《I.MX6U嵌入式Linux C应用编程指南》第一章应用编程概念

正点原子 · 发表于 2021-8-11 12:56:04

1）实验平台：正点原子i.MX6ULL Linux阿尔法开发板
2) 章节摘自【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux C应用编程指南
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第一章应用编程概念

   对于大多数首次接触Linux应用编程的读者来说，可能对应用编程（也可称为系统编程）这个概念并不太了解，所以在正式学习Linux应用编程之前，笔者有必要向大家介绍这些简单基本的概念，从整体上认识到应用编程为何物？与驱动编程、裸机编程有何不同？
   了解本章所介绍的内容是掌握应用编程的先决条件，所以本章主要内容便是对Linux应用编程进行一个简单地介绍，让读者对此有一个基本的认识。
本章将会讨论如下主题内容。
   何为系统调用；
   何为库函数；
   应用程序的main()函数；
   应用程序开发环境的介绍。

1.1系统调用
系统调用（system call）其实是Linux内核提供给应用层的应用编程接口（API），是Linux应用层进入内核的入口。不止Linux系统，所有的操作系统都会向应用层提供系统调用，应用程序通过系统调用来使用操作系统提供的各种服务。
通过系统调用，Linux应用程序可以请求内核以自己的名义执行某些事情，譬如打开磁盘中的文件、读写文件、关闭文件以及控制其它硬件外设。
通过系统调用API，应用层可以实现与内核的交互，其关系可通过下图简单描述：

图 1.1.1 内核、系统调用与应用程序

   内核提供了一系列的服务、资源、支持一系列功能，应用程序通过调用系统调用API函数来使用内核提供的服务、资源以及各种各样的功能，如果大家接触过其它操作系统编程，想必对此并不陌生，譬如Windows应用编程，操作系统内核一般都会向应用程序提供应用编程接口API，否则我们将我无法使用操作系统。    应用编程与裸机编程、驱动编程有什么区别？
   在学习应用编程之前，相信大家都有过软件开发经验，譬如51、STM32等单片机软件开发、以及嵌入式Linux硬件平台下的驱动开发等，51、STM32这类单片机的软件开发通常是裸机程序开发，并不会涉及到操作系统的概念，那应用编程与裸机编程以及驱动开发有什么区别呢？
   就拿嵌入式Linux硬件平台下的软件开发来说，我们大可将编程分为三种，分别为裸机编程、Linux驱动编程以及Linux应用编程。首先对于裸机编程这个概念来说很好理解，一般把没有操作系统支持的编程环境称为裸机编程环境，譬如单片机上的编程开发，编写直接在硬件上运行的程序，没有操作系统支持；狭义上Linux驱动编程指的是基于内核驱动框架开发驱动程序，驱动开发工程师通过调用Linux内核提供的接口完成设备驱动的注册，驱动程序负责底层硬件操作相关逻辑，如果学习过Linux驱动开发的读者，想必对此并不陌生；而Linux应用编程（系统编程）则指的是基于Linux操作系统的应用编程，在应用程序中通过调用系统调用API完成应用程序的功能和逻辑，应用程序运行于操作系统之上。通常在操作系统下有两种不同的状态：内核态和用户态，应用程序运行在用户态、而内核则运行在内核态。
   关于应用编程这个概念，以上给大家解释得很清楚了，笔者以实现点亮一个LED功能为例，给大家简单地说明三者之间的区别，LED裸机程序如下所示：
   示例代码 1.1.1 LED裸机程序

static void led_on(void)
{
/* 点亮LED硬件操作代码 */
}
static void led_off(void)
{
/* 熄灭LED硬件操作代码 */
}
int main(void)
{
/* 用户逻辑 */
for ( ; ; ) {
led_on(); //点亮LED
delay(); //延时
led_off(); //熄灭LED
delay(); //延时
}
}

复制代码

可以看到在裸机程序当中，LED硬件操作代码与用户逻辑代码全部都是在同一个源文件（同一个工程）中实现的，硬件操作代码与用户逻辑代码没有隔离，没有操作系统支持，代码编译之后直接在硬件平台运行，俗称“裸跑”。我们再来看一个Linux系统下的LED驱动程序示例代码，如下所示：
示例代码 1.1.2 Linux下LED驱动程序

#include <linux/module.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>
static void led_on(void)
{
/* 点亮LED硬件操作代码 */
}
static void led_off(void)
{
/* 熄灭LED硬件操作代码 */
}
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
/* 打开设备时需要做的事情 */
}
static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf,
size_t size, loff_t *offt)
{
int flag;
/* 获取应用层write的数据,存放在flag变量 */
if (copy_from_user(&flag, buf, size))
return -EFAULT;
/* 判断用户写入的数据,如果是0则熄灭LED,如果是非0则点亮LED */
if (flag)
led_on();
else
led_off();
return 0;
}
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
/* 关闭设备时需要做的事情 */
}
static struct file_operations led_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = led_open,
.write = led_write,
.release = led_release,
};
static int led_probe(struct platform_device *pdev)
{
/* 驱动加载时需要做的事情 */
}
static int led_remove(struct platform_device *pdev)
{
/* 驱动卸载时需要做的事情 */
}
static const struct of_device_id led_of_match[] = {
{ .compatible = "alientek,led", },
{ /* sentinel */ },
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, led_of_match);
static struct platform_driver led_driver = {
.driver = {
.owner = THIS_MODULE,
.name = "led",
.of_match_table = led_of_match,
},
.probe = led_probe,
.remove = led_remove,
};
module_platform_driver(led_driver);
MODULE_DESCRIPTION("LED Driver");
MODULE_LICENSE("GPL");

复制代码

以上并不是一个完整的LED驱动代码，如果没有接触过Linux驱动开发的读者，看不懂也没有关系，并无大碍，此驱动程序使用了最基本的字符设备驱动框架编写而成，非常简单；led_fops对象中提供了open、write、release方法，当应用程序调用open系统调用打开此LED设备时会执行到led_open函数，当调用close系统调用关闭LED设备时会执行到led_release函数，而调用write系统调用时会执行到led_write函数，此驱动程序的设定是当应用层调用write写入0时熄灭LED，write写入非0时点亮LED。
驱动程序属于内核的一部分，当操作系统启动的时候会加载驱动程序，可以看到LED驱动程序中仅仅实现了点亮/熄灭LED硬件操作相关逻辑代码，应用程序可通过write这个系统调用API函数控制LED亮灭；接下来我们看看Linux系统下的LED应用程序示例代码，如下所示：
示例代码 1.1.3 Linux下LED应用程序

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char **argv)
{
int fd;
int data;
fd = open("/dev/led", O_WRONLY);//打开LED设备(假定LED的设备文件为/dev/led)
if (0 > fd)
return -1;
for ( ; ; ) {
data = 1;
write(fd, &data, sizeof(data)); //写1点亮LED
sleep(1); //延时1秒
data = 0;
write(fd, &data, sizeof(data)); //写0熄灭LED
sleep(1); //延时1秒
}
close(fd);
return 0;
}

复制代码

      此应用程序也非常简单，仅只需实现用户逻辑代码即可，循环点亮、熄灭LED，并不需要实现硬件操作相关，示例代码中调用了open、write、close这三个系统调用API接口，open和close分别用于打开/关闭LED设备，write写入数据传给LED驱动，传入0熄灭LED，传入非0点亮LED。
      LED应用程序与LED驱动程序是分隔、分离的，它们单独编译，它们并不是整合在一起的，应用程序运行在操作系统之上，有操作系统支持，应用程序处于用户态，而驱动程序处于内核态，与纯粹的裸机程序存在着质的区别。Linux应用开发与驱动开发是两个不同的方向，将来在工作当中也会负责不同的任务、解决不同的问题。
   关于本小节系统调用概念相关的内容就介绍到这里了，接下来向大家介绍库函数。
1.2库函数
   前面给大家介绍了系统调用，系统调用是内核直接向应用层提供的应用编程接口，譬如open、write、read、close等，关于这些系统调用后面会给大家进行详细介绍。编写应用程序除了使用系统调用之外，我们还可以使用库函数，本小节来聊一聊库函数。
   库函数也就是C语言库函数，C语言库是应用层使用的一套函数库，在Linux下，通常以动态（.so）库文件的形式提供，存放在根文件系统/lib目录下，C语言库函数构建于系统调用之上，也就是说库函数其实是由系统调用封装而来的，当然也不能完全这么说，原因在于有些库函数并不调用任何系统调用，譬如一些字符串处理函数strlen()、strcat()、memcpy()、memset()、strchr()等等；而有些库函数则会使用系统调用来帮它完成实际的操作，譬如库函数fopen内部调用了系统调用open()来帮它打开文件、库函数fread()就利用了系统调用read()来完成读文件操作、fwrite()就利用了系统调用write()来完成写文件操作。
   Linux系统内核提供了一系列的系统调用供应用层使用，我们直接使用系统调用就可以了呀，那为何还要设计出库函数呢？事实上，有些系统调用使用起来并不是很方便，于是就出现了C语言库，这些C语言库函数的设计是为了提供比底层系统调用更为方便、更为好用、且更具有可移植性的调用接口。
来看一看它们之间的区别：
   库函数是属于应用层，而系统调用是内核提供给应用层的编程接口，属于系统内核的一部分；
   库函数运行在用户空间，调用系统调用会由用户空间（用户态）陷入到内核空间（内核态）；
   库函数通常是有缓存的，而系统调用是无缓存的，所以在性能、效率上，库函数通常要优于系统调用；
   可移植性：库函数相比于系统调用具有更好的可移植性，通常对于不同的操作系统，其内核向应用层提供的系统调用往往都是不同，譬如系统调用的定义、功能、参数列表、返回值等往往都是不一样的；而对于C语言库函数来说，由于很多操作系统都实现了C语言库，C语言库在不同的操作系统之间其接口定义几乎是一样的，所以库函数在不同操作系统之间相比于系统调用具有更好的可移植性。
   以上便上它们之间一个大致的区别，从实现者的角度来看，系统调用与库函数之间有根本的区别，但从用户使用角度来看，其区别并不重要，它们都是C语言函数。在实际应用编程中，库函数和系统调用都会使用到，所以对于我们来说，直接把它们当做是C函数即可，知道你自己调用的函数是系统调用还是库函数即可，不用太过于区分它们之间的差别。
   所以应用编程简单点来说就是：开发Linux应用程序，通过调用内核提供的系统调用或使用C库函数来开发具有相应功能的应用程序。
1.3标准C语言函数库
在Linux系统下，使用的C语言库为GNU C语言函数库（也叫作glibc，其网址为http://www.gnu.org/software/libc/），作为Linux下的标准C语言函数库。
进入到http://www.gnu.org/software/libc/网址，如下所示：

图 1.3.1 glibc官网

点击上面的Sources选项可以查看它的源码实现：

图 1.3.2 获取源码的方式

   glibc源码的获取方式很简单，直接直接从git仓库下载，也可以通过ftp下载，如果大家有兴趣、或者想要了解某一个库函数它的具体实现，那么就可以获取到它源码来进行分析，好了，这里就不再多说了！
确定Linux系统的glibc版本
   前面提到过了，C语言库是以动态库文件的形式提供的，通常存放在/lib目录，它的命名方式通常是libc.so.6，不过这个是一个软链接文件，它会链接到真正的库文件。
   进入到Ubuntu系统的/lib目录下，笔者使用的Ubuntu版本为16.04，在我的/lib目录下并没有发现libc.so.6这个文件，其实是在/lib/x86_64-linux-gnu目录下，进入到该目录：

图 1.3.3 libc.so.6文件

可以看到libc.so.6链接到了libc-2.23.so库文件，2.23表示的就是这个glibc库的版本号为2.23。除此之外，我们还可以直接运行该共享库来获取到它的信息，如下所示：

图 1.3.4 确定glibc版本号

从打印信息可以看到，笔者所使用的Ubuntu系统对应的glibc版本号为2.23。
1.4main函数
对学习过C语言编程的读者来说，譬如单片机编程、Windows应用编程等，main函数想必大家再熟悉不过了，很多编程开发都是以main函数作为程序的入口函数，同样在Linux应用程序中，main函数也是作为应用程序的入口函数存在，main函数的形参一般会有两种写法，如果执行应用程序无需传参，则可以写成如下形式：
示例代码 1.4.1 main函数写法之无传参

int main(void)
{
/* 代码 */
}

复制代码

如果在执行应用程序的时候需要向应用程序传递参数，则写法如下：
示例代码 1.4.2 main函数写法之有传参

int main(int argc, char **argv)
{
/* 代码 */
}

复制代码

argc形参表示传入参数的个数，包括应用程序自身路径和程序名，譬如运行当前目录下的hello可执行文件，并且传入参数，如下所示：

./hello 112233

复制代码

那么此时参数个数为2，并且这些参数都是作为字符串的形式传递给main函数:
argv[0]等于"./hello"
argv[1]等于"112233"
有传参时main函数的写法并不只有这一种，只是这种写法最常用，对于其它的写法，后面学习过程中如果遇到了再给大家进行讲解，这里暂时先不去管。
1.5本书使用的开发环境
   对于编程开发，大家可能都比较关心开发环境的问题，譬如本书将使用什么IDE编写应用程序之类的问题，本小节将对开发环境的问题进行一个简单介绍。
   首先，本书分为三篇内容，在前言部分已经向各位读者介绍了本书的内容规划，分为入门篇、提高篇以及进阶篇。因为是Linux应用编程，所以本书将会在Linux操作系统环境下编写示例代码，为了同正点原子的其它开发文档保持一致，选择Ubuntu操作系统，推荐大家使用16.04或14.04版本的Ubuntu系统，个人觉得这两个版本比较稳定；除了使用Ubuntu系统外，大家还可以选择其它Linux发行版，譬如CentOS、Redhat（红帽）等。
   在Linux操作系统下，也有很多比较好用的IDE软件，可以帮助我们更为轻松的进行软件开发，譬如Eclipse、vscode等，如果你会使用Eclipse，可以在Ubuntu系统下安装Eclipse进行Linux应用开发，1.5.1小节介绍了如何在Ubuntu系统下安装Eclipse；如果你不会使用Eclipse，那就建议你使用vscode，同样本书也是使用vscode，与正点原子的驱动开发文档保持一致；vscode的安装方法和使用方法本书不再介绍，相信大家在自己的Ubuntu系统下已经安装好了，如果没有安装的，直接参考“开发板光盘资料A-基础资料/【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南V1.5.pdf”文档第四章的4.5小节内容进行安装即可！
   Tips：注意，本文档并不介绍Eclipse IDE的使用方法，笔者也用的不多，只是告诉大家可以在Ubuntu使用这个IDE，并且后面给出了安装方法，如果你以前经常使用它开发软件，你可以尝试使用它在Ubuntu下开发Linux应用程序，如果你没用过就不要去碰了。用什么IDE都不重要，哪怕你直接使用vi编写程序都可以，我们的重点是学习应用编程！而不是学习IDE怎么用。
vscode是一个代码编辑器，提供了很多好用的插件，譬如语法检测、高亮显示、智能补全等，大家可以根据自己的选择安装插件，在驱动开发指南文档中也都有介绍。
      入门篇章节内容中，主要向大家介绍了Linux应用编程所涉及到的各个知识点以及各种系统调用和库函数，本部分内容所编写的示例代码，均是在Ubuntu系统下进行测试、验证，也就是在Ubuntu系统下执行测试程序以验证所学知识内容。所以在该部分内容中，本书使用vscode+gcc的方式开发应用程序，vscode作为代码编辑器、gcc作为编译器，使用vscode编写完代码之后再用gcc编译源码，得到可在PC端Ubuntu系统下运行的可执行文件。gcc的使用方法在驱动开发指南中有介绍，参考“开发板光盘资料A-基础资料/【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南V1.5.pdf”文档第三章的内容。
提高篇章节内容中，将会以正点原子阿尔法I.MX6U Linux开发板为例，向大家介绍如何编写应用程序控制开发板上的各种硬件外设，所以编写的应用程序是需要在开发板上运行的，阿尔法I.MX6U开发板是ARM架构硬件平台，所以源码需要使用交叉编译工具（ARM架构下的gcc编译器）进行编译，得到可在开发板上运行的可执行文件。所以在第二篇章节内容中，本书使用vscode+ARM gcc（交叉编译工具）的方式开发应用程序。
入门篇和提高篇章节内容中所编写的示例代码只有单个.c源文件，但是对于一个真正的Linux应用程序项目来说，其原文件的个数肯定不止一个，可能有几十上百个，这个时候可能就需要用到Makefile来组织工程源文件。直接通过Makefile来组织工程，对于一个大型软件工程来说通常是比较困难的，需要程序员对Makefile能够熟练使用，譬如Linux内核源码、U-Boot源码等都是直接使用Makefile进行管理。对于一般程序员来说，很难做到熟练使用Makefile。在第三篇（进阶篇）章节内容中，会向大家介绍cmake工具，使用cmake来管理我们的源码工程，相比于直接使用Makefile，使用cmake会打打降低难度，提高我们的开发效率！
进阶篇章节内容中，会给大家介绍一些Linux实战小项目，通过学习进一步提升Linux应用编程能力，本部内容将会使用cmake+vscode进行开发，其实cmake在实际的项目当中用的还是比较多的，譬如很多的开源软件都会选择使用cmake来构建、配置工程源码，学习了之后，相信大家在今后的工作当中也会用到。
关于本小节的内容到这里就结束了，下一章开始将正式进入到应用编程学习之路，大家加油！
1.5.1Ubuntu系统下安装Eclipse
   本小节介绍如何在Ubuntu系统下安装Eclipse，笔者使用的Ubuntu系统版本号为16.04.5，其它版本笔者未进行验证，不过大家试一试，如果出现了问题，再根据提示找到相应的解决办法！
      Eclipse是一个开源的IDE，基于java语言开发的可扩展开发平台，支持很多插件，可用于诸如java、C/C++、PHP、Android等编程语言的软件开发，关于更加详细的介绍大家自己去了解，本书不再介绍！
㈠下载Eclipse
      开发板资料包中提供了Eclipse安装包，路径为：开发板光盘->3、软件->eclipse-cpp-2020-12-R-linux-gtk-x86_64.tar.gz。
首先我们要下载Eclipse安装包，进入到Eclipse官网：https://www.eclipse.org/，如下所示：

图 1.5.1 Eclipse官网

点击右上角“Download”按钮进入到下载页面：

图 1.5.2 Download页面

点击下边的“Download Package”选项：

图 1.5.3 package列表

当前页面显示的是最新版本的软件包，可以看到Eclipse的最新版本是2021-03，上图右下角列出了其它的版本软件包的链接地址，这里笔者选择2020-12，也就是4.18版本作为演示，其它版本笔者没测试过，理论上都是可以的。
点击4.18版本链接地址，页面跟上图一样，因为是使用Eclipse进行C语言应用程序开发，所以选择“Eclipse IDE for C/C++ Developers”软件包，选择Linux系统的安装包，点击下图红框中的x86_64链接：

图 1.5.4 C/C++ IDE

点击之后会进入到下载界面，点击下图中的“Download”即可下载：

图 1.5.5 下载

下载完之后会得到压缩包文件“eclipse-cpp-2020-12-R-linux-gtk-x86_64.tar,gz”：

图 1.5.6 Eclipse压缩包文件

㈡、下载jdk
开发板资料包中提供了jdk，路径为：开发板光盘->3、软件->jdk-8u291-linux-x64.tar.gz。
因为Eclipse是基于java语言开发的，所以它依赖于java jdk，所以我们要下载，进入到https://www.oracle.com/cn/java/technologies/javase-downloads.html网页，如下所示：

图 1.5.7 jdk下载主页

我们往下翻找到Java SE8，如下所示：

图 1.5.8 Java SE8
点击JDK Download进入到jdk8下载页面，往下翻找到软件包下载列表：

图 1.5.9 jdk8下载页面

可以看到上图列举出了很多不同操作系统以及硬件平台的jdk包，操作系统包括Linux、macOS以及Windows等，还有不同的硬件平台，笔者用的是64位的Ubuntu系统，所以选择“Linux x64 Compressed Archive”，点击后边“jdk-8u291-linux-x64.tar.gz”下载。之后会弹出如下界面：