单片机C语言程序设计实训：100个案例中的嵌入式Linux系统编程

# 1. 单片机C语言程序设计概述

单片机C语言程序设计是嵌入式系统开发中不可或缺的一项技能。本章将概述单片机C语言程序设计的概念、特点和应用。

### 1.1 单片机简介

单片机是一种集成在单个芯片上的微型计算机，它包含CPU、存储器、输入/输出接口和各种外围设备。单片机具有体积小、功耗低、成本低和可靠性高的特点，广泛应用于各种电子设备中。

### 1.2 C语言简介

C语言是一种广泛使用的通用编程语言，它以其简洁、高效和可移植性而闻名。C语言提供了丰富的语法结构和函数库，可以方便地编写各种应用程序。

# 2. 嵌入式Linux系统编程基础**

## 2.1 Linux系统架构与内核

### Linux系统架构

Linux系统采用分层架构，主要分为以下几层：

- **硬件层：**包括CPU、内存、I/O设备等物理硬件。
- **内核层：**负责管理硬件资源、进程调度、内存管理等核心功能。
- **系统调用层：**提供应用程序与内核交互的接口。
- **库函数层：**提供应用程序常用的函数库，简化编程。
- **应用程序层：**运行在用户空间的应用程序，如文本编辑器、浏览器等。

### Linux内核

Linux内核是一个单内核操作系统，负责管理硬件资源和进程调度。它具有以下主要功能：

- **进程管理：**创建、调度、终止进程。
- **内存管理：**分配和管理物理内存和虚拟内存。
- **设备驱动：**提供与硬件设备交互的接口。
- **文件系统：**管理文件和目录，提供文件操作接口。
- **网络协议栈：**实现网络通信协议，如TCP/IP。

## 2.2 嵌入式Linux系统开发环境

### 交叉编译工具链

嵌入式Linux系统通常运行在资源受限的设备上，需要使用交叉编译工具链进行编译。交叉编译工具链是在主机系统上编译为目标系统可执行程序的工具集。

### 开发环境

常用的嵌入式Linux开发环境包括：

- **Yocto Project：**一个用于创建定制Linux发行版的框架。
- **Buildroot：**一个用于构建嵌入式Linux系统的工具链。
- **Embedded Linux Development Kit (ELDK)：**提供开发嵌入式Linux系统所需的工具和资源。

## 2.3 嵌入式Linux系统编程模型

### 进程模型

嵌入式Linux系统中，进程是执行的基本单位。进程模型主要包括以下类型：

- **单进程模型：**只有一个进程运行，负责所有任务。
- **多进程模型：**多个进程同时运行，每个进程负责特定任务。
- **混合模型：**结合单进程和多进程模型，根据需要创建和销毁进程。

### 线程模型

线程是进程中的一个执行单元，可以并发执行。嵌入式Linux系统中，线程模型主要包括以下类型：

- **单线程模型：**进程只有一个线程。
- **多线程模型：**进程有多个线程，可以并发执行。
- **混合模型：**结合单线程和多线程模型，根据需要创建和销毁线程。

# 3.1 设备驱动开发

#### 3.1.1 设备树简介

设备树（Device Tree）是一种描述硬件平台的层次化数据结构，它提供了设备信息、设备之间的连接关系以及设备配置信息。在嵌入式Linux系统中，设备树被用于描述系统中的所有硬件设备，包括处理器、内存、外设和总线等。

**设备树的优点：**

* **可移植性：**设备树是独立于特定硬件平台的，它可以用于描述各种不同的硬件配置。
* **可扩展性：**设备树可以很容易地扩展，以支持新的硬件设备。
* **可维护性：**设备树提供了设备信息和配置的集中视图，这使得维护和更新系统配置变得更加容易。

#### 3.1.2 驱动框架与模型

在嵌入式Linux系统中，驱动程序是连接硬件设备和操作系统内核的软件组件。驱动程序负责管理设备的初始化、配置、数据传输和中断处理。

嵌入式Linux系统中常用的驱动框架包括：

* **字符设备驱动程序：**用于处理字符设备，如串口、键盘和鼠标。
* **块设备驱动程序：**用于处理块设备，如硬盘、闪存和SD卡。
* **网络设备驱动程序：**用于处理网络设备，如以太网卡和无线网卡。

**驱动程序模型：**

* **轮询驱动程序：**定期轮询设备，以检查是否有数据可供读取或是否有中断需要处理。
* **中断驱动程序：**当设备产生中断时，操作系统内核会调用中断处理程序来处理中断。
* **DMA驱动程序：**使用直接内存访问（DMA）机制在设备和内存之间传输数据，无需CPU干预。

**代码块：**

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>

static int my_driver_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    // 打开设备的逻辑
    return 0;
}

static int my_driver_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
    // 关闭设备的逻辑
    return 0;
}

static ssize_t my_driver_read(struct file *file, char *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    // 从设备读取数据的逻辑
    return 0;
}

static ssize_t my_driver_write(struct file *file, const char *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    // 向设备写入数据的逻辑
    return 0;
}

static struct file_operations my_driver_fops = {
    .open = my_driver_open,
    .release = my_driver_release,
    .read = my_driver_read,
    .write = my_driver_write,
};

static int __init my_driver_init(void)
{
    int ret;

    // 注册字符设备驱动程序
    ret = register_chrdev(MAJOR_NUM, DEVICE_NAME, &my_driver_fops);
    if (ret