東南大學(xué)嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)_嵌入式系統(tǒng)知識(shí)系統(tǒng)講解

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東南大學(xué)嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)_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�；�礎(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。[!--empirenews.page--]

2.4 入門芯片選擇的困惑

嵌入式系統(tǒng)的大部分初學(xué)者需要選擇一個(gè)微控制器（MCU）進(jìn)行入門級(jí)學(xué)習(xí)，面對(duì)眾多廠家生產(chǎn)的微控制器系列，往往不知如何是好。

首先是關(guān)于位數(shù)問題，目前主要有8位、16位和32位MCU。不同位數(shù)的MCU各有應(yīng)用領(lǐng)域，這一點(diǎn)與通用微機(jī)有很大不同。例如做一個(gè)遙控器，不需要使 用32位MCU，否則MCU芯片價(jià)格就已經(jīng)超過遙控器價(jià)格需求。對(duì)于首次接觸嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)者，可以根據(jù)自己的知識(shí)基礎(chǔ)選擇入門芯片的位數(shù)。建議大多數(shù)初學(xué)者選擇8位MCU作為快速入門芯片，了解一些匯編與底層硬件知識(shí)，之后再選16位或32位芯片進(jìn)行學(xué)習(xí)實(shí)踐。

關(guān)于芯片選擇的另一個(gè)誤區(qū)是認(rèn)為有“主流芯片”存在，嵌入式系統(tǒng)也可以形成芯片壟斷。這完全是一種誤解，是套用通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的思維模式，而忽視了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的多樣性。關(guān)于學(xué)習(xí)芯片選擇還有一個(gè)誤區(qū)，即誤認(rèn)為選擇工作頻率高的芯片進(jìn)行入門學(xué)習(xí)，更先進(jìn)。實(shí)際上，工作頻率高可能給初學(xué)者帶來不少困難。

實(shí)際嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)不是追求芯片位數(shù)、工作頻率、操作系統(tǒng)等因素，而是追求穩(wěn)定可靠、維護(hù)、升級(jí)、功耗、價(jià)格等指標(biāo)。初學(xué)者選擇入門芯片，是通過某 一：MCU作為藍(lán)本，獲得嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系的通用基礎(chǔ)。其基本原則是：入門時(shí)間較短、硬件成本較低，知識(shí)要素較多，學(xué)習(xí)難度較低。

3 基礎(chǔ)階段的學(xué)習(xí)建議

基于以上討論，下面對(duì)廣大渴望學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的學(xué)子提出幾點(diǎn)基礎(chǔ)階段的學(xué)習(xí)建議：

①嵌入式系統(tǒng)軟件硬件密切相關(guān)，一定要打好軟硬件基礎(chǔ)。其實(shí)，只要找到正確的方法，加上努力，任何理工科學(xué)生，甚至非理工科學(xué)生，都能學(xué)好嵌入式系統(tǒng)，可以看看朱有鵬的視頻。

②選擇一個(gè)芯片及硬件評(píng)估板（入門芯片最好簡單一點(diǎn)，例如8位MCU）、選擇一本好書（最好有規(guī)范的例子）、找一位好老師（最好是有經(jīng)驗(yàn)且熱心的）。硬 件評(píng)估板的價(jià)格一定要在1000元以下，不要太貴，最好能有自己動(dòng)手的空間。不花一分硬件錢想要學(xué)好嵌入式系統(tǒng)不實(shí)際，因?yàn)檫@是實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科。好書，可以讓人少走彎路，不被誤導(dǎo)。有教師指導(dǎo)，學(xué)習(xí)進(jìn)程會(huì)加快（人工智能學(xué)科里有個(gè)術(shù)語叫無教師指導(dǎo)學(xué)習(xí)模式與有教師指導(dǎo)學(xué)習(xí)模式，無教師指導(dǎo)學(xué)習(xí)模式比有教師指導(dǎo)學(xué)習(xí)模式復(fù)雜許多）。

③許多人怕硬件，其實(shí)嵌入式系統(tǒng)硬件比電子線路好學(xué)多了。只要深入理解：MCU的硬件最小系統(tǒng)，對(duì)I/O口、串行通信、鍵盤、LED、LCD、 SPI、 I2C、PWM、A/D（包括一些傳感器）、D/A等逐個(gè)實(shí)驗(yàn)理解，逐步實(shí)踐，再通過動(dòng)手做一個(gè)實(shí)際的小系統(tǒng)，底層硬件基礎(chǔ)就有了。各個(gè)硬件模塊驅(qū)動(dòng)程序的編寫是嵌入式系統(tǒng)的必備基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的初期，這個(gè)過程是必須的。

④至于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS，一定不要一開始就學(xué)，這樣會(huì)走很多彎路，也會(huì)使你對(duì)嵌入式系統(tǒng)感到畏懼。等你軟件硬件基礎(chǔ)打好了，再學(xué)習(xí)就感到容易理解。實(shí)際上，許多嵌入式應(yīng)用并不需要操作系統(tǒng)。也可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需要，再學(xué)習(xí)特定的RTOS。不要被一些嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)培訓(xùn)班的宣傳所誤導(dǎo)，而忽視實(shí)際嵌入式系統(tǒng)軟硬件基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)。

⑤要避免片面地單純從“電子”或“計(jì)算機(jī)軟件”角度認(rèn)識(shí)嵌入式系統(tǒng)。前面說過，嵌入式系統(tǒng)是軟件與硬件的綜合體。因此，要逐步從MCU的最小系統(tǒng)開始， 一點(diǎn)一點(diǎn)理解硬件原理及底層硬件驅(qū)動(dòng)編程方法。要通過規(guī)范的例子，理解軟件工程封裝、可復(fù)用等思想。通過規(guī)范編程，積累底層構(gòu)件（component），也就是一個(gè)一個(gè)模塊;但是要封裝得比較好，可復(fù)用。

⑥注重實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐。這里說的實(shí)驗(yàn)主要指通過重復(fù)來驗(yàn)證他人的工作，目的是學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)，這個(gè)過程一定要經(jīng)歷。實(shí)踐是自己設(shè)計(jì)，有具體的“產(chǎn)品”目標(biāo)。如果花500元左右，自己做一個(gè)具有一定功能的小產(chǎn)品，且能穩(wěn)定運(yùn)行1年以上，就可以說接近入門了。

⑦關(guān)于入門芯片的選擇。不要選太復(fù)雜的微控制器作為入門芯片，不能超越學(xué)習(xí)過程。不要一下子學(xué)習(xí)幾種芯片�？梢酝ㄟ^一個(gè)芯片入門，并具有一個(gè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)后，根據(jù)實(shí)際需要選擇芯片開發(fā)實(shí)際產(chǎn)品。注意，不要把微處理器（MPU與微控制器（MCU）概念相混淆，微處理器只是微控制器的內(nèi)核。

⑧關(guān)于嵌入式操作系統(tǒng)的選擇�？梢缘鹊骄哂幸欢▽�(shí)踐基礎(chǔ)后，選擇一個(gè)簡單、容易理解原理的嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)。不要一開始就學(xué)習(xí)幾種操作系統(tǒng)，理解了基本原理，實(shí)踐中確有實(shí)際需要再學(xué)習(xí)也不遲。人總是要不斷學(xué)習(xí)的。

⑨關(guān)于匯編語言與C語言的取舍。隨著：MCU對(duì)C編譯的優(yōu)化支持，對(duì)于匯編語言可以只了解幾個(gè)必要的語句，而直接使用C語言編程。但必須通過第一個(gè)程序理解芯片初始化過程、中斷機(jī)制、程序存儲(chǔ)情況等，區(qū)別于PC機(jī)程序的內(nèi)容。另外，為了測試的需要，最好掌握一門PC機(jī)編程語言。

⑩要明確自己的學(xué)習(xí)目的，并注意學(xué)習(xí)方法。要明確學(xué)習(xí)目的是打基礎(chǔ)，還是為了適應(yīng)工作需要而進(jìn)行的短訓(xùn)。學(xué)習(xí)方法方面，要g學(xué)根據(jù)習(xí)目的選擇合適的學(xué)習(xí)途徑，注意理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐、通用知識(shí)與芯片相關(guān)知識(shí)、硬件知識(shí)與軟件知識(shí)的平衡，要在理解軟件工程基本原理基礎(chǔ)上理解硬件構(gòu)件與軟件構(gòu)件等基本概念。

當(dāng)然，以上只是基礎(chǔ)階段的學(xué)習(xí)建議。要成為良好的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師，還需要在實(shí)際項(xiàng)目中鍛煉，并不斷學(xué)習(xí)與積累經(jīng)驗(yàn)。