【E問E答】嵌入式和單片機(jī)不一樣？那它們的區(qū)別在哪？

　　單片機(jī)和嵌入式，其實(shí)沒有什么標(biāo)準(zhǔn)的定義來區(qū)分他們，對于進(jìn)行過單片機(jī)和嵌入式開發(fā)的開發(fā)者來說，都有他們自己的定義，接下來，就談?wù)劚救藢@兩個(gè)概念的理解和感悟。

　　首先明確概念，什么是單片機(jī)，單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能(可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路)集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì)80年代，由當(dāng)時(shí)的4位、8位單片機(jī)，發(fā)展到現(xiàn)在的300M的高速單片機(jī)。

　　比如最經(jīng)典的51系列單片機(jī)，如下圖所示，外觀只是一塊一個(gè)拇指大小的長方體芯片，共40個(gè)引腳，里面包含了邏輯運(yùn)算單元。實(shí)際上也就是一個(gè)cpu。

　　在最開始接觸單片機(jī)的時(shí)候，還曾經(jīng)有過一個(gè)疑問，為什么單片機(jī)是黑色的而不可以是別的顏色，后來才知道是單片機(jī)材料的限制。

　　對單片機(jī)而言，其實(shí)一個(gè)芯片就是全部，其他的比如單片機(jī)最小系統(tǒng)都是為了單片機(jī)的正常運(yùn)作而加入其他元件，比如晶振，5v電源，電感電阻等。當(dāng)然最小系統(tǒng)只能保證單片機(jī)正常運(yùn)行，幾乎實(shí)現(xiàn)不了基于單片機(jī)的任何應(yīng)用。為了使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，必須要加入其他外設(shè)。比如按鍵，led燈，led屏，蜂鳴器，各種sensor。這也就是市面上很多公司都在做的單片機(jī)開發(fā)板。

　　總結(jié)，單片機(jī)就是完成運(yùn)算、邏輯控制、通信等功能的單一模塊。也就是單片機(jī)真的姓“單”。DSP芯片也可以認(rèn)為是一個(gè)單片機(jī)。當(dāng)然它們性能很強(qiáng)大，但是功能依然很單一，總之就是處理數(shù)據(jù)、邏輯。

　　那么什么是嵌入式呢，一般說嵌入式都是指嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)是將應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)、和計(jì)算機(jī)硬件在一起的系統(tǒng)，是指以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，其針對的用戶應(yīng)用對功能、可靠性、成本、體積、功耗和使用環(huán)境有特殊要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。IEEE(InsTItuteof Electrical and ElectronicsEngineers，美國電氣和電子工程師協(xié)會)對嵌入式系統(tǒng)的定義：“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”。

　　嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，作為裝置或設(shè)備的一部分。通常，嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)控制程序存儲在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實(shí)上，所有帶有數(shù)字接口的設(shè)備，如手表、微波爐、錄像機(jī)、汽車等，都使用嵌入式系統(tǒng)，有些嵌入式系統(tǒng)還包含操作系統(tǒng)，但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是由單個(gè)程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)控制邏輯。這是因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)一般用于工業(yè)控制，也就是說對外設(shè)的控制都是寫死的，并不需要人工干預(yù)，同時(shí)也為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠。

　　我們經(jīng)?？梢月牭焦菊衅傅囊笫乔度胧杰浖こ處熁蛘咔度胧接布こ處煟簿褪钦f嵌入式系統(tǒng)包括軟件和硬件，其實(shí)仔細(xì)想想也能明白，都已經(jīng)跑系統(tǒng)了，當(dāng)然有軟件也有bsp硬件啦。也就是說嵌入式系統(tǒng)是軟硬件結(jié)合體，國內(nèi)普遍認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)定義為：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　　接下來將嵌入式分成硬件和軟件詳細(xì)說明 硬件層：

　　硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲器(SDRAM、ROM、Flash等)、通用設(shè)備接口和I/O接口(A/D、D/A、I/O等)。在一片嵌入式處理器基礎(chǔ)上添加電源電路、時(shí)鐘電路和存儲器電路，就構(gòu)成了一個(gè)嵌入式核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以固化在ROM中。

　　其中核心就是微處理器，嵌入式處理器和一般的電腦cpu還有區(qū)別，嵌入式微處理器大多工作在特定設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，比如TI或者Atmel公司都有很多定位不同的處理器，atmel的SAM系列是專門為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的，AVR則由于性能十分突出，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

　　嵌入式微處理器有各種不同的體系，即使在同一體系中也可能具有不同的時(shí)鐘頻率和數(shù)據(jù)總線寬度，或集成了不同的外設(shè)和接口。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界嵌入式微處理器已經(jīng)超過1000多種，體系結(jié)構(gòu)有30多個(gè)系列，其中主流的體系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但與全球PC市場不同的是，沒有一種嵌入式微處理器可以主導(dǎo)市場，僅以32位的產(chǎn)品而言，就有100種以上的嵌入式微處理器。嵌入式微處理器的選擇是根據(jù)具體的應(yīng)用而決定的。

　　比如arm公司有各種各樣的處理器架構(gòu)，最經(jīng)典的cortex系列，它屬于ARMv7架構(gòu)，這是到2010年為止ARM公司最新的指令集架構(gòu)。ARMv7架構(gòu)定義了三大分工明確的系列：“A”系列面向尖端的基于虛擬內(nèi)存的操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用;“R”系列針對實(shí)時(shí)系統(tǒng);“M”系列對微控制器。下圖就是cortex系列的不同定位。

　　在嵌入式領(lǐng)域，可以說arm架構(gòu)的處理器占據(jù)了半壁江山，而arm公司也成為著名的科技公司，而它卻沒有生產(chǎn)任何處理器，而只是提供了IP，可以看出一流公司做標(biāo)準(zhǔn)。而其他用的比較多的架構(gòu)就是sparc、powerpc等。

　　嵌入式系統(tǒng)和外界交互需要一定形式的通用設(shè)備接口，如A/D、D/A、I/O等，外設(shè)通過和片外其他設(shè)備的或傳感器的連接來實(shí)現(xiàn)微處理器的輸入/輸出功能。每個(gè)外設(shè)通常都只有單一的功能，它可以在芯片外也可以內(nèi)置芯片中。外設(shè)的種類很多，可從一個(gè)簡單的串行通信設(shè)備到非常復(fù)雜的802.11無線設(shè)備。

　　嵌入式系統(tǒng)中常用的通用設(shè)備接口有A/D(模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口)、D/A(數(shù)/模轉(zhuǎn)換接口)，I/O接口有RS-232接口(串行通信接口)、Ethernet(以太網(wǎng)接口)、USB(通用串行總線接口)、音頻接口、VGA視頻輸出接口、I2C(現(xiàn)場總線)、SPI(串行外圍設(shè)備接口)和IrDA(紅外線接口)等。這一點(diǎn)其實(shí)和單片機(jī)類似。

　　軟件層：

　　也就是操作系統(tǒng)了，包括內(nèi)核和文件系統(tǒng)，還有就是更為頂層的應(yīng)用程序，嵌入式操作系統(tǒng)一般都是Linux或者其他類Unix，還有一些實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)比如VxWorks、RTEMS、ucOS等。

　　其中Linux還包括不同的distribuTIon，比如Ubuntu、Redhat、Debian、centos等，他們都是采用Linux的內(nèi)核，不同的是上面的software和tools，當(dāng)然不用太過于擔(dān)心標(biāo)準(zhǔn)問題，這些Linux發(fā)行版選擇的軟件幾乎都是比較通用的，比如網(wǎng)頁服務(wù)器的Apache、電子郵件服務(wù)器的postfix、sendmail、文件服務(wù)器的Samba等。此外還有Linuxstandard base等標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范開發(fā)者。

　　類Unix主要是FreeBSD以及Solaris等。

　　嵌入式領(lǐng)域最常用的還是一些實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的核心就是實(shí)時(shí)性，本質(zhì)就是任務(wù)處理所華為時(shí)間的可預(yù)測性，即任務(wù)需要在規(guī)定內(nèi)時(shí)限內(nèi)完成。IEEE對實(shí)時(shí)系統(tǒng)的定義是“那些正確性不僅取決于計(jì)算的邏輯結(jié)果也取決于產(chǎn)生結(jié)果所花費(fèi)時(shí)間的系統(tǒng)”。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)之分，硬實(shí)時(shí)要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)必須完成操作，這是在操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)保證的;軟實(shí)時(shí)則只要按照任務(wù)的優(yōu)先級，盡可能快地完成操作即可。我們通常使用的操作系統(tǒng)在經(jīng)過一定改變之后就可以變成實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

　　那么實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和Linux這種分時(shí)操作系統(tǒng)的區(qū)別列舉如下：

　　(1)多路性。實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)一樣具有多路性。系統(tǒng)按分時(shí)原則為多個(gè)終端用戶服務(wù);而對實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，其多路性則主要表現(xiàn)在經(jīng)常對多路的現(xiàn)場信息進(jìn)行采集以及對多個(gè)對象或多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。

　　(2)獨(dú)立性。實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)一樣具有獨(dú)立性。每個(gè)終端用戶在向分時(shí)系統(tǒng)提出服務(wù)請求時(shí)，是彼此獨(dú)立的操作，互不干擾;而在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中信息的采集和對對象的控制，也彼此互不干擾。

　　(3)及時(shí)性。實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求與分時(shí)系統(tǒng)類似，都是以人所能接受的等待時(shí)間來確定;而實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的及時(shí)性，則是以控制對象所要求的開始截止時(shí)間或完成截止時(shí)間來確定的，一般為秒級、百毫秒級直至毫秒級，甚至有的要低于100微秒。

　　(4)交互性。實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)具有交互性，但這里人與系統(tǒng)的交互，僅限于訪問系統(tǒng)中某些特定的專用服務(wù)程序。它不像分時(shí)系統(tǒng)那樣能向終端用戶提供數(shù)據(jù)處理服務(wù)、資源共享等服務(wù)。

　　(5)可靠性。分時(shí)系統(tǒng)要求系統(tǒng)可靠，相比之下，實(shí)時(shí)系統(tǒng)則要求系統(tǒng)高度可靠。因?yàn)槿魏尾铄e(cuò)都可能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至無法預(yù)料的災(zāi)難性后果。因此，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，采取了多級容錯(cuò)措施來保證系統(tǒng)的安全及數(shù)據(jù)的安全。

　　由于更加可靠和及時(shí)。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)更加廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、航空航天、軍工等領(lǐng)域，比如美國航天局NASA近幾年發(fā)射的火星探測器等都是采用的RTEMS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

　　中間層：

　　所謂的中間層就是軟件層和硬件層之間的接口層，其實(shí)嚴(yán)格而言也屬于軟件層。一般開發(fā)者稱之為BSP，這一層主要負(fù)責(zé)的是向下提供硬件的驅(qū)動(dòng)，硬件的配置等操作，向上則向軟件開發(fā)者提供標(biāo)準(zhǔn)API，進(jìn)行中間層開發(fā)的開發(fā)者通常稱為嵌入式驅(qū)動(dòng)工程師。

　　從這里也可以看出來，嵌入式設(shè)計(jì)和軟硬都分不開，既要掌握底層硬件的特性以及如何驅(qū)動(dòng)其工作，也要了解操作系統(tǒng)的相關(guān)知識，才可以編寫相應(yīng)功能的應(yīng)用。

　　因此看一個(gè)操作系統(tǒng)是否支持某個(gè)芯片或者某個(gè)開發(fā)板，只要看其源碼中是否包含相應(yīng)芯片或開發(fā)板的板級支持包。

　　以上就是本人對嵌入式系統(tǒng)系統(tǒng)的理解，接下來再來談?wù)勄度胧较到y(tǒng)應(yīng)該跑在什么樣的硬件上。

　　談起嵌入式硬件或者開發(fā)板，我想很多人第一印象就是RaspberryPi，是一塊只有信用卡大小的微型電腦，別看其外表“嬌小”，內(nèi)“心”卻很強(qiáng)大，視頻、音頻等功能通通皆有，可謂是“麻雀雖小，五臟俱全”。樹莓派推出后，很多廠商爭相推出類似產(chǎn)品，比如香蕉派之類的。在這里用TI的Beagleboneblack板子進(jìn)行說明，Beagleboneblack板如下圖所示：

　　可以看出體積大小和樹莓派類似，外設(shè)包括有USBhost和USBmini以及網(wǎng)卡接口，，背面還有一個(gè)sd卡槽和HDMI接口。接下來看看它的性能參數(shù)：

　　下表是BBB板和樹莓派的性能參數(shù)比較：

　　Beagleboneblack的處理器是一塊主頻達(dá)到1GHZ的Ti處理器，基于arm的cortexa8架構(gòu)，RAM是512M的DDR3，存儲器大小為2GB，支持的操作系統(tǒng)包括Ubuntu、archLinux、Android等。外設(shè)有USBhost和一塊百兆網(wǎng)卡。

　　BBB的處理器采用的是當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)中最流行的ARMv7指令集。采用當(dāng)今廣泛使用的指令集的處理器可以被更多的軟件支持。例如，一些操作系統(tǒng)已經(jīng)不支持在ARMv6指令集上運(yùn)行，例如，Ubuntu在2012年4月放棄了對ARMv6指令集的支持。

　　ARMv7相對與ARMv6指令集的另一個(gè)優(yōu)勢在于，使用ARMv7的處理器的實(shí)際性能更加強(qiáng)勁。ARMv7相對與ARMv6的優(yōu)勢還有很多，比如一些顯著的改進(jìn)：實(shí)現(xiàn)了超標(biāo)量架構(gòu)、包含了SIMD操作指令、改進(jìn)了分支預(yù)測算法從而極大的提高了某些性能。

　　總結(jié)：

　　以上就是一塊基本的嵌入式核心板所具有的性能參數(shù)，和上面說到的單片機(jī)的性能參數(shù)相比較，單片機(jī)的處理能力較低，主頻大多在幾十M上下，和嵌入式動(dòng)輒上百上千M的處理速度還是相差較多，此外單片機(jī)并不具有圖形界面的處理能力，也就是GPU的缺乏導(dǎo)致單片機(jī)幾乎不可能帶動(dòng)圖形界面;單片機(jī)的存儲空間和嵌入式處理器也不是一個(gè)等級的，單片機(jī)通常片內(nèi)存儲只有幾k大小，而由于外設(shè)的限制也不太可能大范圍增加外設(shè)emmc，而嵌入式處理器通常有幾百兆的RAM，如此巨大的差別導(dǎo)致單片機(jī)幾乎不可能像嵌入式處理器那樣運(yùn)行操作系統(tǒng)，甚至連TCP/IP協(xié)議棧和USB協(xié)議棧都跑不起來，一些高端的單片機(jī)比如ST公司的STM32系列，可能可以跑一些輕量級的系統(tǒng)os和嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，比如IwIP協(xié)議棧。嵌入式處理器豐富強(qiáng)大的性能決定它能完成更多單片機(jī)不能完成的應(yīng)用，比如網(wǎng)絡(luò)通信功能，視頻傳輸處理功能等，而當(dāng)外設(shè)存儲增加后，嵌入式處理器能夠輕松運(yùn)行各種Linux系統(tǒng)，以及圖形GUI界面。

　　在開發(fā)方式上單片機(jī)和嵌入式也有較大差別，也就是編譯過程的區(qū)別，單片機(jī)主要在Windows等圖形界面下開發(fā)，目前有很多成熟的IDE工具比如keil、IAR、以及ti的CCS等，這些工具集編譯、匯編、鏈接、仿真為一體，并且由于在Windows下開發(fā)，具有友好的用戶界面，開發(fā)者只需編寫c代碼，然后點(diǎn)擊編譯鏈接按鍵即可，出現(xiàn)錯(cuò)誤還可以debug或者仿真，上手還是非?？斓?。而嵌入式開發(fā)一般是在Linux下進(jìn)行的，要將c代碼在自己主機(jī)上編譯完成，然后通過系統(tǒng)鏡像或者uboot引導(dǎo)將編譯好的文件燒入開發(fā)板，由于主機(jī)的處理器的x86架構(gòu)，而編寫的代碼是為了運(yùn)行在arm架構(gòu)或sparc架構(gòu)的處理器上，因此存在一個(gè)交叉編譯鏈的安裝，此外，Linux下沒有Windows那樣的IDE，也就是編譯，鏈接源代碼都需要開發(fā)者自己完成，一般都是利用GNUmake腳本編寫Makefile以及configure文件來完成，Makefile文件中編寫如何對c或者h(yuǎn)文件編譯，也就是編譯規(guī)則以及依賴文件是什么。這些都需要開發(fā)者自己完成。并且以上過程都是在Linux下的終端也就是命令行中完成，這也給嵌入式開發(fā)增加了難度。