嵌入式Linux学习路线图（驱动方向）

作者：韦东山。（有删改）

韦东山：我是1999年上的大学，物理专业。在大一时，我们班里普遍弥漫着对未来的不安，不知道学习了物理后出去能做什么。你当下的经历、当下的学习，在未来的一天肯定会影响到你。毕业后我们也各自找到了自己的职业：出国深造转行做金融、留校任教做科研、设计芯片、写程序、创办公司等等，这一切都离不开在校时学到的基础技能（数学、IT、电子电路）、受过煅炼的自学能力。

所以，各位正在迷茫的在校生，各位正在尝试转行的程序员，未来一定有你的位置，是好是坏取决于你当下的努力与积累。

我不能预言几年后什么行业会热门，也不能保证你照着本文学习可以发财。我只是一个有十几年经验的程序员，给对编程有兴趣的你，提供一些建议。

程序员的三大方向

程序员的方向，一般可以分为3类：专业领域、业务领域、操作系统领域。

你了解它们后，按兴趣选择吧。对于专业领域，我提供不了建议。业务，也就是应用程序，它跟操作系统并不是截然分开的：

①开发实体产品时，应用程序写得好的人，有时候需要操作系统的知识，比如调度优先级的设置、知道某些函数可能会令进程休眠。

②写应用程序的人进阶为系统工程师时，他需要从上到下都了解，这时候就需要有操作系统领域的知识了，否则，你怎么设计整个系统的方案呢？

③做应用程序的人，需要了解行业的需求，理解业务的逻辑。所以，当领导的人，多是做应用的。一旦钻入了某个行业，很难换行业。

④而操作系统领域，做好了这是通杀各行业：他只负责底层系统，在上面开发什么业务跟他没关系。这行很多是技术宅，行业专家。

⑤操作系统和业务之间并没有一个界线。有操作系统经验，再去做应用，你会对系统知根知底，碰到问题时都有解决思路。有了业务经验，你再了解一下操作系统，很快就可组成一个团队自立门户，至少做个CTO没问题。

专业领域

它又可以分为下面2类。

学术研究

比如语音、图像处理、人工智能，这类工作需要你有比较强的理论知识，我倾向于认为这类人是“科学家”，他们钻研多年，很多时候是在做学术研究。

在嵌入式领域，需要把他们的成果用某种算法表达出来，针对某种芯片进行优化，这部分工作也许有专人来做。

工程实现

也有这样一类人，他们懂得这些专业领域的概念，但是没有深入钻研。可以使用各类开源资料实现某个目标，做出产品。比如图像处理，他懂得用opencv里几百个复杂函数来实现头像识别。有时候还可以根据具体芯片来优化这些函数。

“专业领域”不是我的菜，如果你要做这一块，我想最好的入门方法是在学校学习研究生、博士课程。

业务领域

换句话说，就是应用程序，这又可以分为下面2类。

界面显示

做产品当然需要好的界面，但是，不是说它不重要，是没什么发展后劲。

现在的热门词是AndroidAPP和IOS APP开发。你不要被Android、IOS两个词骗了，它们跟以前的VC、VB是同一路货色，仅仅是一套GUI控件的实现不同。

希望没有冒犯到你，我有理由。

一个程序需要有GUI界面，但是程序的内在逻辑才是核心。Android、IOS的开发工具给我们简化了GUI的开发，并提供了这些控件的交互机制，封装并提供了一些服务(比如网络传输)。

但是程序内部的业务逻辑、对视频图像声音的处理等等，这才是核心。另外别忘了服务器那边的后台程序：怎样更安全地保存数据、保护客户的隐私，怎样处理成千上万上百万的并发访问，等等，这也是核心。

但是，从Android、IOS APP入门入行，这很快！如果你是大四，急于找到一份工作，那么花上1、2个月去学习Android或IOS，应该容易找到工作，毕竟APP的需求永远是最大的，现在这两门技术还算热门。在2011、2012年左右，Android程序员的起薪挺高，然后开始下滑。Android APP的入门基本只要1个月，所以懂的人也越来越多。2013、2014年，IOS开发的工资明显比Android高了，于是各类IOS培训也火曝起来。中华大地向来不缺速成人才，估计再过一阵子IOS工程师也是白菜价了。会Android、IOS只是基本要求，不信去51job搜搜Android或IOS，职位要求里肯定其他要求。

业务逻辑

举个简单例子，做一个打卡软件，你需要考虑这些东西：

• 正常流程是上班下班时都要打卡
• 有人忘记了怎么办？作为异常记录在案，推送给管理员
• 请假时怎么处理？
• 加班怎么处理？

对于更复杂的例子，视频会议系统里，各个模块怎么对接，各类协议怎么兼容，你不深入这个行业，根本搞不清楚。

应用开发的职位永远是最多的，入门门槛也低。基本上只要你会C语言，面试时表现比较得体，一般公司都会给你机会。因为：

• 你进公司后，还需要重新培训你：熟悉它们的业务逻辑。
• 你要做的，基本也就是一个个模块，框架都有人给你定好了，你去填代码就可以了。

说点让你高兴的事：软件公司里，做领导的基本都是写应用程序的（当然还有做市场的）。写应用程序的人，对外可以研究市场接待客户，对内可以管理程序员完成开发，不让他做领导让谁做？

如果你的志向是写应用程序，那么我建议你先练好基本功：数据结构、算法是必备，然后凭兴趣选择数据库、网络编程等等进行深入钻研。最后，选择你看好的、感兴趣的行业深耕个10年吧。

做应用开发的人选择了某个行业，后面是很难换行业的，选行很重要！

操作系统领域

UCOS太简单，VxWorks太贵太专业，Windows不玩嵌入式了，IOS不开源，所以对于操作系统领域我们也只能玩Linux了。在嵌入式领域Linux一家独大！

Android呢？Android跟QT一样，都是一套GUI系统。只是Google的实力太强了，现在Android无处不在，所以很多时候Linux+Android成了标配。注意，在这里我们关心的是Android的整个系统、里面的机制，而不是学习几个API然后开发界面程序。

操作系统领域所包含的内容，简单地说，就是制作出一台装好系统的专用“电脑”，可以分为：

• 为产品规划硬件：按需求、性能、成本选择主芯片，搭配周边外设，交由硬件开发人员设计。
• 给单板制作、安装操作系统、编写驱动
• 定制维护、升级等系统方案
• 还可能要配置、安装Android等GUI系统：
• 为应用开发人员配置开发环境
• 从系统角度解决疑难问题

这个领域，通常被称为“底层系统”或是“驱动开发”。

2个常见误区：

Q：这份工作是写驱动程序吗？

A：看看上面罗列的6点，应该说，它包含驱动开发，但远远不只有驱动开发。

Q：我们还需要写驱动吗？不是有原厂吗？或者只需要改改就可以？

A：经常有人说，芯片原厂都做好驱动了，拿过来改改就可以了。如果，你的硬件跟原厂的公板完全一样，原厂源码毫无BUG，不想优化性能、削减成本，不想做一些有特色的产品，那这话是正确的。但是在这个不创新就是找死的年代，可能吗？！原因有二：

• 即使只是修改代码，能修改的前提是能理解；能理解的最好煅炼方法是从零写出若干驱动程序
• 很多时候，需要你深度定制系统。

以前做联发科手机只需要改改界面就可以出货了，现在山寨厂一批批倒下。大家都使用原厂的方案而不加修改时，最后只能拼成本。

举个例子，深圳有2家做交通摄像头、监控摄像头的厂家，他们曾经找我做过4个项目：

①改进厂家给的SD卡驱动性能，使用DMA。

②换了Flash型号后，系统经常出问题，需要修改驱动BUG。

③触摸屏点击不准，找原因，后来发现是旁路电容导致的。

④裁减成本，把4片DDR换为2片DDR，需要改bootloader对DDR的初始化。

这些项目都很急，搞不定就无法出货，这时候找原厂？除非你是中兴华为等大客户，否则谁理你？

我在中兴公司上班时，写驱动的时间其实是很少的，大部分时间是调试：系统调优，上帮APP工程师、下帮硬件工程师查找问题。我们从厂家、网上得到的源码，很多都是标准的，当然可以直接用。但是在你的产品上也许优化一下更好。比如我们可以把摄像头驱动和DMA驱动揉合起来，让摄像头的数据直接通过DMA发到DSP去。

我们可以在软件和硬件之间起桥梁作用，对于实体产品，有可能是软件出问题也可能是硬件出问题，一般是底层系统工程师比较容易找出问题。当硬件、软件应用出现问题，他们解决不了时，从底层软件角度给他们出主意，给他们提供工具。再比如方案选择：芯片性能能否达标、可用的BSP是否完善等等，这只能由负责整个方案的人来考虑，他必须懂底层。

在操作系统领域，对知识的要求很多：

• 懂硬件知识才能看懂电路图
• 英文好会看芯片手册
• 有编写、移植驱动程序的能力
• 对操作系统本身有一定的理解，才能解决各类疑难问题
• 理解Android内部机制
• 懂汇编、C语言、C++、JAVA

它绝对是一个大坑，没有兴趣、没有毅力的人慎选：

• 这行的入门，绝对需要半年以上，即使全天学习也要半年。

• 它的职位，绝对比APP的职位少

• 并且你没有1、2年经验，招你到公司后一开始你做的还是APP。

优点就是：

• 学好后，行业通杀，想换行就换行；想自己做产品就自己做产品。
• 相比做应用程序的人，不会被经常变动的需求搞得天天加班。
• 门槛高，当然薪水相对就高。

操作系统领域，我认为适合于这些人：

1、硬件工程师想转软件工程师，从底层软件入门会比较好

2、单片机工程师，想升级一下。会Linux底层的人肯定会单片机，会单片机的人不一定会Linux。

3、时间充足的学生：如果你正读大二大三，那么花上半年学习嵌入式Linux底层多有益处。

4、想掌握整个系统的人，比如你正在公司里写APP，但是想升为系统工程师，那么底层不得不学。

5、想自己创业做实体产品的工程师，你有钱的话什么技术都不用学，但是如果没钱又想做产品，那么Linux底层不得不学。

6、做Linux APP的人，没错，他们也要学习。

这部分人不需要深入，了解个大概就可以：bootloader是用来启动内核，Linux的文件系统(第1个程序是什么、做什么、各目录干嘛用)、APP跟驱动程序的调用关系、工具链，有这些概念就可以了。

嵌入式Linux+安卓

嵌入式Linux+Android系统包含哪些内容：

• 【uboot、kernel】电脑一开机，那些界面是谁显示的？

是BIOS，它做什么？一些自检，然后从硬盘上读入windows，并启动它。

类似的，这个BIOS对应于嵌入式Linux里的bootloader。这个bootloader要去Flash上读入Linux内核，并启动它。

• 【rootfs、app】启动windows的目的是什么？

当然运行应用程序以便上网、聊天什么的了。这些上网程序、聊天程序在哪？在C盘、D盘上。所以，windows要先识别出C盘、D盘。在Linux下我们称之为根文件系统。

• 【driver】windows能识别出C盘、D盘，那么肯定有读写硬盘的能力。

这个能力我们称之为驱动程序。当然不仅仅是操作硬盘，还有网卡、USB等等其他硬件。嵌入式Linux能从Flash上读出并执行应用程序，肯定也得有Flash的驱动程序啊，当然也不仅仅是Flash。

简单地说，嵌入式LINUX系统里含有：bootloader、内核、驱动程序、根文件系统、应用程序这5大块。

Android系统只是多了2个部分：Android系统本身、Android应用程序。

Android跟Linux的联系实在太大了，它的应用是如此广泛，学习了Linux之后没有理由停下来不学习Android。在大多数智能设备中，运行的是Linux操作系统；它上面要么安装有Android，要么可以跟Android手机互联。现在，Linux+Android已成标配。

怎么学习嵌入式Linux操作系统？

本文假设您是零基础，以实用为主，用最快的时间让你入门；后面也会附上想深入学习时可以参考的资料。在实际工作中，我们从事的是“操作系统”周边的开发，并不会太深入学习、修改操作系统本身。

①操作系统具有进程管理、存储管理、文件管理和设备管理等功能，这些核心功能非常稳定可靠，基本上不需要我们修改代码。我们只需要针对自己的硬件完善驱动程序

②学习驱动时必定会涉及其他知识，比如存储管理、进程调度。当你深入理解了驱动程序后，也会加深对操作系统其他部分的理解

③Linux内核中大部分代码都是设备驱动程序，可以认为Linux内核由各类驱动构成。但是，要成为该领域的高手，一定要深入理解Linux操作系统本身，要去研读它的源代码。

在忙完工作，闲暇之余，可以看看这些书：

• 赵炯的《Linux内核完全注释》，这本比较薄，推荐这本。他后来又出了《Linux内核完全剖析》，太厚了，搞不好看了后面就忘记前面了。
• 毛德操、胡希明的《LINUX核心源代码情景分析》，此书分上下册，巨厚无比。当作字典看即可：想深入理解某方面的知识，就去看某章节。
• 其他好书还有很多，我没怎么看，没有更多建议。

零基础快速入门

基于快速入门，上手工作的目的，您先不用看上面的书，先按本文学习。

假设您是零基础，我们规划了如下入门路线图。

前面的知识，是后面知识的基础，建议按顺序学习。每一部分，不一定需要学得很深入透彻

C语言

• 基本语法
• 结构体、指针

PC-Linux

• 常见命令
• 开发环境配置

硬件知识

• 原理图、芯片手册
• 各类通讯协议

我们学习硬件知识的目的在于能看懂原理图，看懂通信协议，看懂芯片手册；不求能设计原理图，更不求能设计电路板。对于正统的方法，你应该这样学习：

①学习《微机原理》，理解一个计算机的组成及各个部件的交互原理。

②学习《数字电路》，理解各种门电路的原理及使用，还可以掌握一些逻辑运算（与、或等）。

裸机程序

概述：

从简单的裸机开发入手，先掌握硬件操作。对于基于ARM+Linux的裸机学习，这么做可以学得更深，并且更贴合后续的Linux学习。

驱动程序 = Linux驱动程序软件框架 + ARM开发板硬件操作

实际上这个部分就是Linux下的单片机学习，只是一切更加原始：所有的代码需要你自己来编写；哪些文件加入工程，需要你自己来管理。

一切从零编写代码、管理代码，可以让我们学习到更多知识：

• 需要了解芯片的上电启动过程，知道第1条代码如何运行
• 需要掌握怎么把程序从Flash上读入内存
• 需要理解内存怎么规划使用，比如栈在哪，堆在哪
• 需要理解代码重定位
• 需要知道中断发生后，软硬件怎么保护现场、跳到中断入口、调用中断程序、恢复现场

你会知道：

• main函数不是我们编写的第1个函数；

• 芯片从上电开始，程序是怎么被搬运执行的；

• 函数调用过程中，参数是如何传递的；

• 中断发生时，每一个寄存器的值都要小心对待；

• 程序的组成：代码段、数据段、BSS段

• 程序的运行：上电复位、代码重定位、位置无关码、CPU异常/中断

• 驱动硬件：时钟，内存，中断，GPIO，IIC，SPI，Flash，LCD等

学习裸机开发的目的有两个：

①掌握裸机程序的结构，为后续的u-boot作准备

②练习硬件知识，即：怎么看原理图、芯片手册，怎么写代码来操作硬件

后面的u-boot可以认为是裸机程序的集合，我们在裸机开发中逐个掌握各个部件，再集合起来就可以得到一个u-boot了。后续的驱动开发，也涉及硬件操作，你可以在裸机开发中学习硬件知识。

注意：如果你并不关心裸机的程序结构，不关心bootloader的实现，这部分是可以先略过的。

推荐两本书：杜春蕾的《ARM体系结构与编程》，韦东山的《嵌入式Linux应用开发完全手册》。

BootLoader

概述：

如果你是软件工程师，无论是ARM9、ARM11、A8还是A9，对我们来说是没有差别的。一款芯片，上面有CPU，还有众多的片上设备(比如UART、USB、LCD控制器)。我们写程序时，并不涉及CPU，只是去操作那些片上设备。

所以：差别在于片上设备，不在于CPU核；差别在于寄存器操作不一样。

因为我们写驱动并不涉及CPU的核心，只是操作CPU之外的设备，只是读写这些设备的寄存器。

学习目标：

• uboot框架、修改uboot命令、uboot启动内核的细节
• 移植uboot的方法

学习方法：

①先学习《从零编写bootloader》，这可以从最少的代码理解bootloader的主要功能

②再看书上对u-boot的讲解，并结合《分析u-boot 1.1.6的视频》来理解

③最后，有时间有兴趣的话，看《移植一个全新u-boot的视频》，这不是必须的。

学习程度：

①理解u-boot的启动过程，特别是u-boot代码重定位：怎么从Flash上把自己读入内存

②理解u-boot的核心：命令

③知道bootloader如何给内核传递参数

④知道bootloader是根据“bootcmd”指定的命令启动内核

⑤作为入门：只求理解，不要求能移植u-boot

内核

描述：内核本身不是我们学习的重点，但是了解一下内核的启动过程，还是很有必要的：工作中有可能要修改内核以适配硬件，掌握了启动过程才知道去修改哪些文件。

• 结合代码分析内核启动流程
• 配置、移植内核

学习程度：

①知道机器ID的作用，根据机器ID找到单板对应的文件

②知道Makefile、Kconfig的作用，知道怎么简单地配置内核

③知道怎么修改分区

④作为入门：只求理解，不要求能移植

文件系统

概述：

在驱动程序开发阶段，我们喜欢搭建一个最小根文件系统来调试驱动；

在开发应用程序时，也需要搭建文件系统，把各种库、配置文件放进去；

在发布产品时，你还需要修改配置文件，使得产品可以自动运行程序；

甚至你想实现插上U盘后自动启动某个程序，这也要要修改配置文件；

这一切，都需要你理解根文件系统的构成，理解内核启动后是根据什么配置文件来启动哪些应用程序。

学习内容：

• init进程
• 构建最小根文件系统，烧写到单板上

学习程度：

①理解配置文件的作用

②知道根文件系统中lib里的文件来自哪里

③可以制作、烧写文件系统映象文件

字符驱动设备

描述：

对每一个驱动，先了解硬件原理，然后从零写代码，从简单到复杂，逐渐完善它的功能。再次申明：即使照抄也要写代码！

以LED、按键驱动为例，练习开发过程中碰到的机制：查询、休眠-唤醒、中断、异步通知、poll、同步、互斥等等。后续更复杂的驱动程序，就是在这些机制的基础上，根据硬件特性设计出精巧的软件框架。

学习内容：

• 设备框架
• 应用与驱动的关系
• 查询、中断、休眠唤醒、poll、异步、同步、互斥、阻塞

学习路线：

• 字符设备驱动程序之概念介绍、编写编译、测试改进、操作LED
• 字符设备驱动程序之查询方式的按键驱动程序
• 字符设备驱动程序之中断方式的按键驱动：Linux异常处理结构、Linux中断处理结构、编写代码、poll机制、异步通知、同步互斥阻塞、定时器防抖动
• 输入子系统概念介绍、编写驱动程序
  • 应用程序、库、内核、驱动程序的关系
  • Linux驱动程序的分类和开发步骤
  • 驱动程序的加载和卸载
• 字符设备驱动程序开发
  • 字符设备驱动程序中重要的数据结构和函数
  • LED驱动程序源码分析
• Linux异常处理体系结构
  • Linux异常处理体系结构概述
  • Linux异常处理的层次结构
  • 常见的异常
• Linux中断处理体系结构
  • 中断处理体系结构的初始化
  • 用户注册中断处理函数的过程
  • 中断的处理过程
  • 卸载中断处理函数
  • 使用中断的驱动程序示例
  • 按键驱动程序源码分析、测试程序情景分析

学习方法：

①沿着数据流向，从应用程序的对驱动程序的使用进行情景分析。

所谓情景分析，就是假设应用程序发起某个操作，你去分析其中的运作过程。比如应用程序调用open、read、ioctl等操作时涉及驱动的哪些函数调用。你要思考一个问题：一个应用程序，怎么获得按键信息，怎么去控制LED。把其中数据的流向弄清楚了，对字符驱动程序也就基本理解了。

②学习异常和中断时，可以结合书和视频；对于驱动程序中其他内容的学习，可以不看书。

常见驱动

概述：

学习不同的驱动有2个好处：

1、在你工作中遇到同类驱动时提供借鉴
2、供你学习、练习，煅炼阅读驱动程序的“语感”，提升编写程序的能力，增加调试经验

也许有人说：在工作中我们基本上只是移植、修改驱动而已，很少从头编写。这话没错，但是能修改的前提是理解；想更好地理解，最好的方法是从零写一个出来。在学习阶段，不要怕耗费太多时间，从零开始编写，慢慢完善它，在这过程中你既理解了这个驱动，也煅炼了能力，做到触类旁通。

学习内容：

• 输入子系统、输出系统（LCD）、USB设备驱动，块设备（FLASH）驱动、网卡驱动，IIC，SPI,声卡，摄像头，热插拔。

学习方法：

①再次强调，不能光看不练：一定要写程序，即使照抄也得写

②必学：LCD、触摸屏、NAND Flash、Nor Flash、hotplug_uevent机制

③学完之后，强烈建议换一个不同的开发板，尝试在新板上写驱动程序。

直到你自认为：

①给你一个新板，你可以很快实现相关驱动

②给你一个新硬件，你可以很快给它编写/移植驱动。

按视频学习会一切顺利，很多问题你可能没想到、没想通，换一个新板会让你真正掌握。

学习路线：

• 驱动程序分层分离概念、总线驱动设备模型
• LCD驱动程序
• 触摸屏驱动程序
• USB驱动程序
• 块设备驱动程序
• NAND FLASH驱动程序
• NOR FLASH驱动程序
• 网卡驱动程序
• 移植DM9000C驱动程序
• 内核下的I2C驱动程序
• 声卡驱动程序
• DMA驱动程序
• hotplug_uevent机制
• 摄像头驱动：虚拟驱动vivi、USB摄像头、CMOS摄像头
• WIFI网卡驱动程序移植、3G网卡驱动程序移植

调试

有一种说法，程序是三分写七分调。

驱动调试：

• JTAG原理与调试
• printk的使用
• 打印到proc虚拟文件
• 根据pc值确定出错的代码位置、根据栈信息确定函数调用过程
• 自制工具：寄存器编辑器
• 修改系统时钟中断定位系统僵死问题

应用调试：

• 使用strace命令跟踪系统调用
• 使用gdb和gdbserver
• 配置修改内核打印用户态段错误信息
• 应用调试之自制系统调用
• 输入模拟器之设计，思路、编写保存功能、编写测试模拟功能