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隨著嵌入式行業(yè)硬件平臺的性能增強，項目需求和功能日益復雜，ARM公司推出的 CORTEX-M3，更是讓以往做單片機的工程師在芯片和技術選型面臨兩難選擇，本專題將從芯片價格、整個系統(tǒng)的硬件軟件設計及維護的成本等各個方面給您提供一個參考， 并從技術角度分析單片機和帶操作系統(tǒng)的系統(tǒng)的軟件開發(fā)的異同點。
● 1.單片機與ARM等新處理器的價格比較
● 2.帶操作系統(tǒng)與不帶操作系統(tǒng)的軟件開發(fā)的區(qū)別
● 2.1.驅動開發(fā)的區(qū)別
● 2.2.應用程序開發(fā)的區(qū)別
1. 單片機與ARM等新處理器的價格比較
表1
從表1里面各種芯片的資源，大概就可以猜知它們的應用場合。51單片機通常被用來做一些比較簡單的控制，比如采集信號、驅動一些開關。AT89S51的Flash只有4K，一個稍微復雜的程序就不止4K了。SST89E564RD是一種擴展的51單片機，它的Flash達到64KB，可以外接最多64KB的SRAM。在SST89E564RD上的程序可以寫得更復雜一些，但是它對外的接口也比較少。
CORTEX-M3系列的處理器，對外接口極其豐富，這使得它的應用面更廣，但是限于它的Flash、內(nèi)存還是比較小，一般不在上面運行操作系統(tǒng)，它算是一個性能非常突出的單片機。
HI3510是海思半導體公司的一款用于監(jiān)控設備的芯片，一般上面運行Linux系統(tǒng)，通過攝像頭采集數(shù)據(jù)、編碼，然后通過網(wǎng)絡傳輸。另一端接收到數(shù)據(jù)之后，再解碼。在上面運行的程序非常復雜，有漂亮的圖片界面、觸摸屏控制、數(shù)據(jù)庫等等。對聲音圖像的編解碼更是用到DSP核。
S3C2440是一款通用的芯片，它與“高級單片機”STM32F103相比，多了存儲控制器和NAND控制器──這使得可以外接更大的Flash、更大的內(nèi)存；多了內(nèi)存管理單元（MMU）──這使得它可以進行地址映身（虛擬地址、物理地址之間的映射）?？梢栽赟3C2440上運行Linux系統(tǒng)，運行更大更復雜的程序。
在具體工作中，怎么選擇這些芯片呢？一句話：成本！進行任何產(chǎn)品的開發(fā)都要考慮性價比，一切應該從“成本”出發(fā)。成本不僅包括芯片的價格，也包括整個系統(tǒng)的硬件、軟件設計及維護的難易。
芯片價格可以在電子市場問到，也可以在http://www.ic.net.cn上找到有賣這種芯片的柜臺，然后電話咨詢。
基于不同的應用，處理器和其他外設的選擇是要統(tǒng)一考慮的，如果要實現(xiàn)一個簡單的U盤讀寫功能，那么可以選擇帶USB控制器的CORTEX-M3芯片，也可以選擇8051外接一個USB控制器比如SL811，就看哪種方案成本更低。進行芯片選型時，必須基于整個系統(tǒng)來考慮。
員工的偏好和知識結構也是一個很重要的因素，如果他對ATMEL的芯片比較熟，他就不會傾向于三星；如果他不會Linux等操作系統(tǒng)，那么選型時就不會有操作系統(tǒng)的概念。選擇自己不熟悉的芯片和技術，最后的成本也可能更高。
2. 帶操作系統(tǒng)與不帶操作系統(tǒng)的軟件開發(fā)的區(qū)別
用通俗的話來說，一個處理芯片不運行操作系統(tǒng)，我們就把它稱為單片機，而單片機編程就是寫裸板程序，這個程序直接在板子上運行；相對的，另一種程序就是基于操作系統(tǒng)的程序，說得簡單點就是，這種程序可以通過統(tǒng)一的接口調用“別人寫好的代碼”，在“別人的基礎上”更快更方便地實現(xiàn)自己的功能。
2.1. 驅動開發(fā)的區(qū)別
驅動開發(fā)的區(qū)別我總結有兩點：能否借用、是否通用。
2.1.1 能否借用
基于操作系統(tǒng)的軟件資源非常豐富，你要寫一個Linux設備驅動時，首先在網(wǎng)上找找，如果有直接拿來用；其次是找到類似的，在它的基礎上進行修改；如果實在沒有，就要研究設備手冊，從零寫起。而不帶操作系統(tǒng)的驅動開發(fā)，一開始就要深入了解設備手冊，從零開始為它構造運行環(huán)境，實現(xiàn)各種函數(shù)以供應用程序使用。
舉個例子，要驅動一塊LCD，在單片機上的做法是：
?、?首先要了解LCD的規(guī)格，弄清楚怎么設置各個寄存器，比如設置LCD的時鐘、分辨率、象素
?、?劃出一塊內(nèi)存給LCD使用
?、?編寫一個函數(shù)，實現(xiàn)在指定坐標描點。比如根據(jù)x、y坐標在這塊內(nèi)存里找到這個象素對應的小區(qū)域，填入數(shù)據(jù)。
基于操作系統(tǒng)時，我們首先是找到類似的驅動，弄清楚驅動結構，找到要修改的地方進行修改。
下面是單片機操作LCD的代碼：
?、?初始化：
void Tft_Lcd_Init（int type）
?。?/p>
/*
* 設置LCD控制器的控制寄存器LCDCON1~5
* 1. LCDCON1：
* 設置VCLK的頻率：VCLK（Hz） = HCLK/［（CLKVAL+1）x2］
* 選擇LCD類型： TFT LCD
* 設置顯示模式： 16BPP
* 先禁止LCD信號輸出
* 2. LCDCON2/3/4：
* 設置控制信號的時間參數(shù)
* 設置分辨率，即行數(shù)及列數(shù)
* 現(xiàn)在，可以根據(jù)公式計算出顯示器的頻率：
* 當HCLK=100MHz時，
* Rate = 1/［{（VSPW+1）+（VBPD+1）+（LIINEVAL+1）+（VFPD+1）}x
* {（HSPW+1）+（HBPD+1）+（HFPD+1）+（HOZVAL+1）}x
* {2x（CLKVAL+1）/（HCLK）}］
* = 60Hz
* 3. LCDCON5：
* 設置顯示模式為16BPP時的數(shù)據(jù)格式： 5:6：5
* 設置HSYNC、VSYNC脈沖的極性（這需要參考具體LCD的接口信號）： 反轉
* 半字（2字節(jié)）交換使能
*/
LCDCON1 = （CLKVAL_TFT_320240《《8） | （LCDTYPE_TFT《《5） |
?。˙PPMODE_16BPP《《1） | （ENVID_DISABLE《《0）;
LCDCON2 = （VBPD_320240《《24） | （LINEVAL_TFT_320240《《14） |
?。╒FPD_320240《《6） | （VSPW_320240）;
LCDCON3 = （HBPD_320240《《19） | （HOZVAL_TFT_320240《《8） | （HFPD_320240）;
LCDCON4 = HSPW_320240;
// LCDCON5 = （FORMAT8BPP_565《《11） | （HSYNC_INV《《9） | （VSYNC_INV《《8） |
// （HWSWP《《1）;
LCDCON5 = （FORMAT8BPP_565《《11） | （HSYNC_INV《《9） | （VSYNC_INV《《8） | （VDEN_INV 《《 6） |
?。℉WSWP《《0）;
/*
* 設置LCD控制器的地址寄存器LCDSADDR1~3
* 幀內(nèi)存與視口（view point）完全吻合，
* 圖像數(shù)據(jù)格式如下：
* |----PAGEWIDTH----|
* y/x 0 1 2 239
* 0 rgb rgb rgb 。。。 rgb
* 1 rgb rgb rgb 。。。 rgb
* 1. LCDSADDR1：
* 設置LCDBANK、LCDBASEU
* 2. LCDSADDR2：
* 設置LCDBASEL： 幀緩沖區(qū)的結束地址A［21:1］
* 3. LCDSADDR3：
* OFFSIZE等于0，PAGEWIDTH等于（240*2/2）
*/
LCDSADDR1 = （（LCDBUFFER》》22）《《21） | LOWER21BITS（LCDBUFFER》》1）;
LCDSADDR2 = LOWER21BITS（（LCDBUFFER+
（LINEVAL_TFT_320240+1）*（HOZVAL_TFT_320240+1）*2）》》1）;
LCDSADDR3 = （0《《11） | （LCD_XSIZE_TFT_320240*2/2）;
/* 禁止臨時調色板寄存器 */
TPAL = 0;
fb_base_addr = LCDBUFFER;
bpp = 16;
xsize = 320;
ysize = 240;
?。?/p>
?、?描點：
/*
* 畫點
* 輸入?yún)?shù)：
* x、y ： 象素坐標
* color： 顏色值
* 對于16BPP： color的格式為0xAARRGGBB （AA = 透明度），
* 需要轉換為5:6：5格式
* 對于8BPP： color為調色板中的索引值，
* 其顏色取決于調色板中的數(shù)值
*/
void PutPixel（UINT32 x， UINT32 y， UINT32 color）
{
UINT8 red，green，blue;
switch （bpp）{
case 16：
{
UINT16 *addr = （UINT16 *）fb_base_addr + （y * xsize + x）;
red = （color 》》 19） & 0x1f;
green = （color 》》 10） & 0x3f;
blue = （color 》》 3） & 0x1f;
color = （red 《《 11） | （green 《《 5） | blue; // 格式5:6：5
*addr = （UINT16） color;
break;
}
case 8：
{
UINT8 *addr = （UINT8 *）fb_base_addr + （y * xsize + x）;
*addr = （UINT8） color;
break;
}
default：
break;
}
}
下面是在Linux的LCD驅動里修改的地方（archarmmach-s3c2440mach-smdk2440.c）：
/* 320x240 */
static struct s3c2410fb_mach_info smdk2440_lcd_cfg __initdata = {
.regs = {
.lcdcon1 = S3C2410_LCDCON1_TFT16BPP |
S3C2410_LCDCON1_TFT |
S3C2410_LCDCON1_CLKVAL（0x04），
.lcdcon2 = S3C2410_LCDCON2_VBPD（1） |
S3C2410_LCDCON2_LINEVAL（239） |
S3C2410_LCDCON2_VFPD（5） |
S3C2410_LCDCON2_VSPW（1），
.lcdcon3 = S3C2410_LCDCON3_HBPD（36） |
S3C2410_LCDCON3_HOZVAL（319） |
S3C2410_LCDCON3_HFPD（19），
.lcdcon4 = S3C2410_LCDCON4_MVAL（13） |
S3C2410_LCDCON4_HSPW（5），
.lcdcon5 = S3C2410_LCDCON5_FRM565 |
S3C2410_LCDCON5_INVVLINE |
S3C2410_LCDCON5_INVV |
S3C2410_LCDCON5_INVVDEN |
S3C2410_LCDCON5_PWREN |
S3C2410_LCDCON5_HWSWP，
}，
.gpccon = 0xaaaa56aa，
.gpccon_mask = 0xffffffff，
.gpcup = 0xffffffff，
.gpcup_mask = 0xffffffff，
.gpdcon = 0xaaaaaaaa，
.gpdcon_mask = 0xffffffff，
.gpdup = 0xffffffff，
.gpdup_mask = 0xffffffff，
.fixed_syncs = 1，
.type = S3C2410_LCDCON1_TFT，
.width = 320，
.height = 240，
.xres = {
.min = 320，
.max = 320，
.defval = 320，
}，
.yres = {
.max = 240，
.min = 240，
.defval = 240，
}，
.bpp = {
.min = 16，
.max = 16，
.defval = 16，
}，
};
這并不表示代碼Linux的驅動程序就比單片機的驅動程序好寫，怎么在幾萬個文件中找到要修改的代碼，這也是需要艱苦的學習的。基于操作系統(tǒng)的驅動開發(fā)，既要懂得芯片的具體操作，也要理解操作系統(tǒng)的軟件結構。
2.1.2 是否通用
有些單片機廠家也給客戶提供了大量的驅動程序，比如USB HOST驅動程序，這可以讓客戶很容易就可以在它的上面編寫程序讀寫U盤。但是客戶寫的這些程序，只能在這種芯片、這個驅動程序上使用；更換另一種芯片后，即使芯片公司也提供了驅動程序，但是接口絕對不一樣，客戶又得重新編寫應用程序。
基于操作系統(tǒng)的驅動程序要遵循統(tǒng)一的接口，比如對于不同的芯片的USB HOST驅動，它們都要向上提供一個相同的數(shù)據(jù)結構，在里面實現(xiàn)了各自的USB操作。
下面是S3C2410/S3C2440的USB驅動向上層提供的數(shù)據(jù)結構：
static const struct hc_driver ohci_s3c2410_hc_driver = {
.deion = hcd_name，
.product_desc = “S3C24XX OHCI”，
.hcd_priv_size = sizeof（struct ohci_hcd），
/*
* generic hardware linkage
*/
.irq = ohci_irq，
.flags = HCD_USB11 | HCD_MEMORY，
/*
*/
.start = ohci_s3c2410_start，
.stop = ohci_stop，
.shutdown = ohci_shutdown，
/*
* managing i/o requests and associated device resources
*/
.urb_enqueue = ohci_urb_enqueue，
.urb_dequeue = ohci_urb_dequeue，
.endpoint_disable = ohci_endpoint_disable，
/*
* scheduling support
*/
.get__number = ohci_get_，
/*
* root hub support
*/
.hub_status_data = ohci_s3c2410_hub_status_data，
.hub_control = ohci_s3c2410_hub_control，
.hub_irq_enable = ohci_rhsc_enable，
#ifdef CONFIG_PM
.bus_suspend = ohci_bus_suspend，
.bus_resume = ohci_bus_resume，
#endif
.start_port_reset = ohci_start_port_reset，
};
下面是ATMEL公司的ARM芯片的USB驅動向上層提供的數(shù)據(jù)結構：
/*-------------------------------------------------------------------------*/
static const struct hc_driver ohci_at91_hc_driver = {
.deion = hcd_name，
.product_desc = “AT91 OHCI”，
.hcd_priv_size = sizeof（struct ohci_hcd），
/*
* generic hardware linkage
*/
.irq = ohci_irq，
.flags = HCD_USB11 | HCD_MEMORY，
/*
* basic lifecycle operations
*/
.start = ohci_at91_start，
.stop = ohci_stop，
.shutdown = ohci_shutdown，
/*
* managing i/o requests and associated device resources
*/
.urb_enqueue = ohci_urb_enqueue，
.urb_dequeue = ohci_urb_dequeue，
.endpoint_disable = ohci_endpoint_disable，
/*
* scheduling support
*/
.get__number = ohci_get_，
/*
* root hub support
*/
.hub_status_data = ohci_hub_status_data，
.hub_control = ohci_hub_control，
.hub_irq_enable = ohci_rhsc_enable，
#ifdef CONFIG_PM
.bus_suspend = ohci_bus_suspend，
.bus_resume = ohci_bus_resume，
#endif
.start_port_reset = ohci_start_port_reset，
};
基于通用性，即使是你自己寫的Linux驅動，簡單到只是點亮一個LED，基于“通用性”，這個驅動也要向上提供統(tǒng)一的接口。下面是單片機LED驅動程序和Linux下的LED驅動程序的部分代碼。
單片機LED驅動程序：
void led_init（void）
{
GPBCON = GPB5_out; // 將LED對應的GPB5引腳設為輸出
}
void led_on（void）
{
GPBDAT &= ~（1《《5）;
}
void led_off（void）
{
GPBDAT |= （1《《5）;
}
Linux的LED驅動程序：
#define DEVICE_NAME “l(fā)eds” /* 加載模式后，執(zhí)行”cat /proc/devices”命令看到的設備名稱 */
#define LED_MAJOR 231 /* 主設備號 */
/* 應用程序執(zhí)行ioctl（fd， cmd， arg）時的第2個參數(shù) */
#define IOCTL_LED_ON 0
#define IOCTL_LED_OFF 1
/* 用來指定LED所用的GPIO引腳 */
static unsigned long led_table ［］ = {
S3C2410_GPB5，
S3C2410_GPB6，
S3C2410_GPB7，
S3C2410_GPB8，
};
/* 用來指定GPIO引腳的功能：輸出 */
static unsigned int led_cfg_table ［］ = {
S3C2410_GPB5_OUTP，
S3C2410_GPB6_OUTP，
S3C2410_GPB7_OUTP，
S3C2410_GPB8_OUTP，
};
/* 應用程序對設備文件/dev/leds執(zhí)行open（。。。）時，
* 就會調用s3c24xx_leds_open函數(shù)
*/
static int s3c24xx_leds_open（struct inode *inode， struct file *file）
{
int i;
for （i = 0; i 《 4; i++） {
// 設置GPIO引腳的功能：本驅動中LED所涉及的GPIO引腳設為輸出功能
s3c2410_gpio_cfgpin（led_table［i］， led_cfg_table［i］）;
}
return 0;
}
/* 應用程序對設備文件/dev/leds執(zhí)行ioclt（。。。）時，
* 就會調用s3c24xx_leds_ioctl函數(shù)
*/
static int s3c24xx_leds_ioctl（
struct inode *inode，
struct file *file，
unsigned int cmd，
unsigned long arg）
{
if （arg 》 4） {
return -EINVAL;
}
switch（cmd） {
case IOCTL_LED_ON：
// 設置指定引腳的輸出電平為0
s3c2410_gpio_setpin（led_table［arg］， 0）;
return 0;
case IOCTL_LED_OFF：
// 設置指定引腳的輸出電平為1
s3c2410_gpio_setpin（led_table［arg］， 1）;
return 0;
default：
return -EINVAL;
}
}
/* 這個結構是字符設備驅動程序的核心
* 當應用程序操作設備文件時所調用的open、read、write等函數(shù)，
* 最終會調用這個結構中指定的對應函數(shù)
*/
static struct file_operations s3c24xx_leds_fops = {
.owner = THIS_MODULE， /* 這是一個宏，推向編譯模塊時自動創(chuàng)建的__this_module變量 */
.open = s3c24xx_leds_open，
.ioctl = s3c24xx_leds_ioctl，
};
/*
* 執(zhí)行insmod命令時就會調用這個函數(shù)
*/
static int __init s3c24xx_leds_init（void）
{
int ret;
/* 注冊字符設備
* 參數(shù)為主設備號、設備名字、file_operations結構；
* 這樣，主設備號就和具體的file_operations結構聯(lián)系起來了，
* 操作主設備為LED_MAJOR的設備文件時，就會調用s3c24xx_leds_fops中的相關成員函數(shù)
* LED_MAJOR可以設為0，表示由內(nèi)核自動分配主設備號
*/
ret = register_chrdev（LED_MAJOR， DEVICE_NAME， &s3c24xx_leds_fops）;
if （ret 《 0） {
printk（DEVICE_NAME “ can‘’‘’t register major number ”）;
return ret;
}
printk（DEVICE_NAME “ initialized ”）;
return 0;
}
/*
* 執(zhí)行rmmod命令時就會調用這個函數(shù)
*/
static void __exit s3c24xx_leds_exit（void）
{
/* 卸載驅動程序 */
unregister_chrdev（LED_MAJOR， DEVICE_NAME）;
}
/* 這兩行指定驅動程序的初始化函數(shù)和卸載函數(shù) */
module_init（s3c24xx_leds_init）;
module_exit（s3c24xx_leds_exit）;
2.2. 應用程序開發(fā)的區(qū)別
2.2.1 對于不帶操作系統(tǒng)的應用編程，應用程序和驅動程序之間的間隔并不明顯。
舉個例子，要在LCD上顯示字母“a”，在單片機上的做法是：
① 事先在Flash上保存“a”的點陣數(shù)據(jù)，假設它的象素大小是8x8，那么這個點陣大小就是8x8=64 bits，即8字節(jié)
?、?應用程序讀取這64bit數(shù)據(jù)，逐個象素地在LCD上描點
相對的，基于操作系統(tǒng)的應用編程，就不需要懂得硬件知識，執(zhí)行一個簡單的“echo a 》 /dev/tty1”就可以在LCD上顯示“a”了。
2.2.2 不帶操作系統(tǒng)的應用程序，可借用的軟件資源很少；
帶操作系統(tǒng)的應用程序，網(wǎng)上各種開源的軟件很多。
比如要做一個播放器，在不帶操作系統(tǒng)上實現(xiàn)會非常困難；如果是在Linux下，有現(xiàn)成的。
2.2.3 不帶操作系統(tǒng)的應用程序，各個任務是串行執(zhí)行的；
帶操作系統(tǒng)的應用程序，各個任務是并行執(zhí)行的。
2.2.4 不帶操作系統(tǒng)的應用程序，一旦發(fā)生程序錯誤，整個系統(tǒng)將崩潰
帶操作系統(tǒng)的應用程序，即使發(fā)生了程序錯誤，操作系統(tǒng)本身并不會崩潰
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