嵌入式工程師不可不知的

　　編者按：本文從技術(shù)和就業(yè)經(jīng)驗(yàn)等角度，為即將進(jìn)入嵌入式開發(fā)的工程師們?cè)敿?xì)講述嵌入式的概念、嵌入式開發(fā)之間的異同以及應(yīng)該如何做出選擇。是一些經(jīng)驗(yàn)之談，希望對(duì)大家有所幫助。

　　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(gè)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(nèi)部，比如早期基于X86體系結(jié)構(gòu)下的計(jì)算機(jī)，CPU 只是有運(yùn)算器和累加器的功能，一切芯片要靠外部橋路來擴(kuò)展實(shí)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(shí)現(xiàn)。目前這種串口控制器芯片早已集成到CPU 內(nèi)部。還有PC 機(jī)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(dāng)于顯卡。比較高端的ARM 類Intel Xscale 架構(gòu)下的IXP 網(wǎng)絡(luò)處理器CPU 內(nèi)部集成PCI 控制器(可配成支持4個(gè)PCI 從設(shè)備或配成自身為CPI 從設(shè)備);還集成3個(gè)NPE 網(wǎng)絡(luò)處理器引擎，其中兩個(gè)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)MAC 地址， 可用于網(wǎng)關(guān)交換用，而另外一個(gè)NPE 網(wǎng)絡(luò)處理器引擎支持DSL，只要外面再加個(gè)PHY 芯片即可實(shí)現(xiàn)DSL 上網(wǎng)功能。IXP 系列最高主頻可以達(dá)到1.8G，支持2G 內(nèi)存，1G×10或10G×1的以太 網(wǎng)口或Febre channel 的光通道。IXP 系列應(yīng)該是目標(biāo)基于ARM 體系結(jié)構(gòu)下由Intel 進(jìn)行整合后成Xscale 內(nèi)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(nèi)核里將應(yīng)用一并選入，編譯后將內(nèi)核下載到ROM 中。而在定制操作系統(tǒng)內(nèi)核時(shí)所選擇的應(yīng)用程序組件就是完成了軟件的“嵌入”，比如WinCE 在內(nèi)核定制時(shí)，會(huì)有相應(yīng)選擇，其中就是 wordpad，PDF，MediaPlay 等等選擇，如果我們選擇了，在CE 啟動(dòng)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(nèi)核或應(yīng)用文件系統(tǒng)等東西燒到嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)中的ROM 中就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)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(cè)重于理解型的定義，書上的定義也有很多，但在這個(gè)領(lǐng)域范圍 內(nèi)，誰(shuí)都不敢說自己的定義是十分確切的，包括那些專家學(xué)者們，因?yàn)楫吘骨度胧较到y(tǒng)是計(jì)算機(jī)范疇下的一門綜合性學(xué)科。

　　二.嵌入式系統(tǒng)的分層及對(duì)口專業(yè)要求

　　嵌入式系統(tǒng)分為4層，硬件層、驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層。

　　1.硬件層：是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的根本。如果現(xiàn)在單片機(jī)及接口這塊很熟悉，并且能用C 和匯編語(yǔ)言來編程的話，從嵌入式系統(tǒng)的硬件層走起來相對(duì)容易，硬件層也是驅(qū)動(dòng)層的基礎(chǔ)，一個(gè)優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)的，同時(shí)還要對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核及其調(diào)度有相當(dāng)?shù)氖煜?。但硬件平臺(tái)是基礎(chǔ)，增值還要靠軟件。

　　硬件層比較適合于電子、通信、自動(dòng)化、機(jī)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(chǔ)知識(shí)有： 單片機(jī)原理及接口技術(shù)、微機(jī)原理及接口技術(shù)、C 語(yǔ)言等。

　　2.驅(qū)動(dòng)層：這部分相對(duì)而言比較難。驅(qū)動(dòng)工程師不僅要能看懂電路圖，還要能對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核十分的精通，以便其所寫的驅(qū)動(dòng)程序在系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，不會(huì)獨(dú)占操作系統(tǒng)時(shí)間片，而導(dǎo)致其它任務(wù)不能運(yùn)行。若不懂操作系統(tǒng)內(nèi)核架構(gòu)和實(shí)時(shí)調(diào)度性，沒有良好的驅(qū)動(dòng)編寫風(fēng)格，按大多數(shù)書上所說添加的驅(qū)動(dòng)的方式，這樣可能連個(gè)初級(jí)的驅(qū)動(dòng)工程師的水平都達(dá)不到，所寫的驅(qū)動(dòng)在應(yīng)用調(diào)用時(shí)就如同windows 下我們打開一個(gè)程序運(yùn)行后，再打開一個(gè)程序時(shí)，要不就是中斷以前的程序，要不就是等上一會(huì)才能運(yùn)行后來打開的程序。想做個(gè)好的驅(qū)動(dòng)人員沒有三、四年功底，操作系統(tǒng)內(nèi)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(qū)動(dòng)層比較適合于電子、通信、自動(dòng)化、機(jī)電一體、信息工程類專業(yè)尤其是計(jì)算機(jī)偏體系結(jié)構(gòu)類專業(yè)的人來搞。 當(dāng)然除硬件層所具備的基礎(chǔ)學(xué)科外，還要對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(duì)于操作系統(tǒng)層而言目前可能只能說是簡(jiǎn)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(qū)動(dòng)工程師來完成。操作系統(tǒng)是負(fù)責(zé)系統(tǒng)任務(wù)的調(diào)試、磁盤和文件的管理，而嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(shí)間才搞定的，總時(shí)工時(shí)是 600人/年;中科院軟件所自己的女媧Hopen 操作系統(tǒng)估計(jì)也得花幾百人/年才能搞定。因此這部分工作相對(duì)來講沒有太大意義。

　　4.應(yīng)用層：相對(duì)來講較為容易。如果會(huì)在windows 下進(jìn)行編程接口函數(shù)調(diào)用，到操作系統(tǒng)下只是編譯和開發(fā)環(huán)境有相應(yīng)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(jié)到嵌入式系統(tǒng)范疇內(nèi)。但如果涉及嵌入式系統(tǒng)下面的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)、基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)編程和基于某些應(yīng)用層面的協(xié)議應(yīng)用開發(fā)(比如基于SIP、H.323、Astrisk)方面，又較為復(fù)雜，并且有度了。

　　三.目標(biāo)與定位

　　先有目標(biāo)，再去定位。

　　學(xué)ARM，從硬件上講，一方面就是學(xué)習(xí)接口電路設(shè)計(jì)，另一方面就是學(xué)習(xí)匯編和C 語(yǔ)言的板級(jí)編程。從軟件上講，就是要學(xué)習(xí)基于ARM 處理器的操作系統(tǒng)層面的驅(qū)動(dòng)和移植。這些對(duì)于初學(xué)者來說必須明確，要么從硬件著手開始學(xué)，要么從操作系統(tǒng)的熟悉到應(yīng)用開始學(xué)，但不管學(xué)什么，只要不是純的操作系統(tǒng)級(jí)以上基于API 的應(yīng)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(jí)的匯編和C 編程還是要會(huì)的。因此針對(duì)于嵌 入式系統(tǒng)的硬件層和驅(qū)動(dòng)層的人來說，ARM 的接口電路設(shè)計(jì)、ARM 的C 語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編程及調(diào)試開發(fā)環(huán)境還是需要掌握的。

　　對(duì)于初學(xué)者必然要把握住方向，自己的目標(biāo)是什么，自己要在哪一層面上走。然后再著手學(xué)習(xí)才比較好，與 ARM 相關(guān)的嵌入式系統(tǒng)的較為實(shí)際的兩個(gè)層面硬件層和驅(qū)動(dòng)層，不管學(xué)好了那一層都會(huì)很有前途的。 如果想從嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用層面的走的話，可能與ARM 及其它體系相去較遠(yuǎn)，要著重研究基嵌入式操作系統(tǒng)的 環(huán)境應(yīng)用與相應(yīng)開發(fā)工具鏈，比如WinCE 操作系統(tǒng)下的EVC 應(yīng)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(lǐng)域的基于SIP 或H.323協(xié)議的應(yīng)用層開發(fā)，或是基于嵌入式 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)的開發(fā)等等。

　　對(duì)于初學(xué)者來講，要量力而行，不要認(rèn)為驅(qū)動(dòng)層工資高就把它當(dāng)成方向了，要結(jié)合自身特點(diǎn)，嵌入式系統(tǒng)四個(gè)層 面上無論哪個(gè)層面上來講都是有高人存在，當(dāng)然高人也對(duì)應(yīng)的高工資。我是做硬件層的，以前每月工資中個(gè)人所 得稅要被扣上近3千大元。當(dāng)然我一方面充當(dāng)工程師的角色，一方面充當(dāng)主管人物的角色，兩個(gè)職位我一個(gè)人干， 但上班時(shí)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(xué)者都希望有一套自己能用的系統(tǒng)，但他們往往會(huì)產(chǎn)生一種錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，就是認(rèn)為處理器版本越高越好，性能越高越好，就象很多人認(rèn)為ARM9比ARM7好， 我想對(duì)于初學(xué)者在此方面以此入門還應(yīng)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(gè)方向上走，是做驅(qū)動(dòng)開發(fā)還是應(yīng)用，還是做嵌入式系統(tǒng)硬件層設(shè)計(jì)與板級(jí)測(cè)試。如果想從操作系統(tǒng)層面或應(yīng)用層面上走，不管是驅(qū)動(dòng)還是應(yīng)用，當(dāng)然處理器性能越高越好了，但這個(gè)東西自學(xué)，有十分大的困難，不是幾個(gè)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(duì)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?yàn)锳RM7系列處理器內(nèi)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(guān)了，而且內(nèi)部接口寄存器很容易看明白，各種接口對(duì)于用硬件 程序控制或AXD 單步命令行指令都可以控制起來?；?1單片機(jī)的思想很容易搞懂，就當(dāng)成個(gè)32位的單 片機(jī)，從而消除很多51工程師想轉(zhuǎn)為嵌入式系統(tǒng)硬件ARM 開發(fā)工程師的困惑，從而不會(huì)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(shè)計(jì)還是軟件驅(qū)動(dòng)方面都是十分注重接口這部分的，選擇平臺(tái)還要考察一個(gè)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(jī)率就越高，這就是招聘時(shí)所說的有無“相關(guān)技能”，因?yàn)橐粋€(gè)人不可能在短短幾年內(nèi)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(tái)灣數(shù)十家小公司(市價(jià)幾千萬(wàn))的公司生產(chǎn)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(guān)工作經(jīng)驗(yàn)的人了，那什么是相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，在硬件上講的是外圍接口設(shè)計(jì)，在軟件上講是操作系統(tǒng)方面相關(guān)接口驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。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(gè)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(huì)的。

　　我個(gè)人認(rèn)為三星的S3C44b0對(duì)初學(xué)者來說比較合適，為什么這么說? 因?yàn)榻涌谫Y源比較豐富，技術(shù)成熟，資料較多，應(yīng)該十分適合于初學(xué)者。有問題可能很容易找人幫且解決，因?yàn)榇蠖鄶?shù)人都很熟悉，就如同51類的單片 機(jī)，有N多位專家級(jí)的人物可以給你幫忙，相關(guān)問題得以很快解答，所然業(yè)界認(rèn)為這款A(yù)RM 都用得爛了，但對(duì)于初學(xué)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(biāo)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(jí)嵌入式系統(tǒng)硬件工程師要具備的技能

　　對(duì)于硬件來講有幾個(gè)方向，就單純信號(hào)來分為數(shù)字和模擬。模擬比較難搞，一般需要很長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)積累，單單一個(gè)阻值或容值的精度不夠就可能使信號(hào)偏差很大。因此年輕人搞的較少，隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了模擬電路數(shù)字化。 比如手機(jī)的Modem 射頻模塊，都采用成熟的套片，而當(dāng)年國(guó)際上只有兩家公司有此技術(shù)，自我感覺模擬功能不 太強(qiáng)的人，不太適合搞這個(gè)，如果真能搞定到手機(jī)的射頻模塊，只要達(dá)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(jī)類，DSP 類，F(xiàn)PGA 類。國(guó)內(nèi)FPGA 的工程 師大多是在IC 設(shè)計(jì)公司從事IP 核的前端驗(yàn)證，這部分不搞到門級(jí)，前途不太明朗，即使做個(gè)IC 前端驗(yàn)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(qū)動(dòng)或是算法上靠攏，前途也不會(huì)太大。而ARM 單片機(jī)類的內(nèi)容就較多，業(yè)界產(chǎn)品占用量大，應(yīng)用人群廣，因此就業(yè)空間極大。而硬件設(shè)計(jì)最體現(xiàn)水平和水準(zhǔn)的就是接口設(shè)計(jì)這塊，這是各個(gè)高級(jí)硬件工程師相互PK、判定水平高低的依據(jù)。而接口設(shè)計(jì)這塊最關(guān)鍵的是看時(shí)序， 而不是簡(jiǎn)單的連接，比如PXA255處理器I2C 要求速度在100Kbps，如果把一個(gè)I2C 外圍器件，最高還達(dá)不到100kbps 的與它相接，必然要導(dǎo)致設(shè)計(jì)的失敗。這樣的情況有很多，比如51單片機(jī)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(jiǎn)單的連接，要看時(shí)序，要看參數(shù)。 一個(gè)優(yōu)秀的硬件工程師應(yīng)該能夠在沒有參考方案的前提下設(shè)計(jì)出一個(gè)在成本和性能上更加優(yōu)秀的產(chǎn)品，靠現(xiàn)有的方案，也要進(jìn)行適當(dāng)?shù)目尚行圆眉?，但不是胡亂的來，我遇到一個(gè)工程師把方案中的5V 變1.8V 的DC 芯片，直接更換成LDO，有時(shí)就會(huì)把CPU 燒上幾個(gè)。前幾天還有人希望我?guī)兔Π阉麄円郧盎赑XA255平臺(tái)的手持GPS 設(shè)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(dǎo)致地圖讀取速度十分的慢，這種情況是設(shè)計(jì)中嚴(yán)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(gè)優(yōu)秀的工程師，需要對(duì)系統(tǒng)整體性的把握和對(duì)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(yuǎn)。其次是電路的調(diào)試能力和審圖能力，但最最基本的能力還是原理圖設(shè)計(jì)、PCB 繪制、邏輯設(shè)計(jì)這塊。這是指的硬件設(shè)計(jì)工程師，從上面的硬件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)工程師，幫人家解決EMC 的問題。硬件工程師再往上就是板級(jí)測(cè)試工程師，就是C 語(yǔ)言功底很好的硬件工程師，在電路板調(diào)試過程中能通過自已編寫的測(cè)試程序?qū)τ布δ苓M(jìn)行驗(yàn)證。然后再交給基于操作系統(tǒng)級(jí)的驅(qū)動(dòng)開發(fā)人員。 總之，硬件的內(nèi)容很多很雜，硬件哪方面練成了都會(huì)成為一個(gè)高手，我時(shí)常會(huì)給人家做下方案評(píng)估，很多高級(jí)硬件工程師設(shè)計(jì)的東西，經(jīng)常被我一句話否定。因此工程師做到我這種地步，也會(huì)得罪些人，但硬件的確會(huì)有很多不為人知的東西，讓很多高級(jí)硬件工程師也摸不到頭腦。

　　那么高級(jí)硬件工程師技術(shù)技能都要具備哪些?首先要掌握EDA 設(shè)計(jì)的輔助工具類如Protel OR CADPowper PCBMaplux2ISE、VDHL 語(yǔ)言，要能用到這些工具畫圖畫板做邏輯設(shè)計(jì)，再有就是接口設(shè)計(jì)審圖能力， 再者就是調(diào)試能力，如果能走到總體方案設(shè)計(jì)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(kù)，盡可能地優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)，最貼切地滿足應(yīng)用需求，以獲得最好的系統(tǒng)性價(jià)比，是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的精髓。

　　硬件是要靠經(jīng)驗(yàn)，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(shù)不是人生的唯一目的,切不可把它當(dāng)成喜悅的唯一源泉,平時(shí)身邊有很多美好的事物都值得用心去珍惜。呵呵,我已經(jīng)在擔(dān)心自己的智力是否會(huì)在30歲到來之前枯竭了.好好珍惜短暫的大學(xué)生活,好好珍惜自己的青春,不要整天呆在實(shí)驗(yàn)室,左手鍵盤右手烙鐵的。