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嵌入式工程師必須知道的事
如果你是一個嵌入式開發(fā)的學習者，那么就應該跟小編來看看以下這篇為即將進入嵌入式開發(fā)的工程師們詳細講述嵌入式的概念、嵌入式開發(fā)之間的異同以及應該如何做出選擇。是一些經驗之談，希望對大家有所幫助。
嵌入式工程師必須知道的事
一.工程師眼中的“嵌入式系統(tǒng)”
在工程師看來：著重理解“嵌入”的概念，主要從三個方面來理解：
1.從硬件上，將基于CPU的外圍器件，整合到CPU芯片內部，比如早期基于X86體系結構下的計算機，CPU只是有運算器和累加器的功能，一切芯片要靠外部橋路來擴展實現(xiàn)，象串口之類的都是靠外部的16C550/2的串口控制器芯片實現(xiàn)。目前這種串口控制器芯片早已集成到CPU內部。還有PC機有顯卡，而多數(shù)嵌入式處理器都帶有LCD控制器，但某種意義上就相當于顯卡。比較高端的ARM類IntelXscale架構下的IXP網絡處理器CPU內部集成PCI控制器(可配成支持4個PCI從設備或配成自身為CPI從設備);還集成3個NPE網絡處理器引擎，其中兩個對應于兩個MAC地址，可用于網關交換用，而另外一個NPE網絡處理器引擎支持DSL，只要外面再加個PHY芯片即可實現(xiàn)DSL上網功能。IXP系列最高主頻可以達到1.8G，支持2G內存，1G×10或10G×1的以太網口或Febrechannel的光通道。IXP系列應該是目標基于ARM體系結構下由Intel進行整合后成Xscale內核的最高的處理器了。
2、從軟件上，就是在定制操作系統(tǒng)內核里將應用一并選入，編譯后將內核下載到ROM中。而在定制操作系統(tǒng)內核時所選擇的應用程序組件就是完成了軟件的“嵌入”，比如WinCE在內核定制時，會有相應選擇，其中就是wordpad，PDF，MediaPlay等等選擇，如果我們選擇了，在CE啟動后，就可以在界面中找到這些東西，如果是以前PC上的windows操作系統(tǒng)，多半的東西都需要我們得新再裝。
3、把軟件內核或應用文件系統(tǒng)等東西燒到嵌入式系統(tǒng)硬件平臺中的ROM中就實現(xiàn)了一個真正的“嵌入”。以上的定義是我在6、7年前給嵌入式系統(tǒng)下自話側重于理解型的定義，書上的定義也有很多，但在這個領域范圍內，誰都不敢說自己的定義是十分確切的，包括那些專家學者們，因為畢竟嵌入式系統(tǒng)是計算機范疇下的一門綜合性學科。
二.嵌入式系統(tǒng)的分層及對口專業(yè)要求
嵌入式系統(tǒng)分為4層，硬件層、驅動層、操作系統(tǒng)層和應用層。
1.硬件層：是整個嵌入式系統(tǒng)的根本。如果現(xiàn)在單片機及接口這塊很熟悉，并且能用C和匯編語言來編程的話，從嵌入式系統(tǒng)的硬件層走起來相對容易，硬件層也是驅動層的基礎，一個優(yōu)秀的驅動工程師是要能夠看懂硬件的電路圖和自行完成CPLD的邏輯設計的，同時還要對操作系統(tǒng)內核及其調度有相當?shù)氖煜�。但硬件平臺是基礎，增值還要靠軟件。
硬件層比較適合于電子、通信、自動化、機電一體、信息工程類專業(yè)的人來搞。需要掌握的專業(yè)基礎知識有：單片機原理及接口技術、微機原理及接口技術、C語言等。
2.驅動層：這部分相對而言比較難。驅動工程師不僅要能看懂電路圖，還要能對操作系統(tǒng)內核十分的精通，以便其所寫的驅動程序在系統(tǒng)調用時，不會獨占操作系統(tǒng)時間片，而導致其它任務不能運行。若不懂操作系統(tǒng)內核架構和實時調度性，沒有良好的驅動編寫風格，按大多數(shù)書上所說添加的驅動的方式，這樣可能連個初級的驅動工程師的水平都達不到，所寫的驅動在應用調用時就如同windows下我們打開一個程序運行后，再打開一個程序時，要不就是中斷以前的程序，要不就是等上一會才能運行后來打開的程序。想做個好的驅動人員沒有三、四年功底，操作系統(tǒng)內核不研究上幾遍，不是太容易成功的，但其工資在嵌入式系統(tǒng)四層中是最高的。驅動層比較適合于電子、通信、自動化、機電一體、信息工程類專業(yè)尤其是計算機偏體系結構類專業(yè)的人來搞。當然除硬件層所具備的基礎學科外，還要對數(shù)據(jù)結構與算法、操作系統(tǒng)原理、編譯原理都要十分精通。
3.操作系統(tǒng)層：對于操作系統(tǒng)層而言目前可能只能說是簡單的移植，而很少有人來自已寫操作系統(tǒng)，或者寫出缺胳膊少腿的操作系統(tǒng)來，這部分工作大都由驅動工程師來完成。操作系統(tǒng)是負責系統(tǒng)任務的調試、磁盤和文件的管理，而嵌入式系統(tǒng)的實時性十分重要。據(jù)說，XP操作系統(tǒng)是微軟投入300人用兩年時間才搞定的，總時工時是600人/年;中科院軟件所自己的女媧Hopen操作系統(tǒng)估計也得花幾百人/年才能搞定。因此這部分工作相對來講沒有太大意義。
4.應用層：相對來講較為容易。如果會在windows下進行編程接口函數(shù)調用，到操作系統(tǒng)下只是編譯和開發(fā)環(huán)境有相應的變化而已。如果涉及Java方面的編程也是如此。嵌入式系統(tǒng)中涉及算法的由專業(yè)算法的人來處理，不必歸結到嵌入式系統(tǒng)范疇內。但如果涉及嵌入式系統(tǒng)下面的嵌入式數(shù)據(jù)庫、基于嵌入式系統(tǒng)的網絡編程和基于某些應用層面的協(xié)議應用開發(fā)(比如基于SIP、H.323、Astrisk)方面，又較為復雜，并且有度了。
三.目標與定位
先有目標，再去定位。
學ARM，從硬件上講，一方面就是學習接口電路設計，另一方面就是學習匯編和C語言的板級編程。從軟件上講，就是要學習基于ARM處理器的操作系統(tǒng)層面的驅動和移植。這些對于初學者來說必須明確，要么從硬件著手開始學，要么從操作系統(tǒng)的熟悉到應用開始學，但不管學什么，只要不是純的操作系統(tǒng)級以上基于API的應用層的編程，硬件的寄存器類的東西還是要能看懂的、基于板級的匯編和C編程還是要會的。因此針對于嵌入式系統(tǒng)的硬件層和驅動層的人來說，ARM的接口電路設計、ARM的C語言和匯編語言編程及調試開發(fā)環(huán)境還是需要掌握的。
對于初學者必然要把握住方向，自己的目標是什么，自己要在哪一層面上走。然后再著手學習才比較好，與ARM相關的嵌入式系統(tǒng)的較為實際的兩個層面硬件層和驅動層，不管學好了那一層都會很有前途的。如果想從嵌入式系統(tǒng)的應用層面的走的話，可能與ARM及其它體系相去較遠，要著重研究基嵌入式操作系統(tǒng)的環(huán)境應用與相應開發(fā)工具鏈，比如WinCE操作系統(tǒng)下的EVC應用開發(fā)(與windows下的VC相類似)，如果想再有突破就往某些音視頻類的協(xié)議上靠，比如VOIP領域的基于SIP或H.323協(xié)議的應用層開發(fā)，或是基于嵌入式網絡數(shù)據(jù)庫的開發(fā)等等。
對于初學者來講，要量力而行，不要認為驅動層工資高就把它當成方向了，要結合自身特點，嵌入式系統(tǒng)四個層面上無論哪個層面上來講都是有高人存在，當然高人也對應的高工資。我是做硬件層的，以前每月工資中個人所得稅要被扣上近3千大元。當然我一方面充當工程師的角色，一方面充當主管人物的角色，兩個職位我一個人干，但上班時間就那些。硬件這方面上可能與我PK的人很少了，才讓我拿到那么多的工資。
四.如何選擇合適的開發(fā)系統(tǒng)
很多ARM初學者都希望有一套自己能用的系統(tǒng)，但他們往往會產生一種錯誤認識，就是認為處理器版本越高越好，性能越高越好，就象很多人認為ARM9比ARM7好，我想對于初學者在此方面以此入門還應該理智，開發(fā)系統(tǒng)的選擇最終要看自己往嵌入式系統(tǒng)的哪個方向上走，是做驅動開發(fā)還是應用，還是做嵌入式系統(tǒng)硬件層設計與板級測試。如果想從操作系統(tǒng)層面或應用層面上走，不管是驅動還是應用，當然處理器性能越高越好了，但這個東西自學，有十分大的困難，不是幾個月或半年或是一年二年能搞定的事。
在某種意義上講，ARM7與ARM9的差別就是在某些功能指令集上豐富了些，主頻提高一些而已，就比如286和386。對于用戶來講可能覺察不到什么，只能是感覺速度有些快而已。
ARM7比較適合于那些想從硬件層面上走的人，因為ARM7系列處理器內部帶MMU的很少，而且比較好控制。就比如S3C44B0來講，可以很容易將Cache關了，而且內部接口寄存器很容易看明白，各種接口對于用硬件程序控制或AXD單步命令行指令都可以控制起來�；�51單片機的思想很容易搞懂，就當成個32位的單片機，從而消除很多51工程師想轉為嵌入式系統(tǒng)硬件ARM開發(fā)工程師的困惑，從而不會被業(yè)界某些不是真正懂嵌入式爛公司帶到操作系統(tǒng)層面上去，讓他們望而生畏，讓業(yè)界更加缺少這方面的人才。
而嵌入式系統(tǒng)不管硬件設計還是軟件驅動方面都是十分注重接口這部分的，選擇平臺還要考察一個處理器的外部資源，你接觸外部資源越多，越熟悉他們，以后就業(yè)成功的機率就越高，這就是招聘時所說的有無“相關技能”，因為一個人不可能在短短幾年內把所有的處理器都接觸一遍，而招聘單位所用的處理器就可能是我們完全沒有見過的，就拿臺灣數(shù)十家小公司(市價幾千萬)的公司生產的ARM類處理器，也很好用，但這些東西通用性太差，用這些處理器的公司就只能招有相關工作經驗的人了，那什么是相關工作經驗，在硬件上講的是外圍接口設計，在軟件上講是操作系統(tǒng)方面相關接口驅動及應用開發(fā)經驗。我從業(yè)近十年，2000年ARM出現(xiàn)，我一開始做ARM7，然后直接跑到了Xscale(這個板本在ARM10-11之間)，一做就是五年，招人面試都不下數(shù)百人，在這些方面還是深有體會的。
我個人認為三星的S3C44b0對初學者來說比較合適，為什么這么說?因為接口資源比較豐富，技術成熟，資料較多，應該十分適合于初學者。有問題可能很容易找人幫且解決，因為大多數(shù)人都很熟悉，就如同51類的單片機，有N多位專家級的人物可以給你幫忙，相關問題得以很快解答，所然業(yè)界認為這款ARM都用得爛了，但對于初學者來，卻是件好事。
總的來說，開發(fā)系統(tǒng)的選擇，要看自己的未來從業(yè)目標方向，要看開發(fā)板接口資源，還要看業(yè)界的通用性。
五.成為高級嵌入式系統(tǒng)硬件工程師要具備的技能
對于硬件來講有幾個方向，就單純信號來分為數(shù)字和模擬。模擬比較難搞，一般需要很長的經驗積累，單單一個阻值或容值的精度不夠就可能使信號偏差很大。因此年輕人搞的較少，隨著技術的發(fā)展，出現(xiàn)了模擬電路數(shù)字化。比如手機的Modem射頻模塊，都采用成熟的套片，而當年國際上只有兩家公司有此技術，自我感覺模擬功能不太強的人，不太適合搞這個，如果真能搞定到手機的射頻模塊，只要達到一般程度可能月薪都在15K以上。
另一類就是數(shù)字部分了，在大方向上又可分為51/ARM的單片機類，DSP類，F(xiàn)PGA類。國內FPGA的工程師大多是在IC設計公司從事IP核的前端驗證，這部分不搞到門級，前途不太明朗，即使做個IC前端驗證工程師，也要搞上幾年才能勝任。DSP硬件接口比較定型，如果不向驅動或是算法上靠攏，前途也不會太大。而ARM單片機類的內容就較多，業(yè)界產品占用量大，應用人群廣，因此就業(yè)空間極大。而硬件設計最體現(xiàn)水平和水準的就是接口設計這塊，這是各個高級硬件工程師相互PK、判定水平高低的依據(jù)。而接口設計這塊最關鍵的是看時序，而不是簡單的連接，比如PXA255處理器I2C要求速度在100Kbps，如果把一個I2C外圍器件，最高還達不到100kbps的與它相接，必然要導致設計的失敗。這樣的情況有很多，比如51單片機可以在總線接LCD，但為什么這種LCD就不能掛在ARM的總線上，還有ARM7總線上可以外接Winband的SD卡控制器，但為什么這種控制器接不到ARM9或是Xscale處理器上，這些都是問題。因此接口并不是一種簡單的連接，要看時序，要看參數(shù)。一個優(yōu)秀的硬件工程師應該能夠在沒有參考方案的前提下設計出一個在成本和性能上更加優(yōu)秀的產品，靠現(xiàn)有的方案，也要進行適當?shù)目尚行圆眉�，但不是胡亂的來，我遇到一個工程師把方案中的5V變1.8V的DC芯片，直接更換成LDO，有時就會把CPU燒上幾個。前幾天還有人希望我?guī)兔Π阉麄円郧盎赑XA255平臺的手持GPS設備做下程序優(yōu)化，我問了一下情況，地圖是存在SD卡中的，而SD卡與PXA255的MMC控制器間采用的SPI接口，因此導致地圖讀取速度十分的慢，這種情況是設計中嚴重的缺陷，而不是程序的問題。因此我提了幾條建議，讓他們更新試下再說。
因此想成為一個優(yōu)秀的工程師，需要對系統(tǒng)整體性的把握和對已有電路的理解，換句話說，給你一套電路圖你能看明白多少，看不明白80%以上的話，說明你離優(yōu)秀的工程師還差得遠。其次是電路的調試能力和審圖能力，但最最基本的能力還是原理圖設計、PCB繪制、邏輯設計這塊。這是指的硬件設計工程師，從上面的硬件設計工程師中還可以分出ECAD工程師，就是專業(yè)的畫PCB板的工程師，和EMC設計工程師，幫人家解決EMC的問題。硬件工程師再往上就是板級測試工程師，就是C語言功底很好的硬件工程師，在電路板調試過程中能通過自已編寫的測試程序對硬件功能進行驗證。然后再交給基于操作系統(tǒng)級的驅動開發(fā)人員�？傊布膬热莺芏嗪茈s，硬件哪方面練成了都會成為一個高手，我時常會給人家做下方案評估，很多高級硬件工程師設計的東西，經常被我一句話否定。因此工程師做到我這種地步，也會得罪些人，但硬件的確會有很多不為人知的東西，讓很多高級硬件工程師也摸不到頭腦。
那么高級硬件工程師技術技能都要具備哪些?首先要掌握EDA設計的輔助工具類如ProtelORCADPowperPCBMaplux2ISE、VDHL語言，要能用到這些工具畫圖畫板做邏輯設計，再有就是接口設計審圖能力，再者就是調試能力，如果能走到總體方案設計這塊，那就基本上快成為資深工程師了。
深入了解各種器件特性，選擇最合適的處理器、外圍器件、操作系統(tǒng)和軟件庫，盡可能地優(yōu)化軟件設計，最貼切地滿足應用需求，以獲得最好的系統(tǒng)性價比，是嵌入式系統(tǒng)設計開發(fā)的精髓。
硬件是要靠經驗，也要靠積累的，十年磨一劍，百年磨一針。
不過最后提醒大家：追求技術不是人生的唯一目的,切不可把它當成喜悅的唯一源泉,平時身邊有很多美好的事物都值得用心去珍惜。呵呵,我已經在擔心自己的智力是否會在30歲到來之前枯竭了.好好珍惜短暫的大學生活,好好珍惜自己的青春,不要整天呆在實驗室,左手鍵盤右手烙鐵的。
學習嵌入式的步驟
(一)基礎準備
明確學習方向為Linux方向，熟悉嵌入式Linux系統(tǒng)操作平臺。搞清楚系統(tǒng)的安裝和使用方法，避免影響學習效率。對于零基礎小白來說，熟悉嵌入式Linux系統(tǒng)操作平臺至關重要。可以選擇在自己的電腦上直接安裝Linux系統(tǒng)，也可以使用虛擬機或遠程服務器進行練習。通過實際操作，逐漸熟悉Linux的基本命令行操作、文件和目錄管理以及權限設置等功能，為后續(xù)的嵌入式學習打下堅實的基礎。
(二)逐步深入學習
掌握Linux基本操作
學習使用命令行、管理文件和目錄、設置權限和用戶等操作。Linux的命令行是其強大之處，通過命令可以快速執(zhí)行各種任務。管理文件和目錄能夠讓開發(fā)者高效地組織和查找項目文件。設置權限和用戶則可以保證系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，不同的用戶可以擁有不同的權限，防止誤操作和數(shù)據(jù)泄露。
學習C語言基礎
C語言是嵌入式開發(fā)的基石，可直接操作底層資源，也是很多操作系統(tǒng)和庫的實現(xiàn)語言。C語言接近硬件，能夠直接操作內存和寄存器等底層資源，在嵌入式開發(fā)中起著至關重要的作用。同時，很多操作系統(tǒng)和庫也是用C語言實現(xiàn)的。
了解數(shù)據(jù)結構
數(shù)據(jù)結構用于組織和存儲數(shù)據(jù)，不同結構有不同特點。數(shù)據(jù)結構是嵌入式開發(fā)中提高程序效率和可讀性的重要手段。不同的數(shù)據(jù)結構有不同的特點和適用場景，需要根據(jù)實際情況進行選擇。
邁入系統(tǒng)編程
涉及文件編程、進程控制、多線程編程和網絡編程。系統(tǒng)編程在嵌入式開發(fā)中涉及文件編程、進程控制、多線程編程和網絡編程等內容，需要理解操作系統(tǒng)的原理和機制，如文件系統(tǒng)、進程狀態(tài)、線程同步、套接字通信等。
入門單片機
51單片機適合初學者，了解硬件原理和操作方法。51單片機對硬件知識要求不高，是入門的首選。學習51單片機可以了解硬件的基本原理和操作方法，如如何連接電源、如何配置引腳、如何編寫驅動程序等。
深入學習STM32
基于ARM架構的32位單片機，性能更強。STM32是一種基于ARM架構的32位單片機，性能比51單片機更強大。它有很多種類和型號，可以滿足不同的需求和場景。
進階ARMCortexA
主流處理器架構，可運行Linux操作系統(tǒng)。ARMCortexA系列是當前主流的處理器架構，可運行Linux操作系統(tǒng)，支持多任務和多線程。
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