自学嵌入式拉低偏差丨4412开发板学习指引+为学习后面内容打下基础

总领及学习指引
结合入门视频介绍了开发板组装，Ubuntu 环境搭建，以及 Linux 常用命令等内容，为学习后面的内容打下基础。
推荐学习步骤：入门视频--->系统编程--->驱动--->Qt 或 Android。
配套视频资源：“ITOP-4412 开发板视频教程\01-迅为电子开发板入门视频”。


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。


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 的虚拟机， 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。
大家按照这个学习方法，基于 iTOP-4412 开发板提供的资料和视频，就一定能够学好这门技术。

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 4412 开发板的学习步骤
本节结合迅为的 iTOP-4412 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 BootLoadre 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 群的一个聊天记录：《澄清几个基本概念-迅为QQ 群聊天记录》，这个文件在迅为 QQ 群的共享里有，在网盘里也有提供，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，在教程里建议大家安装 64 位的 WIN7 系统，并且在 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，如果你使用 XP 系统或者 WIN8 系统不是说不行，但是在安装和编译过程可能遇到很多别人没有遇到的问题，解决起来就比较麻烦，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，比如已经做好了虚拟机的 ubuntu 镜像，直接拷贝进去就可以使用了。
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。
在熟练掌握系统的编译和烧写以后，就可以进一步开始嵌入式开发了，那么这个时候建议先学习一下Linux 应用程序的设计，也就是按照教程开始逐步深入。
这个时候要按照网盘里的‘iTOP-4412 开发板视频教程及其相关’里的‘嵌入式 linux 视频’进行学习。大家在初学的时候，还是要按照这个实验的顺序来走一遍，这里强调两个方面，来帮助大家理解：
一、第一个实验也就是第 0 个，是制作 linux 的最小系统，那么什么是最小系统呢，就是 Linux 运行的时候能跑的起来的最小系统，也就是说我们在文件系统当中把图形系统的内容从这个文件系统里面砍掉了；在很多设备里面，比如说路由器，或者一些通讯类或者控制类的产品中是不需要图形界面的，这样我们就可以做一个简化的 Linux 文件系统，这时候最小系统的设计就排上用场了。
二、这些实验都是通过烧写文件系统的方式来测试的，其实有一种比较简单和实用的方 法，那就是通过网络文件系统来进行（NFS)，至于什么是 NFS，以及如何搭建，大家一定要学习一下，具体可以参考第 12个试验，就是‘实验 12’，因为将来我们调试应用程序或者驱动都是要通过这个手段来进行的，它是公认的比较好用的调试办法。也就是说我们这些实验回过头来，都是可以通过 NFS 来进行调试的，这时候就不用每次烧写，整个调试工作变得更容易，在实际的 Linux 调试中，多数是通过这种方式来进行的。所以说大家一定要学会 NFS 的调试方法。
学完 Linux 的应用程序设计，接着应该学习一下 Linux 驱动方面的编程了。Linux 驱动程序全部掌握是非常困难的，但是要明确我们的目标是能利用 Linux 这个操作系统来开发产品。
大家都知道，Linux 的驱动分为网络设备驱动、块设备驱动以及字符类设备驱动，如前面所述，我们只需要把字符类设备的驱动掌握好就可以了。
因为在开发产品的时候，网络设备以及块设备驱动在开发套件里都是做好的，直接用就可以了，几乎没有人从头去做，就算开发不同的网络接口驱动，也是直接把现成写好的驱动拿来直接调试一下。所以说块设备和网络设备不需要我们去太多关注，但是对于字符类设备驱动就需要我们仔细研究并且完全掌握了，那么最基本的字符类驱动就是针对 GPIO 的驱动设计，这个是一定要掌握的。比如我们的产品增加一个步
进电机，驱动几个开关、继电器、采集电流电压模拟量、扩展并对外部 RAM 内存数据的读取等等，都是基本的字符类的驱动，至于
RFID、GPS 模块、GPRS 模块、CAN 总线等等实际都是利用 Linux 本身已经做好的驱动，归根到底是使用串口、I2C 以及 SPI 等来实现的，很多开发并不需要我们做什么。对于网络设备，只需要在上层做个应用程序，用 SOCKET 来实现数据通讯就可以了。
那么在学习这部分内容之前呢，建议大家读一下另一个聊天记录：‘Linux 驱动初探_精英版 QQ 群聊天记录.doc’，这个文档会对大家理解驱动的架构很有好处。
那么我们前面说到了，应用程序的调试要通过 NFS 来进行，驱动也是这样的，而且要学会用模块的方法来调试驱动。
我们在 Android 的视频中比较详细的介绍了 Linux 的底层如何构建 LED 的驱动程序。除此之外呢，我们会在补充文档里面跟大家说明如何使用模块，也就是 module 的方法来调试驱动程序。掌握这些方法是很重要的。也就是说大家一定要掌握通过 module 的方法动态加载和卸载驱动来调试驱动程序。
当大家熟练学会了以上强调的 Linux 系统的开发技术，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，也就是说可以尝试去做一些产品，并不是说我们对 Linux 的源码分析一遍才能真正做事情，不是那样的，我们的目标是做产品，学会利用 Linux 这个操作系统，开发出目标产品！
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