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(fù)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(shù)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(shè)計及維護的成本等各個方面給您提供一個參考， 并從技術(shù)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(qū)動開發(fā)的區(qū)別
● 2.2.應(yīng)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
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型號
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架構(gòu)
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資源
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價格(元)
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AT89S51
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8051
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高頻率33MHz
4KB Flash
128B內(nèi)部RAM
32個可編程IO引腳
兩個16bit的計數(shù)器
一個UART口
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4
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SST89E564RD
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8051
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高頻率40MHz
64KB Flash
1KB內(nèi)部RAM
32個可編程IO引腳
三個16bit的計數(shù)器
一個UART口
一個SPI接口
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35
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STM32F103
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CORTEX-M3
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高頻率72MHz
64KB或128BK Flash
20KB SRAM
80個可編程IO引腳
2個12bit的ADC
7通道DMA控制器
標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試口(SWD和JTAG)
7個定時器
USB接口
2個I2C接口
3個UART
2個SPI接口
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21
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HI3510
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ARM9+DSP雙核
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高工作頻率240MHz
視頻處理單元，支持多種協(xié)議的實時編解碼
圖形處理單元
視音頻接口
以太網(wǎng)接口
DDR控制器
USB、UART、IrDA、
I2C、SPI、GPIO等多種外設(shè)接口
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80
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S3C2440
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ARM9
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高工作頻率400MHz
SDRAM控制器
LCD控制器
4通道DMA控制器
3個UART
2個SPI
1個I2C接口
IIS音頻接口
SD HOST接口
2個USB接口
8個10bit ADC
攝像頭接口
Camera接口
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40
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從表1里面各種芯片的資源，大概就可以猜知它們的應(yīng)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(qū)動一些開關(guān)。AT89S51的Flash只有4K，一個稍微復(fù)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，可以外接多64KB的SRAM。在SST89E564RD上的程序可以寫得更復(fù)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(yīng)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(dǎo)體公司的一款用于監(jiān)控設(shè)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(luò)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(fù)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)。可以在S3C2440上運行Linux系統(tǒng)，運行更大更復(fù)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(yīng)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(shè)計及維護的難易。
芯片價格可以在電子市場問到，也可以在//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(yīng)用，處理器和其他外設(shè)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(jié)構(gòu)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(shù)，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(diào)用“別人寫好的代碼”，在“別人的基礎(chǔ)上”更快更方便地實現(xiàn)自己的功能。
2.1. 驅(qū)動開發(fā)的區(qū)別
驅(qū)動開發(fā)的區(qū)別我總結(jié)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(shè)備驅(qū)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(chǔ)上進行修改；如果實在沒有，就要研究設(shè)備手冊，從零寫起。而不帶操作系統(tǒng)的驅(qū)動開發(fā)，一開始就要深入了解設(shè)備手冊，從零開始為它構(gòu)造運行環(huán)境，實現(xiàn)各種函數(shù)以供應(yīng)用程序使用。
舉個例子，要驅(qū)動一塊LCD，在單片機上的做法是：
① 首先要了解LCD的規(guī)格，弄清楚怎么設(shè)置各個寄存器，比如設(shè)置LCD的時鐘、分辨率、象素
② 劃出一塊內(nèi)存給LCD使用
③ 編寫一個函數(shù)，實現(xiàn)在指定坐標(biāo)描點。比如根據(jù)x、y坐標(biāo)在這塊內(nèi)存里找到這個象素對應(yīng)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(qū)動，弄清楚驅(qū)動結(jié)構(gòu)，找到要修改的地方進行修改。
下面是單片機操作LCD的代碼：
① 初始化：
void Tft_Lcd_Init(int type)
｛
/*
* 設(shè)置LCD控制器的控制寄存器LCDCON1~5
* 1. LCDCON1:
* 設(shè)置VCLK的頻率：VCLK(Hz) = HCLK/[(CLKVAL+1)x2]
* 選擇LCD類型: TFT LCD
* 設(shè)置顯示模式: 16BPP
* 先禁止LCD信號輸出
* 2. LCDCON2/3/4:
* 設(shè)置控制信號的時間參數(shù)
* 設(shè)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(dāng)HCLK=100MHz時，
* Frame 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(shè)置顯示模式為16BPP時的數(shù)據(jù)格式: 5:6:5
* 設(shè)置HSYNC、VSYNC脈沖的極性(這需要參考具體LCD的接口信號): 反轉(zhuǎn)
* 半字(2字節(jié))交換使能
*/
LCDCON1 = (CLKVAL_TFT_320240<<8) | (LCDTYPE_TFT<<5) | \
(BPPMODE_16BPP<<1) | (ENVID_DISABLE<<0);
LCDCON2 = (VBPD_320240<<24) | (LINEVAL_TFT_320240<<14) | \
(VFPD_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) | \
(HWSWP<<0);
/*
* 設(shè)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(shè)置LCDBANK、LCDBASEU
* 2. LCDSADDR2:
* 設(shè)置LCDBASEL: 幀緩沖區(qū)的結(jié)束地址A[21:1]
* 3. LCDSADDR3:
* OFFSIZE等于0，PAGEWIDTH等于(240*2/2)
*/
LCDSADDR1 = ((LCDFRAMEBUFFER>>22)<<21) | LOWER21BITS(LCDFRAMEBUFFER>>1);
LCDSADDR2 = LOWER21BITS((LCDFRAMEBUFFER+ \
(LINEVAL_TFT_320240+1)*(HOZVAL_TFT_320240+1)*2)>>1);
LCDSADDR3 = (0<<11) | (LCD_XSIZE_TFT_320240*2/2);
/* 禁止臨時調(diào)色板寄存器 */
TPAL = 0;
fb_base_addr = LCDFRAMEBUFFER;
bpp = 16;
xsize = 320;
ysize = 240;
｝
② 描點：
/*
* 畫點
* 輸入?yún)?shù)：
* x、y : 象素坐標(biāo)
* color: 顏色值
* 對于16BPP: color的格式為0xAARRGGBB (AA = 透明度),
* 需要轉(zhuǎn)換為5:6:5格式
* 對于8BPP: color為調(diào)色板中的索引值，
* 其顏色取決于調(diào)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(qū)動里修改的地方(arch\arm\mach-s3c2440\mach-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_INVVFRAME |
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(qū)動程序就比單片機的驅(qū)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(xué)習(xí)的。基于操作系統(tǒng)的驅(qū)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(jié)構(gòu)。
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(qū)動程序，比如USB HOST驅(qū)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(qū)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(qū)動程序，但是接口絕對不一樣，客戶又得重新編寫應(yīng)用程序。
基于操作系統(tǒng)的驅(qū)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(qū)動，它們都要向上提供一個相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在里面實現(xiàn)了各自的USB操作。
下面是S3C2410/S3C2440的USB驅(qū)動向上層提供的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
static const struct hc_driver ohci_s3c2410_hc_driver = {
.description = hcd_name,
.product_desc = "S3C24XX OHCI",
.hcd_priv_size = sizeof(struct ohci_hcd),
/*
* generic hardware linkage
*/
.irq = ohci_irq,
.flags = HCD_USB11 | HCD_MEMORY,
/*
* basic lifecycle operations
*/
.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_frame_number = ohci_get_frame,
/*
* 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(qū)動向上層提供的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
/*-------------------------------------------------------------------------*/
static const struct hc_driver ohci_at91_hc_driver = {
.description = 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_frame_number = ohci_get_frame,
/*
* 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(qū)動，簡單到只是點亮一個LED，基于“通用性”，這個驅(qū)動也要向上提供統(tǒng)一的接口。下面是單片機LED驅(qū)動程序和Linux下的LED驅(qū)動程序的部分代碼。
單片機LED驅(qū)動程序：
void led_init(void)
{
GPBCON = GPB5_out; // 將LED對應(yīng)的GPB5引腳設(shè)為輸出
}
void led_on(void)
{
GPBDAT &= ~(1<<5);
}
void led_off(void)
{
GPBDAT |= (1<<5);
}
Linux的LED驅(qū)動程序：
#define DEVICE_NAME "leds" /* 加載模式后，執(zhí)行”cat /proc/devices”命令看到的設(shè)備名稱 */
#define LED_MAJOR 231 /* 主設(shè)備號 */
/* 應(yīng)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(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件/dev/leds執(zhí)行open(...)時，
* 就會調(diào)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(shè)置GPIO引腳的功能：本驅(qū)動中LED所涉及的GPIO引腳設(shè)為輸出功能
s3c2410_gpio_cfgpin(led_table[i], led_cfg_table[i]);
}
return 0;
}
/* 應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件/dev/leds執(zhí)行ioclt(...)時，
* 就會調(diào)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)是字符設(shè)備驅(qū)動程序的核心
* 當(dāng)應(yīng)用程序操作設(shè)備文件時所調(diào)用的open、read、write等函數(shù)，
* 終會調(diào)用這個結(jié)構(gòu)中指定的對應(yīng)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(diào)用這個函數(shù)
*/
static int __init s3c24xx_leds_init(void)
{
int ret;
/* 注冊字符設(shè)備
* 參數(shù)為主設(shè)備號、設(shè)備名字、file_operations結(jié)構(gòu)；
* 這樣，主設(shè)備號就和具體的file_operations結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來了，
* 操作主設(shè)備為LED_MAJOR的設(shè)備文件時，就會調(diào)用s3c24xx_leds_fops中的相關(guān)成員函數(shù)
* LED_MAJOR可以設(shè)為0，表示由內(nèi)核自動分配主設(shè)備號
*/
ret = register_chrdev(LED_MAJOR, DEVICE_NAME, &s3c24xx_leds_fops);
if (ret < 0) {
printk(DEVICE_NAME " can't register major number\n");
return ret;
}
printk(DEVICE_NAME " initialized\n");
return 0;
}
/*
* 執(zhí)行rmmod命令時就會調(diào)用這個函數(shù)
*/
static void __exit s3c24xx_leds_exit(void)
{
/* 卸載驅(qū)動程序 */
unregister_chrdev(LED_MAJOR, DEVICE_NAME);
}
/* 這兩行指定驅(qū)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(yīng)用程序開發(fā)的區(qū)別
2.2.1 對于不帶操作系統(tǒng)的應(yīng)用編程，應(yīng)用程序和驅(qū)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(shè)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)
② 應(yīng)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(yīng)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(yīng)用程序，可借用的軟件資源很少；
帶操作系統(tǒng)的應(yīng)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(yīng)用程序，各個任務(wù)是串行執(zhí)行的；
帶操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序，各個任務(wù)是并行執(zhí)行的。
2.2.4 不帶操作系統(tǒng)的應(yīng)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(yīng)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
