第001课不要再用老方法学习单片机和ARM

韦东山

发布于 2020-09-30 10:40:08

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发布于 2020-09-30 10:40:08

文章被收录于专栏：韦东山嵌入式韦东山嵌入式

原文地址： http://wiki.100ask.org

单片机程序员发展的必选之路: Linux

我们的第一期是教大家如何将ARM开发板当作单片机来用，但在这期视频的第一节，我告诉你们，学习单片机是没有前途的。

话说得非常狠，因为不这样说，没法警醒你们。我说这句话，是冒着生命危险的，因为很多人依靠单片机来生活，淘宝上有一大堆售卖单片机开发板的，像51、STM32等。

工资方面

我们学习这些不就是为了赚钱吗？在51job上，搜索“单片机”，工资平均下来是几千块钱。然后搜搜“Linux系统工程师”，平均工资是上万左右。

职业发展

这里我有切实的体会，我2003年毕业，2005年进入一个小公司，当时做的是车载电话，我们先是用51单片机来做的。当时我的李姓同事，用两个3000多行的C文件，实现了车载电话的功能。另一个魏姓同事，将功能拆分成各种模块，使用了50多个C文件，以操作系统的思想，重新写了这个程序。这两个牛人，都跳槽了，都不做单片机了。李姓同事去了美国，深造了机器人视觉，现在是百度的搜索专家，魏姓同事和我一起去了中兴，现在在厦门联想公司负责手机的开发，而我给你们录视频，但我们都不玩单片机了。我在2005发表了一个2440开发板上仿照ucos写了一个操作系统，10年前，我们已经把单片机玩得登峰造极了。但是我们还需要升级，为什么？因为单片机非常简单，稍微认真学习2-3个月就可以达到中等的水平，你工作十年和工作两年技能差别不大，对一个公司，现实一点，他肯定喜欢使用工资更低还更愿意加班的新人，所以说，我们必须升级。

应用方面

在嵌入式领域，单片机位于哪个位置。我们看看一个自动化的机床，在这条生产线上面，比如说在这传输带上，会有一些单片机来检测物品传输的位置，触发某些信号。但其总控肯定运行操作系统，以处理更加复杂的事情。

再看看Google的机器人，他的手臂、脚趾，也许有些单片机来控制其动作，但他的核心大脑，肯定运行操作系统，才能处理各种复杂的事情。也就是说，在一个复杂的系统，操作系统是大脑，单片机是可以实现手指的功能。那么你想去做大脑还是想去做手指？

并且单片机的产品升级换代比较慢，一个产品使用单片机的话，他追求的是稳定与成本，那显然，日常的工作的活少，并且也不需要你有太新的技能，既然如此，公司干嘛要花2~3万来请人做单片机，直接花几千元请个新人不就完了吗？

并且单片机的价格优势正在逐渐消失，我们在淘宝搜索一下，STM32开发板的基本都是1-200元，而一个能够运行Linux系统的板子，nanopi的价格却在100元左右。一个能够运行Linux操作系统，有512M DDR内存，有四核处理的的ARM开发板，他只需要99元。所以说，现在单片机的价格优势正逐渐消失，他只能保持微弱的优势就是稳定性这一特点。

下面来看看使用的单片机和使用操作系统开发的产品，比如闹钟、自动售货机就是单片机做的。但自动售卖机，他一旦需要连接网络，需要WiFi，他很可能就需要操作系统。现在的新型自动售卖机，上面有微信支付，就必须要操作系统。像无人机，既用单片机也用Linux操作系统。单片机可以更加及时的处理一些信息。看这些产品，你更想做哪些产品?

技术方面

我们的操作系统Linux，他需要一个Bootloader，这个Bootloader就是一个单片机裸板程序的大全，只要掌握了Linux的Bootloader，对单片机是轻而易举。在后面视频，我会讲解这点。所以说，我告诉你们，学单片机没前途了。

当然我说的是一般情况，你说特例我就完蛋了，周立功做单片机的，年收入几亿，这没办法说。注意，我说的是学习，在学习上，你不需要用单片机来学习，但是在工作中，我们设计产品的时候，如果单片机的性能更好，我们就要选择单片机。就比如说小米的智能插座，他就是使用单片机来做的，如果同一个功能，用单片机可以省成本，我干嘛不用单片机呢？卖出几百万台设备，每一个省一毛钱，就可以省几十万。我只告诉你，在技术方面，一旦我们掌握了Linux的bootloader,反过来，对单片机来说，他是小菜一碟。

为了嵌入式Linux, 换个两全的方法学习单片机

为什么没前途也要学习单片机？

因为它是个很好的入口。

单片机的学习可以让我们抛开复杂的软件结构，先掌握硬件操作，如：看原理图、芯片手册、写程序操作寄存器等。在上一节视频里，我刚把单片机贬得一无是处，说单片机没前途了，这节视频，我又要告诉你们，没有前途，也要学习单片机。为什么？

首先，我说不用学习单片机，是指不要使用老一套得学习方法学习单片机。什么叫老一套的方法？

硬件上：不要使用C51、STM32这些专用的单片机开发板。如果以后，你不打算从事单片机开发，你用这些芯片干嘛，研究了两三个月，把这些寄存器都用清楚了，你又用不上，没必要啊。
软件上：不要使用Keil、MDK等集成度太高的软件。你用这些软件，你写个main()就可以了，然后调用各种库，进行傻瓜式操作。这些好用的工具，封装了很多技术细节，使得我们没法了解裸机、单片机的本质。

以后我们会使用新一套的方法来进行单片机的开发。新一套的方法，我们后面再介绍。

我们之所以还要学习单片机，是因为他里面的知识，对我们后续学习Linux还是有用的。我们首先来看看，一个Linux系统是怎么一回事。一个嵌入式Linux系统的软件组成： 单片机大全Bootloader–>Linux驱动–>Linux APP–>Linux GUI(Android/QT) 我们PC机一上电的时候，黑色屏幕上会显示BIOS，这个BIOS目的是去启动Windows内核。Windows内核再挂载C盘(系统盘)、D盘(应用盘)，最后再去启动应用程序，像QQ、网游等。同样的道理，我们的Android手机或者工控设备，也有BIOS，但嵌入式Linux系统里面不叫BIOS，叫Bootloader，他的目的是去启动Linux内核。他首先也是识别应用程序所在的存储设备，挂载根文件系统（在Windows系统里面的C盘、D盘，在Linux里面称为根文件系统)。最后去启动应用程序。

仔细的分析下Bootloader，他去启动内核，他去哪里启动内核呢？显然是去某个地方读出内核，就比如说BIOS是去C盘上读出Windows内核，我们的Bootloader是去Flash或者SD卡读取内核。因此Bootloader要拥有读取Flash或者SD卡的能力。有些Bootloader还要显示logo，因此还要具有操作LCD的能力。Bootloader还要设置开发板的环境，比如，初始化时钟、初始化内存、还要设置网卡等。这么多事情，都是在Bootloader里面实现的，太复杂了，如果你一来就分析整个Bootloader是非常困难的。

那我们怎么学习呢？把他拆开，写出单独的程序，比如：LED点灯、时钟、网卡、Flash都单独写个程序来练习，这些不就是单片机程序吗？所以说，Bootloader是单片机程序的大全。我们为了更好的学习Bootloader，我们应该事先一个一个练习硬件，当我们熟悉每个硬件后，再组合起来，就是一个Bootloader。

我们再来看看Bootloader启动内核之后，内核再去挂载根文件系统，意味着内核也要有操作硬件的能力，这就是驱动程序。我们首先来看看一个简单的驱动程序是什么样子。首先我们的应用程序是调用open()、read()、write()这些标准的接口去访问硬件。那么就进入驱动程序里面，驱动程序里面有对应的drive_open()、drive_read()、drive_write()。最后在驱动程序里面，去配置硬件。这里以如果是一个LED点灯驱动，那么drive_open()要把GPIO设置为输出引脚，drive_read()，返回GPIO状态，driver_write()则写GPIO，让引脚输出高电平或者低电平。

对于我们的LED驱动程序，你需要提供drive_open()、drive_read()、drive_write()这些接口，这就是他的框架。具体的怎么操作硬件，就是硬件操作。所以说，我们事先在单片机里面，熟悉熟练的掌握硬件操作。即驱动程序的组成：

驱动程序=软件框架+硬件操作

你需要学会看原理图、看硬件怎么连接、看芯片手册、知道怎么读写寄存器。这一切都可以先在单片机里面学习，去掌握。以后学习Linux驱动时，把重点放在软件框架就行了。

我们可以事先学习单片机，单片机的学习可以让我们先抛开复杂的软件结构，先掌握硬件的操作，如：看原理图、芯片手册、写程序操作寄存器等。这就是为什么单片机没有前途，我们也要学习。是因为他里面涉及的硬件操作，对我们后续的学习，非常有用处。

现在我们知道了，我们学习单片机，不是为了掌握单片机的开发技能，而是为了掌握Bootloader，掌握硬件操作。

单片机和Linux都想学_换个两全的方法学习单片机

本节教你如何学习单片机，如何选择合适的开发板和开发工具。

现在我们知道单片机是要学习的，那么怎么去学习单片机？在上一课我们说不要使用老一套的方法学习，实际上是指的两个问题。

第一：选择什么开发板；

第二：使用什么开发工具；

我们学习单片机的目的是干嘛？目的是为后续嵌入式Linux学习服务。在这条学习线路上:

单片机->bootloader->Linux系统/驱动->APP（QT） 可以使用同一套开发板。

我们选择开发板的原则是：资料丰富。

开发板首推三星 (SAMSUNG)系列的，资料最开放， * 有S3C2440、S3C6410、S5PV210、Exynos4412； * 然后是德州仪器 (TI)的，TI开始不开放资料，现在逐渐公开了，有AM437X、AM335X； * 然后是飞思卡尔(freescale)，有iMX6； * 还有其它国产芯片：全志、瑞芯微；

我们用百度进行搜索，看哪个资料最丰富。结果如下：

再在搜索关键词中加入“教程”后，S3C2440的搜索结果比AM335X更多，因此S3C2440的资料仍是最多的，TI的营销更好，当然，TI作为工控板，其用户也是很多的。

所以，从教程的丰富程度来看，S3C2440为首选开发板；

我们后面会考虑使用TI的芯片重新录制一套视频，但需要2-3年的功夫，所以，现在还是使用S3C2440吧。

现在普遍有个错误观点：S3C2440过时了，它还是ARM9内核，现在Cortex-A7、 Cortex-A8、 Cortex-A9、 Cortex-A15都出来了，它的性能太差了。性能差没错，但它是否过时了呢？

那要看学到的知识是否过时。

我们首先来看看一个芯片是怎么组成的，里面有CPU、外设串口、I2C、SPI、LCD等。

我们写程序的时候，是去操作这些模块的寄存器，访问这些模块，并不是去操作CPU。等你工作的时候，你使用不同的芯片，那么差别在于这些模块，这些硬件的操作，差别不在CPU操作，你写程序的时候，根本不涉及CPU的内部机制。

**不同芯片的差别：在于外设操作，不在于CPU，写程序几乎不涉及CPU，只有涉及中断时，才会跟CPU的机制有点关系，但是不同CPU的架构差异很小，并且我们后面开发Linux驱动时，内核已经帮我们做好了这些处理，根本不需要去关心。**

从上一课我们知道，驱动=软件框架+硬件操作。这个软件框架对于所有的芯片都是一样的，因为都是用Linux内核。而这个硬件操作，你在2440上掌握了串口操作，I2C操作、SPI操作，掌握了这些硬件的语言，你换一种芯片，是完全类似的。

我假设你选择了2440开发板，那么怎么使用2440开发板来学习单片机的开发呢？又使用什么开发工具呢？以前在Windows开发的时候，我们使用ADS、Keil、MDK等，你直接写个main()函数，所有的细节都帮你实现了，谁来调用main()函数，有他帮你做了。这main()所生成出来的代码，怎么放入到内存里面，这工具也帮你做了，我们基本上只需要写main()函数，只需要写C语言就行了。但是这里掩盖了太多的技术细节，你看看我们官网->学习路线的这篇文章，里面有个比较：

① Windows下的单片机学习，深度不够

Windows下有很好的图形界面单片机开发软件，比如keil、MDK等。
它们封装了很多技术细节，比如：
你只会从main函数开始编写代码，却不知道上电后第1条代码是怎么执行的；
你可以编写中断处理函数，但是却不知道它是怎么被调用的；
你不知道程序怎么从Flash上被读入内存；
也不知道内存是怎么划分使用的，不知道栈在哪、堆在哪；
当你想裁剪程序降低对Flash、内存的使用时，你无从下手；
当你新建一个文件时，它被自动加入到工程里，但是其中的机理你完全不懂；
等等等。 ② 基于ARM+Linux裸机学习，可以学得更深，并且更贴合后续的Linux学习。
实际上它就是Linux下的单片机学习，只是一切更加原始：所有的代码需要你自己来编写；哪些文件加入工程，需要你自己来管理。
在工作中，我们当然倾向于使用Windows下更便利的工具，但是在学习阶段，我们更想学习到程序的本质。
一切从零编写代码、管理代码，可以让我们学习到更多知识：
你需要了解芯片的上电启动过程，知道第1条代码如何运行；
你需要掌握怎么把程序从Flash上读入内存；
需要理解内存怎么规划使用，比如栈在哪，堆在哪；
需要理解代码重定位；
需要知道中断发生后，软硬件怎么保护现场、跳到中断入口、调用中断程序、恢复现场；
你会知道，main函数不是我们编写的第1个函数；
你会知道，芯片从上电开始，程序是怎么被搬运执行的；
你会知道，函数调用过程中，参数是如何传递的；
你会知道，中断发生时，每一个寄存器的值都要小心对待；
等等等。
你掌握了ARM+Linux的裸机开发，再回去看Windows下的单片机开发，会惊呼：怎么那么简单！并且你会完全明白这些工具没有向你展示的技术细节。

如果我们基于ARM+Linux，不使用这些Windows工具，你可以学得更深，并且单片机的大全Bootloader，他就是ARM+Linux开发的，他并不使用Windows下的工具。你基于ARM+Linux学裸板、学单片机，你可以学得更多，因为我们一切都从零开始的。我们既管理这些代码，也可以知道芯片上电的时候做了什么事情，知道程序自己怎么把自己读到内存，且知道怎么去规划内存，知道怎么代码重定位……

我说的这些概念，你可能听都没听过，这是因为Windows下这些好用的工具把这些统统都给屏蔽了。我们使用ARM+Linux进行裸板开发，一旦掌握了ARM+Linux开发这套机制，再回过头去看这些Windows工具、看STM32的话，你只需要几分钟就可以搞定。并且你可以无缝进入后续的学习，因为你已经熟练掌握了Linux的操作环境，后面的Bootloader是在Linux下开发的，后面的Linux驱动也是在Linux下开发的。