从路由器到智能音箱，再到工业控制器，Linux的灵活性和低成本处理器的普及让它们成为开发的天堂。更夸张的是，国内目前价格花不到100块就能买到一块能跑Linux的开发板，简直是白菜价
这一系列文章的目标，是带你从零开始，逐步掌握嵌入式Linux的开发精髓。我们会从挑选硬件开始，一路讲到如何从源码编译系统镜像，再深入到定制Linux内核、设计可靠的固件更新机制，甚至打造一块属于自己的Linux开发板。无论你是想搞个DIY项目，还是准备在工作中用嵌入式Linux，这系列内容都会让你上手无压力。不过前提是，你最好有点Linux命令行基础，知道嵌入式系统的基本组成（比如处理器、闪存、外设），以及有足够的时间来折腾和试错。
接下来，我们先从高层次的概念入手，理清嵌入式Linux的整体框架，避免一头扎进细节时晕头转向。
嵌入式Linux的本质
如果你玩过单片机，比如STM32或者AVR，可能已经习惯了那种全家桶式芯片：买一块芯片，里面自带闪存、RAM、处理器核心，还有一堆外设，比如UART、SPI，甚至可能有蓝牙或USB接口。写代码时，你直接用厂商的开发工具，代码跑在裸机上，没有操作系统来“添乱”。这些芯片通常还很友好，封装也适合手焊，比如SOIC或者QFP。
但Linux处理器（MPU）就不太一样了。这类处理器通常集成了一大堆外设，种类多到你可能都没听说过，比如MIPI接口、CAN总线之类。但它们通常不带内置RAM，也压根没有存储空间。启动过程也更复杂：处理器内部有个Boot ROM，负责加载你的引导程序（bootloader）。引导程序再加载Linux内核，初始化外设，最后启动用户程序。整个环境跑起来后，跟桌面Linux几乎没区别：一样的API、一样的文件系统、一样的网络协议。你的应用代码几乎可以直接从PC搬到嵌入式设备上跑。
整个系统镜像可以小到只有4MB，但核心点在于：嵌入式Linux的软件组件跟桌面Linux几乎一模一样,Linux内核提供了强大的硬件抽象层，你的任务主要是把引导程序和内核适配到你的硬件上。
嵌入式Linux的组件
嵌入式Linux系统由几大模块组成，每个模块的选择都会深刻影响你的设计。我们来逐一拆解。
处理器
CPU是系统的核心，直接决定性能和功能。便宜的嵌入式Linux设备大多用ARM或MIPS核心，现在ARM几乎一统江湖。不过，RISC-V这匹黑马也值得关注，它是开源指令集架构，虽然还没完全成熟，但已经吸引了不少厂商的目光。
跟单片机类似，处理器厂商会在芯片里塞进各种外设，比如USB、SPI、以太网接口。这些外设通常通过内存映射寄存器控制，厂商还喜欢“偷懒”，直接把旧芯片的外设IP复制到新芯片上，或者多加几个同类型外设来提升性能。
内存
Linux处理器一般不带内置RAM，内存得单独提供。低端设备常用SDRAM，高端点的用DDR、DDR2甚至DDR3，DDR4虽然少见，但迟早会普及。内存控制模块要么由厂商的启动代码初始化，要么由引导程序的第一阶段搞定。
有些模块化开发板（比如树莓派）已经把内存集成好了，省去了你布板的麻烦。但如果你是DIY爱好者，从零开始设计电路板，内存布局可是个大坑。内存信号线对布线要求极高，稍有不慎就会导致系统不稳定。所以在下一篇文章里，我会推荐一些自带内存的处理器，帮你少踩雷。
存储
存储是用来存放代码和数据的非易失性介质，嵌入式系统里几乎都是闪存。常见的有SD卡、eMMC和原始闪存（raw flash）。SD卡大家都很熟悉，带闪存控制器，操作简单，但可靠性堪忧，树莓派用户估计都吃过SD卡损坏的苦。eMMC是嵌入式版的SD卡，集成了闪存和控制器，但通常用BGA封装，手工焊接基本没戏。
原始闪存分NOR和NAND两种。NOR闪存写速慢、容量小、价格便宜，适合存储引导程序，Boot ROM通常都能直接从SPI接口的NOR闪存读取数据。NAND闪存容量更大、速度更快，但价格稍高，有些还支持专用NAND总线。原始闪存的缺点是操作麻烦：不能随意写入，必须先擦除大块区域，而且写入次数有限（1000到10万次不等）。幸好，Linux的UBI子系统能帮你管理这些问题，让原始闪存用起来更顺手。
软件
嵌入式Linux的软件包括引导程序、内核和用户空间（userland）。好消息是，Linux内核对大多数外设都有现成的驱动，接口还很统一，不像单片机那样经常要自己写驱动。
引导程序
引导程序是工程师能控制的第一段代码，任务是加载内核并启动它。Linux几乎都用U-Boot这个万能引导程序。它自带简化的存储驱动和少量外设驱动，功能刚好够把内核读进内存并运行。
很多时候，开发板自带的引导程序已经够用，只要按它的规则来就行。但如果你想实现特殊功能，比如自定义启动流程，就得改引导程序。别怕，U-Boot本质上就是个程序，改起来并不神秘。
Boot ROM
Boot ROM是处理器内置的一小段代码，由厂商提供，功能极简，通常只负责 Hospitality。Boot ROM支持的存储介质，比如SPI NOR闪存或SD卡，还能通过USB跟电脑通信。这意味着你可以用USB给全新设备刷固件，堪称防砖神器。不同厂商的叫法不同，比如NXP叫它Download Mode，Allwinner叫它FEL模式。用的时候需要特定的PC端工具，功能因处理器而异。
内核
Linux内核需要针对具体处理器和开发板进行适配。内核源码包含了海量的驱动，但嵌入式系统用到的往往只有一小部分。设备树（device tree）是适配的关键，它就像驱动的配置文件，告诉内核硬件的连接方式。只要设备树写对了，驱动就能自动识别硬件，省去不少麻烦。
用户空间
用户空间的软件跟桌面Linux几乎一样，包括文件系统、初始化系统和shell。文件系统要根据存储介质选择，比如SD卡和eMMC支持ext2/3/4或f2fs，原始闪存则需要JFFS2或UBIFS。我个人喜欢用squashfs加UBI分区，后面会详细讲。
初始化系统负责管理用户空间程序，大型系统可能用systemd，小型系统通常用简单的SysV脚本。shell则是你的交互窗口，通常通过UART串口访问，偶尔也会有显示屏支持。如果能看到shell提示符，说明你的系统已经成功启动！
