迅为嵌入式Linux学习笔记1——框架学习法

迅为嵌入式Linux学习笔记1——框架学习法

知识体系

• C语言
• 数字电路基础（单片机）
• ARM体系结构
• 硬件设计（ARM接口技术）
• Linux系统与管理
• Linux系统开发
• Linux驱动开发
• BootLoader(UBOOT)
• QT和C++
• Android系统和JAVA

UBOOT学习框架

入门级

1. 了解UBOOT是首先执行的片外程序
2. UBOOT的主要任务是引导Linux内核启动
3. UBOOT生命周期，调用关系
4. UBOOT编译、烧写及UBOOT命令

工程师级

5. 启动过程简单分析
6. 修改读秒时间
7. 启动模式配置
8. CMDLINE
9. 启动时的电灯方法

专家级

10. 源码分析
11. 系统移植
12. 增加功能及创新开发

Linux系统框架

• Linux大部分用C语言编写，少量汇编
• Linux是个大程序，函数库
• Linux提供了大量的资源（如：网络协议、多任务、内存管理、设备管理）
• Linux让产品开发更简单
• Linux架构越来越复杂，但使用越来越方便
• 使用的方便性是以复杂的架构为代价

应用和驱动

• 有了Linux，使软件开发人员分化成两类：应用于驱动
• 应用开发人员可以不懂底层驱动，应用开发只关注业务逻辑，而驱动开发关注硬件特性
• 应用程序通过‘系统调用’来使用内核资源
• 驱动是Linux内核的一部分，驱动的架构越来越复杂，目的是为了我们做的事情越来越少

内核态和用户态

• 用户态的程序不能直接访问硬件资源
• 内核态和用户态不仅是软件上的抽象，ARM处理器本身就在硬件上支持这两种状态
• ARM处理器的工作模式: 用户模式、系统模式、中断模式
• 应用直接访问硬件会触发异常终端
• 内核态和用户态的划分使系统更加安全，内核级有更高的特权
• 进一步理解“系统调用”，他是用户态调用内核态函数的方法，一般通过“软中断”的方式
• 软中断是软件指令触发，ARM有对应的指令，不同于按键等外部中断

Linux的文件系统

• 文件系统可以直观理解为Windows上的文件资源管理器，应用程序放在文件系统当中
• Linux启动后一定要挂接一个文件系统，但VxWorks,ucos等并不需要挂接
• 文件系统可大可小，通过构造文件系统可衍生QT, Ubuntu, Android等系统
• Linux的重要思想：一切皆文件
• 硬件的操作（串口、led、按键）都可归结为：read, write, open, close

### Linux初学者要搞清楚三个文件

1. 引导程序（bootloader）: uboot.bin / uboot.imx
2. Linux内核镜像：zImage
3. 文件系统镜像：system.img / rootfs.tar.bz2

• 初期很多工作都是围绕这三个知识点展开的（开发环境搭建、编译系统、烧写系统）
• 不同的系统文件名有差异
• 设备树文件（可看成Linux内核的一部分）

Linux应用程序编程

• 应用编程即Linux系统编程
• 基于Linux内核之上，基于“系统调用”或者库函数的编程
• Linux内核中设置了一组用于实现各种系统功能的子程序，称为系统调用
• 系统调用由操作系统核心提供，运行于和心态；而普通函数调用由函数库或用户自己提供，运行于用户态
• “系统调用”在ARM系统中一般用“软中断”的方式来实现
• ARM处理器工作模式：用户模式、系统模式、终端模式

Linux应用编程框架

入门：

1. 文件I/O基础
2. 多线程多进程基础
3. 网络socket编程
4. 时间函数

进阶：

1. 五种I/O模型
2. 进程通信
3. 线程同步
4. 标准IO/文件共享dup/文件锁fcntl

系统调用

包括：

• 文件io
• 多进程
• 多线程
• 网络socket编程
• 时间函数、文件系统操作
• 用户管理、内存管理等

Linux文件I/O五种模型

• 阻塞
• 非阻塞
• 信号
• 多路复用
• 异步

Linux多进程

• 多进程是多任务在Linux上的具体实现，多任务是操作系统的基本功能
• 进程的三种状态：就绪、阻塞、运行

多进程使用fork()，分岔；进程间通信方式：

• 管道（匿名管道和命名管道）
• 信号
• 信号量
• 消息队列
• 共享内存
• 套接字
  

Linux多线程

• 单个进程内可以运行多个线程，线程是操作系统时间片调度的最小单位
• 每个线程可使用进程的全局变量
• 线程生成函数：pthread_create()
• 线程同步（共用资源，合理分配资源的方式）：互斥锁、条件变量、读写锁、信号量

网络通信（socket编程）

网络通信是重点，很多操作系统的网络编程方式是一样的，都采用了socket方式。

Linux驱动开发

驱动演进历史：

时间	架构	系统版本
2001 – 2004	原始架构	V2.4
2004 – 2011	平台总线	V2.6
2012 – 至今	设备树	V3.1以后 V3.x

• 总体上讲，产品开发越来越方便
• 架构越来越复杂，但使用越来越简单，开发工作量减少

Linux驱动的原始架构（Linux V2.4）

• “设备节点”，即设备文件（/dev/xxx），它是上层应用和底层驱动的桥梁
• Linux：设备即文件（read, write）
• 主设备号，次设备号，mknod()
• 结构体 file_operations（函数指针）
• register_chdev() – 系统注册
• 用户态 read()->sys_read()->vfs_read()->驱动read
• 原始架构依然很重要，里面的知识并没有被淘汰，而是被封装和继承了。

平台总线架构（platform）

• Linux2.6版本，封装了原始架构，更加抽象
• 引入了设备模型（sysfs）,使得热插拔、电源管理得以加强
• 好处：做产品更省事省力
• 实现了BSP（板级支持包）和驱动的分离

Linux设备树

• 设备资源独立了出来（arch/arm/mach-xxx/board-xxx.c），从C文件发展为DTS设备树脚本文件（arch/arm/boot/dts/xxx.dts）
• 换个板子，不需要编译Linux系统，只要换个设备树文件就好
• BootLoader参与传递设备资源（启动时需要把设备树文件传给内核）

Linux驱动演进的趋势

• 越来越先进易用，但内部架构越来越复杂
• “分离”，实际是一种模块化设计思路
• “分层”，Linux中应用很普遍，屏蔽了底层的细节，增加了易用性