣要去看電路圖、看芯片手冊，然后在這些函數里讀寫寄存器：這稱為硬件操作。

所以，Linux驅動程序=?驅動框架?+?硬件操作。

有單片機基礎的人，對硬件操作比較熟悉了，把重點放在驅動框架上就可以。

高能預警：驅動框架可不簡單，對于LED來說是簡單，但是還有更復雜的驅動程序，它要考慮“通用”，這很要命。

第2章 嵌入式Linux快速入門

這幾天在群里跟學員聊天，有一位學員的學習方法很好：先觀其廣，再究其深。有時候要“不求甚解”，很多時候保持疑問先學下去，這些疑問就自然解決了。

比如課程中涉及匯編知識，如果你要徹底弄清楚，你需要去學習《ARM架構與編程》；當你學完這本書，你的同學搞不好已經可以上手工作了。

2.1 短期的目標是什么?

我們先把學習目標定下來：快速了解嵌入式Linux開發的流程，知道要學什么，具備跟從業者交流的能力。

2.2?一個嵌入式Linux系統的組成??

下面我們用類比和邏輯推導出嵌入式Linux系統的組成，沒錯，“推導”。

從上圖可以知道：

① 組成：

嵌入式Linux系統

= bootloader + linux內核 + 根文件系統(里面含有APP)。

② bootloader：

它的目的是啟動內核，去哪讀內核？讀到哪里？去Flash等外設讀內核，存到內存里去。所以需要有Flash里外設的驅動能力，為了調試方便還會有網絡功能。

所以，可以認為?booloader = 裸機集合，它就是一個復雜的單片機程序。

③ Linux內核

Linux內核的最主要目的是去啟動APP，APP保存在哪里？保存在“根文件系統”里?！案募到y”又保存在哪里？在Flash、SD卡等設備里，甚至可能在網絡上。所以Linux內核要有這些Flash、SD卡里設備的驅動能力。

不僅如此，Linux內核還有進程調度能力、內存管理等功能。

所以：Linux內核 = 驅動集合 + 進程調度 + 內存管理等。

2.3 要學習bootloader嗎

Bootloader有很多種，常用的叫作u-boot。

在實際工作中，對于u-boot基本上是修修改改，甚至不改。但是u-boot本身是很復雜的，比如為了便于調試，它支持網絡功能；有些內核是保存在FAT32分區里，于是它要能解析FAT32分區，讀FAT32分區的文件。

花那么多精力去學習u-boot，但是工作中基本用不到，這對初學者很不友善。

所以，對于初學者，我建議：理解u-boot的作用、會使用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，要學習Linux內核、要學習驅動程序嗎

之前我們說過Linux內核 = 驅動集合 + 進程調度 + 內存管理等，如果要學習Linux內核，從驅動程序入手是一個好辦法。

但是人人都要學習Linux內核、人人都要學習Linux驅動嗎？顯然不是。

作為初學者，懂幾個簡單的驅動程序，有利于工作交流；理解中斷、進程、線程的概念，無論是對驅動開發、應用程序開發，都是很有好處的。

所以對于初學者，建議前期只學習這幾個驅動：LED、按鍵、中斷。

① LED驅動程序：

這是最簡單的驅動程序。

② 按鍵驅動程序：

它也比較簡單，從它引入“中斷”。

③ 中斷：

從“中斷”它可以引入：休眠-喚醒、進程/線程、POLL機制、異步通知等概念。這些概念無論是對驅動開發，還是對應用開發，都很重要。

所以，對于初學者，我建議必須學習這幾個驅動：LED、按鍵、中斷。

入門之后，如果你想從事內核開發、驅動開發，那么可以去鉆研幾個驅動程序(輸入系統、I2C總線、SPI總線等)，掌握若干個大型驅動程序后，你對內核的套路就有所了解了，再去研究其他部分(比如進程管理、文件系統)時你會發現套路是如此通用。

攝像頭(VL42)、聲卡ALSA驅動是Linux中比較復雜的2類驅動，它們是很難的，如果工作與此相關再去研究。

2.5，要學習Linux應用程序嗎？先學一些基礎技能

要學，即使以后你只想研究內核，一些基本的應用開發編寫能力也是需要的：

① 基本設備的訪問，比如LCD、輸入設備

② 進程、線程、進程通信、線程同步與互斥

③ 休眠-喚醒、POLL機制、信號

④ 網絡編程

①②③部分的知識，跟驅動有密切的關系，它們是相輔相承的。

掌握了基本驅動開發能力、基本應用開發能力之后，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，應用程序是怎么啟動的？要了解一下根文件系統

你辛辛苦苦寫出了應用程序，怎么把它放到板子上，讓它開機就自動啟動？

你寫的程序，它依賴于哪些庫，這些庫放到板子上哪個目錄？

怎么做一個可升級的系統？即使升級中途斷電了，也要保證程序至少還可以運行老的版本？

這些都需要我們了解一下根文件系統。

先了解一下init進程：它要讀取配置文件，根據配置文件啟動各個APP。了解了init進程，你就了解了根文件系統的組成，就可以隨心所欲裁剪系統，為你的項目制作出最精簡的系統。

第3章?學習方法

3.1，先不要打破砂鍋問到底

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

嵌入式涉及硬件知識、軟件知識，軟件里涉及匯編、ARM架構、C語言、Makefile、Shell；又分為bootloader、內核、驅動、基本的APP、GUI。

比如我們會用到Makefile，了解它的基本規則，會用我們提供的Makefile就可以。不需要深入研究那些make函數，因為在工作中都有現成的Makefile給你使用，不需要自己去編寫一套Makefile。何必花上好幾天去深入研究它呢？

比如我們會用到bootloader，難道又要花上幾個月來深入研究u-boot嗎？工作中基本不需要改u-boot，會用那幾個命令就可以。

甚至有些學員先去買本shell的書來學習shell命令，何必？我們在視頻中用到什么命令，你不懂時再去百度一下這些命令就可以了。

不要脫離初學者的主線：應用基礎、驅動基礎。有了這2個基礎后，你想深入研究某部分時，再去花時間吧。

3.2，思路要清晰，不怕抄代碼

視頻里的代碼，請你一定要自己去寫一次、寫多次。為什么我現在寫驅動那么熟？我2009年在華清遠見上課時，每次上課我都要給學生寫一次那些驅動，十幾次下來閉著眼睛都知道內核的套路了。

記不住那些函數？我也記不住，我都是去參考同類的驅動程序，這又不是閉卷考試。

但是要理清楚思路，你寫這個程序要完成什么功能、怎么實現這些功能？這個要弄清楚。

有了思路后再寫代碼，不知道怎么寫？沒關系，看看視頻，看看示例，然后關閉視頻看看能否自己寫出來。

3.3 對自己的方向很了解，我只能帶你到這里了

我的專長是操作系統，是快速地帶領大家掌握一些項目開發的基礎知識。

如果你決定深入研究某方面時，我并不能帶你多久。你要去看源碼，去看這方面的專業書籍。比如想深入鉆研內核的內存管理時，它有頁表映射(你需要閱讀ARM架構的手冊)、SLAB分配器、vmalloc/malloc實現、mmap實現、缺頁中斷、父進程子進程之間的頁面管理等等，內容非常多。有時候連書籍都沒有，你需要直接啃代碼。

當你想從事某個行業時，就需要深入研究行業相關的知識。比如CAN總線，它可以寫成一本書：CAN協議、CAN報文、Socket CAN、車身網絡拓撲結構，CAN應用報文，CAN網絡管理報文，CAN診斷報文。

想做物聯網網關，需要深入研究MQTT，MQTT協議相對簡單，但是MQTT英文原版協議有130多頁，中文版有近100頁，是一本小書了。

每個行業都有自己的業務邏輯，在掌握基本的編程能力之一，你需要結合具體的業務去深入學習。

洋洋灑灑寫了6000字，先寫到這里吧，后面有空繼續寫，歡迎在評論區分享你的學習方法。

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往期好文合集

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從單片機工程師的角度看嵌入式Linux

是否要從單片機轉嵌入式Linux？

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的新手如何快速上手Linux，韦东山告诉你。的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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