嵌入式Linux初学者眼中的世界

本文送给嵌入式Linux初学者。

相信大家刚接触Linux的时候跟我的感觉是一样的，面对着无数的英文单词（其实大部分是一堆辅音字母的组合，读都没法读）和术语，不知道它们都是什么东西，不知道它们是个具体东西还是抽象概念，不知道它们到底是什么关系。即便进行Google，又会在解释中遇到一大堆新的术语，无穷尽也……特别是像我一样没有计算机软件专业背景，只是单纯喜欢编程的人，或者刚刚从单片机过渡到ARM的人，对我们来说计算机体系结构，操作系统原理、编译原理等等那些东西也是比较陌生的，这些杂糅在一起就造成了我们“老虎吃天，无从下口”的现状。这也是导致很多人望而却步的一大原因。

经过之前一段时间的摸爬滚打，我以为我会慢慢找到门路，可是我没有。直到最近，我看了很多Linux相关书籍……的目录，到网上进行了很多搜索，终于慢慢看清了整个Linux大厦的雏形。下面就简要记录一下我对嵌入式Linux大厦的初步认识。

嵌入式Linux跟桌面Linux一样，是一个操作系统。从单片机走过来的我们往往习惯于直接控制寄存器，事必躬亲，从零开始实现想要的功能。在嵌入式Linux的世界里，我们首先要抛弃这个思想，应把它作为最后没办法的办法。就像我们想要在windows系统中编写一个程序，首先想到的不是操作CPU芯片的寄存器，而是学习Windows API一样。我们在嵌入式linux编程时，首先想到的应该是使用现成的驱动或软件或Linux API。没有的话看看能不能修改一下现成的资源为己所用。还是不行的话才考虑自己从头开始写。

嵌入式Linux大厦是由很多层组成的，当我们想找一个人时，首先要明确他在那一层楼。同样的，我们遇到问题时，首先要知道是哪个方面的问题，然后才有可能知道到哪里寻找答案。下面我们把这座大厦进行一下拆解。

我们平时使用Linux系统的话，最常用的工具就是Shell（或者用windows中常见的说法：命令行），初学者接触Linux的第一个东西往往也是shell。也许你已经知道，把shell命令组合起来写成一个文件，亦即shell编程，也是一门大学问，它能做的事很多很强大，但仅限于对Linux系统的操作。我们一定不会用shell命令去编写一个显示屏程序，或者一个GPS导航程序。而且作为嵌入式Linux开发来说，shell不可能作为最终产品工作的平台，因为我们不能要求用户在屏幕中输入代码来实现功能。因此我认为对嵌入式开发来说，shell命令无需深究，掌握基本操作就够了。

shell基本操作主要包括：获取命令帮助，到达指定目录，查看目录内容，权限修改，文件的复制粘贴等基本操作，文件搜索，文件内容查看和编辑，系统关机重启……（这些只是最基本的，后面再慢慢学别的命令，比如学习进程编程时，再学习进程相关的命令；学习C语言编程时，再学各种编译和调试命令也不迟）

学习嵌入式Linux，我们的最终目的是制作一套嵌入式系统来实现功能。往往需要用C/C++或Python等其他语言来编写程序，但是编程之前我们要先明确一些基本概念。

最基本的，当我们编写程序时，首先要明确嵌入式Linux分为用户空间和内核空间。用户空间是应用程序运行的空间，内核空间就是操作系统和驱动程序运行的空间。这是从软件的角度来说的，对应于ARM芯片来说，就是芯片的不同“工作模式”。这两个空间是通过“地理隔离”实现互相完全独立的，它们各自的程序使用不同的内存地址区间，各自使用自己的头文件（有些头文件在两个空间内甚至是重名的，要注意区分）、各自调用属于自己空间的函数（哪怕实现的功能相同，比如printf()和printk()），而且不能互相直接访问（用指针也不行）。（意味着学习这两部分的编程时要学习两套独立的知识体系）

内核空间相关的东西有：Linux内核源码、内核编译和配置、内核移植、文件系统、Busybox、设备驱动程序编写、中断编程……

用户空间相关的东西有：Shell、应用程序编译和调试、进程、线程、文件IO编程、网络通信相关、Qt图形界面编程……

如果你仅仅要开发应用程序，那你就可以远离内核空间那些东西了。对你来说，驱动程序、底层硬件、操作系统的工作方式等都是透明的，你写的程序在别的芯片上也能跑得很好。

但如果你想要开发驱动程序，或者定制自己的操作系统，或者你想向一片“全裸”芯片中写入操作系统，并使它正常运行起来，那就得学习内核空间的知识了。

如果你想让“全裸”芯片运行起来，还会遇到一块比内核更底层的东西，Bootloader。它是在内核启动前运行的一段程序，用来初始化硬件、建立内存空间映射等，与芯片的品牌、型号极其相关。我们通常对一些现成的Bootloader进行修改来满足需求，常见的Bootloader有U-Boot、Vivi等。

再多说一句，如果想从零开始做一个嵌入式设备，还有更底层的问题需要解决和学习：电路设计、PCB布线等。

因此，我们看到的嵌入式Linux书籍就可以粗略分成两个方向：一类讲嵌入式Linux应用程序编程，另一类讲如何搭建一个完整的嵌入式Linux平台。分别对应的就是用户空间和内核空间的事情。

虽然用户空间和内核空间是独立的，但就像Windows提供了API，允许我们对系统进行操作一样，用户空间的程序也可以通过系统调用来访问内核（就是一些的C语言函数）。但由于系统调用非常基础，所以有时使用起来很麻烦。比如说一个简单的给变量分配内存空间的操作，就需要动用多个系统调用。Linux定义一些库函数(API)来将系统调用组合成某些常用的功能，以方便我们编程（同样是C语言函数）。因此，我们在读别人的程序时，就要区分其中的函数是系统调用，还是库函数，还是C/C++标准库中的函数，还是用户自己定义的函数。如果是前三者，就可以到各个地方搜索相应的资料，这样学习起来就快很多。

那么shell程序和我们用C/C++编写的程序有什么区别呢？事实上，我们在shell中写的每一个命令，都对应了一个程序，在程序内部就是通过调用各种API来实现相应功能的。因此用shell能实现的功能，理论上都能用C语言实现。

作为嵌入式Linux开发初学者，简单熟悉了shell以后，就可以开始进行一些C语言编程的尝试了。

我们最早接触编程一般都是在大学的编程课上，而且往往用的是Visual C++ 6.0。窃以为这是让我对编程原理长期困惑不解的罪魁祸首！啥是环境变量？为啥要设置include路径，lib路径？为啥一点编译按钮就会出来那么多后缀名不同的文件？这些很基础很重要的问题都被VC6.0这个外壳掩盖了。但哪怕你在Linux中使用gcc编译一个最简单程序，一定就会像我一样马上明白把一个.c的源文件变成一个可执行文件，中间究竟发生了什么事情。如果你再用gdb调试一个程序，就会明白得更多一点。

关于C/C++编程的基本工具，我们需要学习的有：vim等代码编辑器、diff等文件比较的shell命令、gcc等编译器、gdb等调试工具、交叉编译等。这里需要特别提到一个重要工具（网站）：github，根据百度的解释，它是一个“分布式的版本控制系统”，初学者还用不到版本控制，那就可以单纯把它当成一个开放的源代码库。这个网站里有大量优秀的源代码供学习和使用。

学习了基本的编程方法，我们就该接触Linux的API等内容了。毕竟，我们的嵌入式系统要与设备进行交互，只用C/C++标准库是不够的。在此之前，需要建立一个Linux的重要概念：一切皆文件。甚至硬件设备对Linux系统来说，也是文件。这样对设备的操作就等同于对文件进行读、写，或读写以外的操作。这部分内容在各种书籍资料中通常以“文件IO编程”命名，作为一个章节来写。我觉得这是应当第一个来学的东西，因为看到自己能随意操控文件和外设是一件让人很振奋的事情！成就感是继续学习的一大动力！

另外一个重要内容是，理解进程和线程。通过学习这个部分，能管中窥豹地大致领略到Linux系统如何进行调度，你的程序是怎么在Linux中运行的。这是操作系统原理的内容，但作为非软件专业出身的人，没办法，只能自学了。

其他应用程序编程如网络编程、Qt图形编程等就不一一说明了。

驱动程序可能是我们将来接触内核空间遇到的第一个内容。不过暂时还没什么特别想说的。内核空间距离初学者还是有点远的……以后再来学这部分内容。