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wsdymg的博客——无声笛在听风

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[博客大赛]+嵌入式系统的学习路线图
发布时间:2016-06-14 19:55:35
技术类别:嵌入式
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嵌入式系统无疑是当前最热门最有发展前途的IT应用领域之一。嵌入式系统用在一些特定专用设备上,通常这些设备的硬件资源(如处理器、存储器等)非常有限,并且对成本很敏感,有时对实时响应要求很高等。特别是随着消费家电的智能化,嵌入式更显重要。像我们平常常见到的手机、PDA、电子字典、可视电话、VCD/DVD/MP3 Player、数字相机(DC)、数字摄像机(DV)、U-Disk、机顶盒(Set Top Box)、高清电视(HDTV)、游戏机、智能玩具、交换机、路由器、数控设备或仪表、汽车电子、家电控制系统、医疗仪器、航天航空设备..等等都是典型的嵌入式系统。

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嵌入式系统是软硬结合的东西,搞嵌入式开发的人有两类。

一类是学电子工程、通信工程等偏硬件专业出身的人,他们主要是搞硬件设计,有时要开发一些与硬件关系最密切的最底层软件,如BootLoader、Board Support Package(像PC的BIOS一样,往下驱动硬件,往上支持操作系统),最初级的硬件驱动程序等。他们的优势是对硬件原理非常清楚,不足是他们更擅长定义各种硬件接口,但对复杂软件系统往往力不从心(例如嵌入式操作系统原理和复杂应用软件等)。

另一类是学软件、计算机专业出身的人,主要从事嵌入式操作系统和应用软件的开发。如果我们学软件的人对硬件原理和接口有较好的掌握,我们完全也可写BSP和硬件驱动程序。嵌入式硬件设计完后,各种功能就全靠软件来实现了,嵌入式设备的增值很大程度上取决于嵌入式软件,这占了嵌入式系统的最主要工作(目前有很多公司将硬件设计包给了专门的硬件公司,稍复杂的硬件都交给台湾或国外公司设计,国内的硬件设计力量很弱,很多嵌入式公司自己只负责开发软件,因为公司都知道,嵌入式产品的差异很大程度在软件上,在软件方面是最有"花头"可做的),所以我们搞软件的人完全不用担心我们在嵌入式市场上的用武之地,越是智能设备越是复杂系统,软件越起关键作用,而且这是目前的趋势。

从事嵌入式软件开发的好处是:

(1) 目前国内外这方面的人都很稀缺。一方面,是因为这一领域入门门槛较高,不仅要懂较底层软件(例如操作系统级、驱动程序级软件),对软件专业水平要求较高(嵌入式系统对软件设计的时间和空间效率要求较高),而且必须懂得硬件的工作原理,所以非专业IT人员很难切入这一领域;另一方面,是因为这一领域较新,目前发展太快,很多软硬件技术出现时间不长或正在出现(如ARM处理器、嵌入式操作系统、MPEG技术、无线通信协议等),掌握这些新技术的人当然很找。嵌入式人才稀缺,身价自然就高,越有经验价格就越高。其实嵌入式人才稀少,根本原因可能是大多数人无条件接触,这需要相应的嵌入式开发板和软件,另外需要有经验的人进行指导开发流程。

(2) 与企业计算等应用软件不同,嵌入式领域人才的工作强度通常低一些。搞企业应用软件的IT企业,这个用户的系统搞完了,又得去搞下一个用户的,而且每个用户的需求和完成时间都得按客户要求改变,往往疲于奔命,重复劳动。相比而言,搞嵌入式系统的公司,都有自己的产品计划,按自己的节奏行事。所开发的产品通常是通用的,不会因客户的不同而修改。一个产品型号开发完了,往往有较长一段空闲时间(或只是对软件进行一些小修补),有时间进行充电和休整。另外,从事嵌入式软件的每个人工作范围相对狭窄,所涉及的专业技术范围就是那些(ARM、RTOS、MPEG、802.11等),时间长了这些东西会越搞越有经验,卖卖老本,几句指导也够让那些初入道者琢磨半年的。若搞应用软件,可能下一个客户要换成一个完全不同的软件开发平台,那就苦了。

(3) 哪天若想创业,搞自已的产品,那么嵌入式是一个不错的主意,这可不像应用软件那样容易被盗版。土木学院有一个叫启明星的公司开发出一个好象叫“工程e”的掌上PDA(南校区门口有广告),施工技术人员用该PDA可当场进行土木概预算和其它土木计算,据说销路特好。我认识的某大学老师,他开发的饭馆用的点菜PDA(WinCE平台,可无线连网和上网),据他说销路不错,饭馆点点PDA让客户点菜,多显派头档次。我记得00级2+2班当年有一组同学在学Windows程序设计课程时用VC++设计了一个功能很强的点菜系统做为课程项目,当时真想建议他们将这个软件做成PDA,估计会有些销路(上海火车站南广场的Macdonald便使用很漂亮的PDA给用户点食品,像摸像样的)。这些PDA的硬件设计一般都是请其它公司给订做(这叫“贴牌”:OEM),都是通用的硬件,我们只管设计软件就变成自己的产品了。

从事嵌入式软件开发的缺点是:

(1) 入门起点较高,所用到的技术往往都有一定难度,若软硬件基础不好,特别是操作系统级软件功底不深,则可能不适于此行。

(2) 这方面的企业数量要远少于企业计算类企业。特别是从事嵌入式的小企业数量较多(小企业要搞自己的产品创业),知名大公司较少(搞嵌入式的大公司主要有Intel、Motorola、TI、Philip、Samsung、Sony、Futjtum、Bell-Alcatel、意法半导体、Microtek、研华、华为、中兴通信、上广电等制造类企业)。这些企业的习惯思维方式是到电子、通信等偏硬专业找人。

(3)有少数公司经常要硕士以上的人搞嵌入式,主要是基于嵌入式的难度。但大多数公司也并无此要求,只要有经验即可。

我院同学若学习嵌入式,显然应偏重于嵌入式软件,特别是嵌入式操作系统方面,应是我们的强项。对于搞嵌入式软件的人,最重要的技术显然是(实际上很多公司的招聘广告上就是这样写的):
(1) 掌握主流嵌入式微处理器的结构与原理
(2) 必须掌握一个嵌入式操作系统
(3) 必须熟悉嵌入式软件开发流程并至少做过一个嵌入式软件项目。

我院在嵌入式软件方面最重要的课程包括:

(1) 嵌入式微处理器结构与应用:这是一门嵌入式硬件基础课程,我院用这门课取代了传统的“微机原理与接口”课程(目前国内已有少部分高校IT专业这样做了,因为讲x86微机原理与接口很难找到实际用处,只为教学而已)。我们说过,嵌入式是软硬件结合的技术,搞嵌入式软件的人应对ARM处理器工作原理和接口技术有充分了解,包括ARM的汇编指令系统。若不了解处理器原理,怎么能控制硬件工作,怎么能写出节省内存又运行高速的最优代码(嵌入式软件设计特别讲究时空效率),怎么能写出驱动程序(驱动程序都是与硬件打交道的)?很多公司招聘嵌入式软件人员时都要求熟悉ARM处理器,将来若同学到公司中从事嵌入式软件开发,公司都会给你一本该设备的硬件规格说明书 (xxx Specification),您必须能看懂其中的内存分布和端口使用等最基本的说明(就像x86汇编一样),否则怎么设计软件。有些同学觉得嵌入式处理器课程较枯燥,这主要是硬件课程都较抽象的原因.还有同学对ARM汇编不感兴趣,以为嵌入式开发用C语言就足够了。其实不应仅是将汇编语言当成一个程序设计语言,学汇编主要是为了掌握处理器工作原理的。一个不熟悉汇编语言的人,怎么能在该处理器写出最优的C语言代码。在嵌入式开发的一些关键部分,有时还必须写汇编,如Bootloader等(可能还包括BSP)。特别是在对速度有极高要求的场合(如DSP处理器的高速图像采集和图像解压缩),目前主要还要靠汇编写程序(我看到过很多公司是这样做的)。当您在一个嵌入式公司工作时,在查看描述原理的手册时,可能很多都是用汇编描述的(我就遇到过),这是因为很多硬件设计人员只会写或者喜欢用汇编描述,此时您就必须看懂汇编程序,否则软硬件人员可能就无法交流。
目前嵌入式处理器常见的有ARM、PowerPC、MIPS、Motorola 68K、ColdFire(冷火)等,但ARM占据了绝对主流(资料说手机中几乎100%都是ARM处理器)。ARM是一个只卖知识产权的公司,目前获得购买了ARM CPU核授权许可的大公司很多,包括Intel、Samsung、Amstel、Motorola、Philip等,他们都在ARM CPU核的基础上进行了一些外围扩展,形成自己的处理器(如Samsung S3C2410,Motorola i.MXL9328等处理器都是采用ARM 9内核,指令一级是相同的)。而众多中小公司又购买了这些处理器,设计了各种各样的开发板,如华恒等国内很多著名嵌入式公司都生产基于Samsung S3C2410的开发板,供最终用户使用或供教学实验。在ARM这个食物链上,ARM公司是大鱼,Intel、Samsung等公司是小鱼,而华恒等则是虾米,最终用户(想我们要采购嵌入式开发板的实验室)则是喂虾米的。Intel早期生产的是低端ARM(Strong ARM,相当于ARM 7),现在转向主要生产高端ARM(即Intel Xscale处理器,相当于ARM 10,主要用在高端PDA上,如HP和DELL生产的PDA都采用Intel Xscale,价格较高)。目前应用最多的是ARM 7和ARM 9两类处理器。 ARM 7较便宜,可跑uclinux(是一个不支持高级内存管理功能的嵌入式Linux系统)、Vxworks、uc/os II等实时操作系统,但因处理器不带内存管理单元MMU(无内存分页和地址映射机制,所以不能使用虚拟内存),所以不能跑Windows CE,另外通用Linux中的某些内存管理功能也不能用在ARM 7上。ARM 9是一个带MMU功能的高端处理器,可跑WinCE或通用Linux的大多数功能。以上是我的一点了解,可能有不对的地方。我们学院正在建设的嵌入式实验室(10月底到货)包括30套ARM 7系统(拟采用Samsung S3C44b0x开发板,主要用于嵌入式处理器结构、嵌入式linux课程实验),10套ARM 9系统(拟采用Samsung S3C2410x开发板,主要用于Windows CE课程建设),每套实验板都配了高速仿真器,价格都很贵(比我们招标的DELL PC还贵),很容易损坏,同学应爱护使用。

(2) 嵌入式操作系统类课程
除了WinCE的实时性稍差外,大多数嵌入式操作系统的实时性都很强,所以也可称为实时操作系统Real Time Operating System.从事嵌入式的人至少须掌握一个嵌入式操作系统(当然掌握两个更好),这在嵌入式的所有技术中是最为关键的了。目前最重要的RTOS主要包括:

第一类、传统的经典RTOS:最主要的便是Vxworks操作系统,以及其Tornado开发平台。Vxworks因出现稍早,实时性很强(据说可在1ms内响应外部事件请求),并且内核可极微(据说最小可8K),可靠性较高等,所以在北美,Vxworks占据了嵌入式系统的多半疆山。特别是在通信设备等实时性要求较高的系统中,几乎非Vxworks莫属。Vxworks的很多概念和技术都和Linux很类似,主要是C语言开发。像Bell-alcatel、Lucent、华为等通信企业在开发产品时,Vxworks用得很多。但Vxworks因价格很高,所以一些小公司或小产品中往往用不起。目前很多公司都在往嵌入式Linux转(听说华为目前正在这样转)。但无论如何,Vxworks在一段长时间内仍是不可动摇的。与Vxworks类似的稍有名的实时操作系统还有pSOS、QNX、Nucleus等RTOS。

第二类、嵌入式Linux操作系统:Linux的前途除作为服务器操作系统外,最成功的便是在嵌入式领域的应用,原因当然是免费、开源、支持软件多、呼拥者众,这样嵌入式产品成本会低。Linux本身不是一个为嵌入式设计的操作系统,不是微内核的,并且实时性不强。目前应用在嵌入式领域的Linux系统主要有两类:一类是专为嵌入式设计的已被裁减过的Linux系统,最常用的是uClinux(不带MMU功能),目前占较大应用份额,可在ARM7上跑;另一类是跑在ARM 9上的,一般是将Linux 2.4.18内核移植在其上,可使用更多的Linux功能(当然uClinux更可跑在ARM 9上)。很多人预测,嵌入式Linux预计将占嵌入式操作系统的50%以上份额,非常重要。缺点是熟悉Linux的人太少,开发难度稍大。另外,目前我们能发现很多教材和很多大学都以ucOS/II为教学用实时操作系统,这主要是由于ucOS/II较简单,且开源,非常适合入门者学习实时操作系统原理,但由于ucOS/II功能有限,实用用得较少,所以我院不将其作为教学重点,要学习就应学直接实用的,比如 uClinux就很实用。况且熟悉了Linux开发,不仅在嵌入式领域有用,对开发Linux应用软件,对加深操作系统的认识也有帮助,可谓一举多得。据我所知,目前Intel、Philip都在大搞ARM+LINUX的嵌入式开发,Fujitum则是在自己的处理器上大搞Linux开发。目前在嵌入式Linux领域,以下几个方面的人特别难找,一是能将Linux移植到某个新型号的开发版上;二是能写Linux驱动程序的人;三是熟悉Linux内核裁减和优化的人。我院在该嵌入式Linux方面的课程系列是:本科生操作系统必修课,然后是Linux程序设计选修课,最后是嵌入式Linux系统选修课。


第三类、 Windows CE嵌入式操作系统:Microsoft也看准了嵌入式的巨大市场,MS永远是最厉害的,WinCE出来只有几年时间,但目前已占据了很大市场份额,特别是在PDA、手机、显示仪表等界面要求较高或者要求快速开发的场合,WinCE目前已很流行(据说有一家卖工控机的公司板子卖得太好,以至来不及为客户裁减WinCE)。WinCE目前主要为4.2版(.NET),开发平台主要为WinCE Platform Builder,有时也用EVC环境开发一些较上层的应用,由于WinCE开发都是大家熟悉的VC++环境,所以我院学过Windows程序设计课程的同学都不会有多大难度,这也是WinCE容易被人们接受的原因,开发环境方便快速,微软的强大技术支持,WinCE开发难度远低于嵌入式Linux。对于急于完成,不想拿嵌入式Linux冒险的开发场合,WinCE是最合适了(找嵌入式Linux的人可没那么好找的),毕竟公司不能像学生学习那样试试看,保证开发成功更重要。根据不同的侧重点 ,WinCE还有两个特殊版本,一个是MS PocketPC操作系统专用于PDA上(掌上电脑),另一个是MS SmartPhone操作系统用于智能手机上(带PDA功能的手机),两者也都属于WinCE平台。在PDA和手机市场上,除WinCE外,著名的PDA嵌入式操作系统还有Palm OS(因出现很早,很有名)、Symbian等,但在WinCE的强劲冲击下,Palm和Symbian来日还能有多长?我院可能是全国高校中唯一一家开设专门的"Windows CE嵌入式操作系统"课程的学校,这主要是基于以下原因:我院本身前面便有Windows程序设计课程,同学学过VC++后再学WinCE,非常方便自然,通过学习WinCE同样也可了解嵌入式软件的一般开发过程,对Linux有惧怕心理的同学也很合适。很显然,嵌入式Linux永远不可能替代WinCE,而且将来谁占份额大还很难讲,毕竟很多人更愿意接受MS的平台,就像各国政府都在大力推LINUX已好长时间,但您能看到几个在PC机上真正使用LINUX的用户?据我观察,目前在嵌入式平台上,LINUX是叫得最响,但还是WinCE实际用得更多.嵌入式LINUX可能更多地是一些有长远产品计划的公司,为降低成本而进行长远考虑; 二是微软亚洲研究院对我院WinCE课程的支持计划,我们也很希望将来我院能有同学通过微软的面试去实习。WinCE和多媒体(如MPEG技术)是微软亚洲工程院目前做得较多的项目领域之一,他们很需要精通WinCE的人。

总结关于嵌入式操作系统类课程,若您觉得自己功底较深且能钻研下去,则可去学嵌入式Linux;若您觉得自己VC++功底较好且想短平快地学嵌入式开发,则我院的WinCE课程是最好的选择。

(3) 嵌入式开发的其它相关软件课程

搞嵌入式若能熟悉嵌入式应用的一些主要领域,这样的人更受企业欢迎。主要的相关领域包括:
A、数字图像压缩技术:这是嵌入式最重要最热门的应用领域之一,主要是应掌握MPEG编解码算法和技术,如DVD、MP3、PDA、高精电视、机顶盒等都涉及MPEG高速解码问题。为此,我院已预订了一位能开设数字图像处理课程的博士。
B、通信协议及编程技术:这包括传统的TCP/IP协议和热门的无线通信协议。首先,大多数嵌入式设备都要连入局域网或Internet,所以首先应掌握TCP/IP协议及其编程,这是需首要掌握的基本技术;其次,无线通信是目前的大趋势,所以掌握无线通信协议及编程也是是很重要的。无结通信协议包括无线局域网通信协议802.11系列,Bluetooth,以及移动通信(如GPRS、GSM、CDMA等)。
C、网络与信息安全技术:如加密技术,数字证书CA等。我院有这方面的选修课。
D、DSP技术:DSP是Digital Signal Process数字信号处理的意思,DSP处理器通过硬件实现数字信号处理算法,如高速数据采集、压缩、解压缩、通信等。数字信号处理是电子、通信等硬件专业的课程,对于搞软件的人若能了解一下最好。目前DSP人才较缺。如果有信号与系统、数字信号处理等课程基础,对于学习MPEG编解码原理会有很大帮助。

(4)嵌入式开发的相关硬件基础

对于软件工程专业的学生,从事嵌入式软件开发,像数字电路、计算机组成原理、嵌入式微处理器结构等硬件课程是较重要的。另外,汇编语言、C/C++、数据结构和算法、特别是操作系统等软件基础课也是十分重要的。我们的主要目地是能看懂硬件工作原理,但重点应是在嵌入式软件,特别操作系统级软件,那将是我们的优势。
我们的研究生里有些是学电子、通信类专业过来的,有较好的模拟电路和单片机基础,学嵌入式非常合适。嵌入式本身就是从单片机发展过来的,只是单片机不带OS,而现在很多嵌入式应用越来越复杂,以至不得不引入嵌入式操作系统。另外,为追求更高速的信号处理速度,现在在一些速度要求较高的场合,有不少公司是将一些DSP算法,如MPEG压缩解压缩算法等用硬件来实现,这就涉及到HDL数字电路设计技术及其FPGA/IP核实现技术,这方面的人目前市场上也很缺。

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