《linux应用开发完全手册》核心笔记(全)

** 本文未附任何实例代码，基于目标板的不同操作不尽相同，网络资源针对比较成熟的开发板均可找到对应的成套实例代码

【开发环境构建】
1. 开发环境搭建：操作系统或虚拟机Ubuntu安装、网络服务配置、工具安装等
    工具资源<云盘>：https://pan.baidu.com/s/1bpakJtP   // env/嵌入式linux软件开发环境（不定期更新）
    步骤整理<博客>：http://blog.csdn.net/sinat_36184075/article/details/71194832

2. 编程基础内容：交叉编译使用、Makefile规则、常用汇编指令
    交叉编译工具链制作<博客>：http://blog.csdn.net/sinat_36184075/article/details/71195114
    Makefile编写<博客>：http://blog.csdn.net/sinat_36184075/article/details/54917518
    汇编指令快速查询<博客>：http://blog.csdn.net/sinat_36184075/article/details/55819869

3. 常用工具使用：
    windows下工具的使用(SourceInsight、SecureCRT、keil、IAR等)
    linux下工具的使用(tftp、nfs、vi、man手册、基本命令行命令及grep/find/tar/diff/patch等)
    // 常用工具上手简单，可自查。

【ARM9嵌入式系统基础】
1. GPIO接口
1) 嵌入式开发步骤：
    编程：主要以.c .h文件为主；
    编译：make命令调用Makefile中写好的交叉编译规则来编译出.bin二进制文件；
    烧写：PC并口与JTAG连接或PC的USB与串口连接，使用对应的工具和命令烧写；
    运行测试：命令运行或复位开发板，观察运行效果。
2) 通过GPIO引脚实现软件如何控制硬件：
    单个引脚的操作有3种：输出高低电平、检测引脚状态、中断；
    对某个引脚的操作通过读、写寄存器来实现；
    读写寄存器方法：通过编程程序，读写寄存器的地址；
    // 需结合2点：目标板电路图(确定引脚)、ARM芯片手册Datasheet(操作说明)

2. 存储控制器
1)目标板地址空间布局：
    32位CPU虚拟地址4G，其中1G为CPU内核空间，3G为用户空间；
    // 1G：0x0000_0000 ~ 0x4000_0000
    // 3G：0x4000_0000 ~ 0xFFFF_FFFF
    // 表：目标板功能部件与寄存器地址对照表
    // 表：存储控制器与所接外设的访问地址对照表

3. 内存管理单元MMU
1) 虚拟地址和物理地址关系
    MMU：负责虚拟地址到物理地址的映射，提供硬件机制的内存访问权限检查。
    通过MMU使得各个用户进程都有自己独立的地址空间。
    ARM的CPU上地址转换有3个概念：虚拟地址VA、变换后的虚拟地址MVA、物理地址PA。
    没启动MMU时，CPU、cache、MMU、外设等所有部件使用的是物理地址；
    启动MMU之后，CPU对外发出虚拟地址VA，VA被转换为MVA供cache、MMU使用，MVA在这里被转换为PA，最后使用PA读写实际的硬件设备(内部寄存器或外接设备)。
    CPU核看到的、用到的只是虚拟地址VA。实际设备看不到VA和MVA，读写他们时使用的是物理地址PA。
2) 通过设置MMU来控制虚拟地址到物理地址的转化
    虚拟地址VA >> 物理地址PA 方法有2：用一个确定的数学公式转换、用表格存储虚拟地址对应的物理地址(表格：页表Page Table)。
    页表：由一个个条目(Entry)组成，每个条目存储了一段VA对应的PA及其访问权限，或者下一页表的地址。
    ARM的CPU核使用的是第二种方法：页表。
3) MMU的内存访问权限机制
    内存的访问权限检查是MMU的主要功能之一，决定了一块内存是否允许被读或被写。
    // 表：AP位、S、R位的访问权限对照表

4. Nand Flash控制器
1) Nand Flash芯片接口
    类似于PC上的硬盘，掉电不丢失，保存系统运行所必须的操作系统、应用程序、用户数据、其他数据等。
    容量：16M~512M
    与Nor Flash相比优点：Nand Flash性能高即擦写速度快3ms、可擦写次数多、生命周期10倍以上、容量大、价格低。
    与Nor Flash相比缺点：Nand Flash可靠性较低必须要有校验措施、易用性不如Nor Flash、不支持XIP(XIP：代码可以直接在Nor Flash上运行，无需加载到内存)。
    Flash存储器件的可靠性要考虑3点：位反转、坏块、可擦除次数。
    Nand Flash发生位反转的概率更高，推荐使用EDC/ECC进行错误检测和恢复。
    嵌入式linux对两种Flash的支持都很成熟，在Nor Flash上常用jffs2文件系统，在Nand Flash上常用yaffs文件系统。在更底层，有MTD驱动程序实现了对他们的读、写、擦除操作，也实现了EDC/ECC校验。
2) 通过Nand Flash控制器访问Nand Flash的方法
    对Nand Flash进行访问控制时，需要先发出命令，然后发出地址序列，最后读写数据；需要使用各个使能信号来分辨是命令、地址、还是数据。

5. 中断体系结构
1) ARM的CPU中7种工作模式
    用户模式usr、快速中断模式fiq、中断模式irq、管理模式svc、数据访问终止模式abt、系统模式sys、未定义指令终止模式und。
    大多数程序运行与用户模式usr，进入其他6种特权模式是为了处理中断、异常、或者访问被保护的系统资源。
    ARM的CPU中有两种工作状态：32bit的ARM指令、16bit的Thumb指令。
    ARM9中有31个32bit寄存器 + 6个状态寄存器 = 37个寄存器。
2) 中断服务程序编写方法
    CPU运行过程中，知道各类外设发生了某些事件如串口接收到了新数据、USB接口插入了设备、按下了某个按键等，主要通过2种方法：
    轮询：循环检查设备状态并作出相应反应。实现简单，常用在功能单一的系统中，如温控系统；缺点是占用CPU资源过高，不适用于多任务系统；
    中断：当某时间发生时，硬件会设置某个寄存器，中断当前程序，跳转执行此事件，最后返回被中断的程序。实现相对复杂，但效率很高，是常用的方法。
    使用中断的步骤：
    ①设置好中断模式和快速中断模式下的栈；
    ②准备好中断处理函数(ISR)；
    ③设置中断优先级；
    ④进入、退出中断模式或快速中断模式时，需要保存、恢复被中断程序的运行环境；
    ⑤根据具体中断，设置相应外设；
    ⑥确定使用此中断的方式：FIQ或IRQ；
    ⑦使能中断。

6. 系统时钟和定时器
1) 系统时钟体系结构
    时钟控制逻辑给整个芯片提供三种时钟，
    FCLK：用于CPU核；
    HCLK：用于AHB总线(用高性能模块的连接)上的设备，如CPU核、存储器控制、中断控制器、LCD控制器、DMA和USB主机模块等；
    PCLK：用于APB总线(用于低带宽外设的连接)上的设备，如IIS、I2C、PWM定时器、MMC接口、ADC、UART、GPIO、RTC和SPI；
2) 通过设置MPLL改变系统时钟的方法
    ①设置分频/倍频
    ②启动MPLL
    ③设置存储控制器SDRAM
    ④初始化定时器0
    ⑤定时器0中断使能及中断服务程序

7. 通用异步收发器UART
1) UART原理
    全双工方式串行双向数据收发。
    通信管脚跳线接线方式：
    RxD <=> TxD
    TxD <=> RxD
    GND <=> GND
    RS232逻辑电平：高电平(3~12V)表示0，低电平(-3~-12V)表示1。
    重要参数：
    >>数据位个数： 5 ~ 8 bit   （开发板那端定好的是 8 bit / 帧数据）
    >>验证方式：奇校验、偶校验、无校验
    >>停止位宽度：1~2bit
    >>通信的速率：bps （bit per second - 每秒传输bit位，即波特率）
    数据收发原理：
    发送数据时，CPU先将数据写入发送FIFO中，然后UART会自动将FIFO中的数据复制到发送移位器(TS)中，发送移位器将数据一位一位的发送到TxDn数据线上。
    接收数据时，接收移位器(RS)将RxDn数据线上的数据一位一位的接收进来，然后复制到接收FIFO中，CPU即可从中读取数据。
2) UART使用
    ①将所涉及的UART通道管脚设为UART功能
    ②设置波特率
    ③设置传输格式
    ④设置时钟源、中断方式(或DMA模式)
    ⑤发送数据：往寄存器写入；接收数据：从寄存器读取
    ⑥UTRSTATn状态寄存器检测数据是否发送完毕、是否接收到数据
    结合PC上的串口工具windows下SecureCRT工具，linux下kermit(Page195)工具进行测试。

8. I2C接口
1) I2C总线协议
    飞利浦公司开发的串行总线，连接微控制器及其外围设备。
    两条总线：SDA数据线，SCL时钟线。
        多主机总线。
        主从设备通信方式。
        主机收发均可。
        多主机冲突仲裁。
        8bit双向数据传输，100kbit/s，400kbit/s，3.4Mbit/s。
        从设备地址唯一。
    三种类型信号：开始(S)、响应(ACK-8bit后的第9个时钟周期拉低SDA电平)、结束(P)
    数据传输格式：
    master：--S--从addr|W---接ACK---0x0d---接ACK---SR---从地址|R---接ACK---收---NACK---T--
    slave： --------接---------发ACK-----接---发ACK-----------接-------发ACK---
2) I2C接口使用
    ①I2C控制器初始化
    ②主机发送函数
    ③主机接收函数
    ④中断服务程序i2c_Handle：清中断、写操作、读操作

9. LCD控制器
1) LCD显示器的接口及时序
    LCD，液晶显示器。
    CPU或显卡发出的信号时TTL信号，LCD本身接收的也是TTL信号。
    LCD控制器被用来传输LCD图像数据，并提供必要的控制信号。
    1幅图像为1帧frame。显示器从屏幕左上角，一行行的取得每个像素的数据并显示，沿着Z字形的路线进行扫描。
    分辨率：有效像素数据的 行数 × 列数。
2) LCD控制器的使用方法
    ①main.c 提供菜单以选择不同的显示模式来操作LCD
    ②lcdlib.c 条用以下两个文件的函数操作LCD
    ③lcddrv.c 设置LCD控制器、调色板
    ④framebuffer.c 画点、画线、画同心圆、清屏

10. ADC和触摸屏接口
1) ADC和触摸屏结构
    ADC，数模转换。可以将模拟信号输入转换为二进制数据。
    // 图：ADC和触摸屏接口结构图
2) ADC和触摸屏的使用方法
    ADC启动方法：手工启动、读结果时就自动启动下一次转换；
    是否已经结束：查询状态位、转换结束时发出中断。
    ADC操作只涉及三个寄存器：ADCCON、ADCTSC、ADCDAT0。
    ①设置ADCCON寄存器，选择输入信号通道，设置A/D转换器时钟；
    ②设置ADCTSC寄存器，使用设为普通转换模式，不适用触摸屏功能；
    ③设置ADCCON寄存器，启动A/D转换；
    ④转换结束时，读取ADCDAT0寄存器获得数值。
    // 拓展：电阻触摸屏原理(Page241)

【嵌入式linux系统移植】
1. 移植u-boot
1) bootloader作用及工作流程
    作用：一小段程序，在系统上电时开始执行，初始化硬件设备、准备好软件环境、最后调用操作系统内核。
    也可以增强bootloader的功能，如增加网络功能、从PC上通过串口或网络下载文件、烧写文件、将Flash上压缩的文件解压后再运行等，强大的bootloader也叫Monitor。
    工作过程：仅对开发人员使用，在开发时通常需要各种命令操作bootloader，一般通过串口工具连接pc和目标板，可以在串口上输入各种命令，观察运行结果。
    嵌入式linux系统通常分为4个层次：bootloader、kernel、filesystem、Application
    bootloader启动流程分为两个阶段：
    第一阶段：
        1>硬件设备初始化
        2>为bootloader第二阶段准备RAM空间
        3>复制bootloader第二阶段代码到RAM中
        4>设置好栈
        5>跳转到第二阶段代码的C入口点
    第二阶段：
        1>初始化本阶段要使用到的硬件设备
        2>检测系统内存映射
        3>将内核映像和根文件系统映像从Flash上读到RAM空间中
        4>为内核设置启动参数
        5>调用内核
    u-boot是通用的bootloader，支持平台包括X86、ARM、PowerPC。
2) u-boot代码结构及编译过程
    u-boot开源源码官方ftp下载地址：ftp://ftp.denx.de/pub/u-boot/
    以u-boot-1.1.6为例，根目录下有26个子目录，可以分为4类：
        1>平台相关(cpu/ lib_i386/)或开发板相关(board/)的；
        2>通用的函数(include/ lib_generic/ common/)；
        3>通用的设备驱动程序(disk/ drivers/ dtt/ fs/ nand_spl/ net/ post/ rtc/)；
        4>u-boot工具(tools/)、示例程序(examples/)、文档(doc/)。
    从readme和Makefile入手，根据目标开发板的名字board_name，通常执行2步进行编译：
        1> $:' make _config
            // 配置对应目标板的配置文件
        2> $:' make all
            // 编译，生成u-boot.bin、u-boot、u-boot.srec三个文件
    注意：tools/目录下生成的mkimage文件，在编译内核时用来生成u-boot格式的内核映像文件。
3) 移植u-boot流程
    使用网卡芯片硬件，tftp服务器软件进行移植：
    1> 配置开发板ip地址，服务器地址的环境变量
    2> 使用tftp命令进行指定起始地址位置下载u-boot.bin文件
    3> 修改相关文件使bootloader支持内核烧写、yaffs根文件系统移植；
    4> 修改默认配置参数方便使用，如linux启动参数、自动启动命令、默认网络设置
    (Page302)
4) 常用u-boot命令
    help：查看所有u-boot中的命令及其作用，也可以help [命令]查看单个命令；也可以用？代替help进行执行。
    下载命令：loadb、loads、loadx、loady和tftpboot、nfs
        如loadb [off] [baud]
        如tftpboot [loadAddress] [bootfilename]
        如nfs [loadAddress] [host ip addr:bootfilename]
    内存操作命令：
        查看内存命令：md，如md[.b,.w,.l] address [count]
        修改内存命令：mm
        填充内存命令：mw
        复制内存命令：cp
    Nor Flash操作命令：
        查看Flash信息：flinfo
        加/解写保护命令：protect
        擦除命令：erase
    Nand Flash操作命令：
        nand命令，根据不同的参数进行不同的操作，如擦除、读取、烧写。
    启动命令：
        boot、bootm命令都是执行环境变量bootcmd所指定的命令。
2. 移植linux内核
1) 内核源码结构，内核启动过程
    获取内核源码：https://www.kernel.org/
    下载、解压得到linux内核源码文件。
    // 表：linux内核子目录结构
    Makefile：顶层的Makefile是所有Makefile文件的核心，总体控制内核的编译和连接。
    .config：配置文件，配置内核时产生。所有Makefile文件都是根据.config来决定使用哪些文件来编译。
    Linux内核启动过程：
        开始→确定内核是否支持该架构→确定内核是否支持该单板→建立一级页表→禁止ICache等→使能MMU→设置栈指针并调用start_kernel→输出linux版本信息→设置与体系结构相关的环境→初始化控制台→启动init进程
2) 内核配置方法
    $:' make menuconfig
    System Type：系统类型子菜单，用来选择目标板类型。(Page324)
    Device Drivers：设备驱动程序子菜单。(Page327)
3) 移植内核
    配置内核→编译内核→烧写内核→启动内核
4) MTD设备分区方法
    MTD，内存技术设备，是Linux中ROM、Nor Flash、Nand Flash等存储设备抽象出来的一个设备层。
    分区方法：修改arch/arm/plat-s3c24xx/common-smdk.c文件中的smdk_default_nand_part结构即可。
5) yaffs根文件系统移植
    yaffs，专门为Nand Flash设计的嵌入式文件系统，适用于大容量的存储设备。
    移植(Page346)
3. 构建linux根文件系统
1) linux文件系统层次标准
    FHS文件系统层次标准：http://www.pathname.com/fhs/
2) 根文件系统下各目录的作用
    /bin 目录：存放所有用户都可以使用的、基本的命令。
    /sbin 目录：存放系统命令，即只有管理员能够使用的命令，用于启动系统、修复系统等。
    /dev 目录：存放设备文件(字符设备、块设备)。（Linux下一切皆文件）
    /etc 目录：存放各种配置文件。
    /lib 目录：存放共享库和可加载模块(即驱动程序)。
    /home 目录：用户目录，是可选的。目录下是以用户名命名的子目录。
    /root 目录：根用户(root)目录，普通用户即为/home下的子目录。
    /usr 目录：存放共享、只读的程序和数据。
    /var 目录：存放可变的数据，与/usr内容相反。
    /proc 目录：空目录，常作为proc文件系统的挂载点，proc文件系统是个虚拟的文件系统。
    /mnt 目录：空目录，用于临时挂载某个文件系统的挂载点，如U盘、光盘等。
    /tmp 目录：空目录，用于存放临时文件。
3) 构建根文件系统：移植Busybox、构造各个目录/文件等
    Busybox开源工具下载地址：https://busybox.net/downloads/
    下载、解压、开始配置：
        // 表：Busybox配置选项分类(Page362)
    配置完成、编译：make
    安装并拷贝glibc库。
    构建根文件系统：(Page367)
        1> 创建etc/initab文件
        2> 创建etc/init.d/rcS脚本文件
        3> 创建etc/fstab文件(控制mount命令行为)
        4> 构建dev/目录
        5> 构建其他目录，如proc/ mnt/ tmp/ sys/ root/等
4) 制作yaffs、jffs2文件系统映像文件
    yaffs根文件系统：Page367
    jffs2根文件系统：Page375
    烧写...
4. linux内核调试技术
1) 几种调试内核的方法：printk、kgdb
    【printk】调试驱动、内核最简单的方法，使用printk打印信息。与用户空间的printf函数格式完全相同。可在字符串内的头部加入(0~7)表示记录级别。
    printk信息常常用于串口输出，这时串口被称为串口控制台。
    使用u-boot时，设置了命令行参数"console=ttySAC0"，它使得printk的信息从串口0中输出。
    系统启动后，查看printk信息，直接运行dmesg命令即可。
    【kgdb】源码级别的linux内核调试器。使用kgdb时，需要结合gdb一起使用，使得调试内核就像调试应用程序一样，可在内核代码中设置断点、一步一步执行、观察变量的值。
    内核需要添加kgdb补丁才可以使用kgdb调试。
    kgdb补丁下载地址：http://kgdb.cvs.sourceforge.net/kgdb/kgdb-2/?pathrev=linux2_6_22_uprev
    使用cvs工具下载：(Page382)
    $:' cd /work/debug
    $:' cvs -z3 -d:pserver:[email protected]:/cvsroot/kgdb co -p -r linux2_6_22_uprev kgdb-2
    ...
    配置内核，使能kgdb功能。
    集合可视化图形前端ddd和gdb来调试。
2) 调试工具：gdb、ddd
    【ddd】ddd调用gdb来调试内核，可以在图形界面上完成调试工作。
    安装ddd：$:' sudo apt-get install ddd
    调试方法(Page388)

【嵌入式linux设备驱动开发】
1. 字符设备驱动程序
1) linux系统中驱动程序的地位和作用
    从下到上，一个软件系统能够运行的结构：硬件 → 驱动程序 → 操作系统(内核) → 库 → 应用程序
    linux驱动程序分类：字符设备、块设备、网络接口。
    编写驱动程序注意点：
        1> 驱动程序可能同时被多个程序使用，考虑并发问题；尽可能发挥硬件作用以提高性能。
        2> 硬盘驱动程序中使用DMA也可以不用，使用DMA的程序比较复杂，但是可以提高效率。
        3> 处理硬件的各种异常情况，即使概率很低，否则出错时可能导致整个系统崩溃。
2) 驱动程序开发一般流程
    1> 查看原理图、数据手册，了解设备的操作方法；
    2> 在内核中找到相近的驱动程序，以它为模板进行开发，有时候需要从0开始；
    3> 实现驱动程序的初始化：比如向内核注册这个驱动程序，这样应用程序传入文件名时，内核才能找到相应的驱动程序；
    4> 设计所要实现的操作，比如open、close、read、write等函数；
    5> 实现中断服务(中断并不是每个设备驱动所必须的)；
    6> 编译该驱动程序到内核中，或者使用insmod命令加载；
    7> 测试驱动程序。

3) 简单字符设备驱动程序开发方法
    字符设备驱动程序操作函数集合，在结构体： struct file_operations {...}
    调用哪个驱动程序的操作函数集合中的函数呢？
        1> 设备文件有主/次设备号；
        2> 模块初始化时，将主设备号与file_operations结构一起向内核注册；
    编写字符设备驱动程序的流程：
        1> 编写驱动程序初始化函数；
        2> 构造file_operations结构中要用到的各个成员函数。
    常用的操作函数集合中的函数：open、ioctl、write、read...
    驱动程序编译：将.c文件放入内核的driver/char目录下，在driver/char/Makefile中增加对应模块编译的一个语句(obj-m +=...)，然后在内核的根目录下执行命令make modules，就可以生成对应的.ko驱动程序模块文件。
    驱动程序测试(Page409)。
2. 异常处理体系结构
1) linux异常处理体系结构
    init/main.c中内核在start_kernel函数中调用trap_init和init_IRQ两个函数来设置异常的处理函数。
    trap_init() 函数(arch/arm/kernel/traps.c)被用来设置各种异常的处理向量，包括中断向量。
    init_IRQ() 函数(arch/arm/kernel/irq.c)被用来初始化中断的处理框架，设置各种中断的默认处理函数。当发生中断时，中断总入口函数asm_do_IRQ就可以调用这些函数做进一步处理。
    常见异常分类5种：未定义指令异常、指令预取中止异常、数据访问中止异常、中断异常、swi异常。
2) 中断处理体系结构及重要的数据结构
    linux内核将所有的中断统一编号，使用一个结构数组来描述这些中断： struct irq_desc {...}
    其中结构体成员 handle_irq 是这个或这组中断的处理函数入口。
3) 中断处理函数的注册、处理、卸载流程
    初始化中断处理体系结构函数： init_IRQ (void);
    用户向内核注册中断处理函数的函数： request_irq (...);
    中断的C语言总入口函数： asm_do_IRQ (...);
    用户从内核注销中断处理函数的函数： free_irq (...);
4) 驱动程序中使用中断的方法
    按键驱动使用中断方式实现的实例。
3. 扩展串口驱动程序移植
1) 串口终端设备驱动程序的层次结构
    串口驱动程序从上到下分为4层：终端设备层、行规程、串口抽象层、串口芯片层、(硬件)。
2) 移植标准串口驱动程序的方法(Page438)


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