272 lines
7.5 KiB
Markdown
272 lines
7.5 KiB
Markdown
|
||
|
||
# 🟢 第五层：嵌入式 Linux 开发基础
|
||
|
||
嵌入式 Linux 是物联网、智能设备、工业控制等领域的核心技术之一。本层重点掌握从 Bootloader 到驱动的开发过程，理解 Linux 系统构成及其移植方法。
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 🔹 嵌入式 Linux 系统概览
|
||
|
||
### 📌 嵌入式 Linux 特点
|
||
|
||
- 可裁剪、可定制、模块化强
|
||
- 支持多种架构（ARM、MIPS、RISC-V 等）
|
||
- 社区支持强大（开源内核、驱动丰富）
|
||
|
||
### 📌 系统组成
|
||
|
||
```text
|
||
[Bootloader] → [Kernel] → [Root File System] → [User Application]
|
||
```
|
||
|
||
- **Bootloader**：负责上电后硬件初始化、加载内核（如 U-Boot）
|
||
- **Kernel**：Linux 内核，管理硬件与系统资源
|
||
- **RootFS**：根文件系统，包含用户空间程序
|
||
- **应用层**：运行用户程序、脚本、服务等
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 🔹 启动流程详解
|
||
|
||
### 📌 通用启动流程
|
||
|
||
```text
|
||
Power On →
|
||
BootROM →
|
||
Bootloader (SPL/U-Boot) →
|
||
Load & Decompress Kernel →
|
||
Kernel 初始化 →
|
||
挂载 RootFS →
|
||
启动 init →
|
||
Shell / App
|
||
```
|
||
|
||
### 📌 U-Boot（主流 Bootloader）
|
||
|
||
- 二阶段：SPL（初始化内存）+ U-Boot 本体
|
||
- 功能：串口输出、TFTP 下载、引导内核、环境变量配置等
|
||
- 命令示例：
|
||
```bash
|
||
setenv bootargs console=ttyS0 root=/dev/mmcblk0p2
|
||
tftp 0x80008000 zImage
|
||
bootz 0x80008000 - 0x83000000
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 🔹 设备树（Device Tree）
|
||
|
||
### 📌 基本概念
|
||
|
||
- 描述硬件资源的结构化信息
|
||
- 独立于内核源码，提高可移植性
|
||
- 文件类型：`.dts`（源文件）、`.dtsi`（包含文件）、`.dtb`（二进制）
|
||
|
||
### 📌 示例结构
|
||
|
||
```dts
|
||
uart1: serial@40011000 {
|
||
compatible = "vendor,uart";
|
||
reg = <0x40011000 0x400>;
|
||
interrupts = <5>;
|
||
status = "okay";
|
||
};
|
||
```
|
||
|
||
### 📌 编译设备树
|
||
|
||
```bash
|
||
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux- dtbs
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 常用 Linux 命令与开发工具
|
||
|
||
### 文件与目录管理
|
||
| 命令 | 功能说明 |
|
||
|-------------------|------------------------------|
|
||
| `ls -l` | 列出文件详细信息 |
|
||
| `cd /path` | 进入目录 |
|
||
| `cp source dest` | 拷贝文件/目录 |
|
||
| `mv old new` | 移动/重命名文件 |
|
||
| `rm -rf dir` | 删除文件或目录 |
|
||
| `mkdir name` | 创建新目录 |
|
||
| `find` / `grep` | 搜索文件/内容 |
|
||
|
||
### 权限与用户管理
|
||
| 命令 | 功能说明 |
|
||
|--------------------|-----------------------------|
|
||
| `chmod 755 file` | 修改权限（rwx） |
|
||
| `chown user:group` | 更改文件拥有者 |
|
||
| `sudo` | 以管理员身份执行命令 |
|
||
| `whoami` / `id` | 查看当前用户信息 |
|
||
|
||
### 进程管理
|
||
| 命令 | 功能说明 |
|
||
|------------------|-----------------------------|
|
||
| `ps` / `top` | 查看运行进程 |
|
||
| `kill PID` | 杀死某个进程 |
|
||
| `htop` | 进阶图形化进程管理工具 |
|
||
| `nice`, `renice` | 修改进程优先级 |
|
||
|
||
### 网络调试
|
||
| 命令 | 功能说明 |
|
||
|------------------------|----------------------------|
|
||
| `ping` | 测试网络连通性 |
|
||
| `ifconfig` / `ip` | 配置 IP、MAC |
|
||
| `netstat -anp` | 查看网络连接状态 |
|
||
| `scp`, `rsync` | 文件远程复制 |
|
||
| `ssh user@host` | SSH 登录远程系统 |
|
||
|
||
### 设备与文件系统
|
||
| 命令 | 功能说明 |
|
||
|----------------------|-----------------------------|
|
||
| `mount` / `umount` | 挂载 / 卸载设备 |
|
||
| `df -h` | 查看磁盘空间使用情况 |
|
||
| `lsblk`, `blkid` | 查看块设备信息 |
|
||
| `dmesg | tail` | 查看内核设备日志 |
|
||
|
||
### 软件包管理（针对开发板所用 Linux）
|
||
| 工具 | 说明 |
|
||
|--------------------|---------------------------------|
|
||
| `apt`, `opkg`, `yum` | 安装 / 卸载软件包 |
|
||
| `dpkg -i pkg.deb` | 安装本地 deb 包 |
|
||
|
||
### Shell 脚本与自动化
|
||
- `#!/bin/sh` 或 `#!/bin/bash`：脚本头部声明
|
||
- 脚本权限设置：`chmod +x script.sh`
|
||
- 示例：
|
||
|
||
```sh
|
||
#!/bin/bash
|
||
for i in {1..5}
|
||
do
|
||
echo "Test $i"
|
||
done
|
||
```
|
||
|
||
### 交叉编译相关命令（Makefile 环境）
|
||
|
||
| 命令/工具 | 说明 |
|
||
| --------------- | -------------- |
|
||
| `make` | 使用 Makefile 构建 |
|
||
| `arm-linux-gcc` | 使用交叉编译器编译 |
|
||
| `file a.out` | 查看可执行文件平台架构 |
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 🔹 Linux 驱动开发模型
|
||
|
||
### 📌 驱动分层模型
|
||
|
||
```text
|
||
[硬件设备] ←→ [总线] ←→ [Device] ←→ [Driver] ←→ [内核]
|
||
```
|
||
|
||
- **总线（bus）**：如 platform、i2c、spi 总线
|
||
- **设备（device）**：描述具体外设
|
||
- **驱动（driver）**：实现对设备的控制逻辑
|
||
|
||
### 📌 字符设备驱动框架
|
||
|
||
```c
|
||
struct file_operations fops = {
|
||
.open = my_open,
|
||
.read = my_read,
|
||
.write = my_write,
|
||
.release = my_release,
|
||
};
|
||
|
||
int major = register_chrdev(0, "mydev", &fops);
|
||
```
|
||
|
||
### 📌 平台驱动开发流程
|
||
|
||
1. 定义 `platform_device`
|
||
2. 编写并注册 `platform_driver`
|
||
3. 通过 `of_match_table` 匹配设备树节点
|
||
4. 实现 `probe/remove` 等接口
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 🔹 根文件系统构建
|
||
|
||
### 📌 常见文件系统类型
|
||
|
||
- ext3/ext4：标准 Linux 文件系统
|
||
- squashfs：只读压缩文件系统，适合嵌入式
|
||
- initramfs：内存文件系统
|
||
|
||
### 📌 文件系统布局（典型）
|
||
|
||
```
|
||
/
|
||
├── bin/ → 常用命令
|
||
├── sbin/ → 系统工具
|
||
├── etc/ → 配置文件
|
||
├── dev/ → 设备节点
|
||
├── lib/ → 库文件
|
||
├── proc/ → 内核虚拟文件系统
|
||
├── sys/ → 设备/驱动信息
|
||
├── usr/ → 用户软件
|
||
├── tmp/ → 临时目录
|
||
└── home/ → 用户主目录
|
||
```
|
||
|
||
### 📌 构建方式
|
||
|
||
- BusyBox + 自制文件结构
|
||
- Buildroot：快速构建定制系统
|
||
- Yocto：更灵活、工业级构建方案
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 🔹 工具链与调试手段
|
||
|
||
### 📌 交叉编译工具链
|
||
|
||
- gcc-arm-linux-gnueabi
|
||
- arm-none-eabi-gcc
|
||
- 使用环境变量指定：
|
||
```bash
|
||
export CROSS_COMPILE=arm-linux-
|
||
```
|
||
|
||
### 📌 GDB 调试
|
||
|
||
- GDB Server + Remote Debug
|
||
```bash
|
||
gdb-multiarch vmlinux
|
||
target remote :1234
|
||
```
|
||
|
||
### 📌 常用调试工具
|
||
|
||
| 工具 | 用途 |
|
||
|-------------|----------------------------|
|
||
| GDB | 程序级调试 |
|
||
| strace | 跟踪系统调用 |
|
||
| dmesg | 内核日志查看 |
|
||
| ldd | 查看依赖的库文件 |
|
||
| top / htop | 查看系统资源使用情况 |
|
||
| lsmod/insmod| 加载/查看内核模块 |
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 🔹 常见开发平台
|
||
|
||
| 平台 | 特点 |
|
||
|-------------|------------------------------|
|
||
| Raspberry Pi | 社区活跃，支持 Linux 全栈 |
|
||
| Allwinner / Rockchip | 国产主控，适配良好 |
|
||
| BeagleBone | 支持 PRU、实时协处理器 |
|
||
| STM32MP1 | 支持 Linux + Cortex-M 协同 |
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 🔚 小结
|
||
|
||
嵌入式 Linux 是从单片机迈向高性能系统开发的核心门槛，掌握其启动流程、设备树结构与驱动框架是后续学习内核裁剪、系统移植与 IoT 平台开发的基础。
|