嵌入式系統(tǒng)知識(shí)系統(tǒng)講解

1 嵌入式系統(tǒng)的知識(shí)體系

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍可以大概分為兩大類：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(cè)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集等)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用的延伸(MP3、手機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備等)。從這些可以看出， 要完成一個(gè)以MCU為核心的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用產(chǎn)品設(shè)計(jì)，需要硬件、軟件及行業(yè)領(lǐng)域相關(guān)知識(shí)。硬件主要有MCU的硬件最小系統(tǒng)、輸入/輸出外圍電路、人機(jī)接口設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)有固化軟件的設(shè)計(jì)，也可能含PC機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。行業(yè)知識(shí)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)，需要以下軟硬件基礎(chǔ)知識(shí)與實(shí)踐訓(xùn)練：

①硬件最小系統(tǒng)(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(cè)與控制);

③模/數(shù)轉(zhuǎn)換(各種傳感器信號(hào)的采集與處理，如紅外、溫度、光敏、超聲波、方向等);

④數(shù)/模轉(zhuǎn)換(對(duì)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);

⑦控制(控制各種設(shè)備，包括PWM等控制技術(shù));

⑧數(shù)據(jù)處理(圖形、圖像、語音、視頻等的處理或識(shí)別);

⑨各種具體應(yīng)用。

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(jì)、軟件設(shè)計(jì)、測(cè)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(shí)體系的有機(jī)組成部分，只不過它融于具體項(xiàng)目的開發(fā)過程之中。

以上涉及硬件基礎(chǔ)、軟件基礎(chǔ)及相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)。計(jì)算機(jī)語言、操作系統(tǒng)、開發(fā)環(huán)境等均是達(dá)到這些目的的工具。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(zhǎng)時(shí)間的嵌入式操作系統(tǒng)移植，而不實(shí)際開發(fā)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品，到最后連一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的小產(chǎn)品也做不好，偏離了學(xué)習(xí)目標(biāo)，甚至放棄嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域。這就是進(jìn)入了嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)誤區(qū)，下面對(duì)此作一些分析。

2 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(shí)基礎(chǔ)等不同，可能在學(xué)習(xí)順序、內(nèi)容選擇、實(shí)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(shí)，哪些應(yīng)該先學(xué)，哪些應(yīng)該后學(xué);哪些必須通過實(shí)踐才能獲得;哪些是與具體芯片無關(guān)的通用知識(shí)，哪些是與具體芯片或開發(fā)環(huán)境相關(guān)的知識(shí)。

由于微處理器與微控制器種類繁多，也可能由于不同公司、機(jī)構(gòu)出于自身的利益，給出一些誤導(dǎo)性宣傳，特別是我國(guó)嵌入式微控制器制造技術(shù)落后，使得人們對(duì)微控制器的發(fā)展，在認(rèn)識(shí)與理解上存在差異，導(dǎo)致一些初學(xué)者進(jìn)入嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)誤區(qū)，浪費(fèi)了寶貴的學(xué)習(xí)時(shí)間。下面分析可能存在的幾個(gè)誤 區(qū)。

2.1 操作系統(tǒng)的困惑

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)，那學(xué)習(xí)方法這樣的問題也就不必說了。實(shí)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，看了書店中種類繁多的嵌入式系統(tǒng)書籍，或上網(wǎng)以“嵌入式系統(tǒng)”為關(guān)鍵詞進(jìn)行查詢，就參加培訓(xùn)或看書，開始“學(xué)習(xí)起來”。對(duì)于有計(jì)算機(jī)閱歷的人，往往選擇一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)就開始學(xué)習(xí)了。這有點(diǎn)像“瞎子摸大象”，只了解其一個(gè)側(cè)面。這樣如何能對(duì)嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)過程有全面了解呢?針對(duì)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，認(rèn)為是不合適的。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(shí)際需要，選擇一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)進(jìn)行學(xué)習(xí)實(shí)踐。要記?。篟TOS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“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(shí)際使用何種RTOS，一般需要由工作單位確定?；A(chǔ)階段主要學(xué)習(xí)RTOS的基本原理與RTOS上的軟件開發(fā)方法，而不是學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)RTOS。以開發(fā)實(shí)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(jì)或移植RTOS上面。正如很多人使用Windows操作系統(tǒng)，而設(shè)計(jì)Windows操作系統(tǒng)的只有Microsoft。許多人“研究”Linux，但不使用它，浪費(fèi)了時(shí)間。人的精力是有限的，學(xué)習(xí)必須有所選擇。

2.2 硬件與軟件的困惑

以MCU為核心的嵌入式技術(shù)的知識(shí)體系必須通過具體的MCU來體現(xiàn)、實(shí)踐。但是，選擇任何型號(hào)的MCU，其芯片相關(guān)的知識(shí)只占知識(shí)體系的20%左右，80%左右是通用的軟件硬件及相關(guān)知識(shí)。80%的通用知識(shí)，必須通過具體實(shí)踐才能獲得，所以學(xué)習(xí)嵌入式技術(shù)一般要選擇一個(gè)系列的MCU。

學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)是以軟件為主還是以硬件為主，或者如何選擇切入點(diǎn)，如何在軟件與硬件之間取得平衡?對(duì)于這個(gè)困惑的建議是：要想成為一名真正的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師，在初學(xué)階段，必須打好嵌入式系統(tǒng)的硬件與軟件基礎(chǔ)。以下是從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)二十多年的美國(guó)學(xué)者JohnCatsoulis在《Designing Embedded Hardware》一書中關(guān)于這個(gè)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(duì)硬件的理解就不可能寫好嵌入式軟件;同樣，沒有對(duì)軟件的理解也不可能設(shè)計(jì)好嵌入式硬件。

2.3 片面認(rèn)識(shí)嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品種類繁多，應(yīng)用領(lǐng)域各異。在第1部分中，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(jì)算機(jī)應(yīng)用的延伸兩大類。從初學(xué)者角度，可能存在分別從這兩個(gè)角度片面認(rèn)識(shí)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(shí)嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)者，可能會(huì)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(shí)的積累。另一些從計(jì)算機(jī)應(yīng)用的延伸角度認(rèn)識(shí)嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)者，可能會(huì)把通用計(jì)算機(jī)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(shí)踐中，忽視嵌入式系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)的差異。

實(shí)際上，在嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)與實(shí)踐的初始階段，應(yīng)該充分了解嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，根據(jù)自身的已有知識(shí)結(jié)構(gòu)，制定適合自身情況的學(xué)習(xí)計(jì)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(shí)踐，為成為良好的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師建立起基本知識(shí)結(jié)構(gòu)。學(xué)習(xí)過程中，具體應(yīng)用系統(tǒng)可為實(shí)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，初學(xué)者開發(fā)實(shí)際控制系統(tǒng)時(shí)沒有使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，但不要認(rèn)為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)不需要學(xué)習(xí)。又例如，初學(xué)者可以一個(gè)帶有實(shí)時(shí)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)都需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，甚至為一個(gè)十分簡(jiǎn)明的實(shí)際系統(tǒng)加上不必要的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。因此，片面認(rèn)識(shí)嵌入式系統(tǒng)，可能導(dǎo)致學(xué)習(xí)困惑。應(yīng)該根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需要，鍛煉自己分析實(shí)際問題、解決問題的能力。這是一個(gè)長(zhǎng)期的學(xué)習(xí)與實(shí)踐過程，不能期望通過短期培訓(xùn)完成整體知識(shí)體系的建立，應(yīng)該重視自身實(shí)踐，全面地理解嵌入式系統(tǒng)的知識(shí)體系。