【韋東山】嵌入式全系統(tǒng)：單片機-linux-Android對硬件操作的不同側(cè)重點
正在錄制全新的嵌入式Linux視頻，使用新路線，不再從裸機/uboot開始，效率更高。對應(yīng)文檔也會寫成書<<嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊>>第二版，視頻文檔、書的樣稿可以直接下載：https://vdisk.weibo.com/s/t6HbuIpx6zoa1
1.概念
只要涉及編程，并且所用硬件不是電腦的話，都可以認為是嵌入式軟件開發(fā)。所謂“嵌入”，就是把處理器嵌入某個物體中，讓它具備計算能力。比如手表中有單片機，那么手表就是一個嵌入式設(shè)備，在上面開發(fā)的單片機程序就是嵌入式軟件；手機中有性能強大的處理器，它也是一個嵌入式設(shè)備，手機中運行Linux系統(tǒng)，在Linux系統(tǒng)上運行Android系統(tǒng)，這些Linux、Android都屬于嵌入式軟件。
嵌入式設(shè)備上運行的軟件或系統(tǒng)可以分為三類：單片機、Linux/WinCE等大型操作系統(tǒng)、Android/IOS/QT等GUI系統(tǒng)。
2. 有哪些產(chǎn)品使用這3類技術(shù)？
沒有一樣技術(shù)可以適用于所有設(shè)備，很多時候需要組合起來。比如無人機，使用單片機才能更快處理各種控制事件，使用Linux才能更好進行圖像處理、傳輸，在手機端還得給你開發(fā)一個安卓APP讓你更容易操控。
3. 誰的工作機會更多？
我們要用數(shù)據(jù)說話，看下圖：
讓人意外，Linux的職位竟然是最多的?？赡芤驗楹芏嗷ヂ?lián)網(wǎng)產(chǎn)品也使用Linux，比如虛擬化、云計算、云存儲領(lǐng)域。這些互聯(lián)網(wǎng)公司、云產(chǎn)品公司對Linux開發(fā)人員也有大量的需求，把這些公司的職位來跟單片機職位進行對比，很不公平。
所以我再細分一下，把涉及硬件操作的Linux職位單獨抽出來，如下：
這些數(shù)據(jù)統(tǒng)計稍顯粗略，但是也能說明一些問題，我先做個柱形圖：
也許，我們可以得出這么個結(jié)論：跟硬件打交道的職位里單片機最多，嵌入式Linux的數(shù)量是單片機的三分之二。如果把Linux APP的職位算上，那是最多的，這似乎有些不公平，Linux APP應(yīng)該去跟JAVA等相比。這些職位需求也是吻合現(xiàn)實的，一個公司里硬件職位最少，驅(qū)動稍多點，APP最多。很多時候APP職位里幾個老員工把驅(qū)動的活也全包了。
3.1 單片機工作機會門檻最低
身邊觸手可及的電燈開關(guān)、洗衣機、冰箱、微波爐等小家電，使用的都是單片機技術(shù)；家里的無線路由器、智能電視，用的是Linux；你天天用的手機要么是安卓要么是蘋果。
可以大概猜得出來，單片機的工作機會更多地集中在小家電領(lǐng)域，門檻比較低，單純的技術(shù)上升空間也有限。注意，我說的是“技術(shù)上升空間”。我?guī)啄昵鞍l(fā)表過一個觀點“學(xué)習(xí)單片機沒有前途”，這過于激烈，被很多人罵。我今天把它改為“只學(xué)習(xí)單片機沒有前途”。
最近有一個高手在教我CAN的知識，CAN編程基本只用在單片機上，但是華為年薪80萬挖不走他；并且他才剛開始學(xué)習(xí)Linux。他給我發(fā)過兩張圖：
各位看看上面的圖，要想拿高薪，單片機工程師必須深入行業(yè)，掌握行業(yè)的核心技術(shù)。否則，單就單片機技術(shù)來說，10年經(jīng)驗跟2年經(jīng)驗并沒有太大區(qū)別。做單片機很容易從上到下整個程序都是你一個人掌握，所有問題你都清楚，這很安逸，也意味麻痹及危機。現(xiàn)在5G、物聯(lián)網(wǎng)時代到來，單片機也將會有新的發(fā)展，我認為重點在于各類RTOS、各類物聯(lián)網(wǎng)規(guī)范。
3.2 Linux的職位反而是最多的
在寫這篇文章之前，我也傾向于認為單片機的職位是最多的。但是在51JOB上進行粗略搜索之后，linux的職位反而是最多的，即使僅僅計算“嵌入式 linux”的職位，也達到了單片機職位的三分之二。這也許預(yù)示著中國的產(chǎn)業(yè)升級，大家都不再滿足于使用單片機完成簡單的功能，需要添加更多更炫的功能。
如果你是電子工程師，想從事“l(fā)inux驅(qū)動”等跟硬件密切相關(guān)的工作，可能機會不多，因為這需要你有經(jīng)驗。這就是行業(yè)尷尬的地方，單片機工程師想跳槽，最適配的是嵌入式Linux中跟硬件編程相關(guān)的職位，但是這個職位又太看重經(jīng)驗；實際上很容易找到的是電子產(chǎn)品的Linux APP開發(fā)。
現(xiàn)在的中小公司里有這么一個趨勢，扔一個項目給你，從上到下APP、驅(qū)動、硬件都要你的團隊完成，很多人都是多面手。
所以，技多不壓身，如果你是電子工程師話，單片機、Linux驅(qū)動、Linux APP都掌握，也許生存能力才能大輻增強。
3.3 Android
安卓的熱度有點退了，一個中小公司沒有一定的實力真做不來安卓系統(tǒng)，這個系統(tǒng)太龐大了，亂配個藍牙就分分鐘卡上1、2個月。所以需要用安卓系統(tǒng)的公司，多是采購方案公司的板卡，方案公司幫你改好安卓系統(tǒng)。買來方案后，這些公司多是做些安卓APP；要研究安卓系統(tǒng)的人，也許去手機廠家或是方案公司會比較好。比如我知道的科大訊飛下某子公司，就是使用中山firefly的瑞芯微系列板卡。
4 單片機/Linux/Android工程師怎么點燈？
LED的原理圖如下，只要讓某個引腳輸出高電平或低電平，就能讓LED亮或滅。
4.1 單片機怎么點燈？
簡單地說就是需要工作師去看原理圖確定引腳是哪一個，輸出什么電平能點亮LED。再去看芯片手冊，確定怎么操作寄存器。最后寫程序。
至于你寫的程序，風(fēng)格如何、函數(shù)名怎么取，完全由你自由發(fā)揮。以后別的同事想來重用你的代碼，就得看你寫的說明，或是看你的代碼。
現(xiàn)在ARM公司在推出一些HAL規(guī)范，就是規(guī)定一些硬件操作函數(shù)接口，如果大家都遵守這些規(guī)范的話，在單片機上的APP也很容易移植到其他板子上。
4.2 Linux怎么點燈？
在Linux中，驅(qū)動程序負責(zé)操作硬件，APP調(diào)用open、write這些標準接口就可以點亮LED。APP調(diào)用open，會導(dǎo)致驅(qū)動程序中的led_open被調(diào)用；APP調(diào)用write，會導(dǎo)致驅(qū)動程序中的led_write被調(diào)用。
所以，驅(qū)動怎么寫？驅(qū)動程序中要寫出led_open、led_write這些函數(shù)。在寫出這些函數(shù)之前，驅(qū)動工程師也要去看原理圖、看芯片手冊，這跟單片機工程師是一樣的。然后就按照Linux的規(guī)范提供這些led_open、led_write函數(shù)。所以，Linux驅(qū)動 = 驅(qū)動框架+硬件操作 = 驅(qū)動框架+單片機知識。為什么要多此一舉引入驅(qū)動框架？直接操作硬件多爽、多直接。
原因有2
1．術(shù)業(yè)有專攻，不要讓寫APP的人去看原理圖、芯片手冊，他們只需要調(diào)用標準的open,read,write等接口即可操作硬件
2．軟件和硬件隔離，硬件再怎么變化，只需要改驅(qū)動，APP不需要改
3.3 Android怎么點燈？
Android是一套GUI系統(tǒng)，它是運行在Linux上面的，硬件操作由Linux完成。所以你可以認為Android就是一套APP，它也是通open、write這些接口來訪問驅(qū)動，進而操作硬件的。
但是Android中程序太多數(shù)是用JAVA編寫的，這些open、write是C語言函數(shù)，所以要引入一個層：JNI接口(Java Native Interface)，通過這個接口Java可以調(diào)用C函數(shù)。
5. ?單片機/Linux/Android工程師怎么使用LCD？
用點燈舉例太簡單，可以突出單片機和Linux的區(qū)別；但是Linux和Android的區(qū)別似乎不大。
下面我們用LCD為例講解。
5.1 LCD操作原理
假設(shè)上圖是一個LCD屏幕，屏幕中一個一個密密麻麻的黑點稱之為像素點，每一行有若干個點，試想下有一個電子槍，電子槍位于某一個像素點的背后，然后向這個像素發(fā)射紅，綠，藍三種原色，這三種顏色按不同的比例組合成任意一種顏色。電子槍在像素點的背后，一邊移動一邊發(fā)出各種顏色的光，電子槍從左往右移動，到右邊邊緣之后就跳到下一行的行首，繼續(xù)從左往右移動，如此往復(fù)，一直移動到屏幕右下角的像素點，最后就跳回原點。
問題1：電子槍如何移動？
答： 有一條像素時鐘信號線（DCLK），連接屏幕，每來一個像素時鐘信號（DCLK），電子槍就移動一個像素。
問題2：電子槍打出的顏色該如何確定？
答：有三組紅，綠，藍信號線（RGB），連接屏幕，由這三組信號線（RGB）傳遞顏色
問題3：電子槍移動到LCD屏幕右邊邊緣時，如何得知需要跳到下一行的行首？
答：有一條水平同步信號線（HSYNC），連接屏幕，當接收到水平同步信號（HSYNC），電子槍就跳到下一行的最左邊
問題4：電子槍如何得知需要跳到原點？
答：有一條垂直同步信號線（VSYNC），連接屏幕，當接收到垂直同步信號線（VSYNC），電子槍就由屏幕右下腳跳到左上角（原點）
問題5：電子槍如何得知三組信號線（RGB）確定的顏色就是它是需要的呢？
答：有一條RGB數(shù)據(jù)使能信號線（DE），連接屏幕，當接收到數(shù)據(jù)使能信號線（DE），電子槍就知道這時由這三組信號線（RGB）確定的顏色是有效的，可以發(fā)射到該像素點。
下圖是開發(fā)板，LCD控制器，LCD屏幕的框圖
之前提到的像素時鐘（DCLK）， 三組紅，綠，藍信號線（RGB），水平同步信號線（HSYNC），垂直同步信號線（VSYNC），RGB數(shù)據(jù)使能信號線（DE）都是從LCD控制器發(fā)出的，只要開發(fā)板支持LCD顯示，它肯定就會有一個LCD控制器。
?
問題6：RGB三組信號線上的數(shù)據(jù)從何而來？
上圖是RGB數(shù)據(jù)來源框圖，內(nèi)存中劃出一部分區(qū)域，這塊區(qū)域被稱為Framebuffer。在Framebuffer里面我們會構(gòu)造好每一個顏色所對應(yīng)的像素。Framebuffer中的值會被LCD控制器讀出來，通過RGB三組線傳給電子槍，電子槍再把它轉(zhuǎn)換成紅綠藍三種顏色打到屏幕上。在屏幕上的每一個像素，在Frambuffer里面都有一個對應(yīng)存儲空間，里面存有屏幕上對應(yīng)像素的顏色。
LCD控制器會周而復(fù)始的從Framebuffer中取出一個個像素的顏色值，發(fā)給電子槍，同時需要和DCLK，VSYNC，HSYNC，DE這些信號配合好。
總結(jié)起來，程序需要做的就是2點：設(shè)置好LCD控制器，然后在顯存中寫入數(shù)據(jù)。
5.2 單片機怎么操作LCD
單片機程序員要做的事很直接：
1．設(shè)置LCD控制器，它會自動從FrameBuffer中讀取每個像素的數(shù)據(jù)發(fā)送到LCD上
2．把要顯示的文字、圖像放入FrameBuffer中
5.3 Linux怎么操作LCD？
在Linux中，驅(qū)動程序負責(zé)操作硬件，APP調(diào)用open、ioctl這些標準接口就可以獲得LCD的參數(shù)，設(shè)置LCD。然后使用mmap獲得Framebuffer的地址，就可以往里面填入數(shù)據(jù)。至于LCD控制器的設(shè)置，這由驅(qū)動來做。
所以，驅(qū)動怎么寫？初始化LCD控制器，提供lcd_open、lcd_ioctl、lcd_mmap函數(shù)，讓APP可以通過這些函數(shù)獲得LCD參數(shù)，設(shè)置參數(shù)，獲得Framebuffer地址。所以，Linux驅(qū)動 = 驅(qū)動框架+硬件操作 = 驅(qū)動框架+單片機知識。為什么要多此一舉引入驅(qū)動框架？直接操作硬件多爽、多直接。
原因有21．術(shù)業(yè)有專攻，不要讓寫APP的人去看原理圖、芯片手冊，他們只需要調(diào)用標準的open,read,write,ioctl,mmap等接口即可操作硬件2．軟件和硬件隔離，硬件再怎么變化，只需要改驅(qū)動，APP不需要改
5.4 Android怎么操作LCD？
Android是一套GUI系統(tǒng)，跟QT是類似的。在Android/QT等GUI系統(tǒng)里：
LCD會被多個APP使用，如果不統(tǒng)一管理必定亂套；
2.1 APP自行構(gòu)造自己的界面，提交給顯示顯示服務(wù)軟件
2.2 顯示服務(wù)軟件：根據(jù)多個APP的前后層次，合并最終的顯示圖像
? ?2.所以，肯定有一個管理軟件，或稱為服務(wù)軟件：
3.最后再調(diào)用驅(qū)動程序顯示出來
所以在Android系統(tǒng)中，它的重心在于顯示服務(wù)、在于多個窗口的層疊、管理、銷毀。硬件的操作交給是Linux實現(xiàn)。
6 寫在最后
我無意引起單片機、Linux、Android孰優(yōu)孰劣的討論，我確實不看好純粹的單片機軟件開發(fā)，但是很看好RTOS及物聯(lián)網(wǎng)在單片機上的應(yīng)用。生活不容易，碼農(nóng)不容易，走上碼農(nóng)之路，只有不斷學(xué)習(xí)了。
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