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總領及學習指引 結合入門視頻介紹了開發板組裝，Ubuntu 環境搭建，以及 Linux 常用命令等內容，為學習后面的內容打下基礎。 推薦學習步驟：入門視頻--->系統編程--->驅動--->Qt 或 Android。 配套視頻資源：“ITOP-4412 開發板視頻教程\01-迅為電子開發板入門視頻”。 01 框架學習法 嵌入式系統的學習方法很多人都講過，相信大家在網上或者其他渠道接觸過一些思路和方法，在這里講一下個人的體會。 首先來說，學習有沒有捷徑呢？一種說法是可以速成，幾天就可以學會，我們認為這種速成的說法太夸張了，那是不可能的。 有些人認為學習沒有捷徑，你必須經過長期的努力，所謂功到自然成。但是學習嵌入式技術，如果說沒有好的方法那也是不對的，學習一門新的知識體系肯定是要下工夫，但是也需要有好的指引，也就是捷徑，實際上這里是講的就是學習方法。 方法很重要，如果沒有方法，閉著眼亂學亂撞，肯定是不行的。就像我們去找一個沒有去過的地方，自己跟著感覺去找，找到的希望就很小，如果手頭有張地圖，并且還有指南針，那就要快很多；如果我們有導航，自然是更快更方便了。實際上，這就是方法的重要性。那么在這里，我們來介紹一種學習方法，這種方法也是迅為公司多年培訓和產品開發經驗所總結出來的。 大家可能會問了，迅為也做過嵌入式培訓？實際上我們有很豐富的培訓經驗。 我們覺得，‘框架學習法’是最適合初學者的一種方法，這里面包含了快速原型的思想； 也就是框架學習，快速原型。這里面的主導思想，即從一開始就要看到嵌入式系統知識領域的全貌，然后逐漸深入！ 比如說，我們想了解北京這座城市，如果在胡同里轉來轉去，可能幾年都搞不清楚這個城市是什么情況，如果我們先通過北京地圖學習一下，了解下天安門在什么地方，鳥巢在什么地方，香山八達嶺在哪里。再加上我們到這些地方去看一看，可能很快就掌握了這座城市的全貌。 在這里需要注意的是，即便是有了地圖，也需要有一些基礎，比如我們需要知道什么是天安門，知道鳥巢的來歷，明白八達嶺是怎么回事，實際上這些就是基礎知識。也就是說我們在學習系統框架之前要具備一定的基礎，否則這張地圖也是看不懂的。 學習嵌入式技術也是需要一定的基礎的，關于基礎方面，下一節會專門討論。接下來如果我們想進一步的了解這座城市，就要去研究這座城市的歷史，甚至是中國的歷史。更細一步呢，還可以進一步研究故宮本身的地圖。 這樣一環套一環，經過不斷的研究，逐漸就會掌握這座城市的地理、文化、政治經濟等特點。 通過了解北京城這個簡要的例子，運用框架學習法，在對不同層次的框架的學習過程中， 逐漸了解和掌握整個系統。 如果我們不注意方法，每天在胡同里面來回轉悠，肯定是事倍功半，很長時間將不得要領。 02 嵌入式系統學習的框架 學習嵌入式也是這樣。必須掌握一定的方法，才能比較快速有效的學習。 這個方法就是框架學習法，如前所述，首先在了解這個基礎框架之前我們要有一定的基 礎，那么這個基礎就是單片機和 C 語言，不需要掌握的有多好，但一定要具備一定的 C 語言編程能力。像其他有些課程，比如計算機專業課程中的編譯原理、數據結構，計算機系統體系結構，這些知識實際上還不太需要，了解一下就可以了。 有了 C 語言編程基礎，并且學過單片機，這個時候就可以學習一下嵌入式 Linux 的基本框架了，很簡單，那就是首先要搞清楚什么是 BootLoader、Linux 內核（kernel）、和文件系統，接下來簡單介紹一下。 什么是 BootLoader 呢？ 實際上它是個引導程序，也就是硬件復位以后第一個要執行的程序，它主要工作就是初始化操作系統運行的環境，比如說內存、定時器、緩沖器等，當這個工作做完以后，再把操作系統的代碼加載到內存，然后操作系統就可以啟動并執行，到此為止，bootloader 的任務就完成了。 那么有人問了，沒有 bootloader 行不行呢，可以！但是因為操作系統本身一般是個通用的軟件，它要在不同的平臺上運行，比如 X86，ARM，POWERPC 等等，而不同的處理器的初始化操作是不同的，如果操作系統的軟硬要考慮在啟動時候各種平臺的差異性，那就顯得過于復雜。除此之外，也有其他方面的原因，比如燒寫系統的便捷性考慮等等，這里暫不做深入的探討。 常用的 bootloder 有很多種，比如 U-BOOT、REDBOOT、LILO 等等，我們開發板用的是 Uboot。 什么是 Kernel 呢？ Kernel 就是 Linux 的內核，也就是說 Linux 操作系統本身的代碼。那么 U-BOOT 啟動到最后，就是把它加載到內存，并且跳轉到 Kernel 來執行。 什么是文件系統呢？ 現在我們來介紹一下文件系統，這里需要了解一個事實，就是說 Linux 啟動到最后一定要掛載一個文件系統。這個是 Linux 的一個特點，它不像其他操作系統，比如像 VxWorks，是不需要文件系統的，VxWORKS沒有文件系統也可以運行。 而且還需要了解一點，像 QT 系統、Android、以及 Ubuntu 系統它們的底層都是 Linux 內核，不同的是它們的文件系統不一樣，也就是說，Android 系統相關的一些代碼，比如說圖形界面系統、Android 的虛擬機， Android 的框架代碼都在 Linux 最后掛的文件系統里面。 如果大家理解了這點，那么這幾個系統的基本架構也就清楚了。 搞清楚了這幾個概念，實際我們就了解了 Linux 系統最基本的框架，然后我們根據開發板配套的資料，去學習如何編譯這幾個文件，因為像 Uboot、Kernel、文件系統，最后編譯生成出來分別是一個獨立的文件，就是說會生成三個文件，最后我們要學會把這幾個文件燒寫到板子上。學會了編譯和燒寫，接下來呢，我們在這個框架的基礎上，去學習如何做 Linux 上面的應用程序。什么是應用程序（APP）呢？它是運行在操作系統上面，通過調用操作系統的資源去工作，是最終的業務邏輯，比如我們 Windows 上面有很多的應用程序，像 QQ、暴風影音、WORD、EXEL 等，各種各樣 APP有很多。 根據我們后期的視頻教程，大家應該很快就能學會，比如說串口程序、網絡程序等等，這些都是應用程序，我們不需要做太多，學習幾個加深一下對框架的認識就可以了。再接下來，我們就需要學習 Linux 驅動方面的一些知識了，這也是在基礎框架里面的，驅動程序可以看成是操作系統的一部分，它在底層專門和硬件打交道。那么大家稍微了解一下， 就會知道 Linux 的驅動包括有三種：字符設備、塊設備以及網絡設備。 這個時候呢，大家要注意，只需要學習字符類設備驅動，其他兩種先不要去花時間研究。一定要記住，最初學習嵌入式技術的時候不要去研究塊設備和網絡設備。也就是說，把字符類設備搞明白就可以了。因為一般的公司開發嵌入式的產品僅限于字符設備的開發，掌握字符設備的框架思想和開發步驟就能夠勝任了。至于塊設備和網絡設備，直接用開發板或者某個開發平臺本身提供的驅動就足夠了，這些是一線處理 器廠家做的事情，一般情況下不需要我們去完成，這些處理器研發的廠家在為處理器開發配套 BSP 的時候才會涉及這些工作。 當然了，有的同學可能會說，某某公司就是在做塊設備驅動，我的意思是講，從嵌入式這個行業總體上來講，大多數公司都不需要那么做，很多技術往往是直接拿來用的。我們掌握了字符設備驅動的開發方法，已經能夠應付大多數公司的開發要求，對于一個還沒有入門的學生來講，一定要按照我說的辦法來學習。 等將來熟練掌握基本技能以后，可以根據框架學習的方法，再去研究更深入的編程。這個時候，那些計算機專業的課程，比如數據結構、計算機系統體系結構、各種算法等等就可以派上用場了，自己的水平也會在學習的過程中再次升華。 學習字符類設備驅動，請跟著迅為的視頻去學習 LED 的驅動編寫方法，以及蜂鳴器、AD 轉換等這些跟 GPIO 相關的驅動開發技巧。 掌握了這些，可以講，我們已經成為了一個比較合格的嵌入式驅動工程師！ 這個時候我進一步介紹一下什么是快速原型，如果學過軟件工程的話，那么大家會聽說過一種自頂向下的產品開發方法，這個方法很有效，多數產品的開發方法都是遵循這個思想，大概就是從最初的可行性分析，然后概要設計、詳細設計、編碼、測試等等。 除此之外呢，還有一種開發方法就是‘快速原型’，這個是微軟采用的一種方法，簡而言之呢，快速原型是個逐漸迭代的方法，就是說讓產品盡快把雛形開發出來，然后逐漸清晰，一步步走向成熟。 在這里我們把快速原型法用到學習上，它原來是種開發方法，我們這里借鑒過來，借鑒到框架學習的思想上。 也就是說，我們掌握一定的基礎以后，就要去學習框架，當這個基礎框架清晰以后，再去學習更新更深入的框架知識，這樣一環套一環，環環相扣，最終研究越來越深入，進而成為這個行業的專家。 那么在嵌入式行業的工程師的職位其實也是這個樣子的，大家看一下： 基本數字電路 + C 語言 + 基礎框架知識 -----> 嵌入式驅動工程師數據結構+編譯原理 ------> 高級嵌入式驅動工程師計算機系統體系結構 + 操作系統（從抽象到具體）-------> 系統架構工程師 因為在第一個階段，你會發現，只要熟練掌握 C 語言，有良好的編程功底就夠了，在工作的時候很少涉及到編譯原理、數據結構這些方面的知識，那么很多其他專業的畢業生，甚至原來學機械設計的同學都可以成為嵌入式驅動工程師。 實際也是這樣，在大多數嵌入式技術公司，尤其是應用產品開發的公司，只要了解基本的 Linux 架構的知識，并且能夠編寫字符類的驅動程序就夠了。因為像網絡設備驅動以及塊設備驅動，基本都有個 DEMO設計，只要參考這個 DEMO 做就可以，根本不需要我們做什么，如果說需要做的話，那也是改一下 GPIO 的設置，修改一下中斷的引腳，僅此而已。 那么深入學習的話，分析操作系統源碼的時候就會發現，數據結構的知識逐漸排上用場， 尤其是在某些專業公司，負責某個專用領域的時候，工作中可能會改寫操作系統的某部分代 碼，來適應他們自己硬件的各種情況，將會深入分析某方面的技術，比如文件系統、網絡協議等，這個時候數據結構等方面知識就顯得很重要了。 有了基礎的原型以后，通過繼續學習新的知識，逐漸使自己的認識提高一個層次，更精深的了解嵌入式技術，同時知識體系更加完備，可以做更高層次的工作了。 應用這樣的學習方法，在學習過程中，也會使學習過程始終有目標，而不會感覺枯燥，每天都會有成就感，從一開始就能抓住嵌入式系統的脈絡，只要付諸努力，持久學習下去，就能成為嵌入式行業的專家。 最后我們總結下，要想比較快的掌握嵌入式技術，要應用框架學習的方法，在一定的知識基礎上就開始學習基礎的框架知識，這樣就很容易入門，隨著開發經驗的積累，再去學更深入的基礎知識，以及更深層次的框架知識。這樣相互迭代，直到能夠精通嵌入式技術。 這個方法也充分說明計算機科學是門實驗科學。 那么在學習過程中，要注意，不用學習過多的基礎知識，也就是說有了 C 語言和單片機的基礎就可以學習嵌入式的基本框架，然后就能夠成為一個合格的嵌入式工程師； 以后可以繼續深造，學習數據結構編譯原理操作系統等方面的知識，并深入學習算法，從而再去學習 Linux 更深層次的框架結構，使得整體水平得到進一步的升華。 現在我們總結一下，把學習嵌入式技術的路線圖跟大家澄清一下，那就是： 單片機 + C 語言 -----> 學習基礎框架知識（包括 bootloader，Linux 內核、文件系統的編譯和燒寫 -----> 再去學習 Linux 上層應用的編程，以及字符設備的驅動，學完以后就會覺得入門了，能做一些事情了----->最后深入學習計算機系統結構、數據結構、操作系統原理等等一些知識，通過分析 Linux 系統源碼，直到熟練掌握嵌入式編程技術。 大家按照這個學習方法，基于 iTOP-4412 開發板提供的資料和視頻，就一定能夠學好這門技術。 03 關于裸機程序和仿真 有些用戶希望通過 ARM 開發板來學裸機程序，其實我們不建議這樣做，在 ARM 上做一些裸機程序，不是不可以，而是沒有太多價值，因為裸機程序根本發揮不了 ARM 處理器的性能，只有運行了操作系統才能夠充分挖掘 ARM 處理器的優勢，更能夠保證系統運行的安全和穩定性。 如果真的想學習裸機程序，單片機就夠了。從架構上來講，單片機和 ARM 是一樣的，都是 CPU，而且編程思想也沒有多少區別，只不過 ARM 速度太快了，只有在上面跑操作系統， 并使用多任務的編程方法才能最大化的發揮 ARM 處理器的優勢。 在實際產品開發時也是這樣，幾乎沒有拿 ARM 跑裸機的方式來開發產品的。如果用裸機方式來編程，推薦使用單片機，這樣整體成本也會小很多，事實上也是這樣的。 早期的時候，我們在 ARM 上也做過很多裸機程序，并且用仿真器來調試；很多人，尤其從單片機轉過來的工程師，都希望學習下這種技術，因為他們感覺裸機程序更親切，而直接用操作系統覺得很不踏實，不能夠完全掌握系統的運行情況；其實這種想法是不對的。我們必須在抽象的層次上來開發產品，逐漸轉變觀念，不能說開發一款產品，就一定要對每個程序的細節都非常清楚，應該學會在操作系統這個抽象的 軟件上來開發產品，這樣做才符合潮流，也是產品發展以及個人發展必須轉變的思路和觀念。 我們看到很多原來做單片機開發的工程師，在轉型嵌入式產品開發的時候面臨很多困難， 實際上觀念的轉變應該說是最大的障礙，希望引起大家的注意。 04 基于 4412 開發板的學習步驟 本節結合迅為的 iTOP-4412 開發板來介紹一下嵌入式技術的學習步驟。 大家都知道，嵌入式技術的知識面非常廣，學起來往往不知道如何下手，我們通過這一小節給大家闡述一下嵌入式技術應該從哪里開始學起，以及按照什么樣的步驟深入下去，最后順利入門，成為一個合格的嵌入式工程師。 這節的教程很重要，希望通過這次的講解能起到提綱挈領的作用，讓大家能夠在大量的學習資料中有一個比較清晰的學習脈絡。 前面已經介紹過，嵌入式系統的學習方法，首先要掌握架構，那么什么是架構呢，這里再強調一遍，那就是要搞清楚幾個概念：弄明白什么是 BootLoadre 引導程序，什么是 Linux 操作系統內核 Kernel，什么是文件系統。這個很重要，如果搞不明白，直接去學其他的內容，學起來就比較迷糊，實際上是在走彎路，這里推薦大家首先要看一篇文章，也就是迅為用戶 QQ 群的一個聊天記錄：《澄清幾個基本概念-迅為QQ 群聊天記錄》，這個文件在迅為 QQ 群的共享里有，在網盤里也有提供，大家可以去研讀一下。 相信大家看了這個對話以后，就應該明白 u-boot、Kernel 和文件系統這幾個文件的作用和意義。接下來大多數工作都是圍繞這幾個文件展開的，比如編譯環境的搭建，源代碼的編譯和燒寫， 應用程序和驅動程序的編程等等，就是說這幾個文件是貫穿我們整個嵌入式學習的始終的。把這幾個文件搞明白了，后面的學習也就有了目標，所以說搞明白這幾個文件的含義非常重要。 接下來需要我們做的是搭建編譯環境，在教程里建議大家安裝 64 位的 WIN7 系統，并且在 WIN7 或者 WIN10 系統上安裝虛擬機，然后在虛擬機上再安裝 ubuntu。這里需要說明的是，大家在初學的時候要盡量按照教程里的方法一步步的來，這樣學習的效率比較高，如果你使用 XP 系統或者 WIN8 系統不是說不行，但是在安裝和編譯過程可能遇到很多別人沒有遇到的問題，解決起來就比較麻煩，所以在可能的情況下一定要按照手冊的要求來做，尤其是初學者；當然大家熟練以后可以去做下創新，做不同的嘗試。 安裝編譯環境是個很費事的過程，雖然說沒有太多的技術含量，但是在這個過程中也要客服很多困難，開源系統就是這樣，時常會遇到一些這樣那樣的問題，很多時候是不可預測的， 或許大家會覺得安裝系統是浪費時間很困惑，其實這個過程也是很重要的，中間要學習很多的知識，只要大家不怕折騰，這些過程當中的困難都是可以克服的，迅為公司為了讓大家少走彎路，已經把安裝步驟做了很大程度的簡化，比如已經做好了虛擬機的 ubuntu 鏡像，直接拷貝進去就可以使用了。 開發環境搭建起來以后，這個時候可以學習一下對源碼進行編譯，同時也可以學習一下燒寫，一步步按照教程去做就可以了。再次強調一下，所有這些工作都是圍繞我們前面所講的那三個文件進行的，也就是 Uboot， Kernel 和文件系統。 系統的編譯和燒寫都是依賴于這個開發環境的，也就是必須在虛擬機上安裝好 ubuntu， 并且把源代碼從光盤中拷貝到 ubuntu 的環境下面，只要按照教程的提示往下做就可以了。 在熟練掌握系統的編譯和燒寫以后，就可以進一步開始嵌入式開發了，那么這個時候建議先學習一下Linux 應用程序的設計，也就是按照教程開始逐步深入。 這個時候要按照網盤里的‘iTOP-4412 開發板視頻教程及其相關’里的‘嵌入式 linux 視頻’進行學習。大家在初學的時候，還是要按照這個實驗的順序來走一遍，這里強調兩個方面，來幫助大家理解： 一、第一個實驗也就是第 0 個，是制作 linux 的最小系統，那么什么是最小系統呢，就是 Linux 運行的時候能跑的起來的最小系統，也就是說我們在文件系統當中把圖形系統的內容從這個文件系統里面砍掉了；在很多設備里面，比如說路由器，或者一些通訊類或者控制類的產品中是不需要圖形界面的，這樣我們就可以做一個簡化的 Linux 文件系統，這時候最小系統的設計就排上用場了。 二、這些實驗都是通過燒寫文件系統的方式來測試的，其實有一種比較簡單和實用的方 法，那就是通過網絡文件系統來進行（NFS)，至于什么是 NFS，以及如何搭建，大家一定要學習一下，具體可以參考第 12個試驗，就是‘實驗 12’，因為將來我們調試應用程序或者驅動都是要通過這個手段來進行的，它是公認的比較好用的調試辦法。也就是說我們這些實驗回過頭來，都是可以通過 NFS 來進行調試的，這時候就不用每次燒寫，整個調試工作變得更容易，在實際的 Linux 調試中，多數是通過這種方式來進行的。所以說大家一定要學會 NFS 的調試方法。 學完 Linux 的應用程序設計，接著應該學習一下 Linux 驅動方面的編程了。Linux 驅動程序全部掌握是非常困難的，但是要明確我們的目標是能利用 Linux 這個操作系統來開發產品。 大家都知道，Linux 的驅動分為網絡設備驅動、塊設備驅動以及字符類設備驅動，如前面所述，我們只需要把字符類設備的驅動掌握好就可以了。 因為在開發產品的時候，網絡設備以及塊設備驅動在開發套件里都是做好的，直接用就可以了，幾乎沒有人從頭去做，就算開發不同的網絡接口驅動，也是直接把現成寫好的驅動拿來直接調試一下。所以說塊設備和網絡設備不需要我們去太多關注，但是對于字符類設備驅動就需要我們仔細研究并且完全掌握了，那么最基本的字符類驅動就是針對 GPIO 的驅動設計，這個是一定要掌握的。比如我們的產品增加一個步 進電機，驅動幾個開關、繼電器、采集電流電壓模擬量、擴展并對外部 RAM 內存數據的讀取等等，都是基本的字符類的驅動，至于 RFID、GPS 模塊、GPRS 模塊、CAN 總線等等實際都是利用 Linux 本身已經做好的驅動，歸根到底是使用串口、I2C 以及 SPI 等來實現的，很多開發并不需要我們做什么。對于網絡設備，只需要在上層做個應用程序，用 SOCKET 來實現數據通訊就可以了。 那么在學習這部分內容之前呢，建議大家讀一下另一個聊天記錄：‘Linux 驅動初探_精英版 QQ 群聊天記錄.doc’，這個文檔會對大家理解驅動的架構很有好處。 那么我們前面說到了，應用程序的調試要通過 NFS 來進行，驅動也是這樣的，而且要學會用模塊的方法來調試驅動。 我們在 Android 的視頻中比較詳細的介紹了 Linux 的底層如何構建 LED 的驅動程序。除此之外呢，我們會在補充文檔里面跟大家說明如何使用模塊，也就是 module 的方法來調試驅動程序。掌握這些方法是很重要的。也就是說大家一定要掌握通過 module 的方法動態加載和卸載驅動來調試驅動程序。 當大家熟練學會了以上強調的 Linux 系統的開發技術，我想大家對 Linux 的體系有了基本的了解，這個時候其實已經算是入門了，也就是說可以嘗試去做一些產品，并不是說我們對 Linux 的源碼分析一遍才能真正做事情，不是那樣的，我們的目標是做產品，學會利用 Linux 這個操作系統，開發出目標產品！  
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