嵌入式Linux開發和裸機開發有何不同
時間：2023-10-23 來源：華清遠見
初學嵌入式開發的同學，經常面臨嵌入式學習是從裸機開發入手還是從嵌入式Linux入手，二者有何差異的困擾。那我們今天就來從軟件開發的角度來聊聊二者的區別。
我們來看什么是嵌入式Linux開發和裸機開發的概念。電子技術從出現至今發展飛快，從Intel開發出第一塊芯片開始，人類進入了電子信息時代。芯片內有集成電路，使用電子信號0和1的組合表示信息，進行運算處理。芯片有自己的指令集，不同的指令進行不同的操作，指令就是輸入給芯片的0和1信號。這些指令由程序員來設計編寫，芯片通過執行這一系列指令來執行任務。所以，最初的程序就是機器碼，由CPU直接訪問指令的存儲地址，然后執行。執行結果是輸出的計算結果或者控制外部硬件或外設的動作。然后程序語言升級，由匯編語言升級為C語言，更易閱讀理解和編寫。軟件控制硬件，如果硬件改了，軟件也要改。不同的硬件配置，也需要不同的驅動程序，這樣的沖突需要通過制定標準來減少，當標準不斷完善，功能更加清晰，各個硬件外設或者軟件模塊發展更加成熟。慢慢的，不斷完善的底層的、支持性的軟件模塊組合在一起，構成了操作系統。操作系統的目的之一，就是屏蔽硬件的差異化，使編程人員在OS之上寫代碼，而不用具體理解硬件的細節或差異。這會大大提高軟件的開發效率，提高軟件質量，加快軟件推向市場。所謂的裸機開發指的就是在你的開發板上不跑任何操作系統，直接面向硬件編程，而嵌入式Linux開發指的就是在開發板上運行Linux系統，在此基礎上進一步做軟件開發。
實際開發項目中到底是選擇嵌入式Linux還是裸機開發呢？如果實現的業務邏輯比較簡單，直接使用裸機編程就好了，如果應用業務邏輯很復雜，就需要使用OS了，一般在嵌入式OS中Linux系統得到了最為廣泛的使用。
裸機程序就是程序或軟件直接在硬件上運行，可以直接面對硬件進行操作。就像單片機開發里面，GPIO、IIC、SPI等，都是用代碼直接操作寄存器來完成相應的功能。包括中斷也要自己處理。內存也是自己直接分配使用，整個地址空間是透明的統一的。這種一般都是簡單的處理器芯片，Micro Controller Unit 簡稱MCU。但現在的情況，這種單片機的開發，廠商都會提供開發包，里面有各種現成的各種外設操作或相關應用的參考樣例，減少了開發難度。同時，也有很多庫可以使用，減少開發工作量。比如ARM-M0芯片開發時，開發IDE里就會link一個微型的標準C庫，一些基本函數可以直接調用，比如字符串操作等。
在嵌入式Linux里，程序是運行在Linux Kernel之上的。kernel是操作系統的核心，幾乎控制了系統中的一切。軟件和硬件的各種操作都要經過kernel。程序開發包括內核優化、系統移植、驅動開發、應用程序開發等多方面。用戶一般創建的是應用程序（User Space Applications）, 是無法直接訪問硬件，所以需要通過Kernel Space的驅動程序來訪問控制硬件。在User space中，所見的只是一大塊內存和Kernel的接口。這樣做的最大好處就是user space applications是硬件無關的。Kernel的核心職責和操作：進程管理、內存管理、進程間通信、設備驅動、電源管理等，這些功能需要內核開發工程師、驅動開發工程師來完成。
使用嵌入式Linux的優缺點。使用嵌入式Linux操作系統有著諸多的好處：
代碼安全性提高。普通單片機程序開發，寫錯一個控制指針或者數組操作越界，整個系統就掛掉了。但用OS的話，有內存保護功能，不同的進程不會影響到對方的內存。OS能夠使運行的程序的一些任務在supervisor模式下運行，一些任務在用戶模式下運行，權限不同，降低操作風險。
集成了大量的外設驅動，開發時對底層硬件的驅動控制可以不用操心或者改動很少。這樣提高了程序的可移植性，上層應用程序是硬件無關的。即使這個設備沒有驅動，在OS上進行驅動開發也會容易很多，有參考模板、有可復用函數等。
對多線程或多進程的支持，包括優先級管理。這部分功能如果要自己實現顯然很復雜并不能保證性能和穩定性。當然也有一些RTOS系統能支持thread，這是一個選擇問題，選擇自己需要的、喜歡的、合適的、長期有效的技術生態。
OS上已經實現和集成了很多可用的庫，減少我們的工作量，更快更有效的完成軟件開發工作。同樣，基于OS已有的庫，會跟容易開發出更強的庫，這樣不斷加強，使得選擇更多，自己的應用可以借用第三方的庫，減少風險提高效率。
Linux操作系統有很強的可裁剪性，便于不同的規模的應用選擇需要的功能或模塊。
Linux是行業通用的，應用廣泛的，接受度高，生態完善，還是免費。
當然事務都是兩面性的，使用嵌入式Linux OS也有一些顯而易見的缺點：
相對小規模應用來講系統太復雜了。
相對裸機開發來說，學習曲線太陡峭
系統會不斷更新升級，要注意整個Linux Kernel和相關庫的版本管理。
相對裸機程序，Linux OS是個通用系統，內部機制為眾所知，所以要注意安全和保護問題。
裸機開發的優缺點正好與嵌入式Linux開發相反。比如裸機存在著同樣硬件條件下代碼執行效率更高，小規模應用開發簡單、快速，可靠性更高等優點。同樣的隨著軟件規模和功能的增加其開發的復雜度成指數級上升，沒有對多線程的支持也會使得實現復雜業務邏輯顯得可望不可及。
從就業的崗位上來看嵌入式Linux開發是當前嵌入式領域中非常熱門和重要的一個方向，相關崗位有：
嵌入式Linux驅動工程師：主要負責針對特定硬件平臺，開發和優化驅動程序，以便與硬件設備通信，并實現更好的性能和穩定性。
嵌入式Linux應用開發工程師：主要負責設計和實現嵌入式應用程序，如物聯網終端、智能家居系統、智能交通系統等。
嵌入式系統架構師：主要負責整個嵌入式系統的軟硬件架構設計、方案評估、平臺選擇、資源協調等相關工作。
嵌入式解決方案工程師：主要負責結合客戶需求、技術資源和市場情況，為客戶提供完整的嵌入式解決方案，包括硬件選型、軟件支持、系統集成等。
裸機開發是嵌入式領域中的關鍵技術之一，相關崗位有：
嵌入式軟件工程師：負責開發和維護裸機程序，在沒有操作系統支持的情況下針對特定硬件平臺進行開發。
嵌入式硬件工程師：負責開發和維護硬件電路設計，為嵌入式設備提供數據采集、存儲等基礎功能支持。
嵌入式系統架構師：負責整個嵌入式系統的軟硬件架構設計、方案評估、平臺選擇、資源協調等相關工作。
嵌入式系統優化工程師：負責優化系統性能和功耗，并針對系統限制優化算法，縮小代碼和內存占用。
嵌入式應用開發工程師：主要負責嵌入式應用程序的設計和實現，如智能家居控制器、自動駕駛汽車控制器等。
給初學者的建議。建議小白學員可以從裸機開發入手，它的學習難度較低，可以更直接的體會到軟件控制硬件、軟硬件協同工作的過程。在短期內就可以完成一些簡單功能開發，提高學習興趣，為后續嵌入式Linux環境下軟件開發打下堅實基礎。而嵌入式Linux開發由于學習周期長，技術要求高，更容易拿到更高的薪資待遇，是小白學員學習的追求的終極目標。^_^
