01

嵌入式的定義和舉例分析

官方定義：

根據(jù)IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）的定義，嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）是指以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。舉例來說，大到油田的集散控制系統(tǒng)和工廠流水線，小到家用VCD機或手機，甚至組成普通PC終端設(shè)備的鍵盤、鼠標(biāo)、硬盤、Modem等均是由嵌入式處理器控制的。

這主要是從應(yīng)用上加以定義的，從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。

目前國內(nèi)一個普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。

說白了就是先設(shè)計硬件，然后根據(jù)需求編寫能在該硬件上運行的軟件，就成了所謂的“智能硬件”。

嵌入式系統(tǒng)無疑是當(dāng)前最熱門最有發(fā)展前途的IT應(yīng)用領(lǐng)域之一。嵌入式系統(tǒng)用在一些特定專用設(shè)備上，通常這些設(shè)備的硬件資源（如處理器、存儲器等）非常有限，并且對成本很敏感，有時對實時響應(yīng)要求很高等。特別是隨著消費家電的智能化，嵌入式更顯重要。

首先嵌入式技術(shù)主要分為嵌入式軟件和嵌入式硬件2大方向。

嵌入式硬件方向

嵌入式硬件工程師主要工作職責(zé)是為產(chǎn)品設(shè)計硬件電路原理圖，設(shè)計硬件PCB板，選擇合適的元器件，焊接調(diào)試硬件電路板，保證硬件電路板的可靠性、穩(wěn)定性和抗干擾能力。因為現(xiàn)在集成電路發(fā)展迅速，大部分集成電路廠商都會提供參考電路，所以硬件電路原理圖的設(shè)計相對來說比較簡單，硬件工程師工作的含金量主要體現(xiàn)在產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性設(shè)計、以及電磁兼容設(shè)計，這才是硬件設(shè)計工程師的含金量所在。一個資深的嵌入式硬件工程師年薪都在15萬~40萬之間。

要成為一個資深的嵌入式工程師相當(dāng)難，一方面要有非常扎實的理論知識，同時也要有相當(dāng)?shù)哪欠N大型的、高頻CPU、多層PCB板的設(shè)計經(jīng)驗。嵌入式硬件工程師要學(xué)的課程主要有模擬電路設(shè)計、數(shù)字電路設(shè)計、電磁波理論等。熟悉常用的放大電路、濾波電路、電源電路設(shè)計和分析。

嵌入式軟件方向

嵌入式軟件工程師的職責(zé)主要是根據(jù)產(chǎn)品的功能需求設(shè)計好軟件，讓硬件工作起來。嵌入式電子產(chǎn)品硬件部分，大部分都是相同的，核心的都是由CPU、RAM和FLASH 幾大部分組成，而軟件就千差萬別了。產(chǎn)品的具體功能都是由軟件來實現(xiàn)的，一般來講一個產(chǎn)品的實現(xiàn)，軟件設(shè)計的工作量是硬件設(shè)計的4~5倍。所以一般情況下，一個公司的軟件工程師數(shù)量是硬件硬件工程師的4~5倍，嵌入式軟件工程師需求比硬件工程師大很多，同時跟硬件工程師相比，嵌入式軟件工程師學(xué)起來相對容易些，所以這里21ic家重點和大家談一下嵌入式軟件工程的學(xué)習(xí)路線。 延伸閱讀：《 嵌入式有什么值得學(xué)習(xí)的軟硬件技術(shù)？ 》、《 嵌入式軟件和硬件誰更重要？ 》。

02

嵌入式設(shè)計應(yīng)具備的基本技能

1、Linux 基礎(chǔ)

安裝Linux操作系統(tǒng)

Linux文件系統(tǒng)

Linux常用命令

Linux啟動過程詳解

熟悉Linux服務(wù)能夠獨立安裝Linux操作系統(tǒng)，能夠熟練使用Linux系統(tǒng)的基本命令

認(rèn)識Linux系統(tǒng)的常用服務(wù)安裝Linux操作系統(tǒng)

Linux基本命令實踐

設(shè)置Linux環(huán)境變量

定制Linux的服務(wù)Shell

編程基礎(chǔ)使用vi編輯文件

使用Emacs編輯文件

使用其他編輯器

2、Shell 編程基礎(chǔ)

Shell簡介

認(rèn)識后臺程序Bash編程

熟悉Linux系統(tǒng)下的編輯環(huán)境

熟悉Linux下的各種Shell

熟練進(jìn)行shell編程熟悉vi基本操作

熟悉Emacs的基本操作

比較不同shell的區(qū)別

編寫一個測試服務(wù)器是否連通的shell腳本程序

編寫一個查看進(jìn)程是否存在的shell腳本程序

編寫一個帶有循環(huán)語句的shell腳本程序

3、Linux下的C編程基礎(chǔ)

linux c語言環(huán)境概述

Gcc使用方法

Gdb調(diào)試技術(shù)

AutoconfAutomake Makefile 代碼優(yōu)化

熟悉Linux系統(tǒng)下的開發(fā)環(huán)境

熟悉Gcc編譯器

熟悉Makefile規(guī)則編寫Hello，World程序

使用 make命令編譯程序

編寫帶有一個循環(huán)的程序

調(diào)試一個有問題的程序

4、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)

嵌入式系統(tǒng)概述

交叉編譯

配置TFTP服務(wù)

配置NFS服務(wù)

下載Bootloader和內(nèi)核

嵌入式Linux應(yīng)用軟件開發(fā)流程熟悉嵌入式系統(tǒng)概念以及開發(fā)流程

建立嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境制作cross_gcc工具鏈

編譯并下載U-boot

編譯并下載Linux內(nèi)核

編譯并下載Linux應(yīng)用程序

5、嵌入式系統(tǒng)移植

Linux內(nèi)核代碼

平臺相關(guān)代碼分析

ARM平臺介紹

平臺移植的關(guān)鍵技術(shù)

移植Linux內(nèi)核到 ARM平臺

了解移植的概念

能夠移植Linux內(nèi)核移植Linux2.6內(nèi)核到ARM9開發(fā)板

6、嵌入式 Linux 下串口通信

串行I/O的基本概念

嵌入式Linux應(yīng)用軟件開發(fā)流程

Linux系統(tǒng)的文件和設(shè)備

與文件相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用

配置超級終端和MiniCOM

能夠熟悉進(jìn)行串口通信

熟悉文件I/O

編寫串口通信程序

編寫多串口通信程序

7、嵌入式系統(tǒng)中多進(jìn)程程序設(shè)計

Linux系統(tǒng)進(jìn)程概述

嵌入式系統(tǒng)的進(jìn)程特點

進(jìn)程操作

守護(hù)進(jìn)程

相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用了解Linux系統(tǒng)中進(jìn)程的概念

能夠編寫多進(jìn)程程序編寫多進(jìn)程程序

編寫一個守護(hù)進(jìn)程程序

sleep系統(tǒng)調(diào)用任務(wù)管理

同步與通信Linux任務(wù)概述任務(wù)調(diào)度

管道 信號 共享內(nèi)存 任務(wù)管理 API

了解Linux系統(tǒng)任務(wù)管理機制

熟悉進(jìn)程間通信的幾種方式

熟悉嵌入式Linux中的任務(wù)間同步與通信編寫一個簡單的管道程序?qū)崿F(xiàn)文件傳輸

編寫一個使用共享內(nèi)存的程序

8、嵌入式系統(tǒng)中多線程程序設(shè)計

線程的基礎(chǔ)知識

多線程編程方法

線程應(yīng)用中的同步問題了解線程的概念

能夠編寫簡單的多線程程序編寫一個多線程程序

03

嵌入式軟件工程師學(xué)習(xí)流程

第一部分：Linux平臺搭建與環(huán)境熟悉

了解linux系統(tǒng)；區(qū)分各種版本的Linux系統(tǒng)，以便于拓展 Linux視野。

1、Linux 簡介；

2、Linux 系統(tǒng)的主要特點；

3、Linux 的組成；

4、主要的 Linux 版本；

5、嵌入式 Linux簡介與發(fā)展

第二部分：虛擬機安裝和LINUX系統(tǒng)安裝

1、虛擬機安裝；

2、Linux系統(tǒng)的安裝；

3、Linux系統(tǒng)的常用軟件的安裝；

4、Linux快速入門

5、 熟悉運用 Linux環(huán)境下，常用命令的操作與系統(tǒng)設(shè)置，如常用的 Shell；掌握基本的Shell 應(yīng)用

第三部分：嵌入式LINUX環(huán)境搭建

1、 建立嵌入式 Linux開發(fā)環(huán)境

2、 熟悉嵌入式開發(fā)平臺

3、 嵌入式 Linux開發(fā)工具

4、 Linux下的調(diào)試技巧

5、 MAKE工程管理器

6、 硬件環(huán)境的搭建；arm-linux-gcc與 gcc安裝配置

第四部分：U-Boot

了解 U-Boot 的作用及工作流程；了解Bootloader 的代碼結(jié)構(gòu)、編譯過程；移植U-Boot；掌握常用的U-Boot命令。

1、 Bootloader介紹

2、 u-boot工程介紹

3、 u-boot的編譯使用

4、 u-boot源碼分析

5、 u-boot資源分配

6、 配置編譯u-boot

7、 u-boot移植過程

8、 u-boot常用命令操作

9、 添加u-boot新命令

10、設(shè)置u-boot環(huán)境變量

11、 u-boot驅(qū)動添加網(wǎng)卡：DM9000

第五部分：LINUX內(nèi)核移植

熟悉內(nèi)核的原碼結(jié)構(gòu)和kbuild Makefile語法；掌握和內(nèi)核、驅(qū)動模塊編譯相關(guān)的原理及方法。

1、Linux內(nèi)核介紹

2、Linux內(nèi)核特點

3、Linux內(nèi)核源代碼結(jié)構(gòu)

4、Linux內(nèi)核選項解析

5、Linux內(nèi)核編譯鏈接

6、內(nèi)核模塊編譯、使用方法

第六部分：LINUX根文件系統(tǒng)

1、busybox 包移植、編譯

2、Linux跟文件系統(tǒng)制作過程

3、根文件系統(tǒng)介紹

4. nfs文件服務(wù)器系統(tǒng)搭建

第七部分：LINUX應(yīng)用學(xué)習(xí)

嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)和系統(tǒng)開發(fā)是嵌入式Linux中最重要的一部分，也是企業(yè)人才需求最廣的一部分。

主要目標(biāo)是精通嵌入式Linux下的程序設(shè)計，熟練掌握嵌入式Linux的開發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)編程以及網(wǎng)絡(luò)編程，熟悉C++、QT編程并且深刻體會整個嵌入式Linux項目開發(fā)流程，強化學(xué)員對Linux應(yīng)用開發(fā)的能力。

1、Linux系統(tǒng)中的進(jìn)程的概念，在應(yīng)用程序中線程與父子進(jìn)程的創(chuàng)建與應(yīng)用

2、線程之間、進(jìn)程之間的通信

3、進(jìn)程間通信基本概念

4、管道（PIPE）

5、信號（SIGNAL）

6、內(nèi)存映射（MAPPED MEMORY）

7、消息隊列（MESSAGE QUEUE）

8、信號量（SEMAPHORE）

9、共享內(nèi)存（SHARE MEMORY）@

10、tcPip協(xié)議在應(yīng)用程序中的編程開發(fā)（SOCKET套接字編程開發(fā)）

10.1. ISO/OSI七層協(xié)議模型與IP網(wǎng)絡(luò)四層模式

10.2.TCP/IP協(xié)議簇

10.3. 基于嵌入式Linux的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

10.4. 基于嵌入式Linux的SOCKET編程

10.5.UDP與TCP的區(qū)別

10.6. UDP SERVER-CLIENT關(guān)系程

11、文件讀寫與存儲

04

嵌入式軟件工程師的內(nèi)功修煉

所謂嵌入式軟件開發(fā)，抽象的講，就是在專用的硬件平臺借助宿主機交叉編譯環(huán)境通過編程、編譯、鏈接下載、調(diào)試達(dá)到目標(biāo)需求；往細(xì)了分，嵌入式軟件開發(fā)可分為嵌入式驅(qū)動設(shè)計師（向下根據(jù)接口協(xié)議驅(qū)動硬件設(shè)備，向上提供應(yīng)用API），嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師（編寫固件程序，設(shè)計操作系統(tǒng)內(nèi)核或文件系統(tǒng)，根據(jù)不同硬件平臺移植操作系統(tǒng)，優(yōu)化系統(tǒng)功能），嵌入式界面設(shè)計師（嵌入式硬件平臺的上位機GUI設(shè)計，人機交互），嵌入式應(yīng)用設(shè)計師（裸機或操作系統(tǒng)移植調(diào)度驅(qū)動API按照一定的算法邏輯實現(xiàn)相應(yīng)的需求功能），嵌入式算法設(shè)計師（把相關(guān)數(shù)學(xué)算法設(shè)計成軟件程序精準(zhǔn)優(yōu)化系統(tǒng)功能，如PID控算、卡爾曼濾波算法、低通濾波等）。

C語言就是嵌入式軟件的內(nèi)功，21ic家也曾經(jīng)多次強調(diào)。相信大家都看過武俠小說或電視，金老前輩的甚是出名，里面有“天下武功出少林”一說，為什么呢？

就是因為少林有一本《易筋經(jīng)》，“掃地僧”也就是當(dāng)時江湖的大神，學(xué)了易筋經(jīng)的人想再學(xué)其他武功可謂是游刃有余，就像《射雕英雄傳》的郭靖郭大俠因為修煉了全真教馬鈺道長的內(nèi)功，再學(xué)洪七公、老頑童等的外功就很簡單了，而C語言就是所有各種編程語言（像Python、Java、C++、PHP、JavaScript等等）里面的“易筋經(jīng)”，達(dá)到精通C的境界，再學(xué)其他就很簡單了，因為C要整明白，必須了解底層、明白計算機系統(tǒng)的運行機制，當(dāng)然一個沒學(xué)過匯編的人不能真正掌握C語言的真諦。

在如今Python、Java編程語言火熱的市場前景下，資深工程師的建議是，在學(xué)校讀書真心想搞IT技術(shù)，從C語言學(xué)起，會受益終生的。

學(xué)習(xí)C語言難嗎？資深工程師表示：不難。真正懂得用C語言難嗎？--難，但是按照心法不斷去實踐會化解“難”這顆頑石?，F(xiàn)在對C語言水平層次的定義有幾階：入門、掌握、熟悉、精通?，F(xiàn)在很多一線的軟件工程師都是至多在“熟悉”的水平階上。

內(nèi)功心法：用數(shù)學(xué)思維抽象化去學(xué)習(xí)，多編程、多調(diào)試、多實際應(yīng)用，多看高手寫的優(yōu)秀代碼，可以嘗試去寫寫RTOS內(nèi)核；知錯就改，溫故知新，不斷學(xué)習(xí)

內(nèi)功大綱：結(jié)構(gòu)體、數(shù)組、指針、函數(shù)、內(nèi)存管理

深度理解ANSI標(biāo)準(zhǔn)定義的C語言預(yù)處理指令用法，文件結(jié)構(gòu)問題

明確定義及聲明，深度解析C語言的32個關(guān)鍵字，sizeof是關(guān)鍵字

標(biāo)準(zhǔn)C語言的20個基本符號深度熟練怎么用，還有表達(dá)式的優(yōu)先級問題

深度理解內(nèi)存管理與內(nèi)存泄漏問題，野指針的問題，棧、堆、靜態(tài)區(qū)的問題

深度解析指針和數(shù)組的內(nèi)存布局，它們之間的相互訪問形式以及地址的強制轉(zhuǎn)換 ，還有多維數(shù)組和多級指針問題

深度理解函數(shù)設(shè)計的原則和技巧，養(yǎng)成良好的編程風(fēng)格和編程習(xí)慣

順便提提軟件面試一般考察的問題，也就是面試官想通過面試了解的問題：

在需求實現(xiàn)的前提下，看你的編程風(fēng)格；

編程邏輯不可能一步到位，很多時候需要不斷修改，看你出錯問題的處理能力；

對你代碼算法復(fù)雜度進(jìn)行分析，是否提高系統(tǒng)性能。

05

嵌入式軟硬件界限又不是那么深

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍可以粗略分為兩大類：

（1）電子系統(tǒng)的智能化（工業(yè)控制，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、家用電器、汽車電子、測控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集等等）;

（2）計算機應(yīng)用的延伸（MP3、手機、通信、網(wǎng)絡(luò)、計算機外圍設(shè)備等）。從這些應(yīng)用可以看出，要完成一個以MCU為核心的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用產(chǎn)品設(shè)計，需要有硬件、軟件及行業(yè)領(lǐng)域相關(guān)知識。硬件主要有MCU的硬件最小系統(tǒng)、輸入/輸出外圍電路、人機接口設(shè)計。軟件設(shè)計有固化軟件的設(shè)計，也可能含PC機軟件的設(shè)計。行業(yè)知識需要通過協(xié)作、交流與總結(jié)獲得。

概括地說，學(xué)習(xí)以MCU為核心的嵌入式系統(tǒng)，需要以下軟件硬件基礎(chǔ)知識與實踐訓(xùn)練：

1：硬件最小系統(tǒng)（包括電源、晶振、復(fù)位、寫入調(diào)試接口）;

2：通用I/O（開關(guān)量輸入/輸出，涉及各種二值量檢測與控制）;

3：模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D（各種傳感器信號的采集與處理，如紅外、溫度、光敏、超聲波、方向等等）;

4：數(shù)模轉(zhuǎn)換D/A（對模擬量設(shè)備利用數(shù)字進(jìn)行控制）;

5：通信（串行通信接口SCI、串行外設(shè)接口SPI、集成電路互聯(lián)總線I2C，CAN、USB、嵌入式以太網(wǎng)、ZigBee技術(shù)等）;

6：顯示（LED、LCD等等）;

7：控制（控制各種設(shè)備，包含PWM等控制技術(shù)）;

8：數(shù)據(jù)處理（圖形、圖像、語音、視頻等處理或識別）;

9：各種具體應(yīng)用。

事實上，萬變不離其宗，任何應(yīng)用都可以歸入這幾類。而應(yīng)用中的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、測試等都必須遵循嵌入式軟件工程的方法、原理與基本原則。所以，嵌入式軟件工程也是嵌入式系統(tǒng)知識體系的有機組成部分，只不過，它融于具體項目的開發(fā)過程之中。21ic家多次強調(diào)，雖然嵌入式工程師有軟件和硬件工程師的分別，但是其實對于嵌入式工程師來說，兩手都要硬，只不過相關(guān)領(lǐng)域工程師的深淺不同。更多相關(guān)內(nèi)容可以在21ic中國電子網(wǎng)查閱查看。

以上實踐訓(xùn)練涉及硬件基礎(chǔ)、軟件基礎(chǔ)及相關(guān)領(lǐng)域知識。計算機語言、操作系統(tǒng)、開發(fā)環(huán)境等均是完成這些目的的工具。有些初學(xué)者，容易把工具的使用與所要達(dá)到的真正目的相混淆。例如，有的學(xué)習(xí)者，學(xué)了很長時間的嵌入式操作系統(tǒng)移植，而不進(jìn)行實際嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)，到了最后，做不好一個嵌入式系統(tǒng)小產(chǎn)品，偏離了學(xué)習(xí)目標(biāo)，甚至放棄了嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域。這就是進(jìn)入了嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)誤區(qū)的情況，下面對此做一些分析。

06

嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)誤區(qū)

關(guān)于嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法，因?qū)W習(xí)經(jīng)歷、學(xué)習(xí)環(huán)境、學(xué)習(xí)目的、已有的知識基礎(chǔ)等不同，可能在學(xué)習(xí)順序、內(nèi)容選擇、實踐方式等方面有所不同。但是，應(yīng)該明確哪些是必備的基礎(chǔ)知識，哪些應(yīng)該先學(xué)，哪些應(yīng)該后學(xué)，哪些必須通過實踐才能獲得的，哪些是與具體芯片無關(guān)的通用知識，哪些是與具體芯片或開發(fā)環(huán)境相關(guān)的知識。

由于微處理器與微控制器種類繁多，也可能由于不同公司、不同機構(gòu)出于自身的利益，給出一些誤導(dǎo)性宣傳，特別是我國嵌入式微控制器制造技術(shù)的落后及其他相關(guān)情況，使得人們對微控制器的發(fā)展，在認(rèn)識與理解上存在差異。導(dǎo)致一些初學(xué)者，進(jìn)入了嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)誤區(qū)，浪費了寶貴的學(xué)習(xí)時間。下面分析初學(xué)者可能存在的幾個誤區(qū)。

如果說，學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)不是為了開發(fā)其應(yīng)用產(chǎn)品，那就沒有具體目標(biāo)了，許多諸如學(xué)習(xí)方法問題也就不必談了。實際上，這正是許多人想學(xué)，又不知從何開始學(xué)習(xí)的關(guān)鍵問題所在，不知道自己學(xué)習(xí)的具體目標(biāo)。于是，看了一些培訓(xùn)廣告，看了書店中書架上種類繁多的嵌入式系統(tǒng)的書籍，或上網(wǎng)以“嵌入式系統(tǒng)”為關(guān)鍵詞進(jìn)行查詢，然后參加培訓(xùn)或看書，開始“學(xué)習(xí)起來”。對于有計算機閱歷的人，往往選擇一個嵌入式操作系統(tǒng)就開始學(xué)習(xí)了。不好聽的比喻，有點象“瞎子摸大象”，只了解其一個側(cè)面。這樣如何能對嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)過程有個全面了解呢？針對許多初學(xué)者選擇“xxx嵌入式操作系統(tǒng)+xxx處理器”的嵌入式系統(tǒng)入門學(xué)習(xí)模式，我認(rèn)為是不合適的。我的建議是：首先把嵌入式系統(tǒng)軟件與硬件基礎(chǔ)打好了，再根據(jù)實際需要，選擇一種實時操作系統(tǒng)（RTOS）進(jìn)行學(xué)習(xí)實踐。要記住：RTOS是開發(fā)某些類嵌入式產(chǎn)品的輔助工具，是手段，不是目的。許多類嵌入式產(chǎn)品，并不需要RTOS。所以，一開始就學(xué)習(xí)RTOS，并不符合學(xué)習(xí)“由淺入深、循序漸進(jìn)”的學(xué)習(xí)規(guī)律。

RTOS本身由于種類繁多，實際使用何種RTOS，一般需要工作單位確定?；A(chǔ)階段主要學(xué)習(xí)RTOS的基本原理與在RTOS之上的軟件開發(fā)方法，而不是學(xué)習(xí)如何設(shè)計RTOS。以開發(fā)實際嵌入式產(chǎn)品為目標(biāo)的學(xué)習(xí)者，不要把過多的精力花在設(shè)計或移植RTOS上面。正如很多人使用Windows操作系統(tǒng)，而設(shè)計Windows操作系統(tǒng)只有Microsoft。許多人“研究”Linux，但不使用它，浪費時間了，人的精力是有限的，學(xué)習(xí)必須有所選擇。

硬件與軟件的困惑

以MCU為核心的嵌入式技術(shù)的知識體系必須通過具體的MCU來體現(xiàn)、實踐與訓(xùn)練。但是，選擇任何型號的MCU，其芯片相關(guān)的知識只占知識體系的20%，80%是通用知識。但是80%的通用知識，必須通過具體實踐才能進(jìn)行，所以學(xué)習(xí)嵌入式技術(shù)要選擇一個系列的MCU。但不論如何，系統(tǒng)含有硬件與軟件兩大部分，它們之間的關(guān)系如何？

有些學(xué)者，僅從電子角度認(rèn)識嵌入式系統(tǒng)。認(rèn)為“嵌入式系統(tǒng)=MCU硬件系統(tǒng)+小程序”。這些學(xué)者，大多學(xué)習(xí)背景是具有良好的電子技術(shù)基礎(chǔ)知識。實際情況是，早期MCU內(nèi)部RAM小、程序存儲器外接，需要外擴各種I/O，沒有象現(xiàn)在這樣USB、嵌入式以太網(wǎng)等較復(fù)雜的接口，因此，程序占總設(shè)計量小于50%，使人們認(rèn)為嵌入式系統(tǒng)（單片機）是“電子系統(tǒng)”，以硬件為主、程序為輔。但是，隨著MCU制造技術(shù)的發(fā)展，不僅MCU內(nèi)部RAM越來越大，F(xiàn)lash進(jìn)入MCU內(nèi)部改變了傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與調(diào)試方式，固件程序可以被更方便地調(diào)試與在線升級，許多情況與開發(fā)PC機程序方便程度相差無幾，只不過開發(fā)環(huán)境與運行環(huán)境不是同一載體而已。這些情況使得嵌入式系統(tǒng)的軟件硬件設(shè)計方法發(fā)生了根本變化。

有些學(xué)者，僅從軟件開發(fā)角度認(rèn)識嵌入式系統(tǒng)，甚至有的僅從嵌入式操作系統(tǒng)認(rèn)識嵌入式系統(tǒng)。這些學(xué)者，大多具有良好的計算機軟件開發(fā)基礎(chǔ)知識，認(rèn)為硬件是生產(chǎn)廠商的事，沒有認(rèn)識到，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的軟件與硬件均是需要開發(fā)者設(shè)計的。我常常接到一些關(guān)于嵌入式產(chǎn)品穩(wěn)定性的咨詢電話，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)是由于軟件開發(fā)者對底層硬件的基本原理不理解造成的。特別是，有些功能軟件開發(fā)者，過分依賴于底層硬件的驅(qū)動軟件設(shè)計完美，自己對底層驅(qū)動原理知之甚少。實際上，一些功能軟件開發(fā)者，名義上在做嵌入式軟件，實際上，僅僅使用嵌入式編輯、編譯環(huán)境而已，本質(zhì)與開發(fā)通用PC機軟件沒有兩樣。

而底層硬件驅(qū)動軟件的開發(fā)，若不全面考慮高層功能軟件對底層硬件的可能調(diào)用，也會使得封裝或參數(shù)設(shè)計得不合理或不完備，導(dǎo)致高層功能軟件的調(diào)用困難。從這段描述可以看出，若把一個嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)孤立地分為硬件設(shè)計、底層硬件驅(qū)動軟件設(shè)計、高層功能軟件設(shè)計，一旦出現(xiàn)了問題，就可能難以定位。實際上，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計是一個軟件、硬件協(xié)同設(shè)計工程，不能象通用計算機那樣，軟件、硬件完全分開來看，要在一個大的框架內(nèi)協(xié)調(diào)工作。 面對學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)以軟件為主還是以硬件為主，或是如何選擇切入點，如何在軟件與硬件之間取得一些平衡。對于這個困惑的建議是：要想成為一名真正的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師，在初學(xué)階段，必須重視打好嵌入式系統(tǒng)的硬件與軟件基礎(chǔ)。以下是從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計二十多年的一個美國學(xué)者John Catsoulis 在《Designing Embedded Hardware》一書中關(guān)于這個問題的總結(jié)：嵌入式系統(tǒng)與硬件緊密相關(guān)，是軟件與硬件的綜合體，沒有對硬件的理解就不可能寫好嵌入式軟件，同樣沒有對軟件的理解也不可能設(shè)計好嵌入式硬件。

嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品種類繁多，應(yīng)用領(lǐng)域各異。在2.1小節(jié)中，我們把嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍粗略分為電子系統(tǒng)的智能化與計算機應(yīng)用的延伸兩大類，從初學(xué)者角度，可能有分別從這兩個角度片面認(rèn)識嵌入式系統(tǒng)的問題。因此，一些從電子系統(tǒng)智能化角度認(rèn)識嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)者，可能會忽視編程結(jié)構(gòu)、編程規(guī)范、軟件工程的要求、操作系統(tǒng)等知識的積累。另一些從計算機應(yīng)用的延伸角度認(rèn)識嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)者，可能會把通用計算機學(xué)習(xí)過程中的概念與方法生搬硬套到嵌入式系統(tǒng)的實踐中，忽視嵌入式系統(tǒng)與通用計算機的差異。

實際上，在嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)與實踐的初始階段，應(yīng)該充分了解嵌入式系統(tǒng)的特點，根據(jù)自身的已有知識結(jié)構(gòu)，制定適合自身情況的學(xué)習(xí)計劃。目標(biāo)應(yīng)該是打好嵌入式系統(tǒng)的硬件與軟件基礎(chǔ)，通過實踐，為成為良好的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師建立起基本知識結(jié)構(gòu)。學(xué)習(xí)過程，可以通過具體應(yīng)用系統(tǒng)為實踐載體，但不能拘泥于具體系統(tǒng)，應(yīng)該有一定的抽象與歸納。例如，有的初學(xué)者開發(fā)一個實際控制系統(tǒng)，沒有使用實時操作系統(tǒng)，但不要認(rèn)為實時操作系統(tǒng)不需要學(xué)習(xí)。又例如，有的初學(xué)者以一個帶有實時操作系統(tǒng)的樣例為藍(lán)本進(jìn)行學(xué)習(xí)，但不要認(rèn)為，任何嵌入式系統(tǒng)都需要使用實時操作系統(tǒng)，甚至把一個十分簡明的實際系統(tǒng)加上一個不必要的實時操作系統(tǒng)。因此，片面認(rèn)識嵌入式系統(tǒng)，可能導(dǎo)致學(xué)習(xí)困惑。應(yīng)該根據(jù)實際項目需要，鍛煉自己分析實際問題、解決問題的能力。這是一個比較長期的學(xué)習(xí)與實踐過程，不能期望通過短期培訓(xùn)完成整體知識體系的建立，應(yīng)該重視自身實踐，全面地理解嵌入式系統(tǒng)的知識體系。

嵌入式系統(tǒng)的大部分初學(xué)者需要選擇一個微控制器（MCU）進(jìn)行入門級學(xué)習(xí)，面對眾多廠家生產(chǎn)的微控制器系列，不知如何是好。

首先是關(guān)于位數(shù)問題，目前主要有8位、16位、32位，面對嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的多樣性，不同位數(shù)的MCU各有應(yīng)用領(lǐng)域，這一點與通用微機有很大不同。你做一個遙控器，不需要使用一個32位MCU，可能一個MCU芯片價格已經(jīng)超過遙控器價格需求。對于首次接觸嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)者，可以根據(jù)自己的知識基礎(chǔ)選擇入門芯片的位數(shù)。建議大多數(shù)初學(xué)者，可以選擇一個8位MCU作為快速入門芯片，了解一些匯編與底層硬件知識，之后再選一個16位或32位芯片進(jìn)行學(xué)習(xí)實踐。

關(guān)于芯片選擇的另一個誤區(qū)，認(rèn)為有“主流芯片”存在，嵌入式系統(tǒng)也可以形成芯片壟斷。這完全是一種誤解，是套用通用計算機系統(tǒng)的思維模式，而忽視了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的多樣性。

關(guān)于學(xué)習(xí)芯片選擇還有一個誤區(qū)，是系統(tǒng)的工作頻率。誤認(rèn)為選擇工作頻率高的芯片進(jìn)行入門學(xué)習(xí)，表示更先進(jìn)。實際上，工作頻率高可能給初學(xué)者帶來學(xué)習(xí)過程中的不少困難。

實際嵌入式系統(tǒng)設(shè)計不是追求芯片位數(shù)、工作頻率、操作系統(tǒng)等因素，而是追求穩(wěn)定可靠、維護(hù)、升級、功耗、價格等指標(biāo)。而初學(xué)者選擇入門芯片，是通過某一MCU作為藍(lán)本獲得嵌入式系統(tǒng)知識體系的通用基礎(chǔ)，其基本原則是：入門時間較快、硬件成本較少，知識要素較多，學(xué)習(xí)難度較低。

07

基礎(chǔ)階段的學(xué)習(xí)建議

基于以上討論，21ic家總結(jié)了渴望學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的學(xué)子提出幾點基礎(chǔ)階段的學(xué)習(xí)建議：

（1）嵌入式系統(tǒng)軟件硬件密切相關(guān)，一定要打好軟件硬件基礎(chǔ)。其實，只要找到正確的方法，加上努力，任何理工科學(xué)生，甚至非理工科學(xué)生，都能學(xué)好嵌入式系統(tǒng)。

（2）選擇一個芯片及硬件評估板（入門芯片最好是簡單一點，例如8位MCU）、選擇一本好書（最好有規(guī)范的例子）、找一位好老師（最好是有經(jīng)驗且熱心的）。硬件評估板的價格一定要在1000元以下，不要太貴，最好能有自己動手的空間。不花一分硬件錢，要想學(xué)好嵌入式系統(tǒng)不實際。因為，這是實踐性很強的學(xué)科。好書，可以使你少走彎路，不會被誤導(dǎo)，要知道有的書是會使人進(jìn)入學(xué)習(xí)誤區(qū)的。好老師也可以是做過一些實際項目的學(xué)長（一定要找做過幾個成功項目的學(xué)長或老師做指導(dǎo)，否則，經(jīng)驗不足也可能誤導(dǎo)），有教師指導(dǎo)，學(xué)習(xí)進(jìn)程會加快（人工智能學(xué)科里有個術(shù)語叫無教師指導(dǎo)學(xué)習(xí)模式與有教師指導(dǎo)學(xué)習(xí)模式，無教師指導(dǎo)學(xué)習(xí)模式比有教師指導(dǎo)學(xué)習(xí)模式復(fù)雜許多）。

（3）許多人怕硬件，其實嵌入式系統(tǒng)硬件比電子線路好學(xué)多了。只要深入理解MCU的硬件最小系統(tǒng)，對I/O口、串行通信、鍵盤、LED、LCD、SPI、I2C、PWM、A/D（包括一些傳感器）、D/A等逐個實驗理解，逐步實踐。再通過自己做一個實際的小系統(tǒng)，底層硬件基礎(chǔ)就有了。各個硬件模塊驅(qū)動程序的編寫是嵌入式系統(tǒng)的必備基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的初期，這個過程是必須的。

（4）至于嵌入式實時操作系統(tǒng)RTOS，一定不要一開始就學(xué)，這樣會走很多彎路，也會使你對嵌入式系統(tǒng)感到畏懼。等你軟件硬件基礎(chǔ)打好了，再學(xué)習(xí)就感到容易理解。實際上，眾多嵌入式應(yīng)用，并不一定需要操作系統(tǒng)。也可以根據(jù)實際項目需要再學(xué)習(xí)特定的RTOS。一定不要被一些嵌入式實時操作系統(tǒng)培訓(xùn)班宣傳所誤導(dǎo)，而忽視實際嵌入式系統(tǒng)軟件硬件基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)。

（5）要避免片面地單純從“電子”或“計算機軟件”角度認(rèn)識嵌入式系統(tǒng)。前面說過，嵌入式系統(tǒng)是軟件與硬件的綜合體。因此，要逐步從MCU的最小系統(tǒng)開始，一點一點理解硬件原理及底層硬件驅(qū)動編程方法。要通過規(guī)范的例子，理解軟件工程封裝、可復(fù)用等思想。通過規(guī)范編程，積累底層構(gòu)件（Component），也就是一個一個模塊，但是要封裝得比較好，可復(fù)用。

（6）注重實驗與實踐。這里說的實驗主要指通過重復(fù)或驗證他人的工作，目的是學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識，這個過程一定要經(jīng)歷。實踐是自己設(shè)計，有具體的“產(chǎn)品”目標(biāo)。如果你能花500元左右自己做一個具有一定功能的小產(chǎn)品，且能穩(wěn)定運行1年以上，就可以說接近入門了。

（7）關(guān)于入門芯片的選擇。不要選太復(fù)雜的微控制器作為入門芯片，不能超越學(xué)習(xí)過程。不要一下子學(xué)習(xí)幾種芯片，可以通過一個芯片入門并具有一個實踐經(jīng)驗后，根據(jù)實際需要選擇芯片開發(fā)實際產(chǎn)品。注意，不要把微處理器（MPU）與微控制器（MCU）概念相混淆，微處理器只是微控制器的內(nèi)核。

（8）關(guān)于操作系統(tǒng)的選擇?？梢缘鹊侥憔哂幸欢▽嵺`后，選擇一個簡單容易理解原理的進(jìn)行學(xué)習(xí)，不要一開始就學(xué)習(xí)幾種操作系統(tǒng)，理解了基本原理，實踐中確有實際需要再學(xué)習(xí)也不遲。人總是要不斷學(xué)習(xí)的。

（9）關(guān)于匯編與C語言的取舍。隨著MCU對C編譯的優(yōu)化支持，對于匯編可以只了解幾個必須的語句，直接使用C語言編程。但必須通過第一個程序理解芯片初始化過程、中斷機制、程序存儲情況等區(qū)別于PC機程序的內(nèi)容。另外，為了測試的需要，最好掌握一門PC機編程語言。

（10）要明確自己的學(xué)習(xí)目的，并注意學(xué)習(xí)方法。關(guān)于學(xué)習(xí)目的要明確是打基礎(chǔ)，還是為了適應(yīng)某些工作而進(jìn)行的短訓(xùn);而學(xué)習(xí)方法方面，要根據(jù)學(xué)習(xí)目的選擇合適的學(xué)習(xí)途徑，注意理論學(xué)習(xí)與實踐、通用知識與芯片相關(guān)知識、硬件知識與軟件知識的平衡，要在理解軟件工程基本原理基礎(chǔ)上理解硬件構(gòu)件與軟件構(gòu)件等基本概念。

以上建議，僅供參考。 當(dāng)然，以上只是基礎(chǔ)階段的學(xué)習(xí)建議，要成為良好的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師，還需要在實際項目中鍛煉，并不斷學(xué)習(xí)與積累經(jīng)驗。

責(zé)任編輯：haq