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新人怎樣學習嵌入式Linux?

作為一個新人,怎樣學習嵌入式Linux

 

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作為一個新人,怎樣學習嵌入式Linux?被問過太多次,特寫這篇文章來回答一下。
在學習嵌入式Linux之前,肯定要有C語言基礎。彙編基礎有沒有無所謂(就那麼幾條彙編指令,用到了一看就會)。C語言要學到什麼程度呢?越熟當然越好,不熟的話也要具備基本技能。比如寫一個數組排序、輸入數字求和什麼的。學C語言唯一的方法是多寫程式多練習,編譯出錯沒關係,自己去解決;執行出錯沒關係,自己去分析。以前我是VC來練習C語言的,經常去嘗試著寫一些C語言競賽的題目。它們是純C、純數學、純邏輯的題目,不涉及介面這些東西,很適合煅煉你的程式設計能力。


    
回到主題,首先我們要明白你的目的是什麼,大概來說所謂嵌入式Linux可以分為兩部分:底層系統、應用開發。如果你是想做應用開發,那麼你去把C語言、資料結構、JAVA什麼的學好吧。嵌入式應用開發和PC上的應用開發並沒有什麼特別要注意的。也許你說在嵌入式上要做些優化,是的,要優化,但是未經優化的程式和PC上的程式開發沒什麼差別。另外,當你有能力去優化時,你已經不用來問這個問題了。具體到某個例子,比如說開發介面,在PC上我們用VC;在嵌入式Linux裡也許我們用QT也許用Android,這個時候你應該去學學QT、Android的程式設計。但是基礎還是C或JAVA,在此基礎上去熟悉它們的介面。你學過VC的話,也是要花時間去了解那些類、控制元件的。

  

如果你的目的是想學習底層系統,這是我的專長,倒是可以說一點。
在回答這個問題之前,我先回答:不少人問我,到底是學驅動還是學應用? 


我只能說憑興趣,並且驅動和應用並不是截然分開的 


1. 我們說的驅動,其實並不侷限於硬體的操作,還有作業系統的原理、程序的休眠喚醒排程等概念。 想寫出一個好的應用,想比較好的解決應用碰到的問題,這些知識你應該懂 
2. 做應用門檻低,特別是現在的ANDROID,純JAVA。做應用的發展路徑個人認為就是業務純熟。比如在通訊行業、IPTV行業、手機行業,你瞭解行業的需求。所以,當領導的人,多是做應用的。


3. 做驅動,其實我不想稱為“做驅動”,而是想稱為“做底層系統”,做好了這是通殺各行業。我工作幾年,做過手機、IPTV、會議電視,但是這些產品對我毫無差別,因為我只做底層。他們的業務跟我沒關係。當應用出現問題,他們解決不了時,我就會從核心角度給他們出主意,給他們提供工具。 做底層的發展方向,個人認為是技術專家。 
4. 其實,做底層還是做應用,之間並沒有一個界線,有底層經驗,再去做應用,你會感覺很踏實。有了業務經驗,你再瞭解一下底層,很快就可以組成一個團隊。 
   
回到怎麼學的問題上。嵌入式Linux底層系統包含哪些東西?不要急,舉一個例子你就知道了。
1. 電腦一開機,那些介面是誰顯示的?是BIOS,它做什麼?一些自檢,然後從硬碟上讀入windows,並啟動它。類似的,這個BIOS對應於嵌入式Linux裡的bootloader。這個bootloader要去Flash上讀入Linux核心,並啟動它。
2. 啟動windows的目的是什麼?當然是上網聊天什麼的了。這些上網、聊天工具在哪?
在C盤、D盤上。所以, windows要先識別出C盤、D盤。在Linux下我們稱為根檔案系統。
3. windows能識別出C盤、D盤,那麼肯定能讀寫硬碟才行。這涉及的東西稱為驅動程式。當然不僅僅是硬碟,還有網絡卡、USB等等。
嵌入式Linux能從Flash上讀出並執行應用程式,肯定也得有Flash的驅動程式啊,當然也不僅僅是Flash。
      
   先說到這裡吧,嵌入式LINUX裡含有bootloader, 核心, 驅動程式、根檔案系統這4大塊。

 

一、bootloader:

    它就是一個稍微複雜的裸板程式。但是要把這裸板程式看懂寫好一點都不容易。Windows下好用的工具弱化了我們的程式設計能力。

 


很多人一玩嵌入式就用ADS、KEIL。你能回答這幾個問題嗎?
1. 一上電,CPU從哪裡取指令執行?
   答:一般從Flash上指令。
2. 但是Flash一般是隻能讀不能直接寫的,如果我用到全域性變數,這些全域性變數在哪裡?
   答:全域性變數應該在記憶體裡
3. 那麼誰把全域性變數放到記憶體裡去?
   答:長期用ADS、KEIL的朋友,你能回答嗎?這需要"重定位"。在ADS或KEIL裡,重定位的程式碼是製作這些工具的公司幫你寫好了。

 你可曾去閱讀過?
4. 記憶體那麼大,我怎麼知道把"原來存在Flash上的內容"讀到記憶體的"哪個地址去"?
   答:這個地址用"連結指令碼"決定,在ADS裡有scatter檔案,KEIL裡也有類似的檔案。但是,你去研究過嗎?
5. 你說重定位是把程式從Flash複製到記憶體,那麼這個程式可以讀Flash啊?
   答:是的,要能操作Flash。當然不僅僅是這些,還有設定時鐘讓系統執行得更快等等。
   
先自問自答到這裡吧,bootloader這一個裸板程式,其實有3部分要點:
1. 對硬體的操作
2. 對ARM體系處理器的瞭解
3. 程式的基本概念:重定位、棧、程式碼段資料段BSS段什麼的。
   
 對硬體的操作,需要看原理圖、晶片手冊。這需要一定的硬體知識,不求你能設計硬體,但是至少能看懂; 不求能看懂類比電路,但是要能看懂數位電路。這方面的能力我是在學校裡學到的,微機原理、數位電路這2本書(書名忘了)就足夠了。但是我懷疑你有無耐心把這2本書看完。我不知道現在有沒有更快捷的書。想速成的話,就先放掉這塊吧,不懂就問GOOGLE、發貼。
另外,晶片手冊是肯定要讀的,別去找中文的,就看英文的。開始是非常痛苦,以後就會發現那些語法、詞彙一旦熟悉後,讀任何晶片手冊都很容易。對ARM體系處理器的瞭解, 看杜春蕾的<ARM體系架構與程式設計>吧,裡面講有彙編指令,有異常模式、MMU等。也就這3塊內容需要你瞭解。


程式的基本概念,王道當然是去看編譯原理了。可惜,這類書絕對是天書級別的。勸你若非超級天才還是別去看了。就看我寫的<嵌入式Linux應用開發完全手冊>和第1期視訊吧,別擔心,不用花錢。照著視訊把硬體相關的實驗做了,這些概念就清楚了。我還沒有
發現第2套講這些概念的書或視訊,允許我盲目吹噓一回。

對於bootloader,我學習時是先看了<ARM體系架構與程式設計>,然後自己寫程式把各個硬體的實驗都做了一遍,比如GPIO、時鐘、SDRAM、UART、NAND。把它們都弄清楚了,組臺在一起就很容易看懂u-boot了


總結一下,看懂硬體原理圖、看晶片手冊,這需要你自己去找資料。剩下的,就按<嵌入式Linux應用開發完全手冊>和第1期視訊的章節目錄去學習吧

 

二、核心:

 

 

 

想速成的人,先跨過核心的學習,直接學習怎麼寫驅動。
想成為高手,核心必須深刻了解。注意,我說的是瞭解,我沒奢望去寫出一個核心。
要對裡面的排程機制、記憶體管理機制、檔案管理機制等等有所瞭解。
推薦兩本書:
1. 通讀<linux核心完全註釋>,請看薄的那本(浮燥的社會講求速度, 呵), 
2. 選讀<Linux核心情景分析>, 想了解哪一塊就讀哪一節

 

 

 

三、驅動:

 

驅動包含兩部分:硬體本身的操作、驅動程式的框架。
又是硬體,還是要看得懂原理圖、讀得懂晶片手冊,多練吧。

說到驅動框架,有一些書介紹一下。LDD3,即<Linux裝置驅動>,老外寫的那本,裡面介紹了不少概念,值得一讀。但是,它的作用也就限於介紹概念了。我基本上是入門之前用它來熟悉一下概念,入門後就扔掉了。

 

 

驅動方面比較全的介紹,應該是宋寶華的<linux裝置驅動開發詳解>了,老實說我只看過目錄,有不少人說好,這裡推薦一下。要想深入瞭解某一塊,<Linux核心情景分析>絕對是超5星級推薦。你別指望把它讀完,1800多頁,上下兩冊呢。我是某一塊不清楚時,就去翻一下它。任何一部分,這書都可以講上2、3百頁,非常詳細。並且是以某個目標來帶你分析核心原始碼。它以linux 2.4為例,但是原理相通,同樣適用於其它版本的linux。

還有沒有其他介紹?呵呵,當然有了,韋東山Linux視訊第2期。<嵌入式Linux應用開發完全手冊>裡對驅動講得不多,不夠深入。於是我錄製了這期視訊。不僅僅教你怎麼寫怎麼改驅動,還教你為什麼這樣寫這樣改驅動。
每一個驅動都是現場編寫: 
1. 用繪圖板畫圖講解──相當於學校里老師在黑板上畫圖講解,很直觀
   絕對不是對著PPT念。
2. 用source insight當場寫程式,從第1行開始寫,每一課都是這樣。我講了20多個驅動,就寫了20多個程式。
3. 寫完就編譯、測試。
4. 很全面,字元裝置驅動、塊裝置、網絡卡驅動3大類齊全,硬體介紹、驅動框架分析、測試3大類齊全。


培訓機構裡教的內容,遠不及這期視訊豐富。我在多個培訓機構講過課,從沒看到哪個老師敢每一課都當場講解當場編寫程式碼當場測試,除我之外!也沒看到哪個培訓機構講完這些內容──因為時間不夠,講完起碼要一個月,但是這部分基本只有2周授課時間。

把你手上的開發板所涉及的硬體,都去嘗試寫一個驅動吧。有問題就先"痛苦地思考",思考的過程中你會把很多不相關的知識串聯起來,最終貫通。

 

四、根檔案系統:

 

 

 

大家有沒有想過這2個問題:
1. 對於Linux做出來的產品,有些用作監控、有些做手機、有些做平板。那麼核心啟動後,掛載根檔案系統後,應該啟動哪一個應用程式呢?
 答:核心不知道也不管應該啟動哪一個使用者程式。它只啟動init這一個應用程式,它對應/sbin/init。
 顯然,這個應用程式就要讀取配置檔案,根據配置檔案去啟動使用者程式(監控、手冊介面、平板介面等等)
 這個問題提示我們,檔案系統的內容是有一些約定的,比如要有/sbin/init,要有配置檔案
2. 你寫的hello,world程式,有沒有想過裡面用到的printf是誰實現的?
   答:這個函式不是你實現的,是庫函式實現的。它執行時,得找到庫。
 這個問題提示我們,檔案系統裡還要有庫。
       
 簡單的自問自答到這裡,要想深入瞭解,可以看一下busybox的init.c,就可以知道init程序做的事情了。
 當然,也可以看<嵌入式Linux應用開發完全手冊>裡構建根檔案系統那章。

 

 

 

說一下我的學習經歷吧。

 

1. 我在學校時讀的是物理電子專業,其實課程裡沒有教怎麼設計電路,只是教了些電子電路方面的知識。PCB的設計是在實驗室裡自學的,只設計過2層板,現在忘記得差不多了。但是保留了看原理圖、看晶片手冊的能力。
2. 選修了軟體學位,對軟體設計挺感興趣,但是也只是學了C語言、資料庫而已。憑著興趣做了不少競賽題。沒能力去參加競賽,但是把C語言練得很紮實。
3. 在實驗室、在第1家公司,就是設計些簡單的PCI卡,寫一下windows的驅動程式
4. 在第2家公司,用51微控制器做車載電話,開始走上純軟體的道路。
5. 開始感到微控制器的不足,辭職半年閉門學Linux,從red hat怎麼操作開始。步驟就是先看<ARM體系架構與程式設計>,再自己寫裸板程式操作硬體,接著到分析u-boot。同時看<linux核心完全註釋>,對LINUX框架有所瞭解。在寫裸板時,建議各位加強對中斷的理解,核心就是用中斷來完成各種功能的。
6. 分析完u-boot,就開始進行簡單的驅動程式設計了,這時候,能力還很弱。
7. 開始去中興上班,工作2年,編寫各類驅動、解決各類問題(驅動問題、幫助定位應用問題),能力得到煅煉。

    

 

    總結一下:

1. 硬體方面的書: 微機原理、數位電路,高校裡的教材。畢業多年,忘名了。
2. Linux方面的書:
    <ARM體系架構與程式設計>
    <嵌入式Linux應用開發完全手冊>
    <Linux裝置驅動>,老外寫的那本
    <linux裝置驅動開發詳解>
    <linux核心完全註釋>
    <Linux核心情景分析>

 


3. 視訊:
韋東山Linux視訊第1期(基於S3C2440錄製): ARM實驗,u-boot,檔案系統,初級驅動
韋東山Linux視訊第1期(基於S3C6410錄製): 裸板程式
韋東山Linux視訊第2期: 高階驅動

韋東山Linux視訊第3期:專案實戰

韋東山Linux視訊第4期:Android驅動
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