【嵌入式】基于ARM的嵌入式Linux开发总结

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

前言

嵌入式知识点复习一

1、嵌入式系统的一般组成结构

在这里插入图片描述

2、嵌入式硬件系统的结构
（1）嵌入式处理器+外围硬件
（2）常见的外围硬件：电源、时钟、内存、I/O、通信、调试；
3、嵌入式处理器
（1）ARM、S3C6410、STM32单片机、华为海思、高通骁龙等
（2）Intel /AMD 都不是嵌入式处理器
4、嵌入式操作系统
功能：
种类：嵌入式linux；WinCE；Vxworks；μC/OS-II；Android；IOS。注意：linux不是嵌入式操作系统；MAC OS WINDOWS XP/7/8/10都不是

嵌入式知识点复习二 –体系结构

1、ARM:ADVANCED RISC MACHINES,是一款嵌入式微控制器，也是一家嵌入式处理器设计厂商。设计高性能、低功耗的嵌入式处理器。
2、ARM微处理器工作状态：两种指令对应两种状态（通常情况）
（1）Thumb状态、ARM状态；
（2）32位定长ARM指令，16位定长Thumb指令。
（3）ARM1176支持ARM指令、Thumb指令、Jazelle指令，故有三种状态：ARM状态、Thumb状态、Jazelle状态。
3、异常：
（1）处理器执行某些区别于用户指令的任务，如中断处理、复位、调试等；为了区分用户指令，因此称为异常；
（2）异常的种类与类型(1176为例)：7种，中断（IRQ）、快中断（FIQ）、未定义（Undef）、数据中止（DABT）、预取指中止（PABT）、软中断、复位(reset)
4、工作模式：根据系统执行正常或异常指令不同，分为8种工作模式：用户模式、系统模式、中断模式、快中断模式、未定义模式、中止模式（对应数据中止异常、预取指中止）、SVC管理模式(软中断、复位)、SM安全监视器模式。
5、寄存器：
(1)ARM处理器均为32位寄存器；
(2)ARM1176寄存器数量：40个
(3)ARM1176寄存器包括：未分组寄存器、分组寄存器、CPSR、SPSR;
(4)未分组寄存器（所有模式通用）：9个，R0~R7;R15(PC)
(5)分组寄存器（不同工作模式下专用,不同模式稍有不同）：
①　R8~R14;
②　6个不同模式下的SPSR寄存器:SPSR_irq,SPSR_fiq,SPSR_abt,
SPSR_und,SPSR_svc,SPSR_mon
（6）可复用寄存器：
①　SP堆栈指针寄存器-R13，用于保存子程序调用或异常处理的临时数据；
②　LR连接寄存器-R14，用于保存子程序调用或异常处理时，主程序调用指令/中断跳转指令的下一条指令的入口地址，以便于恢复主程序；
③　PC程序计数器-P15，用于保存要执行的指令的地址。
（7）PSR程序状态寄存器：
①　包括CPSR当前程序状态寄存器和SPSR备份的程序状态寄存器；
②　CPSP用于保存当前模式下处理器模式、状态、中断使能、大小端模式及条件位等信息；
③　SPSR用于备份异常发生前的CPSR寄存器的值，以便异常处理结束时能返回用户程序状态。
6、ARM支持两种中断：IRQ和FIQ
7、ARM数据存储格式：大端（big endian）和小端（little endian）
8、采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：
　
①　体积小、低功耗、低成本、高性能；
②　支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集，能很好地兼容8位/16位器件；
③　大量使用寄存器，指令执行速度更快；
④　大多数数据操作都在寄存器中完成；
⑤　寻址方式灵活简单，执行效率高；
⑥　指令长度固定；
⑦　指令支持按条件执行；
⑧　内存访问采用load/store实现。

嵌入式知识点复习三 –ARM-LINUX嵌入式开发环境

一、交叉开发模式
1、组成结构
（1）宿主机：开发主机，一般由PC、发行版linux系统、开发工具（本地及交叉编译）（代码编辑器Vi,编译器GCC、调试器GDB、工程管理器MAKE、NFS等）组成；
（2）目标机：嵌入式系统，一般由ARM硬件、BOOTLOADER、内核、根文件系统构成；
（3）连接工具：串口线、网线、USB线等。
2、理解编译工具链与交叉编译工具链的异同
（1）相同点：
①　用于支持的语言的编译、链接与调试，编译器用法相同；
②　通常都有编译器、链接器、调试器、库及其他二进制工具构成。
（2）不同点：
①　编译工具链一般用于本机编译、本机执行的开发模式；
②　交叉编译工具链用于宿主机编译，目标机运行的交叉开发模式；
③　编译器一般Linux发行版都配备，直接调用gcc命令即可；
④　交叉编译器一般需根据宿主机软硬件环境，进行gcc、相关库、工具进行有针对性的定制。
⑤　实验室使用的OK6410开发板定制的编译器为32位的，其交叉编译工具链主要arm-linux-gcc,arm-linux-g++arm-linux-gdb等构成。
二、开发工具的用法
1、Vi的工作模式及其切换-掌握使用Vi完成源代码编辑、保存及退出的常见按键操作；
2、GCC：GNU Compiler Collection，GUN编译器套件，特点：
①　支持绝大多数高级语言的编译，既支持传统的C/C++,Fortan,Objective-C ，也支持java,python,go等语言；
②　支持汇编语言；
③　支持绝大多数的主流处理器平台；
④　便于构建交叉编译工具链。
3、gcc/arm-linux-gcc用法：
①　基本用法：gcc hello.c;arm-linux-gcc hello.c;输出a.out
②　推荐用法：gcc hello.c -o hello/arm-linux-gcc hello.c -o hello ,可以指定输出文件名称；
③　主要的编译参数
-Wall 打印全部警告信息；
-O{0-3,s} 支持代码优化，0无优化；
-g 支持gdb调试；
-lpthread 支持多线程。

4、make及Makefile
（1）make:工程管理器，利用执行Makefile文件实现工程管理（编译、链接、生成工程镜像、安装、清理、卸载等）；
（2）make用法：编写Makefile，在终端下执行make命令即可。
（3）Makefile文件编写示例：
一个工程，2个源文件testa.c ,testb.c,一个头文件testb.h，编译器为arm-linux-gcc，生成的可执行文件为test,需支持代码优化、打印警告信息，支持gdb调试等编译选项，其Makefile文件如下：
SRC=testa.testb b.c testb.h
EXEC=test
CC=arm-linux-gcc
CFLAGS=-Wall -O2 -g
$(E X E C) :$ (SRC)
$(CC) $(SRC) -o $(EXEC) $(CFLAGS)

嵌入式知识点复习四 –arm-linux文件编程

1、linux文件编程概述
（1）文件描述符：Linux中文件分为4种:普通文件、目录文件、链接文件、设备文件要区分这些文件就要了解“文件描述符”；
文件描述符是一个非负的整数，他是一个索引值，并指向内核中每个进程打开文件的记录表。当打开一个现存文件或创建一个新文件时，内核就向进程返回一个文件描述符，当需要读/写文件时，也需要把文件描述符作为参数传递给相应的函数。
（2）基本I/O操作
Linux的输入/输出（I/O）操作，通常为5个方面：打开，读取，写入，和关闭
对应的有5个系统调用：
open,read,write,close,lseek
所需要的头文件：
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
1.open函数
open函数的原型如下：
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode)
函数传入参数含义如下：
pathname:为字符串，表示被打开的文件名称，可以包含路径。
flags ：为一个或多个标志，表示文件的打开方式，常用标志如表所示：
O_RDONLY 只读方式打开
O_WRONLY 只写方式打开
O_RDWR　　读/写方式打开
O_CREAT 如果文件不存在，就创建新的文件
O_EXCL 如果使用O_CREAT时文件存在，则可返回错误消息
O_TRUNC　　如果文件已存在，且以只读或只写成功打开，则先全部删除文件中原有的数据
O_APPEND　　以添加方式打开文件，在打开文件的同时，文件指针指向文件的末尾、
注意：在open函数中，flags参数可以用过“|”组合而成，O_RDONLY,O_WRONLY,O_RDWR这三种方式是互斥的，不可同时使用，因此这3个参数只能出现一个。

mode 被打开文件的存取权限模式，可以使用八进制数来表示新文件的权限，也可以采用<sys/stat.h>中定义的符号常量，当打开已有文件时，将忽略这个参数，函数返回值：成功则返回文件描述符，出错返回-1。

文件模式符号常量：
S_IRWXU 　　00700 　　所属用户读。写和执行权限
S_IRUSR　　 00400　　所属用户读权限
S_IWUSR　　 00200　　所属用户写权限
S_IXUSR 　　00100　　所属用户执行权限

S_IRWXG　　00070　　组用户读，写和执行权限
S_IRGRP　　 00040　　组用户读权限　
S_IWGRP 　　00020　　组用户写权限
S_IXGRP　　 00010　　组用户执行权限

S_IRWXO　　00007　　其他用户读，写和执行权限
S_IROTH　　00004　　其他用户读权限
S_IWOTH　　00002　　其他用户写权限
S_IXOTH　　00001　　其他用户执行权限
2.read和write函数
函数原型如下：
ssize_t read(int fd, void *buf,size_t count)
ssize_t write(int fd,const void *buf, size_t count)
函数传入参数含义如下：
fd 文件描述符
buf 指定存储器独处数据的缓冲区
count 指定读出或写入的字节数
3.close函数
当使用完文件时可以使用close关闭文件，close会让缓冲区中的数据写回磁盘，并释放文件所占的资源，close的原型如下：
int close(int fd)
函数传入参数：fd文件描述符
函数返回值：若文件顺利关闭则返回0，发生错误则返回-1，并置errno,通常文件在关闭时出错是不常见的，但也不是不可能的情况，他别是在关闭通过网络访问的文件时就会出现这种情况。
4.lseek函数
主要用于移动文件读写指针，主要用于获取文件大小和拓展文件（先分配空间、然后再填充内容），函数原型如下：
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence)
参数 fd：文件描述符。
offset：偏移量，每一读写操作所需要移动的距离，单位是字节的数量，可正可负（向前移，向后移）
whence
(当前位置基点)： SEEK_SET：当前位置为文件的开头，新位置为偏移量的大小。
SEEK_CUR：当前位置为文件指针的位置，新位置为当前位置加上偏移量。
SEEK_END：当前位置为文件的结尾，新位置为文件的大小加上偏移量的大小。
返回值成功：文件的当前位移
-1：出错

实例：（1）参考实验2：linux文件编程；
（2）网盘：/linux编程源代码/IO（readwrite、fcntl）下相关代码

嵌入式知识点复习五 –arm-linux进程编程

一、Linux进程编程
进程(Process)是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是操作系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。
1 进程控制
子进程创建：fork()函数
在Linux中创建一个新进程的唯一方法是使用fork()函数。fork()函数是Linux中一个非常重要的函数，和以往遇到的函数有一些区别，因为fork()函数看起来执行一次却返回两个值。
1）fork()函数说明
fork()函数用于从已存在的进程中创建一个新进程。新进程称为子进程，而原进程称为父进程。
使用fork()函数得到的子进程是父进程的一个复制品，它从父进程处继承了整个进程的地址空间，包括进程的上下文、代码段、进程堆栈、内存信息、打开的文件描述符、符号控制设定、进程优先级、进程组号、当前工作目录、根目录、资源限制和控制终端等，而子进程所独有的只有它的进程号、资源使用和计时器等。
因为子进程几乎是父进程的完全复制，所以父子两进程会运行同一个程序。这就需要用一种方式来区分它们，并使它们照此运行，否则，这两个进程不可能做不同的事。
实际上是在父进程中执行fork()函数时，父进程会复制一个子进程，而且父子进程的代码从fork()函数的返回开始分别在两个地址空间中同时运行，从而使两个进程分别获得所属fork()函数的返回值，其中在父进程中的返回值是子进程的进程号，而在子进程中返回0。因此，可以通过返回值来判断该进程的父进程还是子进程。
2）fork()函数语法

进程等待函数
1）wait()函数，无条件等待，父进程阻塞直到子进程结束
在这里插入图片描述
2）waitpid()函数，指定等待某个子进程结束以及等待的方式（阻塞或非阻塞）
所需头文件 #include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
函数原型 pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options)
函数参数 pid pid>0：只等待进程ID等于pid的子进程，不管已经有其他子进程运行结束退出了，只要指定的子进程还没有结束，waitpid就会一直等下去。
pid=-1：等待任何一个子进程退出，此时和wait作用一样。
pid=0：等待其组ID等于调用进程的组ID的任一子进程。
pid<-1：等待其组ID等于pid的绝对值的任一子进程。
status 同wait
options WNOHANG：若由pid指定的子进程并不立即可用，则waitpid不阻塞，此时返回值为0
WUNTRACED：若某实现支持作业控制，则由pid指定的任一子进程状态已暂停，且其状态自暂停以来还未报告过，则返回其状态。
0：同wait，阻塞父进程，等待子进程退出。
函数返回值正常：结束的子进程的进程号
使用选项WNOHANG且没有子进程结束时：0
调用出错：-1
所需头文件 #include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

函数原型 pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options)
函数参数 pid pid>0：只等待进程ID等于pid的子进程，不管已经有其他子进程运行结束退出了，只要指定的子进程还没有结束，waitpid就会一直等下去。
pid=-1：等待任何一个子进程退出，此时和wait作用一样。
pid=0：等待其组ID等于调用进程的组ID的任一子进程。
pid<-1：等待其组ID等于pid的绝对值的任一子进程。
status 同wait
options WNOHANG：若由pid指定的子进程并不立即可用，则waitpid不阻塞，此时返回值为0
WUNTRACED：若某实现支持作业控制，则由pid指定的任一子进程状态已暂停，且其状态自暂停以来还未报告过，则返回其状态。
0：同wait，阻塞父进程，等待子进程退出。
函数返回值正常：结束的子进程的进程号
使用选项WNOHANG且没有子进程结束时：0
调用出错：-1

进程结束：exit()和_exit()

所需头文件 exit：#include <stdlib.h>
_exit：#include <unistd.h>
函数原型 exit：void exit(int status);
_exit：void _exit(int status);
函数传入值 status是一个整型的参数，可以利用这个参数传递进程结束时的状态。
通常0表示正常结束；其他的数值表示出现了错误，进程非正常结束。
在实际编程时，可以用wait系统调用接收子进程的返回值，进行相应的
处理。

两者的区别：
（1）_exit()函数的作用最为简单：直接使进程终止运行，清除其使用的内存空间，并销毁其在内核中的各种数据结构；
（2）exit()函数则在这些基础上作了一些包装，在执行退出之前加了若干道工序。
（3）exit()函数在调用exit系统调用之前要检查文件的打开情况，把文件缓冲区中的内容写回文件，就是”清理I/O缓冲”。
Linux下的进程间通信
进程间通信用于实现参数传递及通信功能；Linux支持的常用的进程间通信方法：管道、消息队列、共享内存、信号量、套接口等等。
实例：（1）实验三：Linux进程编程；
（2）网盘linux编程源代码目录下fork文件下相关实例（FIFO、msgque、shm）。

嵌入式知识点复习六 –arm-linux网络编程

1、程序流程
（1）网络通信程序架构-客户端/服务器架构
（2）流程如下图：
在这里插入图片描述
TCP通信

2、函数说明
socket()
Sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

Bind()
s_add.sin_family=AF_INET;IPV4协议
s_add.sin_addr.s_addr=inet_addr(“192.168.1.123”);IP地址192.168.1.123
s_add.sin_port=htons(0x8888);端口号是8888

if(-1 == bind(Sockfd,(struct sockaddr *)(&s_add), sizeof(struct sockaddr)))

listen()服务器端侦听函数
listen(Sockfd,5)服务器侦听来自客户端的请求
accept()服务器端接受客户端连接请求
nfp = accept(Sockfd, (struct sockaddr *)(&c_add), sizeof(struct sockaddr);

send()数据发送函数
send(nfp,“hello,welcome to my server”,32,0)
recv()数据接收函数
recv(nfp,buffer,1024,0)
关闭连接
Close(nfp)
关闭服务器
Close(Sockfd)
实例：（1）实验四：网络聊天室设计
（2）网盘/linux编程源代码/socket下相关代码

嵌入式知识点复习七 –linux字符型设备驱动初步

一、Linux字符设备驱动初步
1、Linux设备类型
（1）字符设备：只能一个字节一个字节的读写的设备，不能随机读取设备内存中的某一数据，读取数据需要按照先后顺序进行。字符设备是面向流的设备，常见的字符设备如鼠标、键盘、串口、控制台、LED等。
（2）块设备：是指可以从设备的任意位置读取一定长度的数据设备。块设备如硬盘、磁盘、U盘和SD卡等存储设备。
（3）网络设备：网络设备比较特殊，不在是对文件进行操作，而是由专门的网络接口来实现。应用程序不能直接访问网络设备驱动程序。在/dev目录下也没有文件来表示网络设备。

2、开发流程

3、关键函数讲解（以2.6以下版本内核为例）
（1）驱动模块注册register_chrdev（）函数
原型：register_chrdev(unsigned int major, const char *name,const struct file_operations *fops)；
major:主设备号，该值为 0 时，自动运行分配。而实际值不是 0 ；
name:设备名称；
fops:操作函数，实现驱动定义的open、read、write、close等内核函数与应用程序调用的open、read、write、close间的映射；
返回值：
major 值为 0 ，正常注册后，返回分配的主设备号。如果分配失败，返回 EBUSY 的负值 ( -EBUSY ) 。major 值若大于 linux/major.h (2.4内核)中声明的最大值 (#define MAX_CHRDEV 255) ，则返回EINVAL 的负值 (-EINVAL) 。指定 major 值后，若有注册的设备，返回 EBUSY 的负值 (-EBUSY)。若正常注册，则返回 0 值
（2）驱动注销unregister_chrdev（）函数
原型：
#include <linux.fs.h>
int unregister_chrdev (unsigned int major, const char *name)
变量：
major 主设备号
name 设备文件
返回值：
major 值若大于 linux/major.h (2.4 内核)中声明的最大值 (#define MAX_CHRDEV 255)，返回 EINVAL的负值 (-EINVAL)。指定了 major的值后，若将要注销的 major 值并不是注册的设备驱动程序，返回 EINVAL的负值 ( -EINVAL )。正常注销则返回 0值。
（3）File_operation结构体
file_operations结构是建立驱动程序和设备编号的连接，内部是一组函数指针，每个打开的文件，也就是file结构，和一组函数关联，这些操作主要用来实现系统调用的
struct file_operations {

　　struct module *owner;//拥有该结构的模块的指针，一般为THIS_MODULES
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);//用来修改文件当前的读写位置
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);//从设备中同步读取数据
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);//向设备发送数据
ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);//初始化一个异步的读取操作
ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);//初始化一个异步的写入操作
　　int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);//仅用于读取目录，对于设备文件，该字段为NULL
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); //轮询函数，判断目前是否可以进行非阻塞的读写或写入
　　int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); //执行设备I/O控制命令
　　long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); //不使用BLK文件系统，将使用此种函数指针代替ioctl
　　long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); //在64位系统上，32位的ioctl调用将使用此函数指针代替
　　int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); //用于请求将设备内存映射到进程地址空间
　　int (*open) (struct inode *, struct file *); //打开
　　int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
　　int (*release) (struct inode *, struct file *); //关闭
　　int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync); //刷新待处理的数据
　　int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync); //异步刷新待处理的数据
　　int (*fasync) (int, struct file *, int); //通知设备FASYNC标志发生变化
　　int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
　　ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
　　unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
　　int (*check_flags)(int);
　　int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
　　ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
　　ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
　　int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **);
};
实例：见网盘/linux编程源代码/ok6410ledrv