【韦东山】嵌入式全系统：单片机-linux-Android对硬件操作的不同侧重点

我是韦东山，一直从事嵌入式Linux培训，最近打算连载一系列文章。 正在录制全新的嵌入式Linux视频，使用新路线，不再从裸机/uboot开始，效率更高。 对应文档也会写成书<<嵌入式Linux应用开发完全手册>>第二版， 视频文档、书的样稿可以直接下载：https://vdisk.weibo.com/s/t6HbuIpx6zoa1

1.概念

只要涉及编程，并且所用硬件不是电脑的话，都可以认为是嵌入式软件开发。所谓“嵌入”，就是把处理器嵌入某个物体中，让它具备计算能力。比如手表中有单片机，那么手表就是一个嵌入式设备，在上面开发的单片机程序就是嵌入式软件；手机中有性能强大的处理器，它也是一个嵌入式设备，手机中运行Linux系统，在Linux系统上运行Android系统，这些Linux、Android都属于嵌入式软件。

嵌入式设备上运行的软件或系统可以分为三类：单片机、Linux/WinCE等大型操作系统、Android/IOS/QT等GUI系统。

做产品时我们考虑的是性价比，什么合适就用什么，这需要我们具备多方面的开发能力。本文将介绍单片机、Linux、Android系统的侧重点。

2. 有哪些产品使用这3类技术？

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在这里插入图片描述

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没有一样技术可以适用于所有设备，很多时候需要组合起来。比如无人机，使用单片机才能更快处理各种控制事件，使用Linux才能更好进行图像处理、传输，在手机端还得给你开发一个安卓APP让你更容易操控。

3. 谁的工作机会更多

我们要用数据说话，看下图：

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让人意外，Linux的职位竟然是最多的。可能因为很多互联网产品也使用Linux，比如虚拟化、云计算、云存储领域。这些互联网公司、云产品公司对Linux开发人员也有大量的需求，把这些公司的职位来跟单片机职位进行对比，很不公平。

所以我再细分一下，把涉及硬件操作的Linux职位单独抽出来，如下：

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这些数据统计稍显粗略，但是也能说明一些问题，我先做个柱形图：

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也许，我们可以得出这么个结论：跟硬件打交道的职位里单片机最多，嵌入式Linux的数量是单片机的三分之二。

如果把Linux APP的职位算上，那是最多的，这似乎有些不公平，Linux APP应该去跟JAVA等相比。

这些职位需求也是吻合现实的，一个公司里硬件职位最少，驱动稍多点，APP最多。很多时候APP职位里几个老员工把驱动的活也全包了。

3.1 单片机工作机会门槛最低

身边触手可及的电灯开关、洗衣机、冰箱、微波炉等小家电，使用的都是单片机技术；家里的无线路由器、智能电视，用的是Linux；你天天用的手机要么是安卓要么是苹果。

可以大概猜得出来，单片机的工作机会更多地集中在小家电领域，门槛比较低，单纯的技术上升空间也有限。注意，我说的是“技术上升空间”。我几年前发表过一个观点“学习单片机没有前途”，这过于激烈，被很多人骂。我今天把它改为“只学习单片机没有前途”。

最近有一个高手在教我CAN的知识，CAN编程基本只用在单片机上，但是华为年薪80万挖不走他；并且他才刚开始学习Linux。他给我发过两张图：

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各位看看上面的图，要想拿高薪，单片机工程师必须深入行业，掌握行业的核心技术。否则，单就单片机技术来说，10年经验跟2年经验并没有太大区别。

做单片机很容易从上到下整个程序都是你一个人掌握，所有问题你都清楚，这很安逸，也意味麻痹及危机。

现在5G、物联网时代到来，单片机也将会有新的发展，我认为重点在于各类RTOS、各类物联网规范。

3.2 Linux的职位反而是最多的

在写这篇文章之前，我也倾向于认为单片机的职位是最多的。但是在51JOB上进行粗略搜索之后，linux的职位反而是最多的，即使仅仅计算“嵌入式 linux”的职位，也达到了单片机职位的三分之二。这也许预示着中国的产业升级，大家都不再满足于使用单片机完成简单的功能，需要添加更多更炫的功能。

如果你是电子工程师，想从事“linux驱动”等跟硬件密切相关的工作，可能机会不多，因为这需要你有经验。这就是行业尴尬的地方，单片机工程师想跳槽，最适配的是嵌入式Linux中跟硬件编程相关的职位，但是这个职位又太看重经验；实际上很容易找到的是电子产品的Linux APP开发。

现在的中小公司里有这么一个趋势，扔一个项目给你，从上到下APP、驱动、硬件都要你的团队完成，很多人都是多面手。

所以，技多不压身，如果你是电子工程师话，单片机、Linux驱动、Linux APP都掌握，也许生存能力才能大辐增强。

3.3 Android

安卓的热度有点退了，一个中小公司没有一定的实力真做不来安卓系统，这个系统太庞大了，乱配个蓝牙就分分钟卡上1、2个月。 所以需要用安卓系统的公司，多是采购方案公司的板卡，方案公司帮你改好安卓系统。 买来方案后，这些公司多是做些安卓APP；要研究安卓系统的人，也许去手机厂家或是方案公司会比较好。 比如我知道的科大讯飞下某子公司，就是使用中山firefly的瑞芯微系列板卡。

4 单片机/Linux/Android工程师怎么点灯

LED的原理图如下，只要让某个引脚输出高电平或低电平，就能让LED亮或灭。

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4.1 单片机怎么点灯

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简单地说就是需要工作师去看原理图确定引脚是哪一个，输出什么电平能点亮LED。再去看芯片手册，确定怎么操作寄存器。最后写程序。

至于你写的程序，风格如何、函数名怎么取，完全由你自由发挥。以后别的同事想来重用你的代码，就得看你写的说明，或是看你的代码。

现在ARM公司在推出一些HAL规范，就是规定一些硬件操作函数接口，如果大家都遵守这些规范的话，在单片机上的APP也很容易移植到其他板子上。

4.2 Linux怎么点灯

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在Linux中，驱动程序负责操作硬件，APP调用open、write这些标准接口就可以点亮LED。APP调用open，会导致驱动程序中的led_open被调用；APP调用write，会导致驱动程序中的led_write被调用。

所以，驱动怎么写？驱动程序中要写出led_open、led_write这些函数。在写出这些函数之前，驱动工程师也要去看原理图、看芯片手册，这跟单片机工程师是一样的。然后就按照Linux的规范提供这些led_open、led_write函数。 所以，Linux驱动 = 驱动框架+硬件操作 = 驱动框架+单片机知识。 为什么要多此一举引入驱动框架？直接操作硬件多爽、多直接。

原因有2 ​ 1．术业有专攻，不要让写APP的人去看原理图、芯片手册，他们只需要调用标准的open,read,write等接口即可操作硬件 ​ 2．软件和硬件隔离，硬件再怎么变化，只需要改驱动，APP不需要改

3.3 Android怎么点灯

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Android是一套GUI系统，它是运行在Linux上面的，硬件操作由Linux完成。所以你可以认为Android就是一套APP，它也是通open、write这些接口来访问驱动，进而操作硬件的。

但是Android中程序太多数是用JAVA编写的，这些open、write是C语言函数，所以要引入一个层：JNI接口(Java Native Interface)，通过这个接口Java可以调用C函数。

5. 单片机/Linux/Android工程师怎么使用LCD

用点灯举例太简单，可以突出单片机和Linux的区别；但是Linux和Android的区别似乎不大。

下面我们用LCD为例讲解。

5.1 LCD操作原理

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假设上图是一个LCD屏幕，屏幕中一个一个密密麻麻的黑点称之为像素点，每一行有若干个点，试想下有一个电子枪，电子枪位于某一个像素点的背后，然后向这个像素发射红，绿，蓝三种原色，这三种颜色按不同的比例组合成任意一种颜色。电子枪在像素点的背后，一边移动一边发出各种颜色的光，电子枪从左往右移动，到右边边缘之后就跳到下一行的行首，继续从左往右移动，如此往复，一直移动到屏幕右下角的像素点，最后就跳回原点。

问题1：电子枪如何移动？

答： 有一条像素时钟信号线（DCLK），连接屏幕，每来一个像素时钟信号（DCLK），电子枪就移动一个像素。

问题2：电子枪打出的颜色该如何确定？

答：有三组红，绿，蓝信号线（RGB），连接屏幕，由这三组信号线（RGB）传递颜色

问题3：电子枪移动到LCD屏幕右边边缘时，如何得知需要跳到下一行的行首？

答：有一条水平同步信号线（HSYNC），连接屏幕，当接收到水平同步信号（HSYNC），电子枪就跳到下一行的最左边

问题4：电子枪如何得知需要跳到原点？

答：有一条垂直同步信号线（VSYNC），连接屏幕，当接收到垂直同步信号线（VSYNC），电子枪就由屏幕右下脚跳到左上角（原点）

问题5：电子枪如何得知三组信号线（RGB）确定的颜色就是它是需要的呢？

答：有一条RGB数据使能信号线（DE），连接屏幕，当接收到数据使能信号线（DE），电子枪就知道这时由这三组信号线（RGB）确定的颜色是有效的，可以发射到该像素点。

下图是开发板，LCD控制器，LCD屏幕的框图

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之前提到的像素时钟（DCLK）， 三组红，绿，蓝信号线（RGB），水平同步信号线（HSYNC），垂直同步信号线（VSYNC），RGB数据使能信号线（DE）都是从LCD控制器发出的，只要开发板支持LCD显示，它肯定就会有一个LCD控制器。

问题6：RGB三组信号线上的数据从何而来？

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上图是RGB数据来源框图，内存中划出一部分区域，这块区域被称为Framebuffer。在Framebuffer里面我们会构造好每一个颜色所对应的像素。Framebuffer中的值会被LCD控制器读出来，通过RGB三组线传给电子枪，电子枪再把它转换成红绿蓝三种颜色打到屏幕上。在屏幕上的每一个像素，在Frambuffer里面都有一个对应存储空间，里面存有屏幕上对应像素的颜色。 LCD控制器会周而复始的从Framebuffer中取出一个个像素的颜色值，发给电子枪，同时需要和DCLK，VSYNC，HSYNC，DE这些信号配合好。 总结起来，程序需要做的就是2点：设置好LCD控制器，然后在显存中写入数据。

5.2 单片机怎么操作LCD

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单片机程序员要做的事很直接： 1．设置LCD控制器，它会自动从FrameBuffer中读取每个像素的数据发送到LCD上 2．把要显示的文字、图像放入FrameBuffer中

5.3 Linux怎么操作LCD

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在Linux中，驱动程序负责操作硬件，APP调用open、ioctl这些标准接口就可以获得LCD的参数，设置LCD。然后使用mmap获得Framebuffer的地址，就可以往里面填入数据。 至于LCD控制器的设置，这由驱动来做。

所以，驱动怎么写？初始化LCD控制器，提供lcd_open、lcd_ioctl、lcd_mmap函数，让APP可以通过这些函数获得LCD参数，设置参数，获得Framebuffer地址。 所以，Linux驱动 = 驱动框架+硬件操作 = 驱动框架+单片机知识。 为什么要多此一举引入驱动框架？直接操作硬件多爽、多直接。

原因有2 1．术业有专攻，不要让写APP的人去看原理图、芯片手册，他们只需要调用标准的open,read,write,ioctl,mmap等接口即可操作硬件 2．软件和硬件隔离，硬件再怎么变化，只需要改驱动，APP不需要改

5.4 Android怎么操作LCD

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Android是一套GUI系统，跟QT是类似的。在Android/QT等GUI系统里：

• 1. LCD会被多个APP使用，如果不统一管理必定乱套；
• 1. 所以，肯定有一个管理软件，或称为服务软件：
  • 2.1 APP自行构造自己的界面，提交给显示显示服务软件
  • 2.2 显示服务软件：根据多个APP的前后层次，合并最终的显示图像
• 1. 最后再调用驱动程序显示出来

所以在Android系统中，它的重心在于显示服务、在于多个窗口的层叠、管理、销毁。硬件的操作交给是Linux实现。