第001课 不要再用老方法学习单片机和ARM

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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。 Chapter1 lesson1 001.png

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? Chapter1 lesson1 002.png

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? Chapter1 lesson1 003.png

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。

单片机知识是Linux驱动开发的基础之一

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。 Chapter1 lesson2 001.png

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。 Chapter1 lesson2 002.png

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。 Chapter1 lesson2 003.png

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。 Chapter1 lesson2 004.png

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Chapter1 lesson2 005.png

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

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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:

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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。

Chapter1 lesson3 003.png 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。

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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](http://www.100ask.net/a/howtostudy/) 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。

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所以我们怎么去学习单片机的开发呢?

使用S3C2440开发板,在Linux环境(Ubuntu)下使用arm-Linux-gcc工具来编译程序。

你编写代码的时候,可以使用Windows下各种好用的工具,文本工具等,但便宜的时候,使用arm-Linux-gcc来编译。

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