嵌入式
本文从技术和就业经验等角度，为即将进入嵌入式开发的工程师们详细讲述嵌入式的概念、嵌入式开发之间的异同以及应该如何做出选择。是一些经验之谈，希望对大家有所帮助。
一、工程师眼中的“嵌入式系统”
在工程师看来：着重理解“嵌入”的概念，主要从三个方面来理解：
1、从硬件上，将基于CPU 的外围器件，整合到CPU 芯片内部，比如早期基于X86体系结构下的计算机，CPU 只是有运算器和累加器的功能，一切芯片要靠外部桥路来扩展实现，象串口之类的都是靠外部的16C550/2的串口控 制器芯片实现。目前这种串口控制器芯片早已集成到CPU 内部。还有PC 机有显卡，而多数嵌入式处理器都 带有LCD 控制器，但某种意义上就相当于显卡。比较高端的ARM 类Intel Xscale 架构下的IXP 网络处理器CPU 内部集成PCI 控制器(可配成支持4个PCI 从设备或配成自身为CPI 从设备);还集成3个NPE 网络处理器引擎，其中两个对应于两个MAC 地址， 可用于网关交换用，而另外一个NPE 网络处理器引擎支持DSL，只要外面再加个PHY 芯片即可实现DSL 上网功能。IXP 系列最高主频可以达到1.8G，支持2G 内存，1G×10或10G×1的以太 网口或Febre channel 的光通道。IXP 系列应该是目标基于ARM 体系结构下由Intel 进行整合后成Xscale 内核的最高的处理器了。
2、从软件上，就是在定制操作系统内核里将应用一并选入，编译后将内核下载到ROM 中。而在定制操作系统内核时所选择的应用程序组件就是完成了软件的“嵌入”，比如WinCE 在内核定制时，会有相应选择，其中就是 wordpad，PDF，MediaPlay 等等选择，如果我们选择了，在CE 启动后，就可以在界面中找到这些东西，如果是以前PC 上的windows 操作系统，多半的东西都需要我们得新再装。
3、把软件内核或应用文件系统等东西烧到嵌入式系统硬件平台中的ROM 中就实现了一个真正的“嵌入”。 以上的定义是我在6、7年前给嵌入式系统下自话侧重于理解型的定义，书上的定义也有很多，但在这个领域范围 内，谁都不敢说自己的定义是十分确切的，包括那些专家学者们，因为毕竟嵌入式系统是计算机范畴下的一门综合性学科。
二、嵌入式系统的分层及对口专业要求
嵌入式系统分为4层，硬件层、驱动层、操作系统层和应用层。
1、硬件层：是整个嵌入式系统的根本。如果现在单片机及接口这块很熟悉，并且能用C 和汇编语言来编程的话，从嵌入式系统的硬件层走起来相对容易，硬件层也是驱动层的基础，一个优秀的驱动工程师是要能够看懂硬件的电路图和自行完成CPLD 的逻辑设计的，同时还要对操作系统内核及其调度有相当的熟悉。但硬件平台是基础，增值还要靠软件。
硬件层比较适合于电子、通信、自动化、机电一体、信息工程类专业的人来搞。需要掌握的专业基础知识有： 单片机原理及接口技术、微机原理及接口技术、C 语言等。
2、驱动层：这部分相对而言比较难。驱动工程师不仅要能看懂电路图，还要能对操作系统内核十分的精通，以便其所写的驱动程序在系统调用时，不会独占操作系统时间片，而导致其它任务不能运行。若不懂操作系统内核架构和实时调度性，没有良好的驱动编写风格，按大多数书上所说添加的驱动的方式，这样可能连个初级的驱动工程师的水平都达不到，所写的驱动在应用调用时就如同windows 下我们打开一个程序运行后，再打开一个程序时，要不就是中断以前的程序，要不就是等上一会才能运行后来打开的程序。想做个好的驱动人员没有三、四年功底，操作系统内核不研究上几遍，不是太容易成功的，但其工资在嵌入式系统四层中是最高的。 驱动层比较适合于电子、通信、自动化、机电一体、信息工程类专业尤其是计算机偏体系结构类专业的人来搞。 当然除硬件层所具备的基础学科外，还要对数据结构与算法、操作系统原理、编译原理都要十分精通。
3、操作系统层：对于操作系统层而言目前可能只能说是简单的移植，而很少有人来自已写操作系统，或者写出缺胳膊少腿的操作系统来，这部分工作大都由驱动工程师来完成。操作系统是负责系统任务的调试、磁盘和文件的管理，而嵌入式系统的实时性十分重要。据说，XP 操作系统是微软投入300人用两年时间才搞定的，总时工时是 600人/年;中科院软件所自己的女娲Hopen 操作系统估计也得花几百人/年才能搞定。因此这部分工作相对来讲没有太大意义。
4、应用层：相对来讲较为容易。如果会在windows 下进行编程接口函数调用，到操作系统下只是编译和开发环境有相应的变化而已。如果涉及Java方面的编程也是如此。嵌入式系统中涉及算法的由专业算法的人来处理，不必归结到嵌入式系统范畴内。但如果涉及嵌入式系统下面的嵌入式数据库、基于嵌入式系统的网络编程和基于某些应用层面的协议应用开发(比如基于SIP、H.323、Astrisk)方面，又较为复杂，并且有度了。
三、目标与定位
先有目标，再去定位。
学ARM，从硬件上讲，一方面就是学习接口电路设计，另一方面就是学习汇编和C 语言的板级编程。从软件上讲，就是要学习基于ARM 处理器的操作系统层面的驱动和移植。这些对于初学者来说必须明确，要么从硬件着手开始学，要么从操作系统的熟悉到应用开始学，但不管学什么，只要不是纯的操作系统级以上基于API 的应用层的编程，硬件的寄存器类的东西还是要能看懂的、基于板级的汇编和C 编程还是要会的。因此针对于嵌 入式系统的硬件层和驱动层的人来说，ARM 的接口电路设计、ARM 的C 语言和汇编语言编程及调试开发环境还是需要掌握的。
对于初学者必然要把握住方向，自己的目标是什么，自己要在哪一层面上走。然后再着手学习才比较好，与 ARM 相关的嵌入式系统的较为实际的两个层面硬件层和驱动层，不管学好了那一层都会很有前途的。 如果想从嵌入式系统的应用层面的走的话，可能与ARM 及其它体系相去较远，要着重研究基嵌入式操作系统的 环境应用与相应开发工具链，比如WinCE 操作系统下的EVC 应用开发(与windows 下的VC 相类似)，如果想再 有突破就往某些音视频类的协议上靠，比如VOIP 领域的基于SIP 或H.323协议的应用层开发，或是基于嵌入式 网络数据库的开发等等。
对于初学者来讲，要量力而行，不要认为驱动层工资高就把它当成方向了，要结合自身特点，嵌入式系统四个层 面上无论哪个层面上来讲都是有高人存在，当然高人也对应的高工资。我是做硬件层的，以前每月工资中个人所 得税要被扣上近3千大元。当然我一方面充当工程师的角色，一方面充当主管人物的角色，两个职位我一个人干， 但上班时间就那些。硬件这方面上可能与我PK 的人很少了，才让我拿到那么多的工资。
四、如何选择合适的开发系统
很多ARM 初学者都希望有一套自己能用的系统，但他们往往会产生一种错误认识，就是认为处理器版本越高越好，性能越高越好，就象很多人认为ARM9比ARM7好， 我想对于初学者在此方面以此入门还应该理智，开发系统的选择最终要看自己往嵌入式系统的哪个方向上走，是做驱动开发还是应用，还是做嵌入式系统硬件层设计与板级测试。如果想从操作系统层面或应用层面上走，不管是驱动还是应用，当然处理器性能越高越好了，但这个东西自学，有十分大的困难，不是几个月或半年或是一年二年能搞定的事。
在某种意义上讲，ARM7与ARM9的差别就是在某些功能指令集上丰富了些，主频提高一些而已，就比如286 和386。对于用户来讲可能觉察不到什么，只能是感觉速度有些快而已。
ARM7比较适合于那些想从硬件层面上走的人，因为ARM7系列处理器内部带MMU 的很少，而且比较好控 制。就比如S3C44B0来讲，可以很容易将Cache 关了，而且内部接口寄存器很容易看明白，各种接口对于用硬件 程序控制或AXD 单步命令行指令都可以控制起来。基于51单片机的思想很容易搞懂，就当成个32位的单 片机，从而消除很多51工程师想转为嵌入式系统硬件ARM 开发工程师的困惑，从而不会被业界某些不是真正懂 嵌入式烂公司带到操作系统层面上去，让他们望而生畏，让业界更加缺少这方面的人才。
而嵌入式系统不管硬件设计还是软件驱动方面都是十分注重接口这部分的，选择平台还要考察一个处理器的外部资源，你接触外部资源越多，越熟悉他们，以后就业成功的机率就越高，这就是招聘时所说的有无“相关技能”，因为一个人不可能在短短几年内把所有的处理器都接触一遍，而招聘单位所用的处理器就可能是我们完 全没有见过的，就拿台湾数十家小公司(市价几千万)的公司生产的ARM 类处理器，也很好用，但这些东西通用性 太差，用这些处理器的公司就只能招有相关工作经验的人了，那什么是相关工作经验，在硬件上讲的是外围接口设计，在软件上讲是操作系统方面相关接口驱动及应用开发经验。我从业近十年， 2000年ARM 出现，我一开始做ARM7，然后直接跑到了Xscale(这个板本在ARM10-11之间)，一做就是五年，招人面试都不下数百人，在这些方面还是深有体会的。
我个人认为三星的S3C44b0对初学者来说比较合适，为什么这么说? 因为接口资源比较丰富，技术成熟，资料较多，应该十分适合于初学者。有问题可能很容易找人帮且解决，因为大多数人都很熟悉，就如同51类的单片 机，有N多位专家级的人物可以给你帮忙，相关问题得以很快解答，所然业界认为这款ARM 都用得烂了，但对于初学者来，却是件好事。
总的来说，开发系统的选择，要看自己的未来从业目标方向，要看开发板接口资源，还要看业界的通用性。
五、成为高级嵌入式系统硬件工程师要具备的技能
对于硬件来讲有几个方向，就单纯信号来分为数字和模拟。模拟比较难搞，一般需要很长的经验积累，单单一个阻值或容值的精度不够就可能使信号偏差很大。因此年轻人搞的较少，随着技术的发展，出现了模拟电路数字化。 比如手机的Modem 射频模块，都采用成熟的套片，而当年国际上只有两家公司有此技术，自我感觉模拟功能不 太强的人，不太适合搞这个，如果真能搞定到手机的射频模块，只要达到一般程度可能月薪都在15K 以上。
另一类就是数字部分了，在大方向上又可分为51/ARM 的单片机类，DSP 类，FPGA 类。国内FPGA 的工程 师大多是在IC 设计公司从事IP 核的前端验证，这部分不搞到门级，前途不太明朗，即使做个IC 前端验证工程 师，也要搞上几年才能胜任。DSP 硬件接口比较定型，如果不向驱动或是算法上靠拢，前途也不会太大。而ARM 单片机类的内容就较多，业界产品占用量大，应用人群广，因此就业空间极大。而硬件设计最体现水平和水准的就是接口设计这块，这是各个高级硬件工程师相互PK、判定水平高低的依据。而接口设计这块最关键的是看时序， 而不是简单的连接，比如PXA255处理器I2C 要求速度在100Kbps，如果把一个I2C 外围器件，最高还达不到100kbps 的与它相接，必然要导致设计的失败。这样的情况有很多，比如51单片机可以在总线接LCD，但为什么这种LCD 就不能挂在ARM 的总线上，还有ARM7总线上可以外接Winband 的SD 卡控制器，但为什么这种控制器接不到ARM9或是Xscale 处理器上，这些都是问题。因此接口并不是一种简单的连接，要看时序，要看参数。 一个优秀的硬件工程师应该能够在没有参考方案的前提下设计出一个在成本和性能上更加优秀的产品，靠现有的方案，也要进行适当的可行性裁剪，但不是胡乱的来，我遇到一个工程师把方案中的5V 变1.8V 的DC 芯片，直接更换成LDO，有时就会把CPU 烧上几个。前几天还有人希望我帮忙把他们以前基于PXA255平台的手持GPS 设备做下程序优化，我问了一下情况，地图是存在SD 卡中的，而SD 卡与PXA255的MMC 控制器间采用的SPI 接口，因此导致地图读取速度十分的慢，这种情况是设计中严重的缺陷，而不是程序的问题。因此我提了几条建议，让他们更新试下再说。
因此想成为一个优秀的工程师，需要对系统整体性的把握和对已有电路的理解，换句话说，给你一套电路图你能看明白多少，看不明白80%以上的话，说明你离优秀的工程师还差得远。其次是电路的调试能力和审图能力，但最最基本的能力还是原理图设计、PCB 绘制、逻辑设计这块。这是指的硬件设计工程师，从上面的硬件设计工程师中还可以分出ECAD 工程师，就是专业的画PCB 板的工程师，和EMC 设计工程师，帮人家解决EMC 的问题。硬件工程师再往上就是板级测试工程师，就是C 语言功底很好的硬件工程师，在电路板调试过程中能通过自已编写的测试程序对硬件功能进行验证。然后再交给基于操作系统级的驱动开发人员。 总之，硬件的内容很多很杂，硬件哪方面练成了都会成为一个高手，我时常会给人家做下方案评估，很多高级硬件工程师设计的东西，经常被我一句话否定。因此工程师做到我这种地步，也会得罪些人，但硬件的确会有很多不为人知的东西，让很多高级硬件工程师也摸不到头脑。
那么高级硬件工程师技术技能都要具备哪些?首先要掌握EDA 设计的辅助工具类如Protel OR CADPowper PCBMaplux2ISE、VDHL 语言，要能用到这些工具画图画板做逻辑设计，再有就是接口设计审图能力， 再者就是调试能力，如果能走到总体方案设计这块，那就基本上快成为资深工程师了。
深入了解各种器件特性，选择最合适的处理器、外围器件、操作系统和软件库，尽可能地优化软件设计，最贴切地满足应用需求，以获得最好的系统性价比，是嵌入式系统设计开发的精髓。
硬件是要靠经验，也要靠积累的，十年磨一剑，百年磨一针。
不过最后提醒大家：追求技术不是人生的唯一目的，切不可把它当成喜悦的唯一源泉,平时身边有很多美好的事物都值得用心去珍惜。呵呵,我已经在担心自己的智力是否会在30岁到来之前枯竭了。好好珍惜短暂的大学生活，好好珍惜自己的青春，不要整天呆在实验室，左手键盘右手烙铁的。
文章来源：玩转单片机
微控制器（MCU）正在变得越来越复杂，越来越强大，因而越来越有用，但是这些进步都是有代价的。
开发带高级电源管理功能的多核MCU硬件并不太难，由于存储器的限制，开发出适合多核MCU的软件则难得多。CPU系统可以用SRAM片上存储器，或者外部的DRAM，不过对MCU系统而言，所有的存储器都在片上。所以CPU系统可以跑大型的Linux或Windows操作系统，MCU则只能跑相对简单的实时操作系统。
其实他们之间的关系可以更直观地转换为ARM与Intel的关系
“以视频市场为例，你可以开发基于MCU的应用，也可以开发基于CPU的应用，甚至可以开发两种系统都能跑的应用，”Cadence IP事业部CTO Chris Rowen说，“使用MCU的视频分辨率更低，不论是CPU方案还是MCU方案，多样化的视频接口都会让设计变得更复杂。用CPU系统开发要求相对没那么严，例如你可以把整个缓冲区（buffer）写满，在MCU就不太可能这么干。用MCU开发，数据的交换更需要技巧，所以产生故障（bug）的可能性也增加了。”
更难的是利用MCU来分担CPU的负担，例如作为协处理器去加速某种计算，或者作为低功耗应用时的备用处理器。
“考验MCU的程序员的问题是如何满足处理速度的要求，” Rowen说，“自动车库门开启或者关闭花费几百毫秒都可以接受，但要满足高速数据流的处理需求，则需要采用并行处理。所以当把MCU设计成另一个次级计算引擎（sub-engine）时，你需要处理器有能力进行数据计算，这就要求编程风格非常严谨。在高速数据处理场景下使用MCU，非常非常难。”
虽然有诸多困扰，MCU的应用场景依然在不断拓展，使用方法也屡屡突破常规，如今在复杂的系统及芯片（SoC）中内建MCU已经很常见。在SoC这种复杂应用场景中，MCU的功能一般都只做特定的任务，例如唤醒CPU，但无论从设计、验证还是一致性的角度来看，在SoC中让多个MCU协同工作都非常难。
“在同一颗SoC中集成Cortex-A（CPU）与Cortex-M（MCU）的趋势呈现加速状态，”Mentor Graphics嵌入式产品高级产品线经理Andrew Caples说，“以高级驾驶辅助系统（ADAS）这个嵌入式应用最精华的代表为例，可以用多个处理单元--微控制器(MCU)、微处理器（MPU）、数字信号处理器（DSP）--来实现ADAS，SoC意味着更低的故障率、更低的成本以及更低的散热需求，但增加了软件设计的复杂性。开发人员要在SoC集成的MCU、MPU与DSP上开发多个实时操作系统，并在这一颗芯片上开发和调试。这就需要开发人员的方案能够适应不同的平台（MCU、MPU、DSP），这给半导体公司增加了很多压力，为了帮助客户真正利用起SoC中的所有器件，它们需要提供给开发者足够的库文件和解决方案参考。”
Caples表示，只要多核SoC的应用有操作系统，就一定会遇到一堆同步问题，因为不同核之间靠等待来协同工作。“我们正在为这个领域的应用开发工具，”他说，“对于硬件工程师来说，过去这些年摩尔定律一直很有效，硬件的性能在提升，成本在下降。但是软件开发却是另外一回事，随着系统复杂度越来越高，软件开发的成本不断攀升，而且现在看不到任何可以改善的迹象。”
欢迎来到MCU时代
虽然存在上述挑战，但随着物联网的发展，物与物之间的通信越来越多，开发人员希望MCU在复杂系统中发挥越来越重要的的作用。相比CPU，MCU的功耗更低，价格也更便宜。一方面，8位MCU在一些简单任务处理中仍然不可或缺；另一方面，32位甚至64位多核MCU已能应对很多复杂应用。所有这些MCU都可以与CPU或GPU集成在同一颗SoC里面，这样CPU或GPU可以在多数时间里面处于休眠状态。
“MCU越来越复杂，”ARM建模技术总监 Bill Neifert说，“引入32位微控制器以后，人们开始问可以用这些MCU做什么。”
MCU当然不只用在汽车的安全领域，从工业设备到智能拖鞋这种消费类产品都可以用到MCU。以监控人是否滑倒的智能拖鞋为例，低成本、低功耗的嵌入式处理器（MCU）就非常适合，因为其可以为某种应用定制。
“每个人都想要最有效的解决方案，定制化的MCU在成本和功耗上都优于通用产品，”Neifert说，“特别是物联网设备，很多都是电池供电，因此对与功耗非常敏感。用户希望能找到专用产品帮助他们快速开发，尤其是消费电子领域的客户。定制化MCU也需要建模，但复杂度比CPU或GPU低多了。”
复杂度是相对的。“我们打算用64位的MCU开发真正智能的设备，”Vista Ventures 经营合伙人 Jim Hogan说，“但这些MCU的代码堆栈相当有限。”
在这种趋势下，MCU也开始介入到计算当中--特别是物联网的应用。“不是传统的计算，” ARM 物联网市场副总裁Zach Shelby说，“在MEMS应用中，利用32位和64位MCU来计算已经很常见。关键在于我们如何将软件设计成大量重复任务的类型。FPGA不适合低功耗应用，如果在一颗混合芯片上实现视频检测算法，就必须用到微控制器，不过MCU还是用来完成不断重复的任务。”
MCU的片上存储容量较少，常常为MCU与CPU或者其他MCU协调工作带来麻烦。特别是在视频流媒体处理与图像识别应用方面，越来越多的数据处理是系统设计需要解决的大问题。从系统上层来看，有两种方法可以解决这一问题，第一种方法是采用更快的处理器、更多的存储容量，第二种方法是采用更多的处理器以提高处理效率。虽然每个处理单元的速度比较慢，但多个处理单元合作可以将数据处理任务在限定时间内完成， 当处理任务不繁忙时，这些MCU也可以进入空闲状态。
“人们需要这种灵活性，因为你会有很多的异质应用（heterogeneous application）要处理，你又不愿意采用同质模型（homogenous model，CPU或者GPU这种所擅长的计算方式）来实现，”NetSpeed Systems CEO与联合创始人Sundari Mitra说，“微控制器的优点是其有一套可编程的微代码引擎（microcode engine），用户可以根据应用环境选择合适的架构，因此比处理器硬核灵活性更高。微处理器可以给用户一些灵活性--虽然不太多，但毕竟多了些灵活性。这让用户在架构方面具备了更多的灵活性。CPU在浮点计算方面更具优势，GPU在视频处理方面更具优势，MCU则处于两者之间。MCU可用于可穿戴等物联网终端设备，也可用于汽车引擎的控制。MCU的架构要有足够的灵活性和自适性，以适应不同的应用。如果开发人员清楚应用的工作流程，并对此进行相应的优化，使用MCU能为你的计算引擎带来一些多样性。”
定义MCU
通常来说，MCU是CPU与GPU的瘦身版，计算能力相对弱，跑的时钟速度也比较低。在存储架构上MCU与CPU和GPU的区别更明显，特别是8位与16位MCU，通常只有片上存储。因为成本低、功耗更低，所以很受欢迎，但高级的32位MCU与低端CPU的区别已经不明显，64位多核MCU的出现更让人困惑。
“从大的方面来说，根据工作负荷的不同，CPU通常会为单线程或多线程性能优化，”Mitra说，“如果考虑实时性的要求--物联网中有很多实时性应用--系统需要做出实时响应，CPU通常不会对实时性任务进行优化。假设有这样一个应用场景，CPU需要监测周围环境状况，当环境发生变化时做出相应的决策，这时不大可能用CPU来反复的检测某一点，这就是MCU的用武之地。那么使用MCU到底有什么不同呢？CPU与GPU都很容易理解，但MCU不是这样。应用MCU要面临可用信息更少、设计参数常常变更的状况，所以开发人员要适应。”
同样，由于MCU应用的多样性，很难清楚的定义MCU的市场，也不容易用统一标准来预测MCU市场的走势。在2016年5月份的报告中，Brisk Insights预测，到2022年MCU市场将保持15.8%的年复合增长率，Brisk Insights认为在物联网应用的推动下，32位MCU将是增长最快的市场。Databeans的数据则比Brisk Insights保守很多，其预测年复合增长率为6%，MCU市场最大的推手是工业需求。
Gartner则给出了MCU 领域的排名前列的厂商，它们是瑞萨、恩智浦（NXP）、意法半导体、Microchip、德州仪器和英飞凌。
但MCU不断出现在新的应用场景中，这使得MCU的市场越来越碎片化，以致难以追踪。
“每种非常复杂的芯片，几乎都包含了MCU，” Arteris 市场副总裁Kurt Shuler说道，“在汽车里面，到处可以见到独立工作的MCU，大型芯片往往也有MCU在后台运行，MCU在无线数字基带应用中也很广泛。”
使用MCU的设备通常将程序优化以提高电源效率，现在开发人员仍在通过延长唤醒时间等方式来进一步降低功耗。开发人员所面临的挑战更多不是来自于MCU硬件能力方面，而在于如何在系统中更好地发挥这些硬件能力。
结论
MCU产业正在大步前进，虽然MCU的定义在改变，但方向是明确的。在未来几年，物联网的大发展将使很多终端设备将接到网络，甚至直接与其他的处理器进行通信，MCU将在这些设备中大放异彩。
文章来源：嵌入式资讯精选
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