原创丨嵌入式IMX6ULL学习指引-四大要点-简单也实用

这个部分十分重要!初学者一定要认真看一遍!
我们主要讨论嵌入式技术学习方法,这里主要是针对嵌入式软件。
嵌入式技术是一门边缘科学(又称交叉科学),涉及的内容非常广泛,前几年很多学校,包括一流的大学都在讨论要不要设置这个专业。不是说设置这个专业本身有什么问题,而是因为课程设置不容易安排,如果偏硬件的话就成了电子工程一类的专业,如果偏软件一些就和计算机专业的课程体系雷同了。
正因为如此,很多人在学习嵌入式技术的时候,不知道从哪方面入手,因为知识体系非常庞杂,如果没有指导,很可能会长时间不得要领,学习效率会很差。
那么,下面探讨一下学习方法,我们将尽量用比较简洁的方式,让大家明白嵌入式系统知识体系,以及它的整个脉络。

01 框架学习法
嵌入式系统的学习方法很多人都讲过,相信大家在网上或者其他渠道接触过一些思路和方法,在这里讲一下个人的体会。首先来说,学习有没有捷径呢?一种说法是可以速成,几天就可以学会,我们认为这种速成的说法太夸张了,那是不可能的。
有些人认为学习没有捷径,你必须经过长期的努力,所谓功到自然成。但是学习嵌入式技术,如果说没有好的方法那也是不对的,学习一门新的知识体系肯定是要下工夫,但是也需要有好的指引,也就是捷径,实际上这里是讲的就是学习方法。
方法很重要,如果没有方法,闭着眼乱学乱撞,肯定是不行的。就像我们去找一个没有去过的地方,自己跟着感觉去找,找到的希望就很小,如果手头有张地图,并且还有指南针,那就要快很多;如果我们有导航,自然是更快更方便了。实际上,这就是方法的重要性。
那么在这里,我们来介绍一种学习方法,这种方法也是迅为公司多年培训和产品开发经验所总结出来的。
大家可能会问了,迅为也做过嵌入式培训?实际上我们有很丰富的培训经验。我们觉得,“框架学习法”是最适合初学者的一种方法,这里面包含了快速原型的思想;也就是框架学习,快速原型。这里面的主导思想,即从一开始就要看到嵌入式系统知识领域的全貌,然后逐渐深入!
比如说,我们想了解北京这座城市,如果在胡同里转来转去,可能几年都搞不清楚这个城市是什么情况,如果我们先通过北京地图学习一下,了解下天安门在什么地方,鸟巢在什么地方,香山八达岭在哪里。再加上我们到这些地方去看一看,可能很快就掌握了这座城市的全貌。
在这里需要注意的是,即便是有了地图,也需要有一些基础,比如我们需要知道什么是天安门,知道鸟巢的来历,明白八达岭是怎么回事,实际上这些就是基础知识。也就是说我们在学习系统框架之前要具备一定的基础,否则这张地图也是看不懂的。
学习嵌入式技术也是需要一定的基础的,关于基础方面,下一节会专门讨论。
接下来如果我们想进一步的了解这座城市,就要去研究这座城市的历史,甚至是中国的历史。更细一步呢,还可以进一步研究故宫本身的地图。这样一环套一环,经过不断的研究,逐渐就会掌握这座城市的地理、文化、政治经济等特点。
通过了解北京城这个简要的例子,运用框架学习法,在对不同层次的框架的学习过程中,逐渐了解和掌握整个系统。
如果我们不注意方法,每天在胡同里面来回转悠,肯定是事倍功半,很长时间将不得要领。
框架学习法视频讲解:bilibili搜索--【北京迅为】再谈Linux学习方法-框架学习法

02 嵌入式系统学习的框架
学习嵌入式也是这样。必须掌握一定的方法,才能比较快速有效的学习。这个方法就是框架学习法,如前所述,首先在了解这个基础框架之前我们要有一定的基础,那么这个基础就是单片机和 C 语言,不需要掌握的有多好,但一定要具备一定的 C 语言编程能力。像其他有些课程,比如计算机专业课程中的编译原理、数据结构,计算机系统体系结构,这些知识实际上还不太需要,了解一下就可以了。
有了 C 语言编程基础,并且学过单片机,这个时候就可以学习一下嵌入式 Linux 的基本框架了,很简单,那就是首先要搞清楚什么是 BootLoader、Linux 内核(kernel)、和文件系统,接下来简单介绍一下。
什么是 BootLoader 呢?
实际上它是个引导程序,也就是硬件复位以后第一个要执行的程序,它主要工作就是初始化操作系统运行的环境,比如说内存、定时器、缓冲器等,当这个工作做完以后,再把操作系统的代码加载到内存,然后操作系统就可以启动并执行,到此为止,bootloader 的任务就完成了。
那么有人问了,没有 bootloader 行不行呢,可以!但是因为操作系统本身一般是个通用的软件,它要在不同的平台上运行,比如 X86,ARM,POWERPC 等等,而不同的处理器的初始化操作是不同的,如果操作系统的软硬要考虑在启动时候各种平台的差异性,那就显得过于复杂。除此之外,也有其他方面的原因,比如烧写系统的便捷性考虑等等,这里暂不做深入的探讨。
常用的 bootloder 有很多种,比如 U-BOOT、REDBOOT、LILO 等等,我们开发板用的是 Uboot。
什么是 Kernel 呢?
Kernel 就是 Linux 的内核,也就是说 Linux 操作系统本身的代码。那么 U-BOOT 启动到最后,就是把它加载到内存,并且跳转到 Kernel 来执行。
什么是文件系统呢?
现在我们来介绍一下文件系统,这里需要了解一个事实,就是说 Linux 启动到最后一定要挂载一个文件系统。这个是 Linux 的一个特点,它不像其他操作系统,比如像 VxWorks,是不需要文件系统的,VxWORKS没有文件系统也可以运行。 而且还需要了解一点,像 QT 系统、Android、以及 Ubuntu 系统它们的底层都是 Linux 内核,不同的是它们的文件系统不一样,也就是说,Android 系统相关的一些代码,比如说图形界面系统、Android 的虚拟Android 的框架代码都在 Linux 最后挂的文件系统里面。 如果大家理解了这点,那么这几个系统的基本架构也就清楚了。
搞清楚了这几个概念,实际我们就了解了 Linux 系统最基本的框架,然后我们根据开发板配套的资料,去学习如何编译这几个文件,因为像 Uboot、Kernel、文件系统,最后编译生成出来分别是一个独立的文件,就是说会生成三个文件,最后我们要学会把这几个文件烧写到板子上。
学会了编译和烧写,接下来呢,我们在这个框架的基础上,去学习如何做 Linux 上面的应用程序。
什么是应用程序(APP)呢?它是运行在操作系统上面,通过调用操作系统的资源去工作,是最终的业务逻辑,比如我们 Windows 上面有很多的应用程序,像 QQ、暴风影音、WORD、EXEL 等,各种各样 APP有很多。
根据我们后期的视频教程,大家应该很快就能学会,比如说串口程序、网络程序等等,这些都是应用程序,我们不需要做太多,学习几个加深一下对框架的认识就可以了。
再接下来,我们就需要学习 Linux 驱动方面的一些知识了,这也是在基础框架里面的,驱动程序可以看成是操作系统的一部分,它在底层专门和硬件打交道。那么大家稍微了解一下,就会知道 Linux 的驱动包括有三种:字符设备、块设备以及网络设备。
这个时候呢,大家要注意,只需要学习字符类设备驱动,其他两种先不要去花时间研究。一定要记住,最初学习嵌入式技术的时候不要去研究块设备和网络设备。也就是说,把字符类设备搞明白就可以了。因为一般的公司开发嵌入式的产品仅限于字符设备的开发,掌握字符设备的框架思想和开发步骤就能够胜任了。至于块设备和网络设备,直接用开发板或者某个开发平台本身提供的驱动就足够了,这些是一线处理器厂家做的事情,一般情况下不需要我们去完成,这些处理器研发的厂家在为处理器开发配套 BSP 的时候才会涉及这些工作。
当然了,有的同学可能会说,某某公司就是在做块设备驱动,我的意思是讲,从嵌入式这个行业总体上来讲,大多数公司都不需要那么做,很多技术往往是直接拿来用的。我们掌握了字符设备驱动的开发方法,已经能够应付大多数公司的开发要求,对于一个还没有入门的学生来讲,一定要按照我说的办法来学习。等将来熟练掌握基本技能以后,可以根据框架学习的方法,再去研究更深入的编程。这个时候,那些计算机专业的课程,比如数据结构、计算机系统体系结构、各种算法等等就可以派上用场了,自己的水平也会在学习的过程中再次升华。
学习字符类设备驱动,请跟着迅为的视频去学习 LED 的驱动编写方法,以及蜂鸣器、AD 转换等这些跟 GPIO 相关的驱动开发技巧。掌握了这些,可以讲,我们已经成为了一个比较合格的嵌入式驱动工程师!
这个时候我进一步介绍一下什么是快速原型,如果学过软件工程的话,那么大家会听说过一种自顶向下的产品开发方法,这个方法很有效,多数产品的开发方法都是遵循这个思想,大概就是从最初的可行性分析,然后概要设计、详细设计、编码、测试等等。
除此之外呢,还有一种开发方法就是‘快速原型’,这个是微软采用的一种方法,简而言之呢,快速原型是个逐渐迭代的方法,就是说让产品尽快把雏形开发出来,然后逐渐清晰,一步步走向成熟。在这里我们把快速原型法用到学习上,它原来是种开发方法,我们这里借鉴过来,借鉴到框架学习的思想上。也就是说,我们掌握一定的基础以后,就要去学习框架,当这个基础框架清晰以后,再去学习更新更深入的框架知识,这样一环套一环,环环相扣,最终研究越来越深入,进而成为这个行业的专家。
那么在嵌入式行业的工程师的职位其实也是这个样子的,大家看一下:
基本数字电路 + C 语言 + 基础框架知识 -----> 嵌入式驱动工程师
数据结构+编译原理 ------> 高级嵌入式驱动工程师
计算机系统体系结构 + 操作系统(从抽象到具体)-------> 系统架构工程师
因为在第一个阶段,你会发现,只要熟练掌握 C 语言,有良好的编程功底就够了,在工作的时候很少涉及到编译原理、数据结构这些方面的知识,那么很多其他专业的毕业生,甚至原来学机械设计的同学都可以成为嵌入式驱动工程师。
实际也是这样,在大多数嵌入式技术公司,尤其是应用产品开发的公司,只要了解基本的 Linux 架构的知识,并且能够编写字符类的驱动程序就够了。因为像网络设备驱动以及块设备驱动,基本都有个 DEMO 设计,只要参考这个 DEMO 做就可以,根本不需要我们做什么,如果说需要做的话,那也是改一下 GPIO 的设置,修改一下中断的引脚,仅此而已。

那么深入学习的话,分析操作系统源码的时候就会发现,数据结构的知识逐渐排上用场,尤其是在某些专业公司,负责某个专用领域的时候,工作中可能会改写操作系统的某部分代码,来适应他们自己硬件的各种情况,将会深入分析某方面的技术,比如文件系统、网络协议等,这个时候数据结构等方面知识就显得很重要了。
有了基础的原型以后,通过继续学习新的知识,逐渐使自己的认识提高一个层次,更精深的了解嵌入式技术,同时知识体系更加完备,可以做更高层次的工作了。
应用这样的学习方法,在学习过程中,也会使学习过程始终有目标,而不会感觉枯燥,每天都会有成就感,从一开始就能抓住嵌入式系统的脉络,只要付诸努力,持久学习下去,就能成为嵌入式行业的专家。
最后我们总结下,要想比较快的掌握嵌入式技术,要应用框架学习的方法,在一定的知识基础上就开始学习基础的框架知识,这样就很容易入门,随着开发经验的积累,再去学更深入的基础知识,以及更深层次的框架知识。这样相互迭代,直到能够精通嵌入式技术。
这个方法也充分说明计算机科学是门实验科学。那么在学习过程中,要注意,不用学习过多的基础知识,也就是说有了 C 语言和单片机的基础就可以学习嵌入式的基本框架,然后就能够成为一个合格的嵌入式工程师;以后可以继续深造,学习数据结构编译原理操作系统等方面的知识,并深入学习算法,从而再去学习 Linux 更深层次的框架结构,使得整体水平得到进一步的升华。
现在我们总结一下,把学习嵌入式技术的路线图跟大家澄清一下,那就是:
单片机 + C 语言 -----> 学习基础框架知识(包括 bootloader,Linux 内核、文件系统的编译和烧写 ----->
再去学习 Linux 上层应用的编程,以及字符设备的驱动,学完以后就会觉得入门了,能做一些事情了-----> 最后深入学习计算机系统结构、数据结构、操作系统原理等等一些知识,通过分析 Linux 系统源码,直到熟练掌握嵌入式编程技术。
框架学习法视频讲解:bilibili搜索-【北京迅为】再谈Linux学习方法-框架学习法

03 关于裸机程序和仿真
有些用户希望通过 ARM 开发板来学裸机程序,其实我们不建议这样做,在 ARM 上做一些裸机程序,不是不可以,而是没有太多价值,因为裸机程序根本发挥不了 ARM 处理器的性能,只有运行了操作系统才能够充分挖掘 ARM 处理器的优势,更能够保证系统运行的安全和稳定性。
如果真的想学习裸机程序,单片机就够了。从架构上来讲,单片机和 ARM 是一样的,都是 CPU,而且编程思想也没有多少区别,只不过 ARM 速度太快了,只有在上面跑操作系统,并使用多任务的编程方法才能最大化的发挥 ARM 处理器的优势。
在实际产品开发时也是这样,几乎没有拿 ARM 跑裸机的方式来开发产品的。如果用裸机方式来编程,推荐使用单片机,这样整体成本也会小很多,事实上也是这样的。
早期的时候,我们在 ARM 上也做过很多裸机程序,并且用仿真器来调试;很多人,尤其从单片机转过来的工程师,都希望学习下这种技术,因为他们感觉裸机程序更亲切,而直接用操作系统觉得很不踏实,不能够完全掌握系统的运行情况;其实这种想法是不对的。我们必须在抽象的层次上来开发产品,逐渐转变观念,不能说开发一款产品,就一定要对每个程序的细节都非常清楚,应该学会在操作系统这个抽象的软件上来开发产品,这样做才符合潮流,也是产品发展以及个人发展必须转变的思路和观念。我们看到很多原来做单片机开发的工程师,在转型嵌入式产品开发的时候面临很多困难,实际上观念的转变应该说是最大的障碍,希望引起大家的注意。

04 基于迅为开发板的学习步骤
本节结合迅为的终结者 I.MX6ULL 开发板来介绍一下嵌入式技术的学习步骤。
大家都知道,嵌入式技术的知识面非常广,学起来往往不知道如何下手,我们通过这一小节给大家阐述一下嵌入式技术应该从哪里开始学起,以及按照什么样的步骤深入下去,最后顺利入门,成为一个合格的嵌入式工程师。
这节的教程很重要,希望通过这次的讲解能起到提纲挈领的作用,让大家能够在大量的学习资料中有一个比较清晰的学习脉络。
前面已经介绍过,嵌入式系统的学习方法,首先要掌握架构,那么什么是架构呢,这里再强调一遍,那就是要搞清楚几个概念:弄明白什么是 BootLoader 引导程序,什么是 Linux 操作系统内核 Kernel,什么是文件系统。这个很重要,如果搞不明白,直接去学其他的内容,学起来就比较迷糊,实际上是在走弯路,这里推荐大家首先要看一篇文章,也就是迅为用户 QQ 群的一个答疑记录:《迅为技术支持群答疑记录》,已经放到了开发板光盘的网盘链接中,路径为:iTOP-i.MX6ULL 终结者光盘资料->10_其他参考资料->迅为技术支持群答疑记录,大家可以去研读一下。
相信大家看了这个对话以后,就应该明白 u-boot、Kernel 和文件系统这几个文件的作用和意义。接下来大多数工作都是围绕这几个文件展开的,比如编译环境的搭建, 源代码的编译和烧写, 应用程序和驱动程序的编程等等,就是说这几个文件是贯穿我们整个嵌入式学习的始终的。把这几个文件搞明白了,后面的学习也就有了目标,所以说搞明白这几个文件的含义非常重要。
接下来需要我们做的是搭建编译环境,在 WIN7 或者 WIN10 系统上安装虚拟机,然后在虚拟机上再安装 ubuntu。这里需要说明的是,大家在初学的时候要尽量按照教程里的方法一步步的来,这样学习的效率比较高,所以在可能的情况下一定要按照手册的要求来做,尤其是初学者;当然大家熟练以后可以去做下创新,做不同的尝试。
安装编译环境是个很费事的过程,虽然说没有太多的技术含量,但是在这个过程中也要客服很多困难,开源系统就是这样,时常会遇到一些这样那样的问题,很多时候是不可预测的,或许大家会觉得安装系统是浪费时间很困惑,其实这个过程也是很重要的,中间要学习很多的知识,只要大家不怕折腾,这些过程当中的困难都是可以克服的,迅为公司为了让大家少走弯路,已经把安装步骤做了很大程度的简化。
开发环境搭建起来以后,这个时候可以学习一下对源码进行编译,同时也可以学习一下烧写,一步步按照教程去做就可以了。再次强调一下,所有这些工作都是围绕我们前面所讲的那三个文件进行的,也就是 Uboot, Kernel 和文件系统。
系统的编译和烧写都是依赖于这个开发环境的,也就是必须在虚拟机上安装好 ubuntu,
并且把源代码从光盘中拷贝到 ubuntu 的环境下面,只要按照教程的提示往下做就可以了。
看完 Linux 入门视频,我想大家对 Linux 的体系有了基本的了解,这个时候其实已经算是入门了,万事开头难,只要迈进了 Linux 的大门,后面便是一马平川,任你驰骋。

 

posted @ 2021-08-02 09:54  心底狂像  阅读(492)  评论(0编辑  收藏  举报