韦老师6000字长文告诉你如何学习linux

我&＃xff08;韦老师&＃xff09;在100ASK_IMX6ULL售后群里&＃xff0c;发现很多初学者只有单片机基础&＃xff0c;甚至没有单片机基础。在学习Linux时&＃xff0c;对很多概念比较陌生&＃xff0c;导致不知道学什么&＃xff0c;也不知道学了之后有什么用。所以我趁着五一假期&＃xff0c;编写此文。

从事嵌入式Linux培训12年来&＃xff0c;我们写过很多《关于如何学习linux》的文章&＃xff0c;这是最新的&＃xff0c;本文将不断更新&＃xff0c;最新版可以扫描下方腾讯文档二维码获取&＃xff1a;

第1章 单片机和Linux的区别

1.1.有哪些产品使用单片机或Linux&＃xff1f;

所有的电子产品&＃xff0c;所用技术都可以认为要么是单片机&＃xff0c;要么是Linux&＃xff1b;GUI方面主要是QT/Android&＃xff0c;它们都是运行于Linux之上的。

也许你不服&＃xff01;不是还有ucos、vxwork、wince、IOS吗&＃xff1f;下面这个图是关于操作系统的占比&＃xff0c;是2016年的&＃xff0c;我没找到更新的图&＃xff0c;但是很有参考意义&＃xff1a;

我们说的单片机不使用操作系统&＃xff0c;在上图中没有体现出来。但是使用单片机设备肯定远远超过Linux。很多人也是先学习单片机&＃xff0c;从单片机进入电子工程师行业

• 日常生活中&＃xff0c;有哪些产品使用单片机、Linux呢&＃xff1f;下面举一些例子&＃xff1a;

  
  

  

  

  我们设计一个产品时&＃xff0c;是使用单片机还是Linux&＃xff0c;取决于成本&＃xff1a;硬件成本、软件成本、维护成本、升级成本。而不应该根据个人偏好来选择&＃xff1a;我喜欢单片机&＃xff0c;所以就排斥使用Linux&＃xff1b;我喜欢Linux&＃xff0c;就排斥使用单片机。为了有更多的选择&＃xff0c;我们需要既懂单片机&＃xff0c;又懂Linux。
  

1.2&＃xff0c;在硬件操作上单片机和Linux是类似的

以点灯为例&＃xff0c;

无论是单片机还是Linux&＃xff0c;我们要做的事情都一样&＃xff1a;

① 看原理图&＃xff0c;确定引脚是哪一个&＃xff0c;确定它输出什么电平才可以

② 看芯片手册&＃xff0c;确定要怎么操作寄存器

③ 写程序

但是&＃xff0c;怎么编写程序&＃xff0c;单片机和Linux有很大不同。

1.3&＃xff0c;在单片机中点灯、使用LCD

使用单片机开发程序时&＃xff0c;我们一上来就写一个main函数&＃xff0c;下面是一些简化的代码&＃xff1a;

LED程序里面的init_led、led_on、led_off函数是你一个人写的&＃xff0c;爱取什么名就取什么名&＃xff0c;爱怎么写就怎么写。

LCD程序里的函数也是你写的&＃xff0c;完全是自由发挥。

很多单片机项目不是很复杂&＃xff0c;2、3个人从上到下统统搞定&＃xff0c;里面的函数大多时间是直接去读写寄存器。

很多单片机项目严重依赖于硬件&＃xff0c;换一个芯片后怎么办&＃xff1f;重写一套代码呗。

在单片机程序里&＃xff0c;没有应用程序、驱动程序的概念&＃xff0c;很可能一个人包揽了硬件设计、模块调试(或称之为驱动)、功能开发(或称之为应用)的全部活。

1.4.在Linux中点灯、使用LCD

在Linux中&＃xff0c;不允许应用开发人员直接去操作硬件&＃xff0c;比如你想点个灯&＃xff0c;不好意思&＃xff0c;你无法直接访问寄存器&＃xff1b;你需要通过驱动程序来访问寄存器。

为什么&＃xff1f;有几大原因&＃xff1a;

① Linux系统中运行着众多程序&＃xff0c;必须保证质量差的程序无法破坏系统&＃xff1a;

假设你写的程序比较烂&＃xff0c;那我不能让你去随便访问寄存器&＃xff0c;把系统搞崩溃了怎么办&＃xff1f;你本意是去点灯&＃xff0c;但是你看错了寄存器&＃xff0c;你把电源关了怎么办&＃xff1f;

所以这些操作硬件的活&＃xff0c;还是交给信得过的人来做吧&＃xff1a;交给驱动工程师&＃xff0c;他既懂硬件又懂软件。

② 保证程序的可移植性&＃xff1a;

编写应用程序时&＃xff0c;大家都使用统一的函数&＃xff0c;以后换一个芯片时&＃xff0c;应用程序不用变&＃xff1b;只需要根据这个接口提供驱动程序就可以了。

③ 团队协作&＃xff1a;

使用Linux系统的项目一般比较大&＃xff0c;术业有专攻&＃xff0c;一个人不太可能从上到下都全部掌握。比如做人脸识别项目&＃xff0c;有擅长做图像处理的&＃xff0c;他可不管你要用多少种摄像头&＃xff0c;有图像给他就可以。而多种摄像头的硬件操作方法各有不同&＃xff0c;这些交给驱动程序工程师。

所以&＃xff0c;在Linux中应用程序和驱动程序是分开的。

以LED、LCD程序为例&＃xff0c;简化的代码如下&＃xff1a;

也许你已经大概猜出来了&＃xff0c;应用程序怎么调用驱动程序&＃xff1f;通过标准的接口&＃xff1a;

①open&＃xff1a;

打开驱动程序。

② read/write&＃xff1a;

读、写数据。

③ ioctl&＃xff1a;

传入各种参数&＃xff0c;获得各种参数。

④ mmap&＃xff1a;

内存映射&＃xff0c;比如映射之后&＃xff0c;应用程序可以直接读写LCD的显存。

你看&＃xff01;从这些接口里&＃xff0c;我们根本看不到寄存器的操作。底层的程序驱动会根据这些调用&＃xff0c;去设置寄存器、操作硬件。

所以&＃xff0c;我高大上的应用工程师&＃xff0c;干嘛苦哈哈地去看原理图、看芯片手册、读写寄存器&＃xff0c;搞不好还要去调试硬件BUG。这些脏活、累活就交给驱动工程师吧。客户的需求千变万化&＃xff0c;我996时间都不够用了。

切&＃xff0c;我上懂软件、下懂硬件的驱动工程师&＃xff0c;肯定不能把这么重要的活交给你去做了&＃xff0c;把我的系统搞崩溃了怎么办。

开玩笑、开玩笑、开玩笑的&＃xff0c;有应用工程师、驱动工程师的优劣之分&＃xff0c;大家都是为了做出产品。现在有一个趋势&＃xff0c;一个任务从上到下你都需要懂&＃xff0c;这就是所谓的全栈工程师。

还是以LED为例&＃xff0c;应用程序和驱动程序的协作如下图所示&＃xff1a;

在Linux中&＃xff0c;“一切皆文件”&＃xff0c;要访问某个硬件&＃xff0c;也是要打开文件、读写文件。应用程序要根据标准的文件接口&＃xff1a;open/read/write/ioctl/mmap等来访问驱动程序。

既然如此&＃xff0c;怎么写驱动程序呢&＃xff1f;最简单的方法就是&＃xff1a;APP要调用open来打开驱动程序&＃xff0c;那驱动‘程序里就提供一个xxx_open函数来初始化硬件&＃xff1b;APP要调用write来写数据&＃xff0c;驱动程序里就提供一个xxx_write函数来接收数据并操作硬件。

用xxx_open、xxx_write来构成一个驱动程序&＃xff0c;这就是驱动框架。

怎么实现这些xxx_open、xxx_write函数&＃xff1f;我们要做的事情跟单片机是类似的&＃xff0c;一样要去看电路图、看芯片手册&＃xff0c;然后在这些函数里读写寄存器&＃xff1a;这称为硬件操作。

所以&＃xff0c;Linux驱动程序&＃61; 驱动框架 &＃43; 硬件操作。

有单片机基础的人&＃xff0c;对硬件操作比较熟悉了&＃xff0c;把重点放在驱动框架上就可以。

高能预警&＃xff1a;驱动框架可不简单&＃xff0c;对于LED来说是简单&＃xff0c;但是还有更复杂的驱动程序&＃xff0c;它要考虑“通用”&＃xff0c;这很要命。

第2章 嵌入式Linux快速入门

这几天在群里跟学员聊天&＃xff0c;有一位学员的学习方法很好&＃xff1a;先观其广&＃xff0c;再究其深。有时候要“不求甚解”&＃xff0c;很多时候保持疑问先学下去&＃xff0c;这些疑问就自然解决了。

比如课程中涉及汇编知识&＃xff0c;如果你要彻底弄清楚&＃xff0c;你需要去学习《ARM架构与编程》&＃xff1b;当你学完这本书&＃xff0c;你的同学搞不好已经可以上手工作了。

2.1 短期的目标是什么?

我们先把学习目标定下来&＃xff1a;快速了解嵌入式Linux开发的流程&＃xff0c;知道要学什么&＃xff0c;具备跟从业者交流的能力。

2.2 一个嵌入式Linux系统的组成  

下面我们用类比和逻辑推导出嵌入式Linux系统的组成&＃xff0c;没错&＃xff0c;“推导”。

从上图可以知道&＃xff1a;

① 组成&＃xff1a;

嵌入式Linux系统

&＃61; bootloader &＃43; linux内核 &＃43; 根文件系统(里面含有APP)。

② bootloader&＃xff1a;

它的目的是启动内核&＃xff0c;去哪读内核&＃xff1f;读到哪里&＃xff1f;去Flash等外设读内核&＃xff0c;存到内存里去。所以需要有Flash里外设的驱动能力&＃xff0c;为了调试方便还会有网络功能。

所以&＃xff0c;可以认为 booloader &＃61; 裸机集合&＃xff0c;它就是一个复杂的单片机程序。

③ Linux内核

Linux内核的最主要目的是去启动APP&＃xff0c;APP保存在哪里&＃xff1f;保存在“根文件系统”里。“根文件系统”又保存在哪里&＃xff1f;在Flash、SD卡等设备里&＃xff0c;甚至可能在网络上。所以Linux内核要有这些Flash、SD卡里设备的驱动能力。

不仅如此&＃xff0c;Linux内核还有进程调度能力、内存管理等功能。

所以&＃xff1a;Linux内核 &＃61; 驱动集合 &＃43; 进程调度 &＃43; 内存管理等。

2.3 要学习bootloader吗

Bootloader有很多种&＃xff0c;常用的叫作u-boot。

在实际工作中&＃xff0c;对于u-boot基本上是修修改改&＃xff0c;甚至不改。但是u-boot本身是很复杂的&＃xff0c;比如为了便于调试&＃xff0c;它支持网络功能&＃xff1b;有些内核是保存在FAT32分区里&＃xff0c;于是它要能解析FAT32分区&＃xff0c;读FAT32分区的文件。

花那么多精力去学习u-boot&＃xff0c;但是工作中基本用不到&＃xff0c;这对初学者很不友善。

所以&＃xff0c;对于初学者&＃xff0c;我建议&＃xff1a;理解u-boot的作用、会使用u-boot的命令&＃xff0c;这就可以了。

如果你的工作就是修改、完善bootloader&＃xff0c;那么再去研究它吧。

2.4&＃xff0c;要学习Linux内核、要学习驱动程序吗

之前我们说过Linux内核 &＃61; 驱动集合 &＃43; 进程调度 &＃43; 内存管理等&＃xff0c;如果要学习Linux内核&＃xff0c;从驱动程序入手是一个好办法。

但是人人都要学习Linux内核、人人都要学习Linux驱动吗&＃xff1f;显然不是。

作为初学者&＃xff0c;懂几个简单的驱动程序&＃xff0c;有利于工作交流&＃xff1b;理解中断、进程、线程的概念&＃xff0c;无论是对驱动开发、应用程序开发&＃xff0c;都是很有好处的。

所以对于初学者&＃xff0c;建议前期只学习这几个驱动&＃xff1a;LED、按键、中断。

① LED驱动程序&＃xff1a;

这是最简单的驱动程序。

② 按键驱动程序&＃xff1a;

它也比较简单&＃xff0c;从它引入“中断”。

③ 中断&＃xff1a;

从“中断”它可以引入&＃xff1a;休眠-唤醒、进程/线程、POLL机制、异步通知等概念。这些概念无论是对驱动开发&＃xff0c;还是对应用开发&＃xff0c;都很重要。

所以&＃xff0c;对于初学者&＃xff0c;我建议必须学习这几个驱动&＃xff1a;LED、按键、中断。

入门之后&＃xff0c;如果你想从事内核开发、驱动开发&＃xff0c;那么可以去钻研几个驱动程序(输入系统、I2C总线、SPI总线等)&＃xff0c;掌握若干个大型驱动程序后&＃xff0c;你对内核的套路就有所了解了&＃xff0c;再去研究其他部分(比如进程管理、文件系统)时你会发现套路是如此通用。

摄像头(VL42)、声卡ALSA驱动是Linux中比较复杂的2类驱动&＃xff0c;它们是很难的&＃xff0c;如果工作与此相关再去研究。

2.5&＃xff0c;要学习Linux应用程序吗&＃xff1f;先学一些基础技能

要学&＃xff0c;即使以后你只想研究内核&＃xff0c;一些基本的应用开发编写能力也是需要的&＃xff1a;

① 基本设备的访问&＃xff0c;比如LCD、输入设备

② 进程、线程、进程通信、线程同步与互斥

③ 休眠-唤醒、POLL机制、信号

④ 网络编程

①②③部分的知识&＃xff0c;跟驱动有密切的关系&＃xff0c;它们是相辅相承的。

掌握了基本驱动开发能力、基本应用开发能力之后&＃xff0c;在工作中你就可以跟别人友好沟通了&＃xff0c;不至于一脸懵逼。

2.6&＃xff0c;应用程序是怎么启动的&＃xff1f;要了解一下根文件系统

你辛辛苦苦写出了应用程序&＃xff0c;怎么把它放到板子上&＃xff0c;让它开机就自动启动&＃xff1f;

你写的程序&＃xff0c;它依赖于哪些库&＃xff0c;这些库放到板子上哪个目录&＃xff1f;

怎么做一个可升级的系统&＃xff1f;即使升级中途断电了&＃xff0c;也要保证程序至少还可以运行老的版本&＃xff1f;

这些都需要我们了解一下根文件系统。

先了解一下init进程&＃xff1a;它要读取配置文件&＃xff0c;根据配置文件启动各个APP。了解了init进程&＃xff0c;你就了解了根文件系统的组成&＃xff0c;就可以随心所欲裁剪系统&＃xff0c;为你的项目制作出最精简的系统。

3.1&＃xff0c;先不要打破砂锅问到底

嵌入式涉及的东西太多太杂了&＃xff0c;如果心里没有主线&＃xff0c;碰到什么都要去研究个透彻&＃xff0c;最终反而忘记自己要学什么了。

嵌入式涉及硬件知识、软件知识&＃xff0c;软件里涉及汇编、ARM架构、C语言、Makefile、Shell&＃xff1b;又分为bootloader、内核、驱动、基本的APP、GUI。

比如我们会用到Makefile&＃xff0c;了解它的基本规则&＃xff0c;会用我们提供的Makefile就可以。不需要深入研究那些make函数&＃xff0c;因为在工作中都有现成的Makefile给你使用&＃xff0c;不需要自己去编写一套Makefile。何必花上好几天去深入研究它呢&＃xff1f;

比如我们会用到bootloader&＃xff0c;难道又要花上几个月来深入研究u-boot吗&＃xff1f;工作中基本不需要改u-boot&＃xff0c;会用那几个命令就可以。

甚至有些学员先去买本shell的书来学习shell命令&＃xff0c;何必&＃xff1f;我们在视频中用到什么命令&＃xff0c;你不懂时再去百度一下这些命令就可以了。

不要脱离初学者的主线&＃xff1a;应用基础、驱动基础。有了这2个基础后&＃xff0c;你想深入研究某部分时&＃xff0c;再去花时间吧。

3.2&＃xff0c;思路要清晰&＃xff0c;不怕抄代码

视频里的代码&＃xff0c;请你一定要自己去写一次、写多次。为什么我现在写驱动那么熟&＃xff1f;我2009年在华清远见上课时&＃xff0c;每次上课我都要给学生写一次那些驱动&＃xff0c;十几次下来闭着眼睛都知道内核的套路了。

记不住那些函数&＃xff1f;我也记不住&＃xff0c;我都是去参考同类的驱动程序&＃xff0c;这又不是闭卷考试。

但是要理清楚思路&＃xff0c;你写这个程序要完成什么功能、怎么实现这些功能&＃xff1f;这个要弄清楚。

有了思路后再写代码&＃xff0c;不知道怎么写&＃xff1f;没关系&＃xff0c;看看视频&＃xff0c;看看示例&＃xff0c;然后关闭视频看看能否自己写出来。

3.3&＃xff0c;对自己的方向很了解&＃xff0c;我只能带你到这里了

我的专长是操作系统&＃xff0c;是快速地带领大家掌握一些项目开发的基础知识。

如果你决定深入研究某方面时&＃xff0c;我并不能带你多久。你要去看源码&＃xff0c;去看这方面的专业书籍。比如想深入钻研内核的内存管理时&＃xff0c;它有页表映射(你需要阅读ARM架构的手册)、SLAB分配器、vmalloc/malloc实现、mmap实现、缺页中断、父进程子进程之间的页面管理等等&＃xff0c;内容非常多。有时候连书籍都没有&＃xff0c;你需要直接啃代码。

当你想从事某个行业时&＃xff0c;就需要深入研究行业相关的知识。比如CAN总线&＃xff0c;它可以写成一本书&＃xff1a;CAN协议、CAN报文、Socket CAN、车身网络拓扑结构&＃xff0c;CAN应用报文&＃xff0c;CAN网络管理报文&＃xff0c;CAN诊断报文。

想做物联网网关&＃xff0c;需要深入研究MQTT&＃xff0c;MQTT协议相对简单&＃xff0c;但是MQTT英文原版协议有130多页&＃xff0c;中文版有近100页&＃xff0c;是一本小书了。

每个行业都有自己的业务逻辑&＃xff0c;在掌握基本的编程能力之一&＃xff0c;你需要结合具体的业务去深入学习。

洋洋洒洒写了6000字&＃xff0c;先写到这里吧&＃xff0c;后面有空继续写&＃xff0c;欢迎在评论区分享你的学习方法。

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