Linux嵌入式系統開發從小白到大牛（簡體書）

2012年剛接觸單片機時，我對其愛不釋手，學習3個月後就自己動手畫PCB板、選擇51單片機、編程、選購4驅車架，一氣呵成做出了自己設計的遙控車。時至今日再看人生中的第一輛DIY小車，除了自豪以外也有些許失落。失落原因無非在於自己對嵌入式系統了解得不夠透徹，特別是學習了Linux系統以後。計算機系統是龐大的，盡管自己對物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層以及應用層都有所了解，但是在社會分工越來越明確的大背景下，要想在某個領域或者層次有所建樹，就需要選擇一個點來深耕。我選擇的這個點就是嵌入式Linux系統開發。嵌入式系統一旦移植了操作系統，就能夠同時處理多個任務，以及復雜的狀態切換並可以進行音視頻處理。現在計算機分層思想非常清晰明了，以一個物聯網系統為例，底層物理層和數據鏈路層集成在板卡端，網絡層多用面向可靠連接的TCP，傳輸層采用Socket套接字，應用層采用C/S、B/S以及P/S架構。因此也產生了許多應用工程師。這些應用工程師也許都會隨著計算機的發展逐漸被淘汰。這也是為什麼大部分IT工程師被稱為“碼農”和“攻城獅”的原因。但我認為在計算機行業不會被淘汰的有兩種人，一種是愛學習的人，另一種是懂操作系統的人。
本書在章節安排上本著由易到難、深入淺出的原則，具體內容安排如下。
第1~3章主要介紹一些Linux嵌入式開發的基礎知識點。第1章介紹了Linux嵌入式系統的應用和發展、分類和特點、系統架構以及系統環境的搭建等；第2章介紹了Linux操作系統的功能、基本命令、vi和vim編輯器的應用、文件鏈接以及編程方式等；第3章介紹了Linux嵌入式系統下的C語言編程。
第4、5章分別從硬件和軟件的角度分析嵌入式Linux學習的相關工具。第4章對Linux嵌入式的硬件系統進行了詳細介紹，包括微處理器字節序列存儲的大小端模式、微處理器的系統架構、硬件系統的基本組成部分以及微處理器的兩種編程方式等；第5章介紹了Linux嵌入式系統下交叉編譯的相關知識，涉及gcc編譯器的工作流程和使用方法、gdb調試工具的使用方法以及構建交叉編譯工具鏈等內容。
第6~9章是本書的重點，在語言安排上也盡可能通俗簡明，使初學者更容易理解，同時也能讓“老師傅”產生共鳴。第6章講解了Makefile的相關知識，包括Makefile的執行過程、語法基礎、一般書寫格式、變量的引用與賦值、模式規則與自動變量、條件判斷以及如何編寫自己的Makefile文件等；第7章重點講解移植Uboot的過程，涉及Bootloader與Uboot的區別、Uboot的版本選擇、Uboot的目錄結構、Uboot的源代碼編譯與GUI、Uboot的Makefile代碼分析以及實操應用等；第8章主要對Linux的內核進行介紹，涉及Linux體系與內核結構、Linux內核的子系統、Linux內核的配置與編譯、Linux內核的啟動過程以及Linux內核的實操應用等；第9章對嵌入式Linux根文件系統進行介紹，涉及根文件系統的作用、根文件系統目錄結構、Busybox安裝與編譯過程、根文件系統的構建以及根文件系統的移植測試等。
第10~12章介紹了Linux的驅動開發，是本書的難點內容，這部分也是嵌入式Linux 系統工程師必須要掌握的內容。這部分內容會涉及很多案例，驅動開發就像我們開始學習C語言一樣，一定要多練習、多實踐。為了激發讀者開發Linux嵌入式系統的興趣，特別引入了嵌入式Linux 圖形編程和網絡編程知識。第10章介紹了Linux嵌入式系統的設備驅動，涉及設備驅動的分類、字符設備驅動的理論基礎、字符設備驅動程序的編寫以及字符設備驅動的移植測試等；第11章介紹了Linux嵌入式系統的設備樹，涉及設備樹的基礎知識、基礎語法、基於設備樹的pinctrl和gpio子系統、基於設備樹的platform設備驅動以及基於設備樹的platform設備驅動移植等；第12章介紹了Linux嵌入式系統的驅動技術，涉及Linux系統下驅動程序框架概述、異常處理、並發與競爭、阻塞和非阻塞IO以及按鍵中斷實驗的具體實操應用等。
第13~16章結合了當下的物聯網以及車聯網等熱門技術領域知識，完成了4個綜合項目案例。第13章為自動控制系統應用實例，涉及自動澆灌系統的功能設計、硬件設計與實現、軟件設計與實現以及系統的聯合調試等；第14章為物聯網應用實例，涉及智能快遞柜系統的功能設計、硬件設計與實現、軟件設計與實現以及系統的聯合調試等；第15章為車聯網應用實例，涉及車身控制系統的功能設計、硬件設計與實現、軟件設計與實現以及系統的聯合調試等；第16章為人工智能應用實例，涉及語音識別控制系統的功能設計、硬件設計與實現、軟件設計與實現以及系統的聯合調試等。
本書具有以下特色。
 保留了傳統的多進程、多線程、GUI、交叉編譯等經典知識，增加了近兩年應用較多的Uboot、內核以及文件系統移植等新知識。
 讀者物件為硬件工程師、單片機工程師以及嵌入式軟件工程師，同時，為適應創客文化的新背景，在特定的章節設置了通過樹莓派運行嵌入式Linux的項目內容，拓展讀者群。
 每一個章節都專門設置了“小白也要懂”和“技術大牛訪談”兩個特色板塊，並且結合案例實戰、要點鞏固以及綜合項目實例，多角度、多維度地給讀者呈現Linux嵌入式系統開發的過程。
 配備視頻操作，提供全部源代碼，代碼可移植、可重復利用、可二次開發。
 迎合當下熱門的自動控制、物聯網、車聯網以及人工智能等方向，設置多個項目實例，系統講解相關項目的開發流程和細節。
本書可作為各大專業院校電子、通信、計算機、自動化等專業的“嵌入式Linux 系統開發”課程教材，也可作為嵌入式開發人員的參考用書，適用讀者如下。
 Linux嵌入式開發初學者。
 需要系統學習Linux嵌入式的開發人員。
 Linux嵌入式從業人員。
 Linux嵌入式開發愛好者。
 大中專院校相關專業學生。
 相關培訓機構學習Linux嵌入式開發的學員。
由於作者水平有限，書中疏漏之處在所難免，望廣大專家和讀者提出寶貴意見。

前言
第1章Linux嵌入式系統入門
11小白也要懂——嵌入式系統的應用和發展
12嵌入式系統與嵌入式操作系統
121什麼是嵌入式系統
122什麼是嵌入式操作系統
13嵌入式系統的分類與特點
131嵌入式系統的分類
132嵌入式系統的特點
14嵌入式操作系統架構
15Linux系統版本
151Linux系統分類
152Ubuntu操作系統的版本
16【案例實戰】Linux系統環境搭建
161虛擬機安裝Ubuntu操作系統
162樹莓派安裝Ubuntu操作系統
17要點鞏固
18技術大牛訪談——嵌入式系統的一般開發流程

第2章Linux操作系統基礎知識
21小白也要懂——操作系統的功能
22Linux操作系統基本命令
221Linux操作系統權限管理
222Linux常用基本命令
23Linux操作系統下的vi和vim編輯器
231vi的基本操作
232vim的基本操作
24鏈接文件
25跨平臺的文件傳輸協議
251什麼是FTP
252虛擬機Linux系統啟用FTP服務
26【案例實戰】Hello World!兩種編程方式
27要點鞏固
28技術大牛訪談——Linux操作系統架構

第3章Linux嵌入式系統下編程
31小白也要懂——C語言的發展過程
32Linux系統下C語言的編程基礎
321記住標識符
322C語言中的數據
323運算符和表達式
324C語言的三種基本結構
33Linux系統下C語言的進階編程
331C語言的數組
332C語言的指針
333C語言的函數
334C語言的構造數據類型
34Linux系統下C語言的高階編程
341C語言的文件操作
342C語言的隊列操作
343C語言的鏈表操作
344C語言的排序算法
35【案例實戰】學生成績信息管理系統
36要點鞏固
37技術大牛訪談——GNU C和標準C的差異

第4章Linux嵌入式硬件系統
41小白也要懂——微處理器字節序列存儲的大小端模式
42嵌入式微處理器的系統架構
421馮·諾依曼計算機系統
422指令系統
423微處理器的內核架構
43嵌入式硬件系統的基本組成部分
431時鐘系統
432中斷系統
433總線
434存儲系統
435嵌入式微處理器片上外部設備
44【案例實戰】微處理器的兩種編程方式
441微處理器裸機系統的GPIO操作
442微處理器移植Linux系統的GPIO操作
45要點鞏固
46技術大牛訪談——嵌入式系統微處理器選型方案

第5章Linux嵌入系統之交叉編譯
51小白也要懂——gcc編譯器的工作流程
52Linux下gcc編譯器的使用方法
53gdb調試工具的使用方法
54什麼是交叉編譯
55構建交叉編譯工具鏈
56【案例實戰】交叉編譯工具鏈的下載與安裝
57要點鞏固
58技術大牛訪談——編譯器和解釋器的區別

第6章Makefile的基礎知識
61小白也要懂——make命令的執行過程
62Makefile語法基礎
63Makefile一般書寫格式
64Makefile變量的引用與賦值
65Makefile模式規則與自動變量
66Makefile偽目標
67Makefile條件判斷
68【案例實戰】編寫自己的Makefile文件
69要點鞏固
610技術大牛訪談——Makefile 函數的使用

第7章Linux嵌入系統之U-boot
71小白也要懂——Bootloader與U-boot的區別
72U-boot概述
721選擇正確的U-boot版本
722查看U-boot目錄結構
73關於 U-boot的源代碼編譯與GUI界面
731編譯 U-boot
732U-boot的GUI界面
74U-boot的Makefile代碼分析
75U-boot啟動流程
751U-boot啟動階段1
752U-boot啟動階段2
76【案例實戰】IMX6ULL開發板移植U-boot
77要點鞏固
78技術大牛訪談——U-boot在實際項目中的作用

第8章Linux嵌入式系統之內核
81小白也要懂——關於Linux體系結構和內核結構
82Linux內核的子系統
821虛擬文件系統
822進程管理子系統
823進程通信子系統
824內存管理子系統
825設備驅動子系統
83Linux內核的配置和編譯
831選擇正確的Linux內核
832編譯Linux內核
833查看Linux內核的目錄結構
834Linux內核的GUI界面
835Linux內核的鏡像與Makefile
84Linux內核的啟動過程
85【案例實戰】IMX6ULL移植Linux內核
86要點鞏固
87技術大牛訪談——淺析init進程

第9章構建嵌入式Linux根文件系統
91小白也要懂——Linux系統中的文件系統
92根文件系統概述
93Busybox安裝與編譯過程
931Busybox簡介
932Busybox的安裝與配置
933Busybox的編譯
94構建根文件系統
941需要的庫文件
942添加其他的文件操作
943優化根文件系統
95【案例實戰】根文件系統的移植測試
96要點鞏固
97技術大牛訪談——其他根文件系統的構建工具

第10章Linux嵌入式系統之設備驅動
101小白也要懂——設備驅動分類
102字符設備驅動的理論基礎
1021字符設備驅動的一般流程
1022設備號
103編寫字符設備驅動程序
1031舊版本字符設備驅動程序
1032新版本字符設備驅動程序
1033字符設備驅動程序的通用操作
104【案例實戰】字符設備驅動的移植測試
105要點鞏固
106技術大牛訪談——塊設備驅動概述

第11章Linux嵌入式系統之設備樹
111小白也要懂——設備樹的基礎知識
112設備樹的基礎語法
1121設備樹節點
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