从零开始的嵌入式Linux生活（一） 背景介绍
文章目录
- 前言
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- 本系列文章的主要思想：
- 本系列文章包括：
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- 一、什么是嵌入式开发
- 二.嵌入式开发 - 由便宜到贵
- 三.嵌入式开发的基本原理
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- 一个美好的假设：
- 再来一个美好的假设
- 美好的假设被打破了 - RTOS系统
- 美好的假设又被打破了 - 嵌入式Linux系统
- 老板飘了 - 安卓系统
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前言
近年来（截至2023年3月），随着各种各样的因素：实体经济、米国制裁、芯片热、智能汽车等， 嵌入式软件开发（Embedded Software）越来越火热，众多的芯片公司、应用方案公司、甚至是代理商公司如雨后春笋般成立； 各大招聘网站上“嵌入式开发”“驱动开发”等岗位也成为了热门高薪急招岗位。
作者我本人毕业于19年，在某大厂从事了约大半年的互联网前端开发后，转向了嵌入式开发的领域。 从51单片机开始、到32位MCU、再到嵌入式Linux、嵌入式安卓，一步一步的坚持下来了。 这其中离不开自己的努力，但更多的还是受益于互联网的分享精神。 所以我打算写这个关于嵌入式Linux的全方位指南，一方面是对自己的总结提升，另一方面也是回馈感谢互联网上各位网友的分享。
本系列文章的主要思想：
尽量广泛的介绍嵌入式开发的各个部分，力求涉及面广泛，但不一定很深入。 各位读者对某个部分感兴趣的话再自行了解。
本系列文章包括：
（一）背景介绍：主要介绍什么是嵌入式开发，其中嵌入式Linux开发属于哪个部分
（二）启动准备：开发板硬件平台、环境搭建
（三）入门：架构介绍，编译uboot、kernel、rootfs
（四）uboot介绍
（五）kernel介绍
（六）驱动介绍
（七）rootfs介绍
（八）用户空间应用程序介绍
（九）总结
一、什么是嵌入式开发
根据百度百科定义：
嵌入式开发就是指在嵌入式操作系统下进行开发，包括在系统化设计指导下的硬件和软件以及综合研发。除暂且分离硬件的EDA研发以外，侧重的就是在一定硬件条件下的系统化设计和软件研发。
其实“嵌入式”是一个历史遗留名词，在以前，“嵌入式“是“通用”的反义词。例如：我们的PC机是通用的，其中的CPU、内存条、硬盘都是可以通用的； 而银行ATM、空调、手机、收音机等这类设备，其中的CPU、内存条、硬盘却不是通用的，称之为“嵌入式系统“。
这个时候会有同学提问了：那为什么ATM、空调这种设备不用通用的PC机，而非要玩点花样出来呢？ 主要是因为以下几个因素：价格、功耗/性能、体积。
价格：性能好一点的PC机价格动辄上千； 性能差一点的工控机价格也要好几百。
功耗/性能：很多应用场景的功耗限制，比如收音机，还是使用电池供电的。 使用功耗动辄几十瓦的PC机显然不合适。 再说关于性能，用于空调的系统显然不需要PC机那么高的性能。
体积：性能越好的PC机，所需散热也越大；目前比较小的PC机可以做到一本书的大小。嵌入式系统可以做到很小，甚至是一枚硬币的大小。
嵌入式开发，就是指专门在上述的嵌入式系统中进行各种工作。其中根据工作内容又可细分为了几个子类：
- 硬件工程师：
- 硬件工程师：针对特定的需求场景，选型合适的CPU（性能、价格等）、内存、磁盘等器件，并设计出原理图。
- layout工程师： 基于硬件工程师的原理图，使用专门的设计软件（EDA）画出电路板设计图（PCB）。并将PCB设计图提供给工厂，生产出可以实际使用的实物电路板。
- 软件工程师：
- 驱动工程师：基于硬件工程师提供的电路板，使用CPU指定的编程语言（通常是C语言）、编译器，编写出特定的、具备基本功能的代码，能够正常驱动CPU、内存、磁盘工作；也能够间接的通过CPU上的串口、I2C、PCIE等接口控制继电器、红外线、喇叭耳机、有线/无线网卡等设备正常工作。
- 应用工程师：基于驱动工程师调试好的各个外部设备，配合产品的实际需求，将各个设备组合协同工作起来，例如：接收到红外线开机信号后，通过喇叭播放一个开机语音； 或者开机后通过网络HTTP请求上报给服务器，机器已在线。
本文主要会站在驱动工程师的角度，来介绍驱动工程师的工作内容之一 - 嵌入式Linux的开发，当然或多或少的也会接触到硬件、应用相关的一些内容。
二.嵌入式开发 - 由便宜到贵
本文的标题中有“嵌入式Linux”的字样，那么这个时候有好奇的同学就会问了：什么是嵌入式Linux？除了嵌入式Linux难道还有嵌入式Windows？ 答案是Yes，其实在嵌入式开发的领域中，是这样的：
正如上文所说，嵌入式设备价格、功耗等各方面的考虑，其系统组成可能极其简单。 以最简单的51单片机为例：
如上述图片所示，这个嵌入式系统的组成就是一个单片机（图中方形的那个芯片）、一个晶振、几个电阻，其中可能只执行一个while(1)无限循环。 而这个单片机的内部组成也十分简单，如下图所示：
不要看这个图片花里胡哨的，这可是我国的核心科技STC51单片机的官网：http://www.stcmcudata.com。无数的嵌入式人才、芯片人才都是从STC一步一步培养出来的。
如上图绿框所示，这个单片机内置了大容量的”12KB”RAM内存，“128KB”ROM（类似于PC机的磁盘）。 看到这里相信你已经有一些体会了，嵌入式系统真的节约啊~。 在这么有限的资源情况下，并不能将Linux、Windows这样的操作系统放上去运行，一个Windows安装包都得4个G，这哪够啊。
因此在嵌入式系统中，根据系统资源的由少到多，其并不一定会运行windows系统，而是可能会运行一些其他的系统，通常所用的操作系统如下：
| 资源数量 | 操作系统 | 备注 | 代表芯片 |
|---|---|---|---|
| 极少（CPU频率20Mhz RAM20KB ROM64KB） | 裸机，无操作系统 | 整个程序就是while(1)循环，单线程，无屏幕 | STC 51单片机 |
| 少(CPU频率300Mhz RAM128KB ROM1MB) | 实时操作系统RTOS | 有多线程，可接单色小分辨率屏幕 | STM32 意法半导体单片机 |
| 中（CPU频率1Ghz RAM 2G ROM 4G） | 嵌入式Linux | 有多线程、有内核和用户空间隔离，可接1080P屏幕 | NXP IMX6 IMX7系列 地平线自动驾驶芯片等 |
| 多（CPU频率 3Ghz RAM 8G ROM 64G） | 安卓Android | 安卓是嵌入式Linux的升级版本 | 瑞芯微rockchip3399 各种安卓手机 |
裸机编程一般需要自学一个月即可入门，教程请各位自行百度。
RTOS编程可能需要3个月才能入门，教程可前往国内最出名的RTOS系统：https://www.rt-thread.org/ 这里查看。 也可以淘宝购买开发板，一般都附送教程。
Linux编程可能需要9个月才能入门，教程可阅读本系列文章（自卖自夸一波），或者也可以淘宝搜索嵌入式Linux开发板，也会有对应的教程 。
Android编程就更困难了，作者我也不太会。
感兴趣的同学可以自行搜索各个操作系统的代表芯片，看一下其芯片介绍、价格等
三.嵌入式开发的基本原理
这个时候可能有读者又会说了： 你说的我大致明白了，但我还是不知道什么是嵌入式开发。 所以接下来我就以实际的例子来说明：
一个美好的假设：
现在我们想做一台收音机，上面有5个按键12345，可以用来选台。 像这样：
其设计思路如下图所示：
主要有5个部分：
- CPU，用来执行代码，检测开关有无被按下，如果有，则立即控制对应的射频电路。
- 电源，5V电池供电
- 开关，五个按键开关，按下后对应的电路会被接通，CPU能够检测到
- 射频电路，用于接收声音信号
- 喇叭，播放射频电路接收的声音
再来一个美好的假设
假设除了1中的CPU执行的代码以外，2345都有硬件工程师帮我们准备好了，那么接下来我们只需要参考CPU厂家提供的方法，写代码即可。
假设我们使用的是上文所说的神器：STC单片机：
- 型号：STC32G
- 官网：http://www.stcmcudata.com/
- 芯片手册：http://www.stcmcudata.com/STC8F-DATASHEET/STC32G.pdf
- 长相：
接下来我们开始写程序… 咦？ 怎么芯片手册中都帮我们把程序写好了，STC果然是神器啊 哈哈。
接下来我们把程序编译、烧录下载到芯片里面去，这部分STC也有非常详细的说明：
详情请见： http://www.stcmcudata.com/STC8F-datasheet/STC-TOOL.pdf
到这里似乎一个嵌入式系统的基本流程就已经跑通了，到这里，其实就是叫做bring up OK了，以后你会听到很多次bring up这个术语。
后续的工作都在bring up的基础之上修修补补， 可能过一会儿发现射频部分信号又不好了，要配合硬件工程师调试一下； 可能再过一会儿，产品经理又提了个需求，要调节音量的大小； 甚至再过一年，还是使用相同的芯片，公司要新开发一个收音机2.0。
美好的假设被打破了 - RTOS系统
随着产品经理越来越过分，要求我们的收音机要能够做到：
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有红黄绿3个指示灯：
a. 红灯是电源灯，每1秒闪烁一次提示有电
b. 黄灯是警告灯，电池电压小于4V时开始每0.7秒闪烁一次
c. 绿灯是正常运行灯，只要程序在运行，就每0.3秒闪烁一次 -
增加一个声音分贝传感器，每10秒采集一次周边环境声音，如果环境声音大于50分贝，则认为此时播放了声音用户也听不见，此时关闭扬声器。
这么多需求，一个while循环写不下了啊。 能写是能写，但是写起来很蛋疼。 while循环每1毫秒执行一次，然后判断到了1秒就闪烁红灯，判断到了0.7秒就闪烁黄灯。 想想这程序都蛋疼啊。
有需求就会有解决方案，此时小型操作系统 RTOS 出现了，其为单个CPU提供了多线程的能力（其原理是分时复用）还挺有意思，感兴趣的读者欢迎下来自行了解。 我们就可以用一个线程闪烁红灯，再用另外一个线程闪烁黄灯…程序设计又变得简单清晰了。
美好的假设又被打破了 - 嵌入式Linux系统
咱们的收音机2.0越卖越好了，公司也从原来的3个人，增长到了30个人。 咱们老板现在融了点资金，不差钱了，想要做个高级、智能、物联网收音机， 不考虑成本，只考虑功能高大上。 于是提出了以下几个要求：：
- 要能够接屏幕，最好还是1080P的屏幕，上面可以看电视节目。
- 能够通过手机APP进行控制，使用HTTP网络协议。
- 当然也要接入网线，即以太网。
- 用户能够插入U盘，播放自己U盘上的内容。
这几个要求一提出来，你就懵逼了，咋搞啊。 别急，我来一个一个分析一下：
- 接1080P屏幕，有大量的图像运算，需要高性能的CPU或者内置GPU。
- 关于UI界面可以用QT库来实现，虽然比较丑，但将就能用。
- HTTP、以太网等网络协议，比较复杂，代码量大，只能考虑使用开源的库。
- U盘涉及到USB协议，播放上面的内容更涉及到了USB 存储协议，也只能考虑使用开源的库。
综上考虑，RTOS系统中对以太网、USB协议的支持很少，有的也需要花至少1个月时间移植修改代码。
因此此时便可以考虑Linux系统，Linux是最大的开源操作系统，上述提到的所有各种协议，Linux不仅支持，还是完美支持。 并且有很多的开发者大家一起使用、一起维护。
老板飘了 - 安卓系统
在你成功的做出了Linux系统的收音机之后，公司成功上市了。 你们的收音机也成了人手一个的热门产品。 这个时候老板开始飘了： 咱们公司的收音机不再是一个收音机，而是一个智能平台：
- 现有的LinuxQT界面不好看，必须改了。
- 用户购买了我们的收音机后，可以使用微信、bilibili等第三方APP。
这个时候就需要上安卓系统了。
本文到这里就结束了，嵌入式开发的世界很广阔，没个3、5年学不完，精通更是得10年以上。 这有好有坏：好处是经常能看到35+ 40岁以上的嵌入式工程师，不会早早的失业； 坏处是经常能看到半夜10点还在查软件BUG，最后发现是硬件问题的苦逼嵌入式工程师。 但是总而言之，作为一名嵌入式工程师，当调试出一块板子、开发出一件产品、交付给用户时，那种成就感是无可比拟的。 预祝各位读者在嵌入式的路上披荆斩棘、创造辉煌。
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从零开始的嵌入式Linux生活（二）启动准备：开发板硬件平台、环境搭建