開源硬件概況

相對于源代碼開放的開源軟件，開源硬件似乎今人費(fèi)解。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的硬件體系中沒有數(shù)字化代碼，何來開源？因此，開源硬件的開源內(nèi)涵主要體現(xiàn)在開源文化中的開放、低成本、可二次開發(fā)與可任意裁剪上。開源硬件的開放不僅是電路系統(tǒng)的開放，還在于對軟件工程師的開放，因此，開源硬件誕生后，吸引了眾多軟件工程師進(jìn)入嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。

可二次開發(fā)的開源硬件，是一個(gè)基于軟件開發(fā)的軟硬件綜合開發(fā)平臺；基于軟件的開發(fā)模式有利于軟件工程師介入嵌入式產(chǎn)品開發(fā)；開源硬件可任意裁剪、任意選擇的特點(diǎn)，為開發(fā)眾多個(gè)性化嵌入式產(chǎn)品提供了低成本、低門檻、靈活、便捷的手段。

“開源硬件”：描述如今基于嵌入式產(chǎn)品平臺、基于硬件描述語言、以軟件技術(shù)為主的智能硬件的開發(fā)模式。

當(dāng)今的開源硬件有以下幾類：

一類是由用戶板進(jìn)化出的可二次開發(fā)的板級開源硬件（早期以樹莓派為代表）；

另一類是開源硬件描述語言（以Chisel為代表源代碼開放的開源硬件）；

還有一類是開源操作系統(tǒng)中的開源硬件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如ARM Device Tree）。

開源硬件描述語言：

硬件描述語言HDL是一種用形式化方法描述數(shù)字電路和系統(tǒng)的語言。

硬件描述語言發(fā)展至今已有20多年的歷史，它將硬件設(shè)計(jì)軟件化，通過EDA工具（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）進(jìn)行仿真驗(yàn)證，最終通過微電子的ASIC手段或半定制的FPGA來實(shí)現(xiàn)一個(gè)真實(shí)的硬件系統(tǒng)。這是一種非主流電子工程師的非傳統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，成功地應(yīng)用于硬件設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，如建模、仿真、驗(yàn)證與數(shù)字化模塊的綜合等。

隨著系統(tǒng)級FPGA以及系統(tǒng)芯片的出現(xiàn)，軟硬件協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得越來越重要。傳統(tǒng)意義上的硬件設(shè)計(jì)越來越傾向于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)結(jié)合。硬件描述語言為適應(yīng)新的情況，迅速發(fā)展，出現(xiàn)了很多新的硬件描述語言。硬件描述語言從一開始就是一種用軟件工具、在軟件方法基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

Chisel是加州大學(xué)伯克利分校研究人員設(shè)計(jì)并發(fā)布的一種新的開源硬件設(shè)計(jì)語言。他們認(rèn)為現(xiàn)有的硬件描述語言VHDL、Verilog HDL等最初設(shè)計(jì)的目的是用來仿真的，所以有很多不可綜合的語法，此外，VHDL、Verilog HDL缺少目前高級語言具備的一些特性，比如：對象、繼承等，于是設(shè)計(jì)了Chisel，并將其開源。

Chisel建立在Scala語言之上，可以支持高級硬件設(shè)計(jì)。用戶使用Chisel時(shí)，以編寫Scala程序的方式來設(shè)計(jì)硬件電路。采用Chisel設(shè)計(jì)的電路，經(jīng)過編譯可以得到FPGA、ASIC的Verilog HDL的相關(guān)代碼。目前國內(nèi)外已有人使用Chisel語言成功地實(shí)現(xiàn)了多種開源處理器。有多個(gè)開源項(xiàng)目使用Chisel作為開發(fā)語言，包括：采用RISC-V架構(gòu)的開源標(biāo)量處理器Rocket、開源亂序執(zhí)行處理器BOOM（Berkeley Out-of-Order Machine）等。

此外，Chisel的開源特性，也有助于用戶了解硬件設(shè)計(jì)語言的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行特定的優(yōu)化與改進(jìn)。

開源設(shè)備樹

設(shè)備樹是嵌入式操作系統(tǒng)中的一種開源硬件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是嵌入式操作系統(tǒng)中板級支持包（Board Support Package，BSP）的華麗轉(zhuǎn)身，其源頭是PowerPC的Device Tree技術(shù)。目前，最著名的是ARM Linux中的扁平設(shè)備樹FDT（Flattened Device Tree）。

早先在嵌入式系統(tǒng)中引入操作系統(tǒng)時(shí)為了滿足操作系統(tǒng)對硬件單元的有效管理，設(shè)置了板級支持包，并添加有大量的驅(qū)動(dòng)程序固件。板級支持包介于主板硬件與操作系統(tǒng)之間，是操作系統(tǒng)的一部分。程序員在使用嵌入式操作系統(tǒng)時(shí)，可以根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)的變化，在BSP中添加一些和系統(tǒng)相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序。因此，隨著主板的升級與變更，BSP也愈加龐雜。

以ARM Linux為例，早期的ARM Linux中充斥著大量的垃圾代碼，相當(dāng)多的代碼只是在描述板級細(xì)節(jié)，而這些板級細(xì)節(jié)對于內(nèi)核來講，只是垃圾。后來引入了PowerPC已成熟應(yīng)用的Device Tree技術(shù)，使得ARM Linux內(nèi)核中的BSP華麗轉(zhuǎn)身為扁平設(shè)備樹（FDT）。

Device Tree是一種描述硬件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，基本上是一個(gè)描述電路板上CPU、總線、設(shè)備組成的樹形結(jié)構(gòu)，由一系列的結(jié)點(diǎn)（node）和屬性（property）組成，結(jié)點(diǎn)本身可包含子結(jié)點(diǎn)，可用來描述原先kernel中的大量板級細(xì)節(jié)與硬件細(xì)節(jié)，直接透過它傳遞給Linux。Bootloader會(huì)將這棵樹傳遞給內(nèi)核，然后內(nèi)核可以識別這棵樹，并根據(jù)它展開出Linux內(nèi)核中的眾多設(shè)備，而這些設(shè)備用到的內(nèi)存、IRQ等資源，也被傳遞給了內(nèi)核，內(nèi)核會(huì)將這些資源綁定給展開的相應(yīng)設(shè)備。使用FDT后，Linux內(nèi)核可以直接通過FDT獲取硬件的細(xì)節(jié)信息。

由根結(jié)點(diǎn)、子結(jié)點(diǎn)、葉結(jié)點(diǎn)形成了硬件相關(guān)的樹形結(jié)構(gòu)，樹結(jié)構(gòu)將在節(jié)點(diǎn)之間創(chuàng)建父子關(guān)系，此父子關(guān)系是體系結(jié)構(gòu)無關(guān)性的關(guān)鍵。當(dāng)葉驅(qū)動(dòng)程序或總線結(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)程序本質(zhì)上需要依賴于體系結(jié)構(gòu)的服務(wù)時(shí)，該驅(qū)動(dòng)程序會(huì)請求其父級節(jié)點(diǎn)提供該服務(wù)。采用此方法，不管計(jì)算機(jī)或處理器的體系結(jié)構(gòu)是什么，驅(qū)動(dòng)程序都可以正常運(yùn)行。使用FDT后，Linux內(nèi)核可以直接通過FDT獲取硬件的細(xì)節(jié)信息，這使得ARM Linux內(nèi)核中的冗余編碼大大減少，同時(shí)也使得用一個(gè)內(nèi)核鏡像去引導(dǎo)同一類ARM芯片集的硬件平臺成為可能。

2017年《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》第3期羅名駒等人的“扁平設(shè)備樹FDT在ARM Linux中的應(yīng)用研究”詳細(xì)地介紹了ARM Linux中的FDT，以及如何通過FDT獲取板級硬件的細(xì)節(jié)信息。
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全球最流行的幾個(gè)開源硬件平臺

隨著物聯(lián)網(wǎng)的推廣和普及，五年內(nèi)全球會(huì)有200億臺智能設(shè)備的需求，而如今隨著創(chuàng)客概念的興起，開源硬件也越加的火熱，讓我們來看看現(xiàn)在都有哪些主流的開源硬件平臺，這些平臺又是用什么芯片呢，全志、三星、瑞芯微、飛思卡爾？下面讓我們來數(shù)一下吧！

1.樹梅派（Raspberry Pi）-ARM1176JZF-S核心

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樹莓派

樹莓派由注冊于英國的慈善組織“Raspberry Pi 基金會(huì)”開發(fā)，Eben·Upton/?！ざ蚱疹D為項(xiàng)目帶頭人。2012年3月，英國劍橋大學(xué)埃本·阿普頓（Eben Epton）正式發(fā)售世界上最小的臺式機(jī)，又稱卡片式電腦，外形只有信用卡大小，卻具有電腦的所有基本功能，這就是Raspberry Pi電腦板，中文譯名“樹莓派”！它是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD卡為內(nèi)存硬盤，卡片主板周圍有兩個(gè)USB接口和一個(gè)網(wǎng)口，可連接鍵盤、鼠標(biāo)和網(wǎng)線，同時(shí)擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，以上部件全部整合在一張僅比信用卡稍大的主板上，具備所有PC的基本功能只需接通電視機(jī)和鍵盤，就能執(zhí)行如電子表格、文字處理、玩游戲、播放高清視頻等諸多功能。 Raspberry Pi B款只提供電腦板，無內(nèi)存、電源、鍵盤、機(jī)箱或連線。

2.Armcore-全志A20

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Armcore

Armcore是由視美泰公司為企業(yè)級DIY定制的一款開源硬件，其標(biāo)準(zhǔn)都是按照工業(yè)級制定。為了更方便企業(yè)開發(fā)產(chǎn)品，Armcore將CPU、DDR、FLASH、PMU等核心模塊封裝到一個(gè)核心板之上，而且將安卓系統(tǒng)集成到系統(tǒng)上，基本上市面上的主流標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)都應(yīng)有盡有，以此來節(jié)省企業(yè)開發(fā)項(xiàng)目的時(shí)間周期和成本。更誘人的是這些都是開源的！不過該平臺不足的地方就是對于個(gè)人創(chuàng)客的支持力度很低，主要還是針對企業(yè)用戶。

3.Arduino-Atmega328

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Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）。它適用于愛好者、藝術(shù)家、設(shè)計(jì)師和對于“互動(dòng)”有興趣的朋友們。

4.BeagleBone-AM3359

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BeagleBone是一個(gè)開源軟件和嵌入式硬件設(shè)計(jì)非營利公司。BeagleBone為開源愛好者提供了一個(gè)很好的開源硬件和軟件交流的平臺。BeagleBone可以說完全是靠開源愛好者推動(dòng)的一個(gè)硬件平臺。

5.Cubieboard-全志A10

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Cubieboard是由一支中國珠海的技術(shù)團(tuán)隊(duì)Cubieteam開發(fā)的一個(gè)開源MiniPC，有些類似于英國人開發(fā)的樹莓派。適合個(gè)人創(chuàng)客，在這個(gè)平臺開發(fā)產(chǎn)品不需要看英文資料是最大的優(yōu)勢，哈哈！我們一直堅(jiān)信中國品牌總有走出國門的一天，雖然Cubieboard在國內(nèi)名氣不大，但是憑借其過硬的品質(zhì)已經(jīng)在國外贏得了一部分市場。

6.Armpc-全志A20

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Armpc是基于全志A20開發(fā)的一款供個(gè)人DIY玩家使用的開源開發(fā)平臺，其豐富的擴(kuò)展性，是其最大的特點(diǎn)，因?yàn)樗鼛缀醢薃rduino和樹莓派的所有接口，所以，它支持的DIY模塊會(huì)比前兩者多出許多。Armpc和Beaglebone一樣是由開源社區(qū)推動(dòng)的一款開源硬件。其不足就是只開放軟件源碼，而沒有開放硬件原理圖，不過這也絲毫不影響創(chuàng)客們對它的寵愛。

7.UDOO-飛思卡爾 i.MX6 ARM

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UDOO和Raspberry Pi一樣，是一個(gè)ARM架構(gòu)的Linux板，而在電路板上也裝有第二顆ARM處理器用來模擬Arduino Due。

UDOO擁有雙核與四核兩個(gè)版本的ARM cortex-A9 CPU，采用了與Arduino Due一樣的ARM SAM3X處理器。UDOO還內(nèi)置OpenGL加速器、54數(shù)位I/O和模擬輸入（有和Arduino R3兼容的pinout）、Ethernet、內(nèi)建WiFi、HDMI、USB、SATA及類比聲音訊號。

8、SparkCore-單片機(jī)

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SparkCore是一個(gè)擁有配套云服務(wù)的平臺，可兼容Arduino，并內(nèi)置有WiFi功能。和Yún一樣，SparkCore也可以通過WiFi連接并進(jìn)行程式開發(fā)。而除了無線局域網(wǎng)絡(luò)，SparkCore也可以同時(shí)通過云服務(wù)隨處存取更新自己的進(jìn)度。

9.DigiSpark-單片機(jī)

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DigiSpark也是一個(gè)基于ATTiny85架構(gòu)的開發(fā)板，并且體積也足夠小，支持Arduino IDE 1.0+ （OSX/Win/Linux）。

雖然DigiSpark只有6個(gè) I/O Pins，但可利用各式各樣的擴(kuò)充工具延伸它的可能性。并且DigiSpark的售價(jià)只有12美元，無論是學(xué)習(xí)開發(fā)入門還是功能拓展都是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

10、pcDuino-全志A10

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pcDuino可以運(yùn)行完整的PC操作系統(tǒng)，如Ubuntu和Android的ICS，并且易于使用工具鏈，又兼容Arduino開放的生態(tài)系統(tǒng)，包括Arduino shield和開源項(xiàng)目。值得注意的是它能夠兼容使用大部分的Arduino擴(kuò)充板，且所有的Arduino擴(kuò)展引腳都可以通過API訪問，包括UART、ADC、PWM、GPIO、I2C。
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關(guān)于Ardurino開源硬件平臺

在Maker Faire現(xiàn)場展臺上展示的開源硬件平臺可見一斑：基于Ardurino開發(fā)的創(chuàng)意產(chǎn)品占絕大部分，由此可見，由Ardurino構(gòu)建的創(chuàng)客生態(tài)系統(tǒng)已蔚然成風(fēng)，各類基于Ardurino的軟硬件開發(fā)平臺、技術(shù)資料、配件等已經(jīng)非常完善。

而對其他開源硬件平臺而言，使用者偏少。無外乎有以下幾大原因：第一，Ardurino是創(chuàng)客的“開山鼻祖”，江湖老大的地位不可動(dòng)搖；第二，Ardurino功能簡單，對初學(xué)者而言上手更快；第三，關(guān)于Ardurino的所有配套資料、使用群體最龐大，志同道合者居多。

事實(shí)上，當(dāng)使用Ardurino基本的控制功能達(dá)不到創(chuàng)客們的更高級、更先進(jìn)的要求（如通訊、互聯(lián)、互動(dòng)等）時(shí)，創(chuàng)客們會(huì)另尋出路，會(huì)選擇采用基于ARM架構(gòu)或X86架構(gòu)的開源硬件平臺。舉幾個(gè)簡單的例子，僅供參考。

Ardurino：適用于入門級新手創(chuàng)客。開發(fā)工具有Arduino IDE，具有豐富的Arduino驅(qū)動(dòng)代碼。對于入門級創(chuàng)客來說，大家更多的是看中Arduino龐大的網(wǎng)絡(luò)資源，各種疊加擴(kuò)展板和傳感器板。

AVR單片機(jī)：Arduino的核心芯片用的就是Atmel的AVR 8位單片機(jī)，可以說Atmel是Arduino的鼻祖。　　Atmel Xplained / Xplained Pro 開發(fā)板：作為低成本單片機(jī)，Atmel Xplained / Xplained Pro 開發(fā)板有很多型號可供大家選擇，如：8位或32位AVR單片機(jī)、ARM Cortex-M0+ 或 Cortex-M4 或 Cortex-M4F、ARM Cortex-M0

+ 加無線 SoC、ARM Cortex-A5 微處理器等?；贏RM Cortex-M0+ 架構(gòu)的開發(fā)平臺，低外圍資源，但同時(shí)具備低功耗，二次開發(fā)簡易，擁有32位ARM的計(jì)算性能等優(yōu)勢。Xplained Pro開發(fā)板同樣具有可擴(kuò)展性，可以使用標(biāo)準(zhǔn)排針在開發(fā)板側(cè)面連接擴(kuò)展板?！　漭蒖aspberryPi：相比Arduino，樹莓派提供更高性能的處理能力，可以輕松實(shí)現(xiàn)I/O控制、高速數(shù)據(jù)通信、視頻處理、實(shí)時(shí)運(yùn)算等，創(chuàng)客可以在Debian Linux環(huán)境下編程，實(shí)現(xiàn)各種過去需要在PC環(huán)境實(shí)現(xiàn)的功能。樹莓派是初級創(chuàng)客向高階創(chuàng)客演進(jìn)的理想平臺。目前全球用戶超過300萬，每年以200萬的速度遞增。

CooCox開發(fā)工具：用于ARM Cortex-M設(shè)備的開發(fā)，CoIDE具有強(qiáng)大的工程管理和調(diào)試功能，集成了一個(gè)開放和分享的組件代碼平臺，支持Arduino編程語言，Arduino驅(qū)動(dòng)代碼可平滑移植到CoIDE，基本不需改動(dòng)代碼，適用于有進(jìn)階需求的創(chuàng)客。

MSP430 LaunchPad：LaunchPad是TI專門推出的一系列開發(fā)平臺，其特點(diǎn)是使用簡單：下載使用一體，無需額外硬件。與此同時(shí)，來自美國的工程師還向創(chuàng)客們演示直接在電路板上方加上“Booster Pack”外圍板（相當(dāng)于擴(kuò)展板），去完成不同外設(shè)的二次開發(fā)。有用過Launchpad開發(fā)辦的工程師評價(jià)到：將Arduino的程序移植到Launchpad上幾乎是一件非常簡單的事情，有時(shí)候甚至不需要任何的更改，只要對端口進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整即可。總體來說，Launchpad的性價(jià)比是非常高的，低功耗，低價(jià)格，性能也有保障，可以說是一個(gè)Arduino玩家的理想替代選擇。LaunchPad非常適合學(xué)習(xí)和低資源需求的應(yīng)用。

Galileo（伽利略）開發(fā)板 & Edison平臺：英特爾嵌入式事業(yè)部產(chǎn)品經(jīng)理王景佳指出，伽利略開發(fā)板是基于英特爾架構(gòu)全新兼容Arduino（接口、開發(fā)環(huán)境均可與Arduino兼容）的可開發(fā)電路板系列的首款產(chǎn)品。此次，Intel展位上來自北京高校的大學(xué)生們展示著基于伽利略開發(fā)板開發(fā)的各種硬件創(chuàng)作成果?；赒uark處理器的伽利略開發(fā)板在本次制匯節(jié)上可謂大賺眼球。如果說Arduino是創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)火索，那么Edison則是創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)的新里程。盡管本次沒有展出Edison實(shí)物，但創(chuàng)客們還是很期待Intel為大家?guī)砀囿@喜?！　∨c此同時(shí)，適合創(chuàng)客的其他高級平臺還包括： 基于Freescale i.MX6 SOLO （1GHz Cortex A9） RIoT Board， 基于Ti Sittara Cortex A8 BeagleBone Black， 基于Atmel Cortex A5 的SAMA5D3-Xplained等等，他們提供更強(qiáng)大的計(jì)算性能和更靈活的應(yīng)用能力。

無一例外，以上談及的開源硬件均是與Ardurino兼容的智能硬件平臺。事實(shí)上，從這里我們也能看到Ardurino在創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)中不可動(dòng)搖的地位。

事實(shí)上，創(chuàng)客們需要的是一個(gè)開放、分享的氛圍。誰能為他們營造這種氛圍，誰才能占據(jù)創(chuàng)客硬件市場的領(lǐng)導(dǎo)地位，Ardurino就做到了這一點(diǎn)。對于其他硬件平臺而言，打造一個(gè)“類Ardurino”經(jīng)營模式的生態(tài)系統(tǒng)是有很多問題亟待解決的，譬如，如何引起創(chuàng)客對新的軟硬件平臺的關(guān)注并選擇使用；如何完善軟硬件支持；創(chuàng)客們在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)作時(shí)是否能擁有跟Ardurino類似的開放、分享平臺等等。

不過有挑戰(zhàn)才有創(chuàng)新，這是值得贊頌的，因?yàn)檫@才是“創(chuàng)客精神”。對于創(chuàng)客們而言，越多開源硬件平臺，他們的選擇就越多，創(chuàng)客的群體才會(huì)日益壯大。創(chuàng)客文化的精髓——“開放”、“分享”，才會(huì)傳遍大江南北！創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)來襲，連接你我他，你準(zhǔn)備好了嗎？