嵌入式學習基礎

ID:183246 · 發表于 2017-3-30 17:44

微機原理：理解ARM微處理器的工作原理
操作系統原理：理解Linux操作系統的工作原理
電子技術基礎：理解基于ARM的嵌入式設備的電路原理圖，編寫Linux驅動程序的基礎
匯編語言：閱讀、編寫Bootloader和Linux內核源代碼(包括驅動程序)
C語言：閱讀、編寫Bootloader和Linux內核源代碼(包括驅動程序)，閱讀、編寫Linux應用程序
C++語言：閱讀、編寫Linux圖形應用程序
Java語言：Android編程

設計一個ARM+Linux設備，分為硬件設計和軟件設計。硬件設計不用多說，軟件設計是我們討論的重點�；贏RM的嵌入式設備，實際上就是一種簡化版的電腦加上特定功能的硬件。通用的PC在開機啟動時，首先會運行主板上的BIOS，然后才啟動操作系統;對應于ARM設備，開機時首先啟動 Bootloader，初始化硬件，然后Bootloader將Linux內核(2MBytes左右)搬到內存中，然后Linux在內存中運行，接管整個設備的管理運行。所以學習嵌入式Linux，首先要學習Bootloader。

Linux用的Bootloader種類比較多，都是開放源代碼的，現在比較流行用u-boot。Bootloader的源代碼是用匯編語言和C語言編寫的，所以要有匯編語言和C語言基礎，匯編語言代碼在全部代碼中僅占1%的比例，絕大部分代碼是C語言代碼。Bootloader代碼經過編譯器編譯成ARM可執行的映像文件，大小在幾十kBytes至幾百kBytes。這個映像文件通過專用的接口(JTAG)和專用的軟件燒寫到ARM的 FlashROM上。在網上可以下載Bootloader源代碼，因為每一種嵌入式設備的硬件不盡相同，所以下載來的源代碼不一定完全適用于當前的硬件，要根據硬件的配置對Bootloader源代碼進行一些修改，這一步叫做Bootloader的移植。

學完Bootloader移植，下一步就是Linux內核的移植和驅動程序的編寫。與Bootloader類似，Linux內核的移植也是根據硬件情況對Linux內核源代碼進行修改，讓Linux內核能在硬件開發板上運行起來。Linux內核源代碼可到相關網站下載，移植的過程主要是針對核心硬件(MPU、內存、FlashROM)修改Linux內核源代碼，讓Linux內核能在開發板上運行起來。Linux內核源代碼修改完成后，經過編譯生成 Linux內核映像文件，可在開發板的內存中運行;Linux內核映像文件并不大，一般在2MBytes左右。Linux內核移植完成后，雖然Linux 已可在硬件上運行，但是很多外圍硬件(如LCD、鍵盤、鼠標等)并沒有被驅動起來，所以下一步就是外圍硬件的驅動程序編寫。與PC上常用的Windows 操作系統不同，Linux的驅動程序是在內核里面的，不能像Windows那樣方便地安裝硬件驅動程序。Linux硬件驅動程序代碼寫好后，放在內核源代碼中，再重新編譯Linux內核，重新運行內核后才能在Linux上操作對應硬件。

Linux的文件系統與Windows也不相同。Windows的內核和文件系統是一體的，在WIndows的資源管理器中可查看全部內核文件和應用程序文件。Linux內核是一個單獨的文件，而所有應用程序卻都放在一個稱為文件系統的文件包內，這樣做的好處是內核和應用程序是分割開的，利于內核的穩定，即使應用程序崩潰了，也不會影響到內核，在文件系統中處理應用文件時也不會誤刪除內核，所以Linux比Windows穩定得多。類似于 Windows中的磁盤分區，Linux內核映像占一個單獨分區，文件系統必須在別的分區上。Linux內核運行以后，會尋找文件系統對應的那個包(分區)，并掛載這個包，稱作文件系統掛載。文件系統掛載上以后，可以用與Windows資源管理器類似的方法管理應用程序，但管理不了內核的任何細節。文件系統里的所有文件都是通過目錄和文件方式管理的。

再下來就是應用程序的編寫了。Linux的應用程序分有圖形顯示的應用程序和無圖形顯示的應用程序。無圖形顯示的應用程序運行起來就像在 Windows的“命令提示符”界面中運行，不需要在顯示屏上顯示任何內容，或僅需要顯示一些簡單字符，這類程序在嵌入式領域用途廣泛，因為很多嵌入式設備是沒有LCD顯示屏的。有圖形顯示的應用程序是在有LCD顯示屏的嵌入式設備上運行的，例如手機。

無圖形顯示的應用程序主要用C語言編寫，直接利用Linux內核提供的編程接口完成各種功能。C語言程序可以實現很多功能，就算是多線程、多進程也都可輕松搞定。Linux內核提供的編程接口都是C語言可直接調用的函數，實際上Linux這種操作系統編程就是C語言編程。

有圖形的應用程序編寫相對復雜一些。Linux本身的編程是基于C語言的，要想讓Linux有圖形顯示，必須給Linux加上一個圖形用戶界面(GUI)，Linux的GUI現在有很多，桌面Linux用的有Gnome、KDE等，嵌入式Linux用Qt、MiniGUI等。這些GUI實際上都是在內核提供的C編程接口的基礎上封裝一些圖形接口，然后做成圖形庫供應用程序調用。Linux的GUI多是開放源代碼的，也有一些商用GUI不開放源代碼。我們可以下載GUI的源代碼，然后用編譯器編譯成庫文件，然后將這些庫文件放到文件系統的特定目錄下。GUI實際上是應用程序的一部分，而不屬于 Linux內核。GUI提供的編程接口多為C/C++接口，所以圖形應用程序常用C語言或C++語言編寫。也有特殊的如Android，提供的是Java 編程接口。所以圖形應用程序編寫需要掌握C/C++編程語言(Java語言)。

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