第一部分  Linux繫統及基本操作
第1章  Linux概述與繫統管理 3
微課視頻：135分鐘
1.1  嵌入式繫統概述 3
1.1.1  嵌入式繫統的發展趨勢 3
1.1.2  嵌入式繫統的特點 4
1.1.3  嵌入式繫統的組成 4
1.1.4  典型嵌入式操作繫統 5
1.2  嵌入式Linux基礎 6
1.2.1  Linux發行版本 7
1.2.2  Linux定制安裝 8
1.3  Linux常用命令 13
1.3.1  繫統管理相關命令 14
1.3.2  文件管理相關命令 15
1.3.3  備份壓縮相關命令 24
1.3.4  網絡通信相關命令 26
1.3.5  其他常用命令 30
1.4  繫統升級與配置 34
1.5  習題 35
第2章  Linux編程工具及網絡配置 36
微課視頻：157分鐘
2.1  編輯器 36
2.1.1  vi編輯器介紹 36
2.1.2  vi編輯器的各模式功能鍵 37
2.2  程序編譯與調試 41
2.2.1  gcc編譯流程 41
2.2.2  gcc編譯選項分析 42
2.2.3  gdb程序調試 46
2.3  Makefile 54
2.3.1  Makefile的書寫規則 54
2.3.2  Makefile中變量的使用 54
2.4  服務器配置 55
2.4.1  samba服務器 55
2.4.2  NFS服務器 59
2.4.3  TFTP服務器 61
2.5  習題 64
第3章  Linux腳本編程 65
微課視頻：59分鐘
3.1  常用shell命令 65
3.2  腳本編寫基礎 66
3.2.1  特殊字符 66
3.2.2  變量和參數 68
3.2.3  退出和退出狀態 70
3.3  流程控制 71
3.3.1  條件測試 71
3.3.2  操作符相關主題 73
3.3.3  循環控制 74
3.3.4  測試與分支 77
3.4  習題 80
第二部分  Linux繫統高級編程
第4章  C語言進階 83
微課視頻：344分鐘
4.1  C語言的基礎知識 83
4.2  數據類型 84
4.2.1  數據類型的分類 84
4.2.2  常量和變量 86
4.2.3  進制 87
4.2.4  字符 88
4.2.5  轉義字符與字符集 88
4.2.6  類型轉換 88
4.2.7  輸入/輸出 92
4.2.8  運算符 95
4.3  控制語句 98
4.3.1  分支語句 98
4.3.2  循環語句 101
4.4  數組與字符串 109
4.4.1  數組的定義 109
4.4.2  數組本質探討 110
4.4.3  一維數組和二維數組 111
4.4.4  字符串 113
4.5  函數 115
4.5.1  函數的定義 115
4.5.2  函數的深度剖析 116
4.5.3  函數的作用剖析 116
4.6  指針 120
4.6.1  指針本質概述 120
4.6.2  連續空間的內存地址 121
4.6.3  指針變量 121
4.6.4  指針數組和指針的指針 123
4.6.5  函數和指針 125
4.7  預處理指令 130
4.7.1  宏定義 130
4.7.2  #include 131
4.7.3  條件編譯 132
4.8  習題 133
第5章  文件I/O編程 135
微課視頻：74分鐘
5.1  文件和目錄 135
5.2  目錄操作 137
5.3  文件操作 143
5.3.1  基本概念 143
5.3.2  檢查文件及確定文件的權限 145
5.3.3  創建文件 146
5.3.4  打開文件 147
5.3.5  關閉文件 149
5.3.6  刪除文件 150
5.3.7  文件指針移動 153
5.3.8  其他常用函數 156
5.4  設備控制 159
5.5  Linux時間編程 168
5.5.1  取得目前的時間 168
5.5.2  取得目前時間和日期 168
5.5.3  取得當地目前時間和日期 170
5.5.4  將時間結構數據轉換成經過的秒數 170
5.5.5  設置目前時間 171
5.5.6  取得當前時間 171
5.5.7  將時間和日期以ASCII碼格式表示 173
5.5.8  將時間和日期以字符串格式表示 173
5.6  習題 177
第6章  進程控制 179
微課視頻：53分鐘
6.1  進程控制概述 179
6.1.1  進程的定義 179
6.1.2  進程控制模塊 180
6.1.3  分配進程描述符 181
6.1.4  進程的創建 181
6.1.5  進程狀態 182
6.1.6  進程調度 184
6.1.7  虛擬內存 185
6.1.8  文件鎖 186
6.2  進程控制編程 186
6.2.1  啟動進程 186
6.2.2  等待進程 193
6.2.3  終止進程 195
6.2.4  守護進程 201
6.3  習題 203
第7章  進程間通信 204
微課視頻：77分鐘
7.1  進程間通信概述 204
7.2  管道通信 206
7.2.1  無名管道 206
7.2.2  命名管道 209
7.3  消息隊列 212
7.3.1  鍵值 212
7.3.2  創建消息隊列 213
7.3.3  發送消息隊列 214
7.3.4  接收消息隊列 214
7.3.5  控制消息隊列 214
7.4  信號 217
7.4.1  信號處理的方式 218
7.4.2  信號操作指令 218
7.5  信號量 226
7.5.1  信號量創建 226
7.5.2  信號量操作 227
7.6  共享內存 233
7.6.1  共享內存創建 233
7.6.2  共享內存的操作 235
7.6.3  共享內存段連接到本進程空間 235
7.6.4  共享內存解除 236
7.7  習題 240
第8章  多線程技術 241
微課視頻：30分鐘
8.1  Linux多線程概念 241
8.2  Linux線程實現 242
8.2.1  線程創建 242
8.2.2  線程退出 244
8.2.3  線程等待 247
8.2.4  線程標識獲取 249
8.2.5  線程清除 250
8.3  線程函數傳遞及修改線程的屬性 254
8.3.1  線程函數傳遞 254
8.3.2  綁定屬性 256
8.3.3  分離屬性 257
8.3.4  優先級屬性 258
8.3.5  線程棧屬性 260
8.3.6  線程的互斥 263
8.3.7  線程的同步 266
8.3.8  信號量 269
8.4  習題 272
第9章  網絡編程 273
微課視頻：102分鐘
9.1  基本概念 273
9.1.1  協議與體繫結構 273
9.1.2  數據傳輸流程 274
9.1.3  常用的命令 275
9.1.4  網絡地址 279
9.1.5  IP設置項 280
9.1.6  端口 281
9.2  TCP/IP 281
9.2.1  整體構架概述 281
9.2.2  IP 283
9.2.3  ICMP 285
9.2.4  UDP 285
9.2.5  TCP 286
9.2.6  TCP連接的建立 288
9.3  Socket編程接口介紹 288
9.3.1  建立一個Socket通信 288
9.3.2  對Socket綁定 289
9.3.3  等待連接 290
9.3.4  建立Socket連線 291
9.3.5  發送和接收函數 292
9.3.6  關閉套接字 293
9.4  服務器和客戶端的信息函數 294
9.4.1  字節轉換函數 294
9.4.2  IP和域名的轉換 295
9.4.3  IP地址轉換函數 297
9.4.4  服務信息函數 299
9.5  用戶數據報發送 299
9.5.1recvfrom 299
9.5.2sendto 300
9.6  高級套接字函數 303
9.6.1recvmsg 303
9.6.2  sendmsg 304
9.7  套接字選項 304
9.7.1  getsockopt() 305
9.7.2  setsockopt() 305
9.7.3  ioctl 306
9.8  服務器模型 306
9.8.1  循環服務器：UDP服務器 306
9.8.2  循環服務器：TCP服務器 307
9.8.3  並發服務器：TCP服務器 311
9.8.4  並發服務器：多路復用I/O 312
9.8.5  並發服務器：UDP服務器 313
9.9  Socket編程應用 316
9.9.1  編寫服務器程序 316
9.9.2  編寫客戶端程序 318
9.9.3  編譯測試 319
9.10  習題 320
第三部分  嵌入式繫統驅動開發
第10章  內核開發基礎 323
10.1  嵌入式開發環境的搭建 323
10.1.1  交叉編譯工具鏈 324
10.1.2  超級終端軟件 326
10.2  Linux內核簡介 327
10.2.1  Linux內核 328
10.2.2  Linux內核源代碼 330
10.2.3  Linux內核配置及裁剪 332
10.2.4  設備樹介紹 335
10.2.5  內核啟動簡單流程分析 344
10.3  文件繫統 347
10.3.1  文件繫統分類 347
10.3.2  文件繫統主要目錄 347
10.3.3  文件啟動流程 348
10.4  習題 357
第11章  BootLoader 358
11.1  BootLoader介紹 358
11.1.1  BootLoader的安裝和啟動 359
11.1.2  BootLoader的操作模式 359
11.1.3  BootLoader與主機之間的通信方式 359
11.1.4  常用BootLoader介紹 360
11.2  u-boot介紹 360
11.2.1  目錄結構 361
11.2.2  u-boot的主要功能 365
11.2.3  u-boot的工具 365
11.3  u-boot工作流程 366
11.3.1  _start()函數 366
11.3.2  _main()函數 369
11.3.3  board_init_f()函數 370
11.3.4  relocate_code()函數 370
11.3.5  board_init_r()函數 372
11.4  u-boot編譯 376
11.5  習題 377
第12章  Linux驅動開發基礎與調試 378
12.1  設備驅動簡介 378
12.1.1  設備類型分類 378
12.1.2  內核空間和用戶空間 379
12.1.3  驅動程序層次結構 380
12.1.4  驅動程序與外界接口 380
12.2  打印調試 381
12.3  綜合案例——驅動程序加載 383
12.3.1  靜態加載 383
12.3.2  動態加載 389
12.4  習題 392
第13章  字符設備驅動 393
13.1  字符設備驅動基礎 393
13.1.1  關鍵數據結構 393
13.1.2  設備驅動開發的基本函數 395
13.1.3  設備文件和設備號 400
13.1.4  加載和卸載驅動程序 401
13.2  LED設備驅動程序 402
13.2.1  硬件電路 402
13.2.2  驅動程序分析 403
13.2.3  測試驗證 409
13.3  按鍵設備驅動程序 410
13.3.1  按鍵模塊硬件電路 410
13.3.2  Linux input子繫統 411
13.3.3  驅動程序分析 413
13.3.4  測試驗證 422
13.4  習題 423
第四部分  硬 件 平 臺
第14章  硬件平臺介紹 427
14.1  硬件參數 427
14.2  軟件參數 428
14.3  可完成實驗 428
參考文獻 430

 視頻目錄

第2版前言

近年來，“嵌入式繫統原理及應用”課程在全國多所高校都有開設，我們編寫的最早的一本教材《ARM9嵌入式開發基礎與實例進階》在2012年由清華大學出版社出版，本書也是在此基礎上經過多年的教學和科研積累重新編寫完成的。“嵌入式繫統原理及應用”課程在不同的學校，教學內容差異很大，授課的側重點也不同，如單片機（51、STM32）、微機原理、操作繫統都可以歸到嵌入式繫統範疇。典型的嵌入式產品開發涉及內容很廣，一本書很難覆蓋。從近幾年學生的就業情況來看，嵌入式應用軟件開發、驅動開發、硬件設計的工作崗位較多，而且對應的領域呈現專業細分趨勢。基於此，在教學過程中我們試圖給學生一個全面的學習線路，讓學生沿著這條線路學習，深入了解嵌入式領域。傳統的嵌入式開發包括硬件設計、板級支持、應用程序開發、驅動程序開發等。

本書的內容主線：嵌入式操作繫統Ubuntu的使用→應用程序開發→內核→簡單驅動程序開發。因為學時限制，對於大部分開設該課程的院校，其授課內容隻能到第9章網絡編程，這些內容相當於嵌入式繫統學習的入門知識。而後面的內容，如內核、驅動程序開發，對於嵌入式繫統整個體繫又非常重要。通過前9章的課堂學習，部分學生覺得適合學習這門課，想繼續該領域的研究，這些學生可以利用開發板完成內核驅動等相關知識的學習，掌握其核心內容。這次改版刪除了比較難的知識點：塊設備驅動和網絡設備驅動。這些知識點涉及內容較多，限於篇幅，無法講述清楚，對於已經熟練掌握了字符設備驅動的學生建議參考更為專業的資料學習。

本書第2版與第1版相比，主要的改動如下：一是操作繫統由“紅帽5”改為Ubuntu操作繫統，目前Ubuntu操作繫統在實際應用中更為普遍，支持也更友好，本書中所有的代碼均用Ubuntu重新編譯，同樣適用於不同的ARM處理器平臺；二是所有的代碼在i.MX8平臺驗證通過，該平臺由北京博創智聯科技有限公司提供，i.MX8平臺屬於嵌入式人工智能教學科研平臺，對於嵌入式的後續學習，如深度學習、人工智能和算法相關的課程都可以使用；三是結合現代教學手段講解，書中重要知識點通過微課視頻的方式呈現，讓初學者快速上手，同時還提供程序代碼、教學大綱、教學課件、開源工具、實驗指導等配套       資源。

嵌入式繫統開發涉及內容較多，隻要堅持學習，有疑問之處通過多種方式解決，舉一反三，相信一定能夠掌握。

本書第1~5章由蔣洪波編寫，第6~9章由程坤編寫，第10~14章由馮新宇編寫，全書由馮新宇負責統編，第4~9章視頻講解內容由程坤錄制完成，其他視頻內容由馮新宇錄制完成。

在本書再版過程中得到了北京博創智聯科技有限公司的大力支持，該公司提供了全套的實驗平臺，感謝蔣輝軍研發總監的技術支持，陸海軍總經理、張經緯副總經理的協調配合。特別感謝清華大學出版社盛東亮編輯多年給予的支持。

感謝廣大讀者的支持，希望本書對您的學習和工作有所幫助，也希望您把對本書的意見和建議反饋給我們。

作  者

2023年10月

第1版前言

嵌入式繫統及其應用是一個龐大的知識體繫，筆者在多年的授課過程中，也很難選擇一本合適的書作為本科生的授課教材。結合課堂講稿和學生的部分畢業設計內容，以及在學生學習過程中經常遇到的問題，筆者整理成本書——《嵌入式Linux繫統開發——基於ARM處理器通用平臺》，之所以這麼命名，是打破了以前ARM9體繫或者ARM11體繫的框架。Linux操作繫統在ARM9之上的處理器均有較好的兼容，讀者稍加修改，代碼就能應用，所以命名時就回避了某一款處理器的限定。關於嵌入式有太多的內容可以介紹，本書側重應用，並介紹了當前嵌入式的發展。

嵌入式繫統無疑是當前熱門、很有發展前途的IT應用領域。嵌入式繫統用在某些特定的專用設備上，通常這些設備的硬件資源（如處理器、存儲器等）非常有限，並且對成本很敏感，有時還對實時響應等要求很高。特別是隨著消費家電的智能化，嵌入式更突顯重要。像我們平時常見的手機、PDA、電子字典、可視電話、數字相機、數字攝像機、機頂盒、高清電視、遊戲機、智能玩具、交換機、路由器、數控設備或儀表、汽車電子、家電控制繫統、醫療儀器、航空航天設備等都是典型的嵌入式繫統。

嵌入式繫統是軟硬件結合的產品，從事嵌入式開發的人員主要分為如下兩類。

一類是無線電相關專業出身的人員，如電子工程、通信工程等專業出身的人員，主要從事硬件設計，有時需要開發一些與硬件關繫密切的底層軟件（如BootLoader、Board Support Package）、初級的硬件驅動程序等。他們的優勢是對硬件原理非常清楚，不足是他們更擅長定義各種硬件接口，但對復雜的軟件繫統往往力不從心（如嵌入式操作繫統原理和復雜的應用軟件等）。

另一類是軟件、計算機專業出身的人員，主要從事嵌入式操作繫統和應用軟件的開     發。如果學軟件的人員對硬件原理和接口有較好的掌握，也完全可以編寫BSP和硬件驅動程序。嵌入式硬件設計完成後，各種功能就全靠軟件來實現。嵌入式設備的增值很大程度上取決於嵌入式軟件，設備越智能，繫統越復雜，軟件的作用也就越關鍵，這是目前的發展趨勢。

目前，國內外嵌入式的相關人纔都很稀缺。一方面，該領域入門門檻較高，不僅要了解較底層的軟件（如操作繫統級、驅動程序級軟件），對軟件專業水平要求較高（如嵌入式繫統對軟件設計的時間和空間效率要求較高），而且還必須熟悉硬件的工作原理，所以非專業IT人員很難切入這一領域；另一方面，該領域較新，發展太快，很多軟、硬件技術出現時間不長或正在出現（如ARM處理器、嵌入式操作繫統、MPEG技術、無線通信協議等），掌握這些新技術的人較少。嵌入式人纔稀缺的根本原因可能是大多數人無條件接觸該領      域，這需要相應的嵌入式開發板和軟件，另外需要有經驗的人員進行開發流程的指導。

與企業計算等應用軟件的開發人員不同，嵌入式領域人纔的工作強度通常較低，收入卻很高。而從事企業應用軟件的IT人員，開發完這個用戶的繫統，又要去開發下個用戶的繫統，並且每個用戶的需求和完成時間都必須按客戶要求改變，往往疲於奔命，重復勞動。相比而言，開發嵌入式繫統的公司，都有自己的產品計劃，按自己的節奏行事，所開發的產品通常是通用的，不會因客戶的不同而修改（或隻是對軟件進行一些小修補）。某一型號的產品開發完成後，往往有較長的一段空閑時間，可進行充電和休整。另外，從事嵌入式軟件開發的人員的工作範圍相對狹窄，所涉及的專業技術範圍比較小（如ARM、RTOS、MPEG、802.11等），隨著時間的累積，經驗也逐漸累積，寥寥數語的指導就足夠讓初學者琢磨半年。如果從事應用軟件開發，可能不同的客戶的軟件開發平臺也完全不同，這會使得開發工作也相對更加辛苦。

嵌入式開發更注重的是練習，而嵌入式繫統開發設計最難的是入門，所涉及知識較多，初學者很難從紛雜的知識中快速上手學習，現在市面上用於嵌入式開發的學習板比比皆是，價格都比較低廉，讀者可以購買一款相對通用的開發板，按照書中的操作練習，一步一步進行嵌入式開發的學習。任何知識的學習都是由淺入深，由感性認識到理性認識，掌握了本書的內容，相信讀者一定能夠掌握嵌入式入門開發的基本要領。

本書主要由馮新宇編寫。此外，第11~15章由蔣洪波編寫。參與編寫的還有楊昕宇、劉宇瑩、劉琳、史殿發、孟瑩等。

感謝廣州碾展公司的技術支持！感謝您選擇了本書，希望我們的努力對您的工作和學習有所幫助，也希望您把對本書的意見和建議反饋給我們。

作  者  

2017年4月