精通嵌入式Linux 第一章：概述

此文章翻译自ThirtyThreeForty的Mastering Embedded Linux, Part 1: Concepts。

折腾运行Linux的低价嵌入式设备是我的一项爱好。这些设备随处可见，有着高性价比的处理器、极大的存量，价格通常低于10美元。这些嵌入式设备不仅可以用于折腾改造，还可以作为你的其他产品的一部分。

我想在这向你展示这类系统的多样性，希望能够在以后帮助到你。这一系列文章将带领你选择硬件、编译你的第一个镜像，并构建自己的第一块Linux单板电脑。之后将说明如何提供系统更新、自定义Linux内核。

简而言之，这一系列文章将介绍整个嵌入式Linux生态系统。在开始之前，希望你能有一些基础的Linux命令行知识，以及关于嵌入式系统组成部分（内存、处理器、外设）的基础知识。最重要的是有足够的时间来学习和实践知识。

我们首先从高级别的概念开始介绍，让你对整个系统有基础的认识，防止在深入时过于迷惑。

嵌入式Linux概述

如果你已经熟悉微处理器（MCU，microcontroller），你会发现所有你需要的东西都封装在了一块芯片上。如果你购买了一片STM32F1或其他MCU，你会得到闪存（flash memory）、内存（RAM）、处理器核心和一些外设设备。如果你购买的是一些特殊用途的MCU，甚至还会内置蓝牙、USB 3.0 或 MIPI 相机接口等设备。这些设备的供应商通常提供了一个开发环境供你编写代码，而这些代码则会直接运行（裸机运行，无操作系统）在处理器上。最后，这些芯片通常有着方便焊接的封装形式（如SOIC或QFP），方便非专业人士制作自己想要的东西。

这种结构与运行Linux的处理器有一些差异。通常来说，这些处理器有着所有你能想到和想不到的外设。相对应的，这些处理器通常外置内存和存储设备。在此基础上，这类处理器的启动流程增加了Boot ROM。Boot ROM是处理器的一段内置代码，用来加载你存储在外置设备上的Bootloader。

Bootloader会加载Linux内核，而内核则会配置剩下的外设并运行需要的程序。就像传统的Linux系统一样，网络、应用逻辑和用户交互都是在这时运行。从这种层面看，嵌入式Linux和桌面Linux没有什么不同，它们使用相同的API、相似的文件系统，以及相同的网络协议。

上面的这些东西都存放在小型的系统镜像中。根据设备的需求，系统镜像最小可至4MB。需要注意的是，嵌入式Linux系统运行的软件几乎都会与桌面版本一致。Linux系统为你的程序提供了一个通用抽象，使你可以专心的为你的硬件开发Bootloader和移植Linux。

组件

几乎所有的组件都是可以替换的，所以构建一个嵌入式硬件需要你决定每个组件的选择。

微处理器

微处理器的选择将决定你的系统的绝大多数功能。大多数你能接触到的微处理器都是arm或MIPS架构的，而arm核心的市场占有率还在逐年攀升（值得一提的是RISC-V架构，这是一种开源的处理器架构，虽然当前还不是很流行，但还是引起了很多人的关注）.

在架构的基础上，芯片厂商会为这些处理器添加许多外设。这些外设（如USB和SPI）存放在芯片上的一个单独部分，通常可以使用内存映射寄存器对他们操作。厂商通常会将旧产品中的外设重用（复制）到新的芯片中，这为我们编写驱动带来了便利。

内存

这些处理器通常都没有内置的内存，需要外接内存才可以正确运行。SDRAM通常提供给低端设备使用，而DDR、DDR2和DDR3则会用于高端一些的设备。虽然使用DDR4的设备还暂时较为罕见，但DDR4迟早还是会用在嵌入式设备上的。处理器提供了一个模块用于管理内存，Boot ROM或Bootloader会正确的初始化这个模块。

部分模块和开发板上已经板载了内存，所以在使用这类设备的时候可以不用额外的内存。

但如果你想从0开始构建嵌入式系统，你就得小心了。在PCB上为内存布线是一项非常复杂的工作，所以我们尽量不选择这类芯片。在下一章中，我将介绍一些我找到的内置内存的芯片。

存储

存储和内存不一样，是用于存放你的数据和代码地方。在嵌入式系统上，存储数据的设备通常都是闪存的一种。你可能想说有些设备可以从网络上启动，但它的Bootloader还是存放在闪存中的。

闪存又分为很多种，最常见的是SD卡。SD卡由存储设备和控制器构成，控制器抽象处理底层的一些交互。虽然有人会告诉你SD卡通常不是很可靠（树莓派玩家可能深有体会），但我会告诉你SD卡做了多少工作来提高可靠性。

eMMC是SD卡的嵌入式版本，和SD卡一样是由存储设备和控制器构成的。但不幸的是，eMMC通常是BGA封装的，这对个人玩家非常不友好。

除了带控制器的存储设备，还有不带控制器的设备。这类设备通常较便宜，可以分为NOR和NAND两类。NOR闪存写入缓慢，存储密度不高，但价格便宜。Boot ROM通常知道怎么通过SPI接口读取NOR闪存的数据。如果文件写入不频繁的话，这种存储是非常合适的。NAND闪存写入更快、存储密度更高，价格相较而言也昂贵一些。SPI接口的NAND是一个不错的选择，但NAND总线接口的NAND可以提供更快的速度。

不带控制器的存储设备并没有想象中那么美好。这些设备通常是按块擦写的，这意味着你必须先擦除一块区域才能修改这块区域的数据。每块区域还有一定的擦写寿命限制（1k~100k），寿命用完后这块区域就损坏了。

软件工程师通常会使用软件来解决上面的硬件问题。Linux UBI系统可以帮助我们绕开上面的硬件限制，使其更易使用。

软件

如果你正在开发嵌入式系统，你就需要提供Bootloader、内核以及文件系统。令人欣慰的是，一旦Linux启动成功，Linux内核就能为你提供一系列外设驱动的接口，方便你使用。

通常来说，这些软件使用了一种通用且易于理解的模式，以便你将其应用到其他地方。

你不需要同时处理这些东西，嵌入式Linux发行版提供了一些工具集，能够帮助你构建你需要的镜像。在后面的文章中我们会介绍如何编译和使用嵌入式系统。

Bootloader

Bootloader是开发者能够自定义的第一个程序。虽然这个程序只要能够加载内核并运行就可以了，但在实际中通常是一个非常复杂的程序。

嵌入式Linux系统通常都会使用 U-Boot。这个Bootloader包括了精简的存储驱动和一些外设驱动，以提供读取并执行内核的功能。

Boot ROM

这里还是得提一句Boot ROM。Boot ROM是一段厂家内置的启动代码，通常非常简单。Boot ROM决定了各个外设的启动顺序，可以查阅处理器的数据手册来得到准确的启动顺序。

Boot ROM可能还会提供一些诸如USB等炫酷的功能。USB功能可以让你在未烧录的设备上通过USB接口直接运行代码或烧录设备。这项功能不同厂商有不同的名字，NXP/Freescale称为下载模式，而全志则称为FEL模式。使用这项模式通常需要额外的下载程序，不同的处理器使用的程序也可能是不同的。

内核

相信你已经知道Linux是什么了。Linux必须移植到特定架构、特定部分和特定设备上才能正常工作。这些设备驱动通常随Linux内核源代码一并提供。虽然设备驱动繁多，但因为厂商通常会重用外设IP，所以这还是能管理的。通常来说，一项Linux移植通常包括了

• 架构代码：提供了诸如寄存器操作、同步等基础功能。移植Linux到一个全新的架构是一项非常庞大的任务，你在近期大概是不会接触到这项任务的了。
• 驱动代码：是Linux内核代码的重要部分。Linux源代码提供了所有Linux支持的设备的驱动，而绝大部分的驱动你都不会用上。
• 设备树：描述了各个硬件是如何连接到系统的，是移植中非常重要的部分。设备树就是Linux驱动的“配置文件”。使用设备树使得重用Linux驱动成为可能，你只需要编译相关的设备驱动，在设备树中添加相应的节点，驱动就会自行根据此节点配置进行初始化。这一部分的详细信息我们稍后再来讨论。

用户空间程序

正如我之前所说，运行于嵌入式Linux系统上的其他软件通常都与桌面系统一致。这里的“其他”指的就是运行于用户空间的程序，或者简称用户程序。在用户空间运行程序，可以直接使用封装好的Linux API，而无需直接与硬件寄存器交互，这就是其最大的有点。

我们将在后面详细讨论用户空间。现在你只需要知道三个概念：文件系统、初始化系统（init system）和shell。

文件系统的重要性在于，部分文件系统更适用于嵌入式系统。还记得我们在上面说的SD卡的可靠性问题吗？文件系统可以帮助我们解决这一问题。如果你正在使用eMMC或SD卡，那么Linux会认为其是一个块设备。你可以使用通常的文件系统（如ext2/3/4），或使用 f2fs 文件系统以增强稳定性。但如果你正在使用不带控制器的闪存，你就会需要为这种闪存设计的文件系统，如 JFFS2 或 UBIFS。我个人的习惯是在UBI分区上使用squashfs文件系统。我们将在自定义我们的镜像的时候继续讨论这个问题。

接下来是初始化系统，初始化系统用于管理用户空间程序。你可能听过systemd，它就是一种初始化系统。systemd通常用于桌面操作系统，或更庞大一些的嵌入式操作系统。但它的体积有些过于庞大了，对于一般的嵌入式操作系统来说，通常会使用SysV初始化系统，或者直接使用shell脚本。大多数嵌入式操作系统都使用这两种初始化系统。等到后面我们要自定义镜像的时候，我会告诉你如何将你的程序设置为开机自启动。

最后是Shell。Shell是和你交互的命令行。通常来说，你会使用UART串口来与Shell交互，或者通过一个屏幕来交互。如果你的系统能够顺利进入到Shell，那么就说明你的系统已经成功的运行了！

接下来……

感谢你能看完上面这一大串文字！这个系列应该会包含以下部分：

• 硬件：选择一块开发板。我在这选择了树莓派0作为第一个教程的硬件。当然，我也会介绍其他的开发板。如果你希望自己做一块开发板的话，我建议你使用那些易于焊接的硬件。
• Buildroot：为了方便，我们将会使用Buildroot来从0开始编译一个完整的操作系统。我们将会在真实硬件上烧写我们的系统，这部分我将会着重进行说明。
• 自定义固件镜像：然后，我们将会深入Buildroot的配置，为我们的树莓派0自定义固件。你做的每一步都非常的简单与直白，但是如果你把他们组合起来，你就会得到一个与原厂完全不一样的系统！
• 裁剪镜像：在这一章中，我们将抛弃树莓派，而转向只有4MB存储空间的小型开发板。你永远也想像不到，有多少功能是可以被裁剪的。（就像node_modules一样）
• 修改U-Boot和Linux：当你的开发板的Uboot代码和Linux内核代码不再受到支持的时候，你要怎么做？
• 从0开始构建自己的开发板：从挑选硬件开始，构建自己的开发板！

在下一章中，我们会讨论使用的硬件。如果你感兴趣的话，欢迎订阅此系列教程。