嵌入式Linux学习路线图(驱动方向)

yaneng 2020-05-09

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

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