嵌入式Linux入门：概述

李迟按：

嵌入式入门文章比比皆是，不同的人有不同的入门方法。本文就结合笔者经历写一写个人的嵌入式Linux入门的一些步骤和经验。不当之处，望方家指正。

在正式开始之前，先花一点时间写写笔者学习的经历。我是计算机专业，因此，对于模拟电路、数字电路、操作系统原理、数据库原理、编译原理、计算组成原理、计算机体系结构、数据结构等等课程，都是必修课。我虽然都不精通，但起码是学习了。

我从大二开始就已经接触51和AVR单片机，当时机缘巧合，由同专业的同学——也是我老乡带我开始的。然后开始画板、做板、焊板、写程序这些路子，前后陆续接触大约一两年时间，这些经历对于自学嵌入式Linux打下很好的基础。——事实上，在我开发单片机时，我已经计划好要学嵌入式，而且是偏向软件方向。

同时我也开始安装Linux，自己捣鼓，包括虚拟机安装、物理机安装。因为考试和困难放弃一段时间，但最后还是继续。

后来大三买了一块ARM9的开发板，自己捣鼓(不用“研究”，是因为以纯粹的门外汉去进行的)uboot、内核、根文件系统。本着不服输的精神，虽然一度放弃，但还是坚持下去。

在毕业时慢慢摸到一些门道。但此时技术还不够，代码量还不够，后来工作多年，大量接触各式不同的技术，虽然并没有很深入，但足够养成习惯，——解决问题、研究新技术的方法、习惯。

综上，我走的路子概括为：单片机-->使用Linux-->嵌入式Linux(u-boot->kernel->rootfs)。软件知识：基础必修课->linux环境编译->Linux驱动。

从上文可以看到，笔者是作为计算机专业的学生而进入嵌入式Linux领域的。但并不是说一定要在学校学习那些课程才能入门。无论学习什么知识，都是靠自己进行的，但有了过来人指点、带你入门，往往省时省力很多——而这正是本文的目的。

下面进入正文部分。

一、系统环境

1、环境搭建

开发嵌入式需要大量辅助软件，一般来说，我们是在电脑上开发好程序，然后通过某些方式将程序下载到开发板上运行。按这个顺序列出一些我认为必须的：

Linux系统：主要作为程序开发的系统，选择多人使用并资源丰富的版本，建议ubuntu或fedora，目前我使用ubuntu。可以使用在虚拟机或物理机上。

虚拟机：有条件的推荐使用物理机安装，但一般经常使用vmware这类虚拟机软件，通过这个软件安装ubuntu系统，然后设置共享。然后在这个系统上交叉编译。

共享方式：有的人喜欢用vmware自带共享功能，有的人喜欢用samba共享。个人建议在ubuntu中设置samba共享，这样可以在windows上将ubuntu共享目录映射成为其中一个盘符，这样做，就可以在windows下操作linux系统的目录、文件了，不过前提是需要网络性能良好。另一种常见的共享方式是nfs，多用于主机和开发板之间的文件传输。

开发IDE：有的人建议在linux系统中用vim或emacs，但作为初学者入门，不要如此，使用vim、emacs学习成本高，而会打击积极性。在samba共享情况下，建议使用Notepad++、source insight进行代码编辑译。

交叉编译：交叉编译是嵌入式一个很重要的概念。由于我们编译的程序是在开发板（开发板又称目标板）上运行的，但开发板又没有环境进行编译，所以带出“交叉编译”概念。即在一台linux主机系统上使用交叉编译器对代码进行编译，但编译得到的二进制文件无法在该主机运行，只能在开发板上运行。不同的板子使用的交叉编译器不同。一般使用商家自带的交叉编译器。

下载手段：根据应用场合，可以用jtag烧录器下载程序(适用如u-boot开发)。可以使用tftp方式下载程序(适用kernel开发)。在开发板系统启动后且网络正常情况下，可以使用tftp下载、nfs拷贝等方式进行调试(适用于应用层程序开发)。

另外对于USB转串口线、网络这类的东西，就不一一详细说明了。

 

掌握程度：不同人使用的开发环境不尽相同。原则上只要是自己熟悉的环境就可以了，以提高开发效率为准则。

推荐软件：vmware、notepad++、source insight、tftpd32(均为windows系统软件)。

2、系统使用

工欲善其事，必先利其器。系统环境使用熟悉程度越高，越能提高开发速度。举个例了，曾经遇到过别人在设备上调试应用程序，步骤是：编码、编译、制作软件包、用工具升级软件包到设备上，设备上电看效果。这一系列步骤中，制作包、升级软件包耗时很长，对于调试十分不利。如果使用NFS，时间能省至少三分之二。所以说，环境的熟悉是十分重要和必要的。

本节主要针对Linux系统，对于入门者而言，Linux系统的使用是一个大坎。但要知道，嵌入式开发是离不开linux系统的，是必须学的。目前网络资料十分广泛，几乎遇到的问题都在找到答案，但质量往往良莠不齐，有些甚至会误导人。因此，建议一边学一边做笔记，把自己的疑问、心得、步骤都记录下来（比如，记录第1小节提到的nfs、samba服务安装的步骤）。

如果时间允许，最好找书本来学习，边看书边敲命令。因为书籍介绍比较系统，有利于了解全貌，再逐个知识点深入，做到胸有成竹。下面列一下需要学习的知识点。

1、掌握常用命令。必须要学的命令不多，像查看文件、拷贝文件、创建文件、查找文件、显示日期、查看/修改IP，等等。这些常用命令只要使用次数多了，就能熟练掌握。具体的自行搜索。

2、掌握软件安装步骤。一般linux系统发行版自带有安装工具，如unbutu，在联网情况下直接输入命令apt-get install tool-name，就能安装了。

3、编译源码方式安装软件。有些工具提供源码需要自己进行编译(比如要在开发板上运行的程序，则无法通过apt-get来安装，需要交叉编译)。linux编译一般有三个步骤：

配置：./configure

编译：make

安装：make install。

这个知识点自行百度。

4、了解linux文件系统、目录结构、设备文件。如根目录名称是“/”，配置文件一般位于/etc目录，运行程序一般位于/bin、/sbin、/usr/bin、/usr/sbin，等等。因为嵌入式涉及到根文件系统概念，因而需要对linux目录结构有了解。如果感兴趣，可以去搜索一下LFS。

5、学习IO重定向、管道概念，学习并会写简单shell脚本。

6、学习编辑器vi的简单使用(因为有些情况下只有这个编辑器可用)、编译器gcc用法、Makefile知识、gdb调试。(此项针对开发而言)

推荐资源：

笔者的主页和博客有大量linux系统使用、软件编译、Makefile，等等文章，欢迎前来围观。

学习建议：

1、看书、网络搜索

2、学会man命令(这是linux内置的帮助命令，比如要了解cp命令的用法，则输入man cp)

3、记录笔记

二、应用层

1、C/C++语言

C/C++语言本身与具体平台相关不大，但必须结合具体环境平台才能展现其作用。比如，MFC使用C/C++，QT也使用C/C++，Linux内核中使用C，单片机使用C，等等。环境不同，其侧重点不同。在学校里学习C/C++语法，考完试，却没有结合实际项目编程，就有人纠结学了C/C++不懂能做什么。只有真正在某一领域使用了C语言，它才是一个可以看得见、摸得着的东西，而不再是抽象的。

 

这里结合Linux系统，列举出一些要掌握、学习的知识点。

1、linux系统编程基本概念：Makefile、gcc、gdb。

2、文件IO操作。

3、进程控制、进程间通信、多线程操作

4、信号处理

5、网络编程

6、串口编程

 

另外也列举C/C++语言的学习点：

1、标准库

输入输出（fprintf、sscanf）、文件操作（fopen、fclose）、字符类操作(isalpha、islower)、字符串操作(strcpy、strcmp、memcpy)、信号处理(signal)、日期时间(mktime、ctime)

2、C++ STL

向量vector、队列queue、栈stack、列表list。

推荐网站：http://www.cplusplus.com/reference/

 

下面列出一些我认为较好的书籍。每种类型的书籍应用场合不同，按需求学习。——不仅嵌入式Linux领域，其它很多领域同时需要C，因而要提高C技能。

入门篇：

《Linux C 编程一站式学习》

《Linux C从入门到精通》

《Linux C编程从初学到精通 》

《Linux C编程实战》

《嵌入式linux应用开发完全手册》 (该书对嵌入式Linux开发整体都有讲述，一书以看窥全貌，入门适用)

linux网络编程篇：

《UNIX网络编程》

《UNIX环境高级编程》

C/C++提高篇：

 

《C陷阱与缺陷》

《C专家编程》

《C和指》

《C++沉思录》

《C/C++深层探索》

《Effective C++中文版》

《提高c++性能的编程技术》

《0 bug:C/C++商用工程之道》 (这本书网络有一定争论，笔者认为有部分的确有可取之处，请辩证看待)

 

学习路线：

环境：安装虚拟机linux，配置好samba，有windows下用notepad++编写代码，然后在命令行使用gcc编译并运行。像ubuntu安装必要开发工具sudo apt-get install build-essential 这类的知识点本文就不涉及了。

实践：首先了解linux下gcc编译基本概念，然后逐个知识点学习。以上每点均是一个知识块，需要手动写代码。建议在github上建立仓库，形成自己的代码库，方便日后使用。

2、版本控制

版本控制可以提高开发效率，目前很多公司使用svn或git进行代码管理，很多开源项目——包括kernel，都使用git来管理。对于不涉密的代码，推荐使用github托管，而不便公开的代码，可以在bitbucket或csdn上托管。养成保存代码的习惯很重要。笔者很多年前没有代码托管意识，一次电脑被偷，导致很多代码消失了，如今想找也想不回来了。

版本控制学习成本不大，无非创建仓库、提交代码这些过程，结合日常编码练习，慢慢熟悉掌握即可。

 

笔者录制了一个git教程，欢迎观看：

http://edu.csdn.net/course/detail/4562

3、脚本

Linux系统的脚本语言有很多，使用场合也不同，主要目的是提高开发效率。比如：在shell脚本中完成代码的编译并拷贝到nfs共享目录(或tftp服务目录)。这样只需要执行脚本就完成多项工作，节省很多时间。

4、界面开发

界面开发不是笔者强项，就写一写笔者的经历。笔者接触过的界面开发有QT、SDL、MFC。这些都是作为工具而存在的，不是专门研究，都是工作需要时再去学习，边学习边实践。

比如，做一个视频采集的软件，使用了SDL进行显示。

比如，为了显示YUV格式的文件，使用MFC编写一个播放器。

5、其它书籍推荐

内功修炼篇：

《程序员的自我修养——链接、装载与库》(偏底层的人建议看看)

《高效程序员的45个习惯 敏捷开发修炼之道》

《高质量程序设计指南》(建议看看，工作中编写代码一定要注意编码规范，否则维护难度太大)

《Linux开发工具箱：项目开发的最有效途径》(对应英文版本《The Linux Programmer's Toolbox》，网络有资源)

（注：入门级别书籍不建议购买，通过网络资源或去图书馆借书等手段来学习就行了。当然经济条件允许的除外）

笔者这几年也积累一定的文章，欢迎阅读：http://blog.csdn.net/subfate/article/category/752115

三、底层

这里说的底层包括三大方面，这三大方面缺一不可。

bootloader：作为上电运行的第一个程序，负责最原始的初始化操作，初始化芯片、初始化内存、初始化IO复用，读取内核代码并将控制权移交到内核，从而完成使命。

kernel：提供基本的运行环境，提供外设操作控制接口。

rootfs：向用词(应用层)提供基本操作环境，包括命令行、程序库等。

1、bootloader（启动装载程序）

嵌入式Linux常见的bootloader是u-boot，而X86领域中一般称为BIOS。u-boot的学习没有捷径，最好是在有ARM开发板情况下进行研究，通过打印信息的方法跟踪其流程。但是，看懂u-boot代码需要电路基本知识、芯片手册知识等等。——这些知识，同样适用于内核驱动的开发。

首先要建立的是整体概念和认识。建议先把厂商提供的u-boot源码编译通过，并下载到开发板上看到正常结果后，再用串口打印信息搜索代码，以了解u-boot的代码流程。然后再慢慢研究。如果bootloader不是学习重点，在有一定概念前提下就可以跳过到内核驱动层了，不过就笔者经验来看，bootloader和内核关系十分密切且部分代码是相通的。

一般初始化的代码是汇编代码，对于入门者而言，初学阶段不用追究，等有一定基础后再回头研究也不晚。

笔者许多年前移植过u-boot，写了几篇文章，版本旧了一些，但对于学习而言还有有好处的：

http://blog.csdn.net/subfate/article/category/751064

笔者曾经研究过x86的开源bios，写了几篇文章，大家可以看看。虽然对于u-boot学习帮助不大，但可以了解笔者如何从零开始学习一个未知的知识。地址：http://blog.csdn.net/column/details/15826.html

2、kernel(内核)

内核是比较大的一块，涉及内容十分多。作为入门者，与u-boot类似，首先要建立的整体概念。先把厂商提供的内核源码编译通过，并下载到开发板上，串口会打印很多启动信息，这些启动信息能帮助我们学习内核，自己也可以在内核中打印语句，以了解其流程。

每一个平台芯片不同，外设不同，内核均不同，需要进行移植。所谓的“移植”，就是找到合适的驱动，修改适应到该平台的过程。比如，某平台使用2个LCD屏，一个是3.5寸的，另一个是4.3寸的，这需要对内核进行修改。比如，这个平台使用nand flash是1GB的，另一个平台使用的是512MB的，也需要修改内核。其它如EEPROM、电源芯片、网卡，等等，均如此。

内核知识点分2部分，一是kernel本身的知识点，如内存管理机制(MMU)、时间管理、同步机制，等等。二是外设驱动，如LED灯、GPIO、按键。

初学者建议学习：

1、了解内核编译的过程：配置内核、编译uImage。

2、了解platform驱动模型(笔者文章有现成的模板，已经应用于很多个平台上)。

3、了解一般外设驱动模型。建议从简单的LED、GPIO入门。

 

高阶知识点：

1、学习各种子系统，如MTD、USB、IIC、SPI、RTC、WDT。

2、学习内核知识，如延时队列、时间管理，同步机制，等等。

以下是笔者笔记关于内核专题的目录：

 

推荐资源：

《Linux设备驱动程序》第三版

《Linux设备驱动开发详解》

笔者开了一个专栏讲内核的，欢迎阅读：http://blog.csdn.net/column/details/15829.htm

 

3、rootfs(根文件系统)

 

一般情况下，开发板厂商会提供根文件系统，如果没有，则可以自己编译制作。一般嵌入式Linux使用busybox制作文件系统必要的程序、库、配置文件。因为busybox编译出来的内容体积小，节省空间，所以很多ARM开发板上都是用busybox的。另外还涉及到文件系统格式，像Yaffs2、ramfs、ext4、UBI，等等。所有这些知识点，请自行搜索学习。

掌握程度：

1、知道系统启动过程涉及到哪些脚本。知道上电启动时如何添加自己程序启动。

2、了解各目录功能、存储哪些文件(如改IP在哪个配置文件，动态库在哪些目录)。

四、其他知识

1、电路原理图、datasheet

作为底层开发人员来说，能看懂硬件原理图和datasheet是必要的一项技能。

看懂硬件原理图，就可以知道这个系统上有什么器件，哪些器件有什么功能，如何连接(使用什么协议)，提供什么接口。有了这些认知后，才会对系统有一个全局整体的认识掌握。对于开发人员来说绝对是有利的。

看懂datasheet，才能知道如何访问器件，如何操作器件，了解其时序。

另外，对于嵌入式经常接触到的如I2C协议，SPI协议等等的协议也要掌握。

 

掌握程度：不需要像硬件专业同学那样学习数电、模电课程。但起码掌握上升沿、下降沿的概念，知道高电平、低电平概念，懂得看I2C协议的时序图。懂得如何找到datasheet中关键信息(寄存器说明、时序图)。

学习路线：碎片时间多的人，建议在遇到不懂知识点时上网搜索学习。有条件的建议借书或买来学习。

 

2、英文

作为开发人员，英文是无涯逾越的坎，因为datasheet还有开发手册，几乎都是英文的。英文资料的特点是长句子多，而技术性术语多。初看英文的资料，可能进展很慢，但只要坚持下去，就会发现，英文手册也就那些术语而已。遇到不懂的术语，就记录下来。积累多了，阅读就慢慢顺畅了。除了术语外，语法难度，远低于高考、四级水平。

值得说的是，国外原版书籍或手册，用词往往通俗易懂，但翻译成中文后，有的术语不对，有的句子顺序不对。这加大了阅读难度，也是造成技术书籍难懂的原因之一。

个人经历：在某次旅途火车上，用手机看了一遍ONVIF协议手册，多年后再回看，基本已掌握。但目前ONVIF中文资料还是少。看懂英文资料，无疑有很大帮助。

某次工作遇到网络问题，中文搜索无果，去各大英文论坛看，无意发现pause frame，继而看ieee802.3标准手册找权威说明，最后解决。这里英文资料帮了很大忙。

 

3、其它

其实很有许多其它知识，无法一一列举。

本文提及的众多知识点，但绝不是在炫耀水平——因为那是笔者工作被逼去了解掌握的。但总而言这，在认清自己专注核心技能外，多掌握一些技能，总归有好处的。

五、入门路线

这里以偏重嵌入式Linux(ARM)驱动开发为例，给出一条入门的路线。

1、买一款使用广泛、资料多的ARM开发板。因为使用的人多，你遇到的问题别人可能早就遇到并解决了，这样能省很多时间，并且提高自信心。可以到某宝上看看板子。因为是学习使用，最好便宜又适用的。

2、使用vmware安装一个ubuntu系统。在vmware软件中设置物理桥接方式上网。在ubuntu设置好samba服务、nfs服务、tftp服务。

3、首先自己动手亲自编译u-boot、kernel，烧写到板子上(注：有可能rootfs不提供源码，而是提供img镜像文件)。

4、自己修改kernel，并编译busybox，烧写到板子，在板子挂载NFS，在虚拟机交叉编译一个Helloworld程序，并在板子上运行。

5、根据兴趣，开始捣鼓：u-boot、kernel、应用层开发、QT开发。

5、选择自己重点关注方面，继续研究。

这个路线不一定要严格遵守时间轴。

六、补充

以上这些项，因不同人的基础而异。像硬件专业的同学，数电、模电和电路图已经掌握，就要加强C和Linux系统的学习。反之，计算机软件专业的同学，就要去学习硬件知识。等等。

对于书籍，有的可能一下子无法理解，那是因为功力不到。有的可能觉得没有用处，那是因为还没有涉及此方面。比如，非计算专业的人看《编译原理》，《操作系统原理》，《计算机体系结构》，肯定是看不懂的，而且初学者也不必要看。又比如，嵌入式有的领域使用到H264编码、MPEG编码，802.11、CDMA，如果不是进入有关行业的，也不必学习。另外网上很多人写的嵌入式入门文章提到0.11内核版本、2.4内核版本的书，还有离散数字、算法导论的书，并不是都适用所有人。 所以大家一定要量体裁衣，有多大胃口吃多少饭，有多大头戴多大帽，根据自己已有的知识和所处的阶段进行选择。

另外要说明的是，很多知识点是密不可分的，且界线是很模糊的。比如应用层和底层。因为有时出现问题，并不知道具体哪里的问题，这就需要站在比较高的层面(系统视野)看问题，才会快速定位并解决问题。建议以某一方面为核心点，另一方面做了解掌握。如果有能力，最好都学。

本文所列举的项目条款，根据个人实际情况学习。建议逐步学习，各个击破。理论上知识点学得越多，越有利于看问题深度、广度的提高。

一般情况下，嵌入式Linux没有速成。但可以达到入门速成，根据个人能力，我认为大约半个月~2个月即可，不过入门后就要不断学习和积累了，——这个积累，需要精力、时间的投入。

在后续的系列文章中，笔者将介绍嵌入式Linux入门的一些方法和步骤，当然，不会详细到每个命令，每个驱动，只是根据笔者经验来描述，因此，更多的是经验的分享。

PS：

本文提到的服务设置这类操作，自行搜索了解。

本文提到硬件、协议这类知识，自行搜索了解。

文中提到书籍的机构与笔者无利益关系，不构成购买理由，请自行把控。

李迟 2017.6.1 周四 (在远方顺祝我家大锤节日快乐，礼物上周已经网购回去了)