1 嵌入式系統(tǒng)的知識體系

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍可以粗略分為兩大類：（1）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)采集等等）;（2）計算機應(yīng)用的延伸（MP3、手機、通信、網(wǎng)絡(luò)、計算機外圍設(shè)備等）。從這些應(yīng)用可以看出，要完成一個以MCU為核心的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用產(chǎn)品設(shè)計，需要有硬件、軟件及行業(yè)領(lǐng)域相關(guān)知識。硬件主要有MCU的硬件最小系統(tǒng)、輸入/輸出外圍電路、人機接口設(shè)計。軟件設(shè)計有固化軟件的設(shè)計，也可能含PC機軟件的設(shè)計。行業(yè)知識需要通過協(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)，需要以下軟件硬件基礎(chǔ)知識與實踐訓(xùn)練：

1：硬件最小系統(tǒng)（包括電源、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A/D（各種傳感器信號的采集與處理，如紅外、溫度、光敏、超聲波、方向等等）;

4：數(shù)模轉(zhuǎn)換D/A（對模擬量設(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等等）;

7：控制（控制各種設(shè)備，包含PWM等控制技術(shù)）;

8：數(shù)據(jù)處理（圖形、圖像、語音、視頻等處理或識別）;

9：各種具體應(yīng)用。

事實上，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、軟件設(shè)計、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)知識體系的有機組成部分，只不過，它融于具體項目的開發(fā)過程之中。

以上實踐訓(xùn)練涉及硬件基礎(chǔ)、軟件基礎(chǔ)及相關(guān)領(lǐng)域知識。計算機語言、操作系統(tǒng)、開發(fā)環(huán)境等均是完成這些目的的工具。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)了很長時間的嵌入式操作系統(tǒng)移植，而不進(jìn)行實際嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)，到了最后，做不好一個嵌入式系統(tǒng)小產(chǎn)品，偏離了學(xué)習(xí)目標(biāo)，甚至放棄了嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域。這就是進(jìn)入了嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)誤區(qū)的情況，下面對此做一些分析。

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

由于微處理器與微控制器種類繁多，也可能由于不同公司、不同機構(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)的落后及其他相關(guān)情況，使得人們對微控制器的發(fā)展，在認(rèn)識與理解上存在差異。導(dǎo)致一些初學(xué)者，進(jìn)入了嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)誤區(qū)，浪費了寶貴的學(xué)習(xí)時間。下面分析初學(xué)者可能存在的幾個誤區(qū)。

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)了，許多諸如學(xué)習(xí)方法問題也就不必談了。實際上，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，看了書店中書架上種類繁多的嵌入式系統(tǒng)的書籍，或上網(wǎng)以“嵌入式系統(tǒng)”為關(guān)鍵詞進(jìn)行查詢，然后參加培訓(xùn)或看書，開始“學(xué)習(xí)起來”。對于有計算機閱歷的人，往往選擇一個嵌入式操作系統(tǒng)就開始學(xué)習(xí)了。不好聽的比喻，有點象“瞎子摸大象”，只了解其一個側(cè)面。這樣如何能對嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)過程有個全面了解呢？針對許多初學(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，我認(rèn)為是不合適的。我的建議是：首先把嵌入式系統(tǒng)軟件與硬件基礎(chǔ)打好了，再根據(jù)實際需要，選擇一種實時操作系統(tǒng)（RTOS）進(jìn)行學(xué)習(xí)實踐。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，并不符合學(xué)習(xí)“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，實際使用何種RTOS，一般需要工作單位確定?；A(chǔ)階段主要學(xué)習(xí)RTOS的基本原理與在RTOS之上的軟件開發(fā)方法，而不是學(xué)習(xí)如何設(shè)計RTOS。以開發(fā)實際嵌入式產(chǎn)品為目標(biāo)的學(xué)習(xí)者，不要把過多的精力花在設(shè)計或移植RTOS上面。正如很多人使用Windows操作系統(tǒng)，而設(shè)計Windows操作系統(tǒng)只有Microsoft。許多人“研究”Linux，但不使用它，浪費時間了，人的精力是有限的，學(xué)習(xí)必須有所選擇。

2.2 嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)誤區(qū)2-硬件與軟件的困惑

以MCU為核心的嵌入式技術(shù)的知識體系必須通過具體的MCU來體現(xiàn)、實踐與訓(xùn)練。但是，選擇任何型號的MCU，其芯片相關(guān)的知識只占知識體系的20%，80%是通用知識。但是80%的通用知識，必須通過具體實踐才能進(jìn)行，所以學(xué)習(xí)嵌入式技術(shù)要選擇一個系列的MCU。但不論如何，系統(tǒng)含有硬件與軟件兩大部分，它們之間的關(guān)系如何？

有些學(xué)者，僅從電子角度認(rèn)識嵌入式系統(tǒng)。認(rèn)為“嵌入式系統(tǒng)=MCU硬件系統(tǒng)+小程序”。這些學(xué)者，大多學(xué)習(xí)背景是具有良好的電子技術(shù)基礎(chǔ)知識。實際情況是，早期MCU內(nèi)部RAM小、程序存儲器外接，需要外擴各種I/O，沒有象現(xiàn)在這樣USB、嵌入式以太網(wǎng)等較復(fù)雜的接口，因此，程序占總設(shè)計量小于50%，使人們認(rèn)為嵌入式系統(tǒng)（單片機）是“電子系統(tǒng)”，以硬件為主、程序為輔。但是，隨著MCU制造技術(shù)的發(fā)展，不僅MCU內(nèi)部RAM越來越大，F(xiàn)lash進(jìn)入MCU內(nèi)部改變了傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與調(diào)試方式，固件程序可以被更方便地調(diào)試與在線升級，許多情況與開發(fā)PC機程序方便程度相差無幾，只不過開發(fā)環(huán)境與運行環(huán)境不是同一載體而已。這些情況使得嵌入式系統(tǒng)的軟件硬件設(shè)計方法發(fā)生了根本變化。

有些學(xué)者，僅從軟件開發(fā)角度認(rèn)識嵌入式系統(tǒng)，甚至有的僅從嵌入式操作系統(tǒng)認(rèn)識嵌入式系統(tǒng)。這些學(xué)者，大多具有良好的計算機軟件開發(fā)基礎(chǔ)知識，認(rèn)為硬件是生產(chǎn)廠商的事，沒有認(rèn)識到，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的軟件與硬件均是需要開發(fā)者設(shè)計的。我常常接到一些關(guān)于嵌入式產(chǎn)品穩(wěn)定性的咨詢電話，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)是由于軟件開發(fā)者對底層硬件的基本原理不理解造成的。特別是，有些功能軟件開發(fā)者，過分依賴于底層硬件的驅(qū)動軟件設(shè)計完美，自己對底層驅(qū)動原理知之甚少。實際上，一些功能軟件開發(fā)者，名義上再做嵌入式軟件，實際上，僅僅使用嵌入式編輯、編譯環(huán)境而已，本質(zhì)與開發(fā)通用PC機軟件沒有兩樣。而底層硬件驅(qū)動軟件的開發(fā)，若不全面考慮高層功能軟件對底層硬件的可能調(diào)用，也會使得封裝或參數(shù)設(shè)計得不合理或不完備，導(dǎo)致高層功能軟件的調(diào)用困難。從這段描述可以看出，若把一個嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)孤立地分為硬件設(shè)計、底層硬件驅(qū)動軟件設(shè)計、高層功能軟件設(shè)計，一旦出現(xiàn)了問題，就可能難以定位。實際上，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計是一個軟件、硬件協(xié)同設(shè)計工程，不能象通用計算機那樣，軟件、硬件完全分開來看，要在一個大的框架內(nèi)協(xié)調(diào)工作。 面對學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)以軟件為主還是以硬件為主，或是如何選擇切入點，如何在軟件與硬件之間取得一些平衡。對于這個困惑的建議是：要想成為一名真正的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師，在初學(xué)階段，必須重視打好嵌入式系統(tǒng)的硬件與軟件基礎(chǔ)。以下是從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計二十多年的一個美國學(xué)者John Catsoulis 在《Designing Embedded Hardware》一書中關(guān)于這個問題的總結(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，沒有對硬件的理解就不可能寫好嵌入式軟件，同樣沒有對軟件的理解也不可能設(shè)計好嵌入式硬件。

嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品種類繁多，應(yīng)用領(lǐng)域各異。在2.1小節(jié)中，我們把嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍粗略分為電子系統(tǒng)的智能化與計算機應(yīng)用的延伸兩大類，從初學(xué)者角度，可能有分別從這兩個角度片面認(rèn)識嵌入式系統(tǒng)的問題。因此，一些從電子系統(tǒng)智能化角度認(rèn)識嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)者，可能會忽視編程結(jié)構(gòu)、編程規(guī)范、軟件工程的要求、操作系統(tǒng)等知識的積累。另一些從計算機應(yīng)用的延伸角度認(rèn)識嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)者，可能會把通用計算機學(xué)習(xí)過程中的概念與方法生搬硬套到嵌入式系統(tǒng)的實踐中，忽視嵌入式系統(tǒng)與通用計算機的差異。

實際上，在嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)與實踐的初始階段，應(yīng)該充分了解嵌入式系統(tǒng)的特點，根據(jù)自身的已有知識結(jié)構(gòu)，制定適合自身情況的學(xué)習(xí)計劃。目標(biāo)應(yīng)該是打好嵌入式系統(tǒng)的硬件與軟件基礎(chǔ)，通過實踐，為成為良好的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師建立起基本知識結(jié)構(gòu)。學(xué)習(xí)過程，可以通過具體應(yīng)用系統(tǒng)為實踐載體，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，有的初學(xué)者開發(fā)一個實際控制系統(tǒng)，沒有使用實時操作系統(tǒng)，但不要認(rèn)為實時操作系統(tǒng)不需要學(xué)習(xí)。又例如，有的初學(xué)者以一個帶有實時操作系統(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)都需要使用實時操作系統(tǒng)，甚至把一個十分簡明的實際系統(tǒng)加上一個不必要的實時操作系統(tǒng)。因此，片面認(rèn)識嵌入式系統(tǒng)，可能導(dǎo)致學(xué)習(xí)困惑。應(yīng)該根據(jù)實際項目需要，鍛煉自己分析實際問題、解決問題的能力。這是一個比較長期的學(xué)習(xí)與實踐過程，不能期望通過短期培訓(xùn)完成整體知識體系的建立，應(yīng)該重視自身實踐，全面地理解嵌入式系統(tǒng)的知識體系。

嵌入式系統(tǒng)的大部分初學(xué)者需要選擇一個微控制器（MCU）進(jìn)行入門級學(xué)習(xí)，面對眾多廠家生產(chǎn)的微控制器系列，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、32位，面對嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的多樣性，不同位數(shù)的MCU各有應(yīng)用領(lǐng)域，這一點與通用微機有很大不同。你做一個遙控器，不需要使用一個32位MCU，可能一個MCU芯片價格已經(jīng)超過遙控器價格需求。對于首次接觸嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)者，可以根據(jù)自己的知識基礎(chǔ)選擇入門芯片的位數(shù)。建議大多數(shù)初學(xué)者，可以選擇一個8位MCU作為快速入門芯片，了解一些匯編與底層硬件知識，之后再選一個16位或32位芯片進(jìn)行學(xué)習(xí)實踐。

關(guān)于芯片選擇的另一個誤區(qū)，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，是套用通用計算機系統(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)芯片選擇還有一個誤區(qū)，是系統(tǒng)的工作頻率。誤認(rèn)為選擇工作頻率高的芯片進(jìn)行入門學(xué)習(xí)，表示更先進(jìn)。實際上，工作頻率高可能給初學(xué)者帶來學(xué)習(xí)過程中的不少困難。

實際嵌入式系統(tǒng)設(shè)計不是追求芯片位數(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、功耗、價格等指標(biāo)。而初學(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)知識體系的通用基礎(chǔ)，其基本原則是：入門時間較快、硬件成本較少，知識要素較多，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，下面對廣大渴望學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的學(xué)子提出幾點基礎(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)，一定要打好軟件硬件基礎(chǔ)。其實，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)。

（2）選擇一個芯片及硬件評估板（入門芯片最好是簡單一點，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)驗且熱心的）。硬件評估板的價格一定要在1000元以下，不要太貴，最好能有自己動手的空間。不花一分硬件錢，要想學(xué)好嵌入式系統(tǒng)不實際。因為，這是實踐性很強的學(xué)科。好書，可以使你少走彎路，不會被誤導(dǎo)，要知道有的書是會使人進(jìn)入學(xué)習(xí)誤區(qū)的。好老師也可以是做過一些實際項目的學(xué)長（一定要找做過幾個成功項目的學(xué)長或老師做指導(dǎo)，否則，經(jīng)驗不足也可能誤導(dǎo)），有教師指導(dǎo)，學(xué)習(xí)進(jìn)程會加快（人工智能學(xué)科里有個術(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等逐個實驗理解，逐步實踐。再通過自己做一個實際的小系統(tǒng)，底層硬件基礎(chǔ)就有了。各個硬件模塊驅(qū)動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，這個過程是必須的。

（4）至于嵌入式實時操作系統(tǒng)RTOS，一定不要一開始就學(xué)，這樣會走很多彎路，也會使你對嵌入式系統(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。實際上，眾多嵌入式應(yīng)用，并不一定需要操作系統(tǒng)。也可以根據(jù)實際項目需要再學(xué)習(xí)特定的RTOS。一定不要被一些嵌入式實時操作系統(tǒng)培訓(xùn)班宣傳所誤導(dǎo)，而忽視實際嵌入式系統(tǒng)軟件硬件基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)。

（5）要避免片面地單純從“電子”或“計算機軟件”角度認(rèn)識嵌入式系統(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，一點一點理解硬件原理及底層硬件驅(qū)動編程方法。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），也就是一個一個模塊，但是要封裝得比較好，可復(fù)用。

（6）注重實驗與實踐。這里說的實驗主要指通過重復(fù)或驗證他人的工作，目的是學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識，這個過程一定要經(jīng)歷。實踐是自己設(shè)計，有具體的“產(chǎn)品”目標(biāo)。如果你能花500元左右自己做一個具有一定功能的小產(chǎn)品，且能穩(wěn)定運行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，可以通過一個芯片入門并具有一個實踐經(jīng)驗后，根據(jù)實際需要選擇芯片開發(fā)實際產(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)于操作系統(tǒng)的選擇?？梢缘鹊侥憔哂幸欢▽嵺`后，選擇一個簡單容易理解原理的進(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，實踐中確有實際需要再學(xué)習(xí)也不遲。人總是要不斷學(xué)習(xí)的。

（9）關(guān)于匯編與C語言的取舍。隨著MCU對C編譯的優(yōu)化支持，對于匯編可以只了解幾個必須的語句，直接使用C語言編程。但必須通過第一個程序理解芯片初始化過程、中斷機制、程序存儲情況等區(qū)別于PC機程序的內(nèi)容。另外，為了測試的需要，最好掌握一門PC機編程語言。

（10）要明確自己的學(xué)習(xí)目的，并注意學(xué)習(xí)方法。關(guān)于學(xué)習(xí)目的要明確是打基礎(chǔ)，還是為了適應(yīng)某些工作而進(jìn)行的短訓(xùn);而學(xué)習(xí)方法方面，要根據(jù)學(xué)習(xí)目的選擇合適的學(xué)習(xí)途徑，注意理論學(xué)習(xí)與實踐、通用知識與芯片相關(guān)知識、硬件知識與軟件知識的平衡，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。