从零开始的嵌入式Linux生活(一) 背景介绍
文章目录
- 前言
- 本系列文章的主要思想:
- 本系列文章包括:
- 一、什么是嵌入式开发
- 二.嵌入式开发 - 由便宜到贵
- 三.嵌入式开发的基本原理
- 一个美好的假设:
- 再来一个美好的假设
- 美好的假设被打破了 - RTOS系统
- 美好的假设又被打破了 - 嵌入式Linux系统
- 老板飘了 - 安卓系统
前言
近年来(截至2023年3月),随着各种各样的因素:实体经济、米国制裁、芯片热、智能汽车等, 嵌入式软件开发(Embedded Software)越来越火热,众多的芯片公司、应用方案公司、甚至是代理商公司如雨后春笋般成立; 各大招聘网站上“嵌入式开发”“驱动开发”等岗位也成为了热门高薪急招岗位。
作者我本人毕业于19年,在某大厂从事了约大半年的互联网前端开发后,转向了嵌入式开发的领域。 从51单片机开始、到32位MCU、再到嵌入式Linux、嵌入式安卓,一步一步的坚持下来了。 这其中离不开自己的努力,但更多的还是受益于互联网的分享精神。 所以我打算写这个关于嵌入式Linux的全方位指南,一方面是对自己的总结提升,另一方面也是回馈感谢互联网上各位网友的分享。
本系列文章的主要思想:
尽量广泛的介绍嵌入式开发的各个部分,力求涉及面广泛,但不一定很深入。 各位读者对某个部分感兴趣的话再自行了解。
本系列文章包括:
(一)背景介绍:主要介绍什么是嵌入式开发,其中嵌入式Linux开发属于哪个部分
(二)启动准备:开发板硬件平台、环境搭建
(三)入门:架构介绍,编译uboot、kernel、rootfs
(四)uboot介绍
(五)kernel介绍
(六)驱动介绍
(七)rootfs介绍
(八)用户空间应用程序介绍
(九)总结
一、什么是嵌入式开发
根据百度百科定义:
嵌入式开发就是指在嵌入式操作系统下进行开发,包括在系统化设计指导下的硬件和软件以及综合研发。除暂且分离硬件的EDA研发以外,侧重的就是在一定硬件条件下的系统化设计和软件研发。
其实“嵌入式”是一个历史遗留名词,在以前,“嵌入式“是“通用”的反义词。例如:我们的PC机是通用的,其中的CPU、内存条、硬盘都是可以通用的; 而银行ATM、空调、手机、收音机等这类设备,其中的CPU、内存条、硬盘却不是通用的,称之为“嵌入式系统“。
这个时候会有同学提问了:那为什么ATM、空调这种设备不用通用的PC机,而非要玩点花样出来呢? 主要是因为以下几个因素:价格、功耗/性能、体积。
价格:性能好一点的PC机价格动辄上千; 性能差一点的工控机价格也要好几百。
功耗/性能:很多应用场景的功耗限制,比如收音机,还是使用电池供电的。 使用功耗动辄几十瓦的PC机显然不合适。 再说关于性能,用于空调的系统显然不需要PC机那么高的性能。
体积:性能越好的PC机,所需散热也越大;目前比较小的PC机可以做到一本书的大小。嵌入式系统可以做到很小,甚至是一枚硬币的大小。
嵌入式开发,就是指专门在上述的嵌入式系统中进行各种工作。其中根据工作内容又可细分为了几个子类:
- 硬件工程师:
- 硬件工程师:针对特定的需求场景,选型合适的CPU(性能、价格等)、内存、磁盘等器件,并设计出原理图。
- layout工程师: 基于硬件工程师的原理图,使用专门的设计软件(EDA)画出电路板设计图(PCB)。并将PCB设计图提供给工厂,生产出可以实际使用的实物电路板。
- 软件工程师:
- 驱动工程师:基于硬件工程师提供的电路板,使用CPU指定的编程语言(通常是C语言)、编译器,编写出特定的、具备基本功能的代码,能够正常驱动CPU、内存、磁盘工作;也能够间接的通过CPU上的串口、I2C、PCIE等接口控制继电器、红外线、喇叭耳机、有线/无线网卡等设备正常工作。
- 应用工程师:基于驱动工程师调试好的各个外部设备,配合产品的实际需求,将各个设备组合协同工作起来,例如:接收到红外线开机信号后,通过喇叭播放一个开机语音; 或者开机后通过网络HTTP请求上报给服务器,机器已在线。
本文主要会站在驱动工程师的角度,来介绍驱动工程师的工作内容之一 - 嵌入式Linux的开发,当然或多或少的也会接触到硬件、应用相关的一些内容。
二.嵌入式开发 - 由便宜到贵
本文的标题中有“嵌入式Linux”的字样,那么这个时候有好奇的同学就会问了:什么是嵌入式Linux?除了嵌入式Linux难道还有嵌入式Windows? 答案是Yes,其实在嵌入式开发的领域中,是这样的:
正如上文所说,嵌入式设备价格、功耗等各方面的考虑,其系统组成可能极其简单。 以最简单的51单片机为例:
如上述图片所示,这个嵌入式系统的组成就是一个单片机(图中方形的那个芯片)、一个晶振、几个电阻,其中可能只执行一个while(1)无限循环。 而这个单片机的内部组成也十分简单,如下图所示:
不要看这个图片花里胡哨的,这可是我国的核心科技STC51单片机的官网:http://www.stcmcudata.com。无数的嵌入式人才、芯片人才都是从STC一步一步培养出来的。
如上图绿框所示,这个单片机内置了大容量的”12KB”RAM内存,“128KB”ROM(类似于PC机的磁盘)。 看到这里相信你已经有一些体会了,嵌入式系统真的节约啊~。 在这么有限的资源情况下,并不能将Linux、Windows这样的操作系统放上去运行,一个Windows安装包都得4个G,这哪够啊。
因此在嵌入式系统中,根据系统资源的由少到多,其并不一定会运行windows系统,而是可能会运行一些其他的系统,通常所用的操作系统如下:
资源数量 | 操作系统 | 备注 | 代表芯片 |
---|---|---|---|
极少(CPU频率20Mhz RAM20KB ROM64KB) | 裸机,无操作系统 | 整个程序就是while(1)循环,单线程,无屏幕 | STC 51单片机 |
少(CPU频率300Mhz RAM128KB ROM1MB) | 实时操作系统RTOS | 有多线程,可接单色小分辨率屏幕 | STM32 意法半导体单片机 |
中(CPU频率1Ghz RAM 2G ROM 4G) | 嵌入式Linux | 有多线程、有内核和用户空间隔离,可接1080P屏幕 | NXP IMX6 IMX7系列 地平线自动驾驶芯片等 |
多(CPU频率 3Ghz RAM 8G ROM 64G) | 安卓Android | 安卓是嵌入式Linux的升级版本 | 瑞芯微rockchip3399 各种安卓手机 |
裸机编程一般需要自学一个月即可入门,教程请各位自行百度。
RTOS编程可能需要3个月才能入门,教程可前往国内最出名的RTOS系统:https://www.rt-thread.org/ 这里查看。 也可以淘宝购买开发板,一般都附送教程。
Linux编程可能需要9个月才能入门,教程可阅读本系列文章(自卖自夸一波),或者也可以淘宝搜索嵌入式Linux开发板,也会有对应的教程 。
Android编程就更困难了,作者我也不太会。
感兴趣的同学可以自行搜索各个操作系统的代表芯片,看一下其芯片介绍、价格等
三.嵌入式开发的基本原理
这个时候可能有读者又会说了: 你说的我大致明白了,但我还是不知道什么是嵌入式开发。 所以接下来我就以实际的例子来说明:
一个美好的假设:
现在我们想做一台收音机,上面有5个按键12345,可以用来选台。 像这样:
其设计思路如下图所示:
主要有5个部分:
- CPU,用来执行代码,检测开关有无被按下,如果有,则立即控制对应的射频电路。
- 电源,5V电池供电
- 开关,五个按键开关,按下后对应的电路会被接通,CPU能够检测到
- 射频电路,用于接收声音信号
- 喇叭,播放射频电路接收的声音
再来一个美好的假设
假设除了1中的CPU执行的代码以外,2345都有硬件工程师帮我们准备好了,那么接下来我们只需要参考CPU厂家提供的方法,写代码即可。
假设我们使用的是上文所说的神器:STC单片机:
- 型号:STC32G
- 官网:http://www.stcmcudata.com/
- 芯片手册:http://www.stcmcudata.com/STC8F-DATASHEET/STC32G.pdf
- 长相:
接下来我们开始写程序… 咦? 怎么芯片手册中都帮我们把程序写好了,STC果然是神器啊 哈哈。
接下来我们把程序编译、烧录下载到芯片里面去,这部分STC也有非常详细的说明:
详情请见: http://www.stcmcudata.com/STC8F-datasheet/STC-TOOL.pdf
到这里似乎一个嵌入式系统的基本流程就已经跑通了,到这里,其实就是叫做bring up OK了,以后你会听到很多次bring up这个术语。
后续的工作都在bring up的基础之上修修补补, 可能过一会儿发现射频部分信号又不好了,要配合硬件工程师调试一下; 可能再过一会儿,产品经理又提了个需求,要调节音量的大小; 甚至再过一年,还是使用相同的芯片,公司要新开发一个收音机2.0。
美好的假设被打破了 - RTOS系统
随着产品经理越来越过分,要求我们的收音机要能够做到:
有红黄绿3个指示灯:
a. 红灯是电源灯,每1秒闪烁一次提示有电
b. 黄灯是警告灯,电池电压小于4V时开始每0.7秒闪烁一次
c. 绿灯是正常运行灯,只要程序在运行,就每0.3秒闪烁一次增加一个声音分贝传感器,每10秒采集一次周边环境声音,如果环境声音大于50分贝,则认为此时播放了声音用户也听不见,此时关闭扬声器。
这么多需求,一个while循环写不下了啊。 能写是能写,但是写起来很蛋疼。 while循环每1毫秒执行一次,然后判断到了1秒就闪烁红灯,判断到了0.7秒就闪烁黄灯。 想想这程序都蛋疼啊。
有需求就会有解决方案,此时小型操作系统 RTOS 出现了,其为单个CPU提供了多线程的能力(其原理是分时复用)还挺有意思,感兴趣的读者欢迎下来自行了解。 我们就可以用一个线程闪烁红灯,再用另外一个线程闪烁黄灯…程序设计又变得简单清晰了。
美好的假设又被打破了 - 嵌入式Linux系统
咱们的收音机2.0越卖越好了,公司也从原来的3个人,增长到了30个人。 咱们老板现在融了点资金,不差钱了,想要做个高级、智能、物联网收音机, 不考虑成本,只考虑功能高大上。 于是提出了以下几个要求::
- 要能够接屏幕,最好还是1080P的屏幕,上面可以看电视节目。
- 能够通过手机APP进行控制,使用HTTP网络协议。
- 当然也要接入网线,即以太网。
- 用户能够插入U盘,播放自己U盘上的内容。
这几个要求一提出来,你就懵逼了,咋搞啊。 别急,我来一个一个分析一下:
- 接1080P屏幕,有大量的图像运算,需要高性能的CPU或者内置GPU。
- 关于UI界面可以用QT库来实现,虽然比较丑,但将就能用。
- HTTP、以太网等网络协议,比较复杂,代码量大,只能考虑使用开源的库。
- U盘涉及到USB协议,播放上面的内容更涉及到了USB 存储协议,也只能考虑使用开源的库。
综上考虑,RTOS系统中对以太网、USB协议的支持很少,有的也需要花至少1个月时间移植修改代码。
因此此时便可以考虑Linux系统,Linux是最大的开源操作系统,上述提到的所有各种协议,Linux不仅支持,还是完美支持。 并且有很多的开发者大家一起使用、一起维护。
老板飘了 - 安卓系统
在你成功的做出了Linux系统的收音机之后,公司成功上市了。 你们的收音机也成了人手一个的热门产品。 这个时候老板开始飘了: 咱们公司的收音机不再是一个收音机,而是一个智能平台:
- 现有的LinuxQT界面不好看,必须改了。
- 用户购买了我们的收音机后,可以使用微信、bilibili等第三方APP。
这个时候就需要上安卓系统了。
本文到这里就结束了,嵌入式开发的世界很广阔,没个3、5年学不完,精通更是得10年以上。 这有好有坏:好处是经常能看到35+ 40岁以上的嵌入式工程师,不会早早的失业; 坏处是经常能看到半夜10点还在查软件BUG,最后发现是硬件问题的苦逼嵌入式工程师。 但是总而言之,作为一名嵌入式工程师,当调试出一块板子、开发出一件产品、交付给用户时,那种成就感是无可比拟的。 预祝各位读者在嵌入式的路上披荆斩棘、创造辉煌。
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