现代操作系统——Linux架构与学习

小白的疑惑

在我决定从事嵌入式（应用层）方面的工作时，我查询了大量资料该如何学习，几乎所有观点不约而同的都指向了学习好Linux，大部分工作都是在Linux环境下来进行工作的。于是我雄心勃勃的去下载Linux，可能大部分人的经历都与我类似，下载虚拟机、学习指令、学习文件操作等API。但是我在学习的过程中，总是觉得不得劲。不知道自己学Linux到底是在学什么？仿佛是盲人摸象，越学越迷糊。
初窥门径
前期花了十分多的精力学习了各种函数、线程进程的概念。总是晕晕乎乎，直到后面接触到一种学习方法，框架式学习法，使用框架式学习法后我犹如醍醐灌顶，瞬间有了学习的欲望自己也不茫然了。为了帮助更多的人，所以 我把这种学习方法来分享给大家，帮助更多不知道Linux该如何学习的人，能够踏入Linux的大门。
所谓框架式学习，就是自顶向下的学习，先从全局来把握Linux，下面给出一张图来简要说明

从上面的图中不难看出，Linux位于硬件上层与系统API下层。而我们常说的C\C++开发屏蔽了硬件层，你无须认识各类硬件，也能自如的使用这些硬件。这是因为Linux为我们封装好了使用这些硬件的方法。而更上层的应用框架，也就是我们后续学习的高端编程，都是基于这之上来搭建的。学习框架可以帮我们快速的搭建一个可用的应用。但是缺点是我们很难知道底层的一些细节，也就是不断调用写好的函数，而不知所以然。值得注意的是，越下层的东西原理越固定，也就是迭代的速度越慢。而越上层的应用，则日新月异，我们时常会感受到，学习Linux做不出什么东西来，这是十分正常的。想要短时间实现应用，就该学习一些框架。
举个例子吧，想要以linux为操作系统做个人脸识别机器人，还能语音播报，可以用window控制，可以存储视频数据。
考虑一个最小子系统，我们需要用一个摄像头来当眼睛，需要一个语音模块来当嘴巴，需要一颗主控板上面跑着Linux操作系统来当作大脑（可以用树莓派）。我们可以用Opencv来做图像处理，只需要调用几个函数几百行代码就能实现一个简单的人脸识别，可以使用FFMPEG来做语音识别和音频处理，如果只是简单的语音播报功能学习起来也十分的快。有了这些功能，组织起来，你的下位机也就是机器人就已经制作完毕了。穿插着学习一下线程和进程的知识，简单的组装一下他就可以用几个Linux命实现相应的功能。针对性的去学习相应的函数，其它用不上的一概不学的情况下。这大概只需要花费十来个小时，
只有下位机显然是不够的，如果我们想要用个PC机来作为上位机控制这个机器人呢？那我们需要有个前端界面，可以是用Qt，Qt可以拖拽生成界面，假设不考虑美观性，只实现获取摄像头、开始识别、语音播报两个功能。那PC机需要和树莓派进行通信，我们需要学习Socket网络编程，如果需要存储数据可以学习Sqlite。同样的广度优先学习，只学一个皮毛调用相应的API即可。这不会花费特别多的时间，现代框架拥有的强大功能可以帮助你快速搭建起一个这样的体系。
让我们回头看看我们做了一个什么东西，是不是和我们现在用的产品已经十分类似了，完全可以当作一个毕设的级别的小Demo。然鹅做一个这样东西的时间，其实不需要花费太久，只要你知道有这个函数，知道环境怎么搭建，你不需要知道太多的底层知识，只需要知道个大概流程。长则一个月短则几周，完全可以独立的开发出一个这样的东西（照猫画虎）很多代码网络上都有了，跟着视频去做即可。这也是自顶向下学习的第一步，从应用层进行学习。
渐入佳境
完成这样的一个机器人，我们看似用了很多技术，那么这些技术究竟从何而来？我们调用的API函数究竟是怎么实现的？框架又是怎么搭建的？为什么短短几行代码就能实现如此强大的功能？如果你有强烈的求知欲，而不满足只是在巨人的肩膀上来实现这样一个应用。让我们接着往下走，这里假设你已经有了C语言的基础，看看Linux到底帮助我们完成了什么工作。
首先我们回忆一下我们开机时候的场景，第一步按下电源键，屏幕开始显示，恭喜你，已经成功开机。让我们停下来，看看具体发生了什么，为什么按下开机键就可以有如此大的威力？开机键按下，它会产生一个电流，一切的一切都可以从这开始。电流进入一个名叫bootloder（一个写在单片机里的引导程序）的身体，bootloder被电流唤醒，开始引导Linux内核（Kernel）：喂喂喂！开始工作了，Kernel按照定义开机的步骤，点亮屏幕、输出一些信息、连接鼠标…挂载文件系统。启动成功，欢迎用户。这时候你可以自由的使用Linux系统，可以敲一些指令。

而那些屏幕、鼠标、键盘称之为IO设备，是人和机器沟通的工具。我们可以有一些输入，然后得到一些输出。Linux又是怎么来调用这些硬件的呢？这些硬件有不同的原理图，但是我们可以同一用一个USB接口（或者蓝牙之类的）来识别，然后使用，这又是怎么实现的呢？答案是驱动程序，比如一个鼠标，它的产家根据它独有的芯片来设计一个驱动程序，然后Linux加载这个驱动程序，用户就可以使用这个鼠标了。大部分时候用户都会被屏蔽这个过程，有时候操作系统缺少驱动时，会提醒你安装，或者你需要自己到官网来下载一些驱动程序…

这时候我们大致明白什么是 BootLoader 引导程序，什么是 Linux 操作系统内核 Kernel，什么是文件系统，不同硬件和Linux是怎么进行交互的，怎么使用这些硬件的。
让我们回到最初的问题，框架是怎么来的，框架你也可以认为是一种应用，而它调用的就是最基础的Linux提供的API，像是我们学习的fopen，fwrite的函数。驱动程序则赋予fopen真正的意义，因为外设也是一种文件。那么框架通过抽象出大部分的流程，封装好繁琐的步骤，留下一个薄薄的调用接口，可以帮助我们实现各种强大的功能。
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总结
上文我简单的带大家去识别了究竟一个实际的产品的背后，涉及到的是什么东西。它到底和我们学习的Linux、C语言有什么关系。可能大部分使用单纯的用C或者Linux我们做不成什么有用的产品，这是因为我们没有接触一些现在流行的框架，我鼓励大家去接触到底该怎么开发一个产品，你大可以根据我上面描述的制作机器人的步骤去一步一步学习。当然你需要善于使用搜索引擎，好歹你现在知道该怎么去做了，你脑海里面有了清晰的计划，只要一个个问题去解决，终究是可以实现一个有用的产品。在这一步骤，大家可以不求甚解，面向需求编程，需求是什么，就去用什么，学习相应的内容，不要全学，用到什么学什么。可以复制黏贴的绝不自己手敲。大部分培训班干的就是这件事情。
但是完成了一个小项目后，我希望你能回过头来，静下心的去弄明白，这些东西到底是怎么实现的？它涉及到哪些我之前学习过的知识点？原理是什么?大师们是怎么解决这些难题的？其实所有的专业术语都是为了解决一些出现的难题，像TCP\IP协议并非无中生有，网络的多层模型也是为了解决网络通信的难题。学校学习的知识，不会从应用出发，常常是自底向上，或者从中间往上走，让人云里雾里，稀里糊涂，好像学了又好像没学。实际不会用，理论学不懂，相信是绝大多数人迷茫的地方。所以在遇到一个新的知识时，不妨从另外一个角度来思考问题，这个知识，它能解决什么实际问题？这往往会为你打开一个新世界的大门，也可以帮助你将这个知识点领悟的更加深刻。我是一个爱编程的小白，今天的文章到这里就结束啦！期待和大家下次再见！
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