隨著嵌入式行業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的系統的軟件開發的異同點。
● 1.單片機與ARM等新處理器的價格比較
● 2.帶操作系統與不帶操作系統的軟件開發的區別
● 2.1.驅動開發的區別
● 2.2.應用程序開發的區別
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
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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內部RAM
32個可編程IO引腳
兩個16bit的計數器
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內部RAM
32個可編程IO引腳
三個16bit的計數器
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
標準調試口(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，支持多種協議的實時編解碼
圖形處理單元
視音頻接口
以太網接口
DDR控制器
USB、UART、IrDA、
I2C、SPI、GPIO等多種外設接口
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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、內存還是比較小，一般不在上面運行操作系統，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控設備的芯片，一般上面運行Linux系統，通過攝像頭采集數據、編碼，然后通過網絡傳輸。另一端接收到數據之后，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、數據庫等等。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、更大的內存；多了內存管理單元(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，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！進行任何產品的開發都要考慮性價比，一切應該從“成本”出發。成本不僅包括芯片的價格，也包括整個系統的硬件、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//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一考慮的，如果要實現一個簡單的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，那么選型時就不會有操作系統的概念。選擇自己不熟悉的芯片和技術，后的成本也可能更高。
2. 帶操作系統與不帶操作系統的軟件開發的區別
用通俗的話來說，一個處理芯片不運行操作系統，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的程序，說得簡單點就是，這種程序可以通過統一的接口調用“別人寫好的代碼”，在“別人的基礎上”更快更方便地實現自己的功能。
2.1. 驅動開發的區別
驅動開發的區別我總結有兩點：能否借用、是否通用。
2.1.1 能否借用
基于操作系統的軟件資源非常豐富，你要寫一個Linux設備驅動時，首先在網上找找，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。而不帶操作系統的驅動開發，一開始就要深入了解設備手冊，從零開始為它構造運行環境，實現各種函數以供應用程序使用。
舉個例子，要驅動一塊LCD，在單片機上的做法是：
① 首先要了解LCD的規格，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
② 劃出一塊內存給LCD使用
③ 編寫一個函數，實現在指定坐標描點。比如根據x、y坐標在這塊內存里找到這個象素對應的小區域，填入數據。
基于操作系統時，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：
① 初始化：
void Tft_Lcd_Init(int type)
｛
/*
* 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
* 設置分辨率，即行數及列數
* 現在，可以根據公式計算出顯示器的頻率：
* 當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:
* 設置顯示模式為16BPP時的數據格式: 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)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);
/*
* 設置LCD控制器的地址寄存器LCDSADDR1~3
* 幀內存與視口(view point)完全吻合，
* 圖像數據格式如下：
* |----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: 幀緩沖區的結束地址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);
/* 禁止臨時調色板寄存器 */
TPAL = 0;
fb_base_addr = LCDFRAMEBUFFER;
bpp = 16;
xsize = 320;
ysize = 240;
｝
② 描點：
/*
* 畫點
* 輸入參數：
* 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(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。基于操作系統的驅動開發，既要懂得芯片的具體操作，也要理解操作系統的軟件結構。
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。
基于操作系統的驅動程序要遵循統一的接口，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據結構，在里面實現了各自的USB操作。
下面是S3C2410/S3C2440的USB驅動向上層提供的數據結構：
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驅動向上層提供的數據結構：
/*-------------------------------------------------------------------------*/
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 "leds" /* 加載模式后，執行”cat /proc/devices”命令看到的設備名稱 */
#define LED_MAJOR 231 /* 主設備號 */
/* 應用程序執行ioctl(fd, cmd, arg)時的第2個參數 */
#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執行open(...)時，
* 就會調用s3c24xx_leds_open函數
*/
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執行ioclt(...)時，
* 就會調用s3c24xx_leds_ioctl函數
*/
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，
* 終會調用這個結構中指定的對應函數
*/
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建的__this_module變量 */
.open = s3c24xx_leds_open,
.ioctl = s3c24xx_leds_ioctl,
};
/*
* 執行insmod命令時就會調用這個函數
*/
static int __init s3c24xx_leds_init(void)
{
int ret;
/* 注冊字符設備
* 參數為主設備號、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
* LED_MAJOR可以設為0，表示由內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\n");
return ret;
}
printk(DEVICE_NAME " initialized\n");
return 0;
}
/*
* 執行rmmod命令時就會調用這個函數
*/
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和卸載函數 */
module_init(s3c24xx_leds_init);
module_exit(s3c24xx_leds_exit);
2.2. 應用程序開發的區別
2.2.1 對于不帶操作系統的應用編程，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”的點陣數據，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
② 應用程序讀取這64bit數據，逐個象素地在LCD上描點
相對的，基于操作系統的應用編程，就不需要懂得硬件知識，執行一個簡單的“echo a > /dev/tty1”就可以在LCD上顯示“a”了。
2.2.2 不帶操作系統的應用程序，可借用的軟件資源很少；
帶操作系統的應用程序，網上各種開源的軟件很多。
比如要做一個播放器，在不帶操作系統上實現會非常困難；如果是在Linux下，有現成的。
2.2.3 不帶操作系統的應用程序，各個任務是串行執行的；
帶操作系統的應用程序，各個任務是并行執行的。
2.2.4 不帶操作系統的應用程序，一旦發生程序錯誤，整個系統將崩潰
帶操作系統的應用程序，即使發生了程序錯誤，操作系統本身并不會崩潰
