學(xué)習(xí)嵌入式Linux，做底層還是應(yīng)用？底層要掌握哪些技能？
ID：技術(shù)讓夢(mèng)想更偉大
整理:李肖遙
很多學(xué)習(xí)嵌入式的新人、工程師，在學(xué)習(xí)到半途中，總會(huì)感覺(jué)到迷茫，不知道自己從哪方面入手、進(jìn)階，也不知道自己目前處于學(xué)習(xí)的哪個(gè)層次，不清楚往后從哪方面來(lái)提升自己。針對(duì)這些工程師常見(jiàn)的情況，今天編者就以一個(gè)8年工作經(jīng)驗(yàn)的嵌入式工程師來(lái)分享，來(lái)看一下嵌入式學(xué)習(xí)，下一階段的你需要掌握些什么。
嵌入式工程師的職業(yè)方向
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學(xué)習(xí)嵌入式，大致來(lái)說(shuō)可以分為四個(gè)方向：
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一、嵌入式硬件開發(fā)：熟悉電路等知識(shí)，非常熟悉各種常用元器件，掌握模擬電路和數(shù)字電路設(shè)計(jì)的開發(fā)能力。熟練掌握嵌入式硬件知識(shí)，熟悉硬件開發(fā)模式和設(shè)計(jì)模式，熟悉ARM32位處理器嵌入式硬件平臺(tái)開發(fā)、并具備產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。精通常用的硬件設(shè)計(jì)工具：Protel/PADS(PowerPCB)/Cadence/OrCad。一般需要有4~8層高速PCB設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。
二、嵌入式驅(qū)動(dòng)開發(fā)：熟練掌握Linux操作系統(tǒng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)知識(shí)。熟悉嵌入式ARM開發(fā)，至少掌握Linux字符驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)。具有單片機(jī)、ARM嵌入式處理器的移植開發(fā)能力，理解硬件原理圖，能獨(dú)立完成相關(guān)硬件驅(qū)動(dòng)調(diào)試，具有扎實(shí)的硬件知識(shí)，能夠根據(jù)芯片手冊(cè)編寫軟件驅(qū)動(dòng)程序。
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三、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)：掌握Linux系統(tǒng)配置，精通處理器體系結(jié)構(gòu)、編程環(huán)境、指令集、尋址方式、調(diào)試、匯編和混合編程等方面的內(nèi)容;掌握Linux文件系統(tǒng)制作，熟悉各種文件系統(tǒng)格式(YAFFS2、JAFFS2、RAMDISK等)；熟悉嵌入式Linux啟動(dòng)流程，熟悉Linux配置文件的修改;掌握內(nèi)核裁減、內(nèi)核移植、交叉編譯、內(nèi)核調(diào)試、啟動(dòng)程序Bootloader編寫、根文件系統(tǒng)制作和集成部署Linux系統(tǒng)等整個(gè)流程;、熟悉搭建Linux軟件開發(fā)環(huán)境(庫(kù)文件的交叉編譯及環(huán)境配置等);
四、嵌入式軟件開發(fā)：精通Linux操作系統(tǒng)的概念和安裝方法、Linux下的基本命令、管理配置和編輯器，包括VI編輯器，GCC編譯器，GDB調(diào)試器和 Make 項(xiàng)目管理工具等知識(shí);精通C語(yǔ)言的高級(jí)編程知識(shí)，包括函數(shù)與程序結(jié)構(gòu)、指針、數(shù)組、常用算法、庫(kù)函數(shù)的使用等知識(shí)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)內(nèi)容，包括鏈表、隊(duì)列等;掌握面向?qū)ο缶幊痰幕舅枷耄约癈++語(yǔ)言的基礎(chǔ)內(nèi)容;精通嵌入式Linux下的程序設(shè)計(jì)，精通嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境，包括系統(tǒng)編程、文件I/O、多進(jìn)程和多線程、網(wǎng)絡(luò)編程、GUI圖形界面編程、數(shù)據(jù)庫(kù);熟悉常用的圖形庫(kù)的編程，如QT、GTK、miniGUI、fltk、nano-x等。
公司的日常活動(dòng)還是看公司的規(guī)模，大一點(diǎn)的一般只是讓你負(fù)責(zé)一個(gè)模塊，這樣你就要精通一點(diǎn)。若是公司比較小的話估計(jì)要你什么都做一點(diǎn)。還要了解點(diǎn)硬件的東西。
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說(shuō)了這么多，依據(jù)我個(gè)人經(jīng)驗(yàn)而言，做嵌入式和純軟件的最大區(qū)別在于：
純軟學(xué)習(xí)的是一門語(yǔ)言，例如C,C++,java,甚至Python，語(yǔ)言說(shuō)到底只是一門工具，就像學(xué)會(huì)英語(yǔ)法語(yǔ)日語(yǔ)一樣。
但嵌入式學(xué)習(xí)的是軟件+硬件，通俗的講，它學(xué)的是做系統(tǒng)做產(chǎn)品，講究的是除了具體的語(yǔ)言工具，更多的是如何將一個(gè)產(chǎn)品分解為具體可實(shí)施的軟件和硬件，以及更小的單元。
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不少人問(wèn)，將來(lái)就業(yè)到底是選驅(qū)動(dòng)還是選應(yīng)用？只能說(shuō)憑興趣，并且驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用并不是截然分開的。具體原因有如下幾點(diǎn)：
1）我們說(shuō)的驅(qū)動(dòng)，其實(shí)并不局限于硬件的操作，還有操作系統(tǒng)的原理、進(jìn)程的休眠喚醒調(diào)度等概念。想寫出一個(gè)好的應(yīng)用，想比較好的解決應(yīng)用碰到的問(wèn)題，這些知識(shí)大家應(yīng)該都懂。
2）做應(yīng)用的發(fā)展路徑個(gè)人認(rèn)為就是業(yè)務(wù)純熟。比如在通信行業(yè)、IPTV行業(yè)、手機(jī)行業(yè)，行業(yè)需求很了解。
3）做驅(qū)動(dòng)，其實(shí)不能稱為“做驅(qū)動(dòng)”，而是可以稱為“做底層系統(tǒng)”，做好了這是通殺各行業(yè)。比如一個(gè)人工作幾年，做過(guò)手機(jī)、IPTV、會(huì)議電視，但是這些產(chǎn)品對(duì)他毫無(wú)差別，因?yàn)樗蛔龅讓印．?dāng)應(yīng)用出現(xiàn)問(wèn)題，解決不了時(shí)，他就可以從內(nèi)核角度給他們出主意，提供工具。做底層的發(fā)展方向，應(yīng)該是技術(shù)專家。
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4）其實(shí)，做底層還是做應(yīng)用，之間并沒(méi)有一個(gè)界線，有底層經(jīng)驗(yàn)，再去做應(yīng)用，會(huì)感覺(jué)很踏實(shí)。有了業(yè)務(wù)經(jīng)驗(yàn)，再了解一下底層，很快就可以組成一個(gè)團(tuán)隊(duì)。
嵌入式Linux底層系統(tǒng)包含哪些東西？
嵌入式Linux里含有bootloader, 內(nèi)核, 驅(qū)動(dòng)程序、根文件系統(tǒng)這4大塊。
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一、bootloader
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它就是一個(gè)稍微復(fù)雜的裸板程序。但是要把這裸板程序看懂寫好一點(diǎn)都不容易。Windows下好用的工具弱化了我們的編程能力。很多人一玩嵌入式就用ADS、KEIL。能回答這幾個(gè)問(wèn)題嗎？
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Q:一上電，CPU從哪里取指令執(zhí)行？
A:一般從Flash上指令。
Q:但是Flash一般是只能讀不能直接寫的，如果用到全局變量，這些全局變量在哪里？
A:全局變量應(yīng)該在內(nèi)存里。
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Q:那么誰(shuí)把全局變量放到內(nèi)存里去？
A:長(zhǎng)期用ADS、KEIL的朋友，你能回答嗎？這需要"重定位"。在ADS或KEIL里，重定位的代碼是制作這些工具的公司幫你寫好了。你可曾去閱讀過(guò)？
Q:內(nèi)存那么大，我怎么知道把"原來(lái)存在Flash上的內(nèi)容"讀到內(nèi)存的"哪個(gè)地址去"？
A:這個(gè)地址用"鏈接腳本"決定，在ADS里有scatter文件，KEIL里也有類似的文件。但是，你去研究過(guò)嗎？
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Q:你說(shuō)重定位是把程序從Flash復(fù)制到內(nèi)存，那么這個(gè)程序可以讀Flash啊？
A:是的，要能操作Flash。當(dāng)然不僅僅是這些，還有設(shè)置時(shí)鐘讓系統(tǒng)運(yùn)行得更快等等。
先自問(wèn)自答到這里吧，對(duì)于bootloader這一個(gè)裸板程序，其實(shí)有3部分要點(diǎn)：
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①對(duì)硬件的操作
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對(duì)硬件的操作，需要看原理圖、芯片手冊(cè)。這需要一定的硬件知識(shí)，不要求能設(shè)計(jì)硬件，但是至少能看懂; 不求能看懂模擬電路，但是要能看懂?dāng)?shù)字電路。這方面的能力在學(xué)校里都可以學(xué)到，微機(jī)原理、數(shù)字電路這2本書就足夠了。想速成的話，就先放掉這塊吧，不懂就GOOGLE、發(fā)貼。另外，芯片手冊(cè)是肯定要讀的，別去找中文的，就看英文的。開始是非常痛苦，以后就會(huì)發(fā)現(xiàn)那些語(yǔ)法、詞匯一旦熟悉后，讀任何芯片手冊(cè)都很容易。
②對(duì)ARM體系處理器的了解
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對(duì)ARM體系處理器的了解,可以看杜春蕾的
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③程序的基本概念：重定位、棧、代碼段數(shù)據(jù)段BSS段等
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程序的基本概念，王道當(dāng)然是去看編譯原理了。可惜，這類書絕對(duì)是天書級(jí)別的。若非超級(jí)天才還是別去看了。可以看韋東山的<嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊(cè)>。
對(duì)于bootloader，可以先看
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總結(jié)一下，看懂硬件原理圖、看芯片手冊(cè)，這都需要自己去找資料。
二、內(nèi)核
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想速成的人，先跨過(guò)內(nèi)核的學(xué)習(xí)，直接學(xué)習(xí)怎么寫驅(qū)動(dòng)。
想成為高手，內(nèi)核必須深刻了解。注意，是了解，要對(duì)里面的調(diào)度機(jī)制、內(nèi)存管理機(jī)制、文件管理機(jī)制等等有所了解。
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推薦兩本書：
1. 通讀
2. 選讀
三、驅(qū)動(dòng)
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驅(qū)動(dòng)包含兩部分：硬件本身的操作、驅(qū)動(dòng)程序的框架。又是硬件，還是要看得懂原理圖、讀得懂芯片手冊(cè)，多練吧。
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①硬件本身的操作
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說(shuō)到驅(qū)動(dòng)框架，有一些書介紹一下。LDD3,即
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②驅(qū)動(dòng)程序的框架
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驅(qū)動(dòng)方面比較全的介紹，應(yīng)該是宋寶華的
把手上的開發(fā)板所涉及的硬件，都去嘗試寫一個(gè)驅(qū)動(dòng)吧。有問(wèn)題就先"痛苦地思考"，思考的過(guò)程中會(huì)把很多不相關(guān)的知識(shí)串聯(lián)起來(lái)，最終貫通。
四、根文件系統(tǒng)
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大家有沒(méi)有想過(guò)這2個(gè)問(wèn)題：?
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Q:對(duì)于Linux做出來(lái)的產(chǎn)品，有些用作監(jiān)控、有些做手機(jī)、有些做平板。那么內(nèi)核啟動(dòng)后，掛載根文件系統(tǒng)后，應(yīng)該啟動(dòng)哪一個(gè)應(yīng)用程序呢？
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A:內(nèi)核不知道也不管應(yīng)該啟動(dòng)哪一個(gè)用戶程序。它只啟動(dòng)init這一個(gè)應(yīng)用程序，它對(duì)應(yīng)/sbin/init。
顯然，這個(gè)應(yīng)用程序就要讀取配置文件，根據(jù)配置文件去啟動(dòng)用戶程序(監(jiān)控、手冊(cè)界面、平板界面等等，這個(gè)問(wèn)題提示我們，文件系統(tǒng)的內(nèi)容是有一些約定的，比如要有/sbin/init，要有配置文件 。
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Q:你寫的hello,world程序，有沒(méi)有想過(guò)里面用到的printf是誰(shuí)實(shí)現(xiàn)的？
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A:這個(gè)函數(shù)不是你實(shí)現(xiàn)的，是庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。它運(yùn)行時(shí)，得找到庫(kù)。
這個(gè)問(wèn)題提示我們，文件系統(tǒng)里還要有庫(kù)。
簡(jiǎn)單的自問(wèn)自答到這里，要想深入了解，可以看一下busybox的init.c，就可以知道init進(jìn)程做的事情了。
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當(dāng)然，也可以看<嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊(cè)>里構(gòu)建根文件系統(tǒng)那章。
嵌入式Linux學(xué)習(xí)書籍推薦
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1. 硬件方面的書:?微機(jī)原理、數(shù)字電路，高校里的教材。
2. Linux方面的書：
<嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊(cè)>
在做驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，肯定會(huì)用到與內(nèi)核相關(guān)的東西，或者需要和內(nèi)核中的某些模塊配合，這樣你也要理解內(nèi)核的某些部分是如何實(shí)現(xiàn)的，最后，你應(yīng)該可以很好的掌握Linux的內(nèi)核整體框架是什么。
這些都是進(jìn)步，都是在你一次又一次的開發(fā)中需要總結(jié)的東西，如果你不總結(jié)，永遠(yuǎn)都是從頭開始（或者說(shuō)永遠(yuǎn)都是還沒(méi)看懂別人代碼為什么這么做的時(shí)候，就去改它，然后可以工作了），就完事了，這樣你永遠(yuǎn)也不可能提高，最后你就有了現(xiàn)在的這種感覺(jué)，覺(jué)得自己什么都不是，什么都不懂。
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還有一點(diǎn)要說(shuō)明的，現(xiàn)在有許多人搞Linux開發(fā)，卻不去用Linux系統(tǒng)做為自己工作的平臺(tái)，在這種情況下，你很難理解Linux內(nèi)核的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，以及為什么要采用這種方式實(shí)現(xiàn)。
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你都沒(méi)用過(guò)Linux系統(tǒng)，就想去實(shí)現(xiàn)一個(gè)與Linux運(yùn)行機(jī)理相符合的項(xiàng)目，這是不可能的。就是你這個(gè)項(xiàng)目成功了，它也肯定不是最優(yōu)的，或者是不符合Linux的使用習(xí)慣的（包括內(nèi)核的擴(kuò)展和應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)）。
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