第1章 ARM平台与嵌入式Linux概述

各位同学，咱们开始第一课。做嵌入式Linux开发，说白了就是跟ARM和Linux内核打交道。我入行那会儿，ARM还是ARM9、ARM11的天下，现在Cortex系列已经铺天盖地了。这一章，咱们把基础打牢。

1.1 ARM架构演进史

ARM从1985年的Acorn RISC Machine起步，最初只是给Acorn电脑用的。后来发现这东西省电、体积小，特别适合移动设备。我最早接触ARM7TDMI，那会儿还在做MP3播放器，一颗芯片搞定所有。

ARM架构的几个关键节点：

• ARMv4T：引入Thumb指令集，代码密度提升30%。
• ARMv5TE：加入DSP指令扩展，信号处理能力增强。
• ARMv6：支持SIMD，多媒体性能起飞。
• ARMv7-A：Cortex-A系列诞生，多核、乱序执行，性能大幅提升。
• ARMv8-A：64位架构，兼容32位，现在主流。
• ARMv9-A：强化安全、AI、虚拟化，未来方向。

为什么会从v7跳到v8？因为32位地址空间不够用了。我记得2012年做平板项目，内存加到2GB就遇到瓶颈，后来换Cortex-A53才解决。

1.2 Cortex-A/R/M系列选型

ARM把Cortex分成三个系列，各有侧重。选型错了，项目就废了一半。

系列	典型型号	应用场景	特点
Cortex-A	A53, A72, A76	手机、平板、服务器	高性能，支持MMU，跑Linux
Cortex-R	R4, R5, R52	汽车、工业控制	实时性强，中断延迟低
Cortex-M	M0, M3, M4, M7	物联网、传感器、电机控制	超低功耗，裸机或RTOS

我个人习惯：跑Linux选Cortex-A，跑RTOS选Cortex-R，做低功耗传感器选Cortex-M。但注意，Cortex-M也能跑Linux？不行，它没有MMU，Linux必须MMU支持。我曾经有个同事非要在M4上跑Linux，折腾两周放弃了。

1.3 嵌入式Linux系统组成

一个完整的嵌入式Linux系统，从底层到上层，大概分这么几块：

1. Bootloader：引导程序，初始化硬件，加载内核。常见的有U-Boot、Barebox。
2. Linux内核：操作系统的核心，管理进程、内存、设备驱动。
3. 根文件系统：存放应用程序、库、配置文件。常用BusyBox、Buildroot构建。
4. 用户空间：应用程序、服务、守护进程。

你想想看，系统上电后，Bootloader先跑，然后加载内核，内核挂载根文件系统，最后启动init进程。这个流程我调试过无数次，每次出问题都从Bootloader开始查。

下面这张图展示了嵌入式Linux系统的整体架构：

1.4 交叉编译环境搭建

嵌入式开发，目标板资源有限，不能直接在板子上编译。所以我们在PC上编译，生成目标板能运行的二进制文件。这就是交叉编译。

搭建交叉编译环境，我一般分三步走：

1. 安装交叉编译工具链：比如arm-linux-gnueabihf-gcc，可以从Linaro、ARM官网下载，或者用Buildroot自己编译。
2. 配置环境变量：把工具链路径加到PATH里，方便调用。
3. 测试编译：写个Hello World，编译后放到目标板上运行。

举个例子，我用Linaro的gcc 7.5.0版本：

# 下载工具链
wget https://releases.linaro.org/components/toolchain/binaries/7.5-2019.12/arm-linux-gnueabihf/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz

# 解压到 /opt
sudo tar -xvf gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz -C /opt

# 设置环境变量
export PATH=/opt/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin:$PATH

# 测试编译
arm-linux-gnueabihf-gcc -o hello hello.c
file hello
# 输出: hello: ELF 32-bit LSB executable, ARM, EABI5 version 1 (SYSV)

交叉编译环境搭建好了，下一步就是配置内核、裁剪驱动。这些内容咱们后面章节慢慢展开。