计算机与嵌入式开发学习

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我是电气自动化专业出身，最早接触编程相关东西的是 51 单片机，但是这个笔记的标题为<计算机与嵌入式开发>，来自于知乎如何学习嵌入式系统？下的一个回答：

如果是学计算机的，那么学嵌入式不会有门槛。如果不是学计算机的，那么忘了嵌入式，先学习计算机。

出于对嵌入式的兴趣，以及想弄清楚一块芯片工作原理的好奇心，开始一些计算机课程的学习...

• 1-1.编程语言、编译过程、数据结构与算法基础

• 1-2.计算机系统基础 CSAPP

• 1-3.数字电路、计算机组成原理、steam：图灵完备

• 1-4.计算机网络

• 1-5.操作系统原理

• 2-1.裸机开发，arm cortex-m cortex-a7

  • 通信接口

  • arm 芯片开发，基于 IDE、gcc 裸机开发

• 2-2.中等规模系统开发，编程思维(C 语言 OOP 思想)

  • 裸机 LVGL 图形库

  • 裸机开发，软件框架，系统架构，(状态机、订阅发布、事件触发、任务调度)

  • 基于 rtos 开发 (rt-thread 和 freeRTOS)

• 2-3.ARMv7-M 架构与 RTOS 原理

  • Cortex-M3 内核，指令集、中断、体系结构等

  • rt-thread 内核、驱动

• 3-1.linux 应用开发(系统编程+GUI)

  • ubuntu 相关、linux 使用、

  • shell 编程、vim、gcc、makefile

  • 网络编程、多线程

• 3-2.linux 镜像构建

  • linux 系统构建：bootloader、kernel、device tree、root filesystem

• 3-3.linux 驱动开发

  • 字符设备驱动

  • 设备树

修改记录

• 2024-08-15 整理到 gitbook，框架修改

嵌入式系统

(2024.8)

学习了一段时间 linux 驱动开发后，重新回头来看 MCU 和 RTOS。

rtthread 上的驱动设计应该是参考了 linux 驱动的，以及 menuconfig 、项目构建之类的，了解一些 linux 驱动回头看 rtthread 的源码，感觉要通透不少。比如设备注册，在 linux 驱动里，我只是用了注册函数，但是在 rtthread 里可以直接跳转去看注册函数干了什么事情(linux 也可以跳进 kernel 看，但是代码很多)，并且 rtthread 足够简单，每个层次的注册函数源码都很好读。注册在做的事情：填充设备对应结构体的参数，即完善描述设备的结构体，将足够的信息传递给内核，以便用户使用。在软件架构上，一层层抽象上去，每一层都有自己的注册函数，需要向上一层注册。这个顺序正好和继承是反着来的。比如内核对象派生了设备类，设备类派生了 PIN 类，然后驱动工程师可以自己基于 PIN 类派生一个 stm_pin 的类，初始化时，stm_pin 向 PIN 层注册，PIN 层中向设备对象层注册，设备对象层向内核对象层注册。

此外 liunx 开发都是直接用交叉编译工具和 makefile 开发，MCU 开发大多都使用 IDE 如 Keil IAR。但是 STM32 也可以用 gcc 来开发，在这个过程中，控制代码的每一个细节，如第一行代码所在的位置，自己填充中断向量表，并且理解内存映射 IO 如何对着 datesheet 来使用芯片，了解 C 语言的一些硬件特性(比如 volatile)，熟悉编译过程(i++ 延时的 O2 编译优化)，。做这个事情我觉得是有必要的，熟悉这一套流程，可以做到在一块基于 arm 设计的全新芯片上只对着芯片手册使用芯片。

当然主要还是基于实际出发，linux 开发 uboot kernel driver 都是用交叉编译工具、makefile 对着手册来，但是这些项目这么多年已经很大了，想搞懂每个细节对初学者很不友好。所以对我来说，不妨用一个我自己熟悉的芯片(stm32)、他足够简单、功能足够完整，能让我一个人完成整套流程又不至于花非常大的精力。所以当我完整的理解了这个小系统的工作原理，我在调试更复杂的芯片的时候会更有信心，虽然他更大更复杂，但是芯片、或者说计算机系统在原理上是相通的，工具上也是通用的，调试复杂芯片也会有种似曾相识的感觉，面对新的芯片也会很自信。

学习一个新东西，先保持好奇心学一个小的、简单的、容易理解的、原理上又相通的，然后再去看大的、复杂的、有挑战性的、面向实际应用的东西，在遇到问题时，也会有一个原理上的指导方向，这是我的学习方法。

(2023.7)

嵌入式的几个阶段

裸机，直接使用芯片，猛糙快，非常靠近寄存器，不会太细致的区分层次。

项目大到一定程度以后，出现了代码维护上的困难，需要编码规范或者一些编程思想。

为了更容易处理更多的事情，开始基于 RTOS 去实现一些东西。

出于性能的考虑(更快的芯片)，或者安全性(内存虚拟化)、通用性(POSIX、各种库)的考虑，或者更大的项目的分工(驱动、应用、算法)，需要一套更成熟、更标准化、提供更多基础设施的框架：linux。

时间或者性能上更严格的要求：fpga

(2023.4)

MCU 裸机开发、LVGL 以及基于 rt-thread 开发是在面向应用，现称为一个东西的熟练使用者，在去看背后的原理以及实现。个人觉得从刚开始接触 MCU 比如 STM32，到能做出一个简单的电子系统，这个过程有个两三个月足够了，基于 ST 库开发，不同的外设的操作方式实际上是类似的，可能学习GPIO的时候，会跟着教程去细致的看外设内部的原理图，但是一旦用代码操作起来，都是模式化的东西。在能自己独立设计出一个不是那么小的电子系统后，我认为应该再往上走一个层次，去注意软件工程，或者说编码思想方面的东西了，先不着急去做更大的系统。

搞MCU大多是学电气电子或者自动化的同学，写代码很多时候都是猛糙快，讲究个能用就行，如果在熟练使用MCU后停留在这个阶段，对职业发展是不利的。因此我觉得在觉得自己玩熟了MCU，了解了大多数外设后，可以尝试去玩玩一些与外设耦合不那么紧密的代码，比如 LVGL，显示框架本身是硬件无关的，再比如rtthread本身也是，这些大一些的 C 语言项目都是有一套自己的思想以及设计方法在里面的，而且这些东西不仅仅适用于 MCU 平台，举个例子，机器人仿真用的 webots，可以使用 C 语言开发算法，里面的程序表达

WbDeviceTag left_front_motor = wb_robot_get_device("left_front_motor");
wb_motor_set_position(left_front_motor,INFINITY);
wb_motor_set_velocity(left_front_motor,0);

对比 lvgl 里的程序表达

/*Create a screen*/
lv_obj_t * scr = lv_obj_create(NULL, NULL);
lv_scr_load(scr);          /*Load the screen*/

/*Create 2 buttons*/
lv_obj_t * btn1 = lv_btn_create(scr, NULL);         /*Create a button on the screen*/
lv_btn_set_fit(btn1, true, true);                   /*Enable automatically setting the size according to content*/
lv_obj_set_pos(btn1, 60, 40);              	   /*Set the position of the button*/

lv_obj_t * btn2 = lv_btn_create(scr, btn1);         /*Copy the first button*/
lv_obj_set_pos(btn2, 180, 80);                    /*Set the position of the button*/

/*Add labels to the buttons*/
lv_obj_t * label1 = lv_label_create(btn1, NULL);	/*Create a label on the first button*/
lv_label_set_text(label1, "Button 1");          	/*Set the text of the label*/

lv_obj_t * label2 = lv_label_create(btn2, NULL);  	/*Create a label on the second button*/
lv_label_set_text(label2, "Button 2");            	/*Set the text of the label*/

/*Delete the second label*/
lv_obj_del(label2);

还有 rtthread 里线程创建的

/* 线程示例 */
int thread_sample(void)
{
    /* 创建线程 1，名称是 thread1，入口是 thread1_entry*/
    static rt_thread_t tid1 = rt_thread_create("thread1",
                            thread1_entry, RT_NULL,
                            THREAD_STACK_SIZE,
                            THREAD_PRIORITY, THREAD_TIMESLICE);

    /* 如果获得线程控制块，启动这个线程 */
    if (tid1 != RT_NULL)
        rt_thread_startup(tid1);

    return 0;
}

/* 导出到 msh 命令列表中 */
MSH_CMD_EXPORT(thread_sample, thread sample);

甚至 Linux 环境下 socket 编程

int main(){
    //创建套接字
    int serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    //将套接字和IP、端口绑定
    struct sockaddr_in serv_addr;
    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));  //每个字节都用0填充
    serv_addr.sin_family = AF_INET;  //使用IPv4地址
    serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //具体的IP地址
    serv_addr.sin_port = htons(1234);  //端口
    bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
    //进入监听状态，等待用户发起请求
    listen(serv_sock, 20);
    //接收客户端请求
    struct sockaddr_in clnt_addr;
    socklen_t clnt_addr_size = sizeof(clnt_addr);
    int clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_addr, &clnt_addr_size);
    //向客户端发送数据
    char str[] = "http://c.biancheng.net/socket/";
    write(clnt_sock, str, sizeof(str));
   
    //关闭套接字
    close(clnt_sock);
    close(serv_sock);
    return 0;
}

这些代码都是类似的，都是定义一个东西等于一个函数的返回值，然后用不同方法操作这个东西。HAL 库里有些东西也是这样，但是 HAL 库还是和STM32硬件本身耦合的比较紧。

在学习使用 LVGL 时会熟悉 C 的一些编程方法和思想，比如 C 中继承，这种思想在 gui 上是可视化的，很容易理解。如果自己写过网站的话，css 样式控制代码里更是如此。在此基础上去使用 rt-thread 的成本就比较低了，只需要稍稍理解一下线程的概念，就能轻松的让多任务跑起来，而且手册中的 OOP 思想也因为有 lgvl 的对比理解，不那么抽象了。

熟练使用 rtos 大约也要花个几个月的时间，这时候应该可以很容易的实现出更大规模的系统。

熟练的基于 rtos 开发后，一方面可以去试着基于 linux 去开发对运算要求更高的应用，也可以去看看 linux 驱动开发，也可以在 linux 上玩玩，有了前面的基础，玩linux 也不困难。同时也可以去看看 rtthread 的实现原理，这是一个中等规模的 C 语言项目，同时也能学习操作系统的一些知识，rtt 里面好多东西在 linux 里都能找到影子 比如 menuconfig 工具，自动初始化机制的宏定义，甚至驱动框架都有借鉴的地方。

(2022.6)

嵌入式的领域过于宽广，洗衣机控制系统、手机、甚至树莓派都可以叫做嵌入式平台，Nvidia 把自己推出的小型 AI 计算机也叫做嵌入式边缘计算平台，所以我用一句话总结嵌入式：除了日常使用的通用电脑之外其他的可以跑代码的、有 CPU 、需要写程序的计算设备。

NVIDIA 官网对 Jetson 的介绍

Jetson NANO 开发套件，工控造型的nano

除了这些比较贵的，像一台电脑可以运行 Linux 的嵌入式设备，也有结构简单，偏底层应用的芯片。

arm cortex-m 内核，ST、GD、NXP的芯片

这些芯片的内核，或者叫 CPU 都是 ARM 公司设计的，通用 PC 一般来讲都是 x86 架构（Mac 上用的 M1 是个例外），这也是嵌入式系统的一个特征。

一些想法

• 2022/10/18

  • 嵌入式软件。程序设计。最近在学抽象数学，数学的发展在一步步抽象，在学习矩阵分析的时候，会发现微积分里的运算、函数，线性代数中的欧几里得空间居然都变成了矩阵分析里的实例，矩阵分析像是一个类，各种东西抽象出一个通用的思想，共性的东西。程序设计也是在一步步从底层向上抽象，这两种不同的东西是否有一些联系呢？思维上相同的东西。比如C++的类和对象，线性代数本身像是一个抽象的类，实例化后有欧几里得空间、状态空间，各种空间。甚至矩阵分析里的各种运算符，要格外的关注其含义，即运算的空间，+的含义是不同的(抽象空间的+或数域的+)，这一点C++有运算符重载这个特性，居然可以直接去实现出来矩阵分析里的一些思想，抽象类相加的含义。