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RNOTICE:
Please notice that low-level programming is out of trend and currently
there are not many companies hiring low-level developer.
It is getting harder for me to find a job.
If you does not start professional career yet,
I would like to recommend you consider other fields carefully.

提醒：
請注意，底層程式開發已不是主要趨勢，現今有許多公司已不再聘請底層程式開發者，
作者本身也越來越難找到相關的工作。
如果你並非全職專業技能者，我會建議你仔細考慮其他領域。

底層程式開發的世界

這篇文章在講什麼?

我是被一篇文章所啟發 google-interview-university。
我想要來分享我自己的經驗並且展示如何成為一個底層程式開發者， 因為我發現這些技能並不像以前一樣那麼的常見。
此外，也有越來越多的學生及初學者開始問我， 如何成為一個底層開發者及 Linux 核心工程師。

這篇文章並不會包含所有相關的 連結/書籍/課程。
例如，這篇文章包含了 Arduino，但並不會有關於 Arduino 及嵌入式系統的細節資訊， 你得到了 Arduino 這個關鍵字，接下來所要做的就是走出自己的一條路。
這條路可能是從 googling Arduino 開始，買一些器材、設備，為你的學習做出實際的行動， 而非收集一堆資訊卻不去閱讀。
請記得，這只是一個給初學者的學習指南而已。

底層程式開發是電腦科學的一部分。
當然，如果能先學習有關電腦科學的相關教育知識會是更好的。

什麼是底層?

什麼是底層？什麼是高階層？
我區分的方式是，你是否使用了 C 或組合語言去撰寫了與機器相關的程式。
這相對於其他高階層的程式開發有很大的區別，
因為高階層的程式語言開發，通常不需要注意機器、硬體， 使用者空間 (user-space) 的應用程式，通常會使用高階層程式語言 (例如： Python, Java)

你可能猜到了一些，系統程式開發是一種非常靠近底層程式開發的型態。
但是系統程式開發通常不會包含硬體設計及韌體開發，而這篇文章會包含這些額外的內容

最後，這篇文章會從硬體的元件，講到 Linux 核心。
這跨越了非常多的領域，一篇文章不太可能包含所有的細節， 所以請把這篇文章當成一個進入底層程式開發的起始點。

理論

底層程式開發有兩種主要的背景知識

  • 電腦組織架構
  • 作業系統

我認為學習理論最好的方式是跟著一個課程學習， 自己讀書並不是不好，只是會耗費你大量的時間與努力，
你應該可以在網路上找到各個大學的線上課程，例如像 Coursera.org 和 edx.org。
理論就是理論，我不認為你一定要在課堂上拿到 A+，只需要在腦中有一個粗略的背景知識。
你會隨著經驗增加而越來越厲害。

讓我介紹幾本我讀過的書。
這些書通常是大學中的教科書。
就算你的大學中沒有任何的課程是使用這些書，它們還是很值得你花時間去閱讀

  • 電腦組織與架構
    • Computer Architecture, Fifth Edition: A Quantitative Approach
    • Computer Systems: A Programmer's Perspective
    • Computer Organization and Design, Fourth Edition: The Hardware/Software Interface
  • 作業系統
    • The Magic Garden Explained: The Internals of UNIX System V Release 4 an Open Systems Design
    • The Design of the UNIX Operating System
    • Operating Systems: Internals and Design Principles by William Stallings
  • 建議的課程

世界上有無窮無盡的好書等著你。
我不想說你應該每一本都去念，只要選個一、兩本，仔細的去讀、去學，
不論你學到了什麼理論，把程式碼實做出來 實做無價，把東西做出來，知識才真的屬於你

程式語言

組合語言

選擇 X86 或 ARM 其中一種。不需要兩種都知道。
至於選那一種也不是很重要，因為學習組合語言的重點是，你必須要知道 CPU 與電腦的運作方式，
所以不需要練習最新 CPU 的組合語言，嘗試選一種 8086 或 Corex-M

C 語言

關於 C 語言，沒有捷徑。 必須閱讀全部的書籍並且實做所有的練習。

如果你想成為 C 語言的專家, 請到

https://leetcode.com/.

Good luck!

應用程式

硬體 && 韌體

如果你想成為一個嵌入式系統的工程師， 比起學習最新的 ARM 晶片，最好還是從一個簡單的硬體套件開始，

  • Arduino Start Kit
    • 市面上有很多種 Arduinos 系列， 但 "Arduino Start Kit"有最簡單的處理器 (Atmega328P) 和說明書。
    • Atmega328P 有一個 8-bit 核心，是一個很好做數位電路設計和韌體開發的起點
    • 你不需要知道如何去畫電路圖、不需要知道如何布局、更不需要知道如何封裝晶片。
    • 但你需要知道如何去讀電路圖，也必須知道晶片應該如何連接。
    • 韌體開發者需要知道如何閱讀電路圖及設備之間如何傳遞訊息。
    • 跟著指南書走!
  • 8086 manual
    • 如果你是 x86 架構的初學者，8086 也是非常好的學習領域，關於處理器架構和 80x86 組合語言。
  • 80386 manual

在這個部份，你必須要有一定程度的技術能力來開始接下來的部份，最新的 ARM 或 x86 處理器

舉例，樹莓派的開發板上有 Cortex-A53 的處理器，該處理器支援 64 bit 的指令集

新的樹莓派可以讓你體驗先進的處理器架構，你可以買新的沒錯，
但如果你沒有任何的想法，不知道買來要幹麻，你很可能很快就會把板子忘在抽屜裡面了，
就像你之前買的那些設備一樣，對吧，你懂的。

所以，我有個好建議。

我做了一個 小型核心程式 它支援 64-bit 長指令模式，paging，簡單的 context switching，
用 小型核心程式 來示範，讓人可以比較簡單的了解現代的電腦架構與硬體控制

事實上，你早就有最新的處理器及硬體設備，就是你的筆記型電腦，你隨時可以開始。
你可以不用再買其他東西，qemu 模擬器可以模擬最新的 ARM 處理器跟 Intel 處理器

你需要的，你都有，
你可以參考很多東西，隨便找都有一堆小型核心程式跟文件，
安裝 qemu 模擬器，編譯出一個小核心，
啟動核心之後，啟動 paging，印幾行訊息出來看看。

還有一些你可以參考的小型核心程式 :

Linux 核心與設備驅動程式

要做一整個完整的作業系統是非常困難的，其實你不需要自己做，
加入 Linux 社群，參與開發就好

初階到進階之 Linux 核心與設備驅動程式開發的相關資源

參考

如果你遇到一些困難，試著找看看有沒有你需要的資料

其他的應用程式

或許你對於 Linux 跟韌體並不真的那麼有興趣。 那你還可以考慮試試其他的應用領域：

  • Windows 系統程式開發 & 設備驅動程式
  • 資訊安全
  • 逆向工程

原作者本身並沒有關於這些領域的相關知識， 如果有人懂這方面的知識，原作者期待可以收到相關的入門資料。

核心以及驅動程式並不是底層程式開發的全部 有一個很重要的底層應用程式，稱為『軟體定義儲存裝置』或『分散式檔案系統』。
關於此領域的知識細節已經超出了這個文件所要介紹的範圍，
但如果你有興趣，可以參考這個課程，可以了解簡單的分散式檔案系統。

底層程式開發的未來

其實我並不知道未來會是怎樣，但是我持續在注意 RUST 這個程式語言。

如果我有一些獨處的時間，我會試著學 RUST。
因為 RUST 是嶄新的程式語言，也可以拿來開發 Linux 設備驅動程式。

物連網是目前的新趨勢，所以很值得去了解物連網與其相關的作業系統。
ARM、三星，還有一些其他的公司有發展它們自己的即時作業系統， 可惜的是大部分都為閉源程式（相對於開源程式）。
但別氣餒，Linux 基金會也有自己的開源解決方案：Zephyr

一個典型的雲端伺服器會有好幾層的技術堆疊，
例如：會有主層作業系統、客層作業系統、KVM 驅動程式、qemu 的行程、應用程式服務。

有一種應用程式稱為容器，容器已經可以提供輕量型的虛擬化。
在不久的將來，會有新的作業系統概念，也就是所謂的 library OS 或稱 Unikernel，
有可能會取代目前典型的軟體虛擬化技術。

大數據及雲端計算需要非常非常多的儲存空間。
有時候，在伺服器內的硬碟容量、穩定性及效能，已經不能負荷其服務所需。
因此目前有人在研究，嘗試開發出一個巨型儲存系統，這個系統是用許多分散式的儲存設備，配合高速網路互相連接，所搭建起來的。 上述的技術主要是用來搭建一個巨大的儲存空間。
而目前這樣的技術主要是用來做虛擬機器的使用空間。

如何開始?

我收到了許多的信件來問我說，你說的東西很棒，但是該怎麼開始？
其實你們所需要的東西都已經在這篇文章裡面了，不管是書籍、課程、還是專案。
我想我忘了告訴大家該怎麼開始做這一切， 但其實關於這個問題…，就如同詢問，該如何從河岸的一岸到另外一岸？
該如何到達彼岸，並沒有正確的答案

King's Landing

我所能做的就是把我曾經做過得寫出來。
如果你也曾經學過這些，就跳過去學下一個， 我必須再次聲明，這只是個讓你參考如何開始的範例。

翻譯版本

如果你翻譯了這份文章，請發個 pull request 給我，
我會將你翻譯的部份放在下方的列表中

原作者?

我因為閱讀了 google-interview-university 這篇文章而被啟發。
我想要分享我的知識、經驗，並且告訴世人要如何成為一個底層程式語言開發者， 因為我發現這些知識，已經不像以前那麼常見。
此外，許多初學者及學生一直再問我，他們應該如何做才能成為底層程式開發者。

如果你想了解我？ 我是一位擁有 10 年底層程式開發經驗的程式設計師：

  • 80x86 組合語言程式開發
  • Atmel 晶片、硬體、韌體開發經驗
  • Unix 系統 C 語言開發經驗
  • Linux 驅動程式開發經驗
  • Linux 核心: page allocation
  • Linux 核心: 區塊設備、模組之驅動程式