第二章 开发环境搭建：嵌入式Linux开发环境搭建与传感器驱动基础

好，咱们直接进入正题。这一章要解决的核心问题就一个——怎么让你的电脑跟嵌入式板子“对上话”。说白了，就是搭个能让代码跑在ARM芯片上的环境。

我刚开始做嵌入式Linux时，光搭环境就折腾了两天。后来发现，其实就三件事：交叉编译工具链、根文件系统、还有驱动开发的基础知识。咱们一个一个来。

2.1 交叉编译工具链——为什么不能直接在板子上编译？

你可能会问：我电脑上装个gcc不就能编译吗？嗯，问题在于——你的电脑是x86架构，而嵌入式板子通常是ARM架构。两种CPU的指令集完全不同。

交叉编译，说白了就是：在x86电脑上编译出能在ARM上运行的二进制文件。

我个人习惯用Linaro提供的工具链，稳定且社区活跃。以ARM Cortex-A7为例，安装步骤其实很简单：

# 下载ARM交叉编译工具链
wget https://releases.linaro.org/components/toolchain/binaries/latest-7/arm-linux-gnueabihf/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz

# 解压到指定目录
tar -xvf gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz -C /opt/

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

这里有个坑——环境变量一定要写到.bashrc里，不然每次开终端都得重新export。我曾经因为这个浪费了半小时，后来学乖了。

2.2 根文件系统——板子启动后能看到什么？

交叉编译完内核和驱动后，板子还得有个“家”——这就是根文件系统。它决定了板子启动后你能看到哪些目录、哪些命令。

我建议初学者直接用Buildroot来生成文件系统。它能把工具链、内核、文件系统打包在一起，省心不少。

组件	说明	我的建议
BusyBox	提供常用Linux命令（ls、cp、vi等）	必选，选最新稳定版
glibc / uClibc	C运行库	存储够用选glibc，空间紧张选uClibc
设备节点	/dev目录下的设备文件	用udev或mdev动态管理
启动脚本	/etc/init.d/下的初始化脚本	按需配置，别贪多

用Buildroot生成文件系统，核心配置就几步：

# 下载Buildroot
git clone https://git.buildroot.net/buildroot
cd buildroot

# 配置目标架构
make menuconfig
# 选择 Target options -> Target Architecture = ARM (little endian)
# 选择 Toolchain -> 使用外部工具链（指向刚才装的Linaro）

# 编译
make

# 编译完成后，output/images/下会生成rootfs.tar和zImage

2.3 传感器驱动开发基础——I2C和SPI协议回顾

好，环境搭好了，接下来聊聊传感器怎么跟处理器通信。嵌入式传感器最常用的两种总线就是I2C和SPI。你想想看，一个温度传感器、一个加速度计，它们怎么把数据传给CPU？

2.3.1 I2C协议——两根线搞定一切

I2C只需要两根线：SCL（时钟线）和SDA（数据线）。所有设备都挂在这两根线上，靠地址区分。

核心要点：

• 主从模式：处理器是主机，传感器是从机
• 7位地址：每个从机有唯一地址，比如0x48
• 速率：标准模式100kHz，快速模式400kHz
• 起始/停止条件：SCL高电平时SDA下降沿=起始，上升沿=停止

在Linux驱动里操作I2C，通常用i2c-dev用户态接口。我写个简单的读取示例：

#include <linux/i2c-dev.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int read_sensor_data(int addr, char reg) {
    int file = open("/dev/i2c-1", O_RDWR);
    if (file < 0) return -1;

    // 设置从机地址
    ioctl(file, I2C_SLAVE, addr);

    // 发送寄存器地址
    write(file, &reg, 1);

    // 读取数据
    char buf[2] = {0};
    read(file, buf, 2);

    close(file);
    return (buf[0] << 8) | buf[1];
}

2.3.2 SPI协议——四根线，速度更快

SPI比I2C快得多，适合高速传感器（比如陀螺仪、AD转换器）。它用四根线：

• SCLK：时钟线，由主机产生
• MOSI：主机输出，从机输入
• MISO：主机输入，从机输出
• CS：片选线，低电平有效

SPI没有地址概念，靠片选线选通设备。每个设备独占一根CS线。

Linux下SPI驱动开发，我习惯用spidev接口：

#include <linux/spi/spidev.h>

int spi_read_write(int fd, unsigned char *tx, unsigned char *rx, int len) {
    struct spi_ioc_transfer tr = {
        .tx_buf = (unsigned long)tx,
        .rx_buf = (unsigned long)rx,
        .len = len,
        .speed_hz = 1000000,  // 1MHz
        .delay_usecs = 0,
        .bits_per_word = 8,
    };

    return ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(1), &tr);
}

2.4 实战：点亮一个I2C温度传感器

理论说完了，咱们动手试试。以LM75温度传感器为例，它的I2C地址是0x48，寄存器0x00存温度值。

完整流程：

1. 确认板子上I2C总线编号（通常是i2c-0或i2c-1）
2. 用i2cdetect扫描设备：i2cdetect -y 1
3. 看到0x48地址出现，说明硬件连接正常
4. 编写用户态程序读取温度

// lm75_read.c
#include <stdio.h>
#include <linux/i2c-dev.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int fd = open("/dev/i2c-1", O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return -1;
    }

    // 设置LM75地址
    ioctl(fd, I2C_SLAVE, 0x48);

    // 读取温度寄存器
    char reg = 0x00;
    write(fd, &reg, 1);

    char buf[2];
    read(fd, buf, 2);

    // 温度值 = (高字节 << 8 | 低字节) >> 7 * 0.5
    short raw = (buf[0] << 8) | buf[1];
    float temp = (raw >> 7) * 0.5;

    printf("当前温度: %.1f°C\n", temp);

    close(fd);
    return 0;
}

编译时记得用交叉编译器：

arm-linux-gnueabihf-gcc -o lm75_read lm75_read.c

把生成的可执行文件拷贝到板子上，运行就能看到温度了。

嗯，这一章的内容就这些。环境搭好了，I2C和SPI也回顾了，下一章咱们开始写真正的传感器驱动。到时候你会看到，驱动开发其实没那么神秘——说白了就是跟寄存器打交道。