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十年經(jīng)驗教你如何學習嵌入式系統(tǒng)（基于ARM平臺 ）
2014/10/25
Levi
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一、嵌入式系統(tǒng)的概念 . E) r# S Y" L$ J; l- p g; Q
著重理解“嵌入”的概念
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主要從三個方面上來理解。 + F1 I& D/ J8 m, g% W$ B% H
1、從硬件上，將基于CPU的處圍器件，整合到CPU芯片內(nèi)部，比如早期基于X86體系結(jié)構(gòu)下的計算機，CPU只是有運算器和累加器的功能，一切芯片要造外部橋路來擴展實現(xiàn)，象串口之類的都是靠外部的16C550/2的串口控制器芯片實現(xiàn)，而目前的這種串口控制器芯片早已集成到CPU內(nèi)部，還有PC機有顯卡，而多數(shù)嵌入式處理器都帶有LCD控制器，但其種意義上就相當于顯卡。比較高端的ARM類Intel Xscale架構(gòu)下的IXP網(wǎng)絡處理器CPU內(nèi)部集成PCI控制器（可配成支持4個PCI從設備或配成自身為CPI從設備）；還集成3個NPE網(wǎng)絡處理器引擎，其中兩個對應于兩個MAC地址， 可用于網(wǎng)關交換用，而另外一個NPE網(wǎng)絡處理器引擎支持DSL，只要外面再加個PHY芯片即可以實現(xiàn)DSL上網(wǎng)功能。IXP系列最高主頻可以達到 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系列應該是目標基于ARM體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下由 intel進行整合后成Xscale內(nèi)核的最高的處理器了。
2、從軟件上前，就是在定制操作系統(tǒng)內(nèi)核里將應用一并選入，編譯后將內(nèi)核下載到ROM中。而在定制操作系統(tǒng)內(nèi)核時所選擇的應用程序組 件就是完成了軟件的“嵌入”，比如WinCE在內(nèi)核定制時，會有相應選擇，其中就是wordpad,PDF,MediaPlay等等選擇，如果我們選擇 了，在CE啟動后，就可以在界面中找到這些東西，如果是以前PC上將的windows操作系統(tǒng)，多半的東西都需要我們得新再裝。 . z" @% [- c7 ?; Y8 c6 w/ a5 F
3、把軟件內(nèi)核或應用文件系統(tǒng)等東西燒到嵌入式系統(tǒng)硬件平臺中的ROM中就實現(xiàn)了一個真正的“嵌入”。 / E/ t! f4 M! A: `6 K( E
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，但在這個領域范圍內(nèi)，誰都不敢說自己的定義是十分確切的，包括那些專家學者們，歷為畢竟嵌入式系統(tǒng)是計算機范疇下的一門綜合性學科 : V/ m! a! r. C5 B3 \/ l' N
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二、嵌入式系統(tǒng)的分層與專業(yè)的分類。
嵌入式系統(tǒng)分為４層，硬件層、驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層和應用層。
1、硬件層，是整個嵌入式系統(tǒng)的根本，如果現(xiàn)在單片機及接口這塊很熟悉，并且能用C和匯編語言來編程的話，從嵌入式系統(tǒng)的硬件層走起來相對容易，硬件層也是驅(qū)動層的基礎，一個優(yōu)秀的驅(qū)動工程師是要能夠看懂硬件的電路圖和自行完成CPLD的邏輯設計的，同時還要對操作系統(tǒng)內(nèi)核及其調(diào)度性相當?shù)氖煜さ?。但硬件平臺是基礎，增值還要靠軟件。 / @: r" {- k+ L6 E. P
硬件層比較適合于，電子、通信、自動化、機電一體、信息工程類專業(yè)的人來搞，需要掌握的專業(yè)基礎知識有，單片機原理及接口_技術、微機原理及接口_技術、C語言。
2、 驅(qū)動層，這部分比較難，驅(qū)動工程師不僅要能看懂電路圖還要能對操作系統(tǒng)內(nèi)核十分的精通，以便其所寫的驅(qū)動程序在系統(tǒng)調(diào)用時，不會獨占操作系統(tǒng)時間片，而導 至其它任務不能動行，不懂操作系統(tǒng)內(nèi)核架構(gòu)和實時調(diào)度性，沒有良好的驅(qū)動編寫風格，按大多數(shù)書上所說添加的驅(qū)動的方式，很多人都能做到，但可能連個初級的 驅(qū)動工程師的水平都達不到，這樣所寫的驅(qū)動在應用調(diào)用時就如同windows下我們打開一個程序運行后，再打開一個程序時，要不就是中斷以前的程序，要不 就是等上一會才能運行后來打開的程序。想做個好的驅(qū)動人員沒有三、四年功底，操作系統(tǒng)內(nèi)核不研究上幾編，不是太容易成功的，但其工資在嵌入式系統(tǒng)四層中可 是最高的。
驅(qū)動層比較適合于電子、通信、自動化、機電一體、信息工程類專業(yè)尤其是計算機偏體系結(jié)構(gòu)類專業(yè)的人來搞，除硬件層所具備的基礎學科外，還要對數(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了解。
3、操作系統(tǒng)層，對于操作系統(tǒng)層目前可能只能說是簡單的移植，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)動工程師來完成。操作系統(tǒng)是負責系統(tǒng)任務的調(diào)試、磁盤和文件的管理，而嵌入式系統(tǒng)的實時性十分重要。據(jù)說，XP操作系統(tǒng)是微軟投入300人用兩年時間才搞定的，總時工時是600人年，中科院軟件所自己的女媧Hopen操作系統(tǒng)估計也得花遇幾百人年才能搞定。因此這部分工作相對來講沒有太大意義。
4、應用層，相對來講較為容易的，如果會在windows下如何進行編程接口函數(shù)調(diào)用，到操作系統(tǒng)下只是編譯和開發(fā)環(huán) 境有相應的變化而已。如果涉及Jave方面的編程也是如此的。嵌入式系統(tǒng)中涉及算法的由專業(yè)算法的人來處理的，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)下面嵌入式數(shù)據(jù)庫、基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡編程和基于某此應用層面的協(xié)議應用開發(fā)（比如基于SIP、H.323、Astrisk）方面又較為復雜， 并且有難度了。 7 ]# k/ q8 L* [$ F ?7 J
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三、目標與定位。
先有目標，再去定位。
學 ARM，從硬件上講，一方面就是學習接口電路設計，另一方面就是學習匯編和C語言的板級編程。如果從軟件上講，就是要學習基于ARM處理器的操作系統(tǒng)層面 的驅(qū)動、移植了。這些對于初學都來說必須明確,要么從硬件著手開始學，要么從操作系統(tǒng)的熟悉到應用開始學，但不管學什么，只要不是純的操作系統(tǒng)級以上基于 API的應用層的編程，硬件的寄存器類的東西還是要能看懂的，基于板級的匯編和C編程還是要會的。因此針對于嵌入式系統(tǒng)的硬件層和驅(qū)動程的人，ARM的接 口電路設計、ARM的C語言和匯編語言編程及調(diào)試開發(fā)環(huán)境還是需要掌握的。
因此對于初學者必然要把握住方向，自己的目標是什么，自己要在那一層面上走。然后再著手學習較好，與ARM相關的嵌入式系統(tǒng)的較為實際的兩個層面硬件層和驅(qū)動層，不管學好了那一層都會很有前途的。
如果想從嵌入式系統(tǒng)的應用層面的走的話，可能與ARM及其它體系相去較遠，要著重研究基嵌入式操作系統(tǒng)的環(huán)境應用與相應開發(fā)工具鏈，比如WinCe操作系統(tǒng)下的EVC應用開發(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領域的基于SIP或H.323協(xié)議的應用層開發(fā)，或是基于嵌入式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫的開發(fā)等等。
對 于初學者來講，要量力而行，不要認為驅(qū)動層工資高就把它當成方向了，要結(jié)合自身特點，嵌入式系統(tǒng)四個層面上那個層面上來講都是有高人存在，當然高人也對應 的高工資，我是做硬件層的，以前每月工資中個人所得稅要被扣上近3千大元，當然我一方面充當工程師的角色，一方面充當主管及人物的角色，兩個職位我一個人 干，但上班時間就那些。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。
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四、開發(fā)系統(tǒng)選擇。 & p( C i, r: @6 c" t ~
很 多ARM初學者都希望有一套自己能用的系統(tǒng)，但他們住住會產(chǎn)生一種錯誤認識就是認為處理器版本越高、性能越高越好，就象很多人認為ARM9與ARM7好， 我想對于初學者在此方面以此入門還應該理智，開發(fā)系統(tǒng)的選擇最終要看自己往嵌入式系統(tǒng)的那個方向上走，是做驅(qū)動開發(fā)還是應用，還是做嵌入式系統(tǒng)硬件層設計 與板級測試。如果想從操作系統(tǒng)層面或應用層面上走，不管是驅(qū)動還是應用，那當然處理器性能越高越好了，但這個東西自學，有十分大的困難，不是幾個月或半年 或是一年二年能搞定的事。 ! F! o' ^! a& y, P
在某種意義上請，ARM7與9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。對于用戶來講可能覺查不到什么，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，因為ARM7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關了，而且內(nèi)部接口寄存器很容易看明白，各種接口對于用硬件程序控制或AXD單步命令行指令都可以控制起來，基于51單片機的思想很容易能把他 搞懂，就當成個32位的單片機，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，從而不會被業(yè)界某此不是真正懂嵌入式爛公司帶到操作 系統(tǒng)層面上去，讓他們望而失畏，讓業(yè)界更加缺少這方面的人才。 b" n, J) z4 L7 a
而嵌入式系統(tǒng)不管硬件設計還是軟件驅(qū)動方面都是十分注重接口這部分的，選擇平臺還要考察一個處理器的外部資源，你接觸外部資源越多，越熟悉他們那你以后就業(yè)成功的機率就越高，這就是招聘時 所說的有無“相關技能”，因為一個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，就拿臺灣數(shù)十家小 公司（市價幾千萬）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工作經(jīng)驗的人了，那什么是相關工作經(jīng) 驗，在硬件上講的是外圍接口設計，在軟件上講是操作系統(tǒng)方面相關接口驅(qū)動及應用開發(fā)經(jīng)驗。我從業(yè)近十年，2000年ARM出現(xiàn)，我一天始做ARM7,然后 直接跑到了Xscale（這個板本在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的。 9 E6 b9 N6 x& R; ~7 ^- r, f2 e
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我個人認為三星的S3C44b0對初學者來說比較合適，為什么這么說哪？因為接口資源比較豐富，技術成熟，資料較多，應該十分適合于初學者，有問題可能很容易找人幫且解決，因為大多數(shù)人都很熟悉，就如同51類的單片機，有N多位專家級的人物可以給你幫忙，相關問題得以很快解答，所然業(yè)界認為這款ARM都做用得爛了，但對于初學者來，就卻是件好事。 - ?1 `8 d7 O9 b8 [+ l# A
因此開發(fā)系統(tǒng)的選擇，要看自己的未來從來目標方向、要看開發(fā)板接口資源、還要看業(yè)界的通用性。
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五、如何看待培訓。
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首先說說我自己，我目前從業(yè)近十年，與國內(nèi)嵌入式系統(tǒng)行業(yè)共同起步，一直站在嵌入式系統(tǒng)行業(yè)前沿，設計過多款高端嵌入式系統(tǒng)平臺產(chǎn)品并為眾多公司提供過解決方案，離職前為從事VOIP的美資公司設計IP-PBX，歷任項目經(jīng)理、項目主管、技術總監(jiān)、部門經(jīng)理，積累眾多人脈，并集多年經(jīng)驗所得，考慮到學生就業(yè)與公司招人的不相匹配，公司想招人招不到，而學生和剛畢業(yè)的工程師想找份工作也不太容易，于此力創(chuàng)知天行科技有限公司，開展嵌入式系統(tǒng)教育培訓。 6 U i" V9 z) {8 L: n) P
因 一線的科研人員和一線的教師不相接觸，導至國內(nèi)嵌入式人才缺乏，國外高校的技術超前于業(yè)界公司，而國內(nèi)情況是業(yè)界公司方面的嵌入式系統(tǒng)技術要遠遠領先于高 校。為架構(gòu)業(yè)界與高校溝通的橋梁，把先進技能帶給高校學子，為學生在就業(yè)競爭中打造一張王牌，并為業(yè)界工程師快速提升實現(xiàn)自我創(chuàng)造機遇，我就這樣辭去了外 企年薪20多萬的職位，做嵌入式系統(tǒng)方面的培訓了。
對于培訓來講，是花錢來買時間，很多工程師都喜歡自己學，認為培訓不值，這也是有 可能的，純?yōu)橘嶅X的培訓當然不會太有價值，但對于實力型的培訓他們可能就虧大了，有這樣一筆帳不知他們算過沒有，如果一個一周的培訓，能帶給他們自學兩年 后才能掌握的知識，在培訓完后他們用三個月到半年時間消化培訓內(nèi)容，這樣他會省約至少一年半的時間來學其它的或重新站在另一個高度上工作，那么他將最遲一 年后會拿到他兩年后水平所對應的工資，就是在工資與水平對應的關系上比同批人縮短一年，每月按最少1千計，再減去培訓費用至少多1.0萬，同時也省了一年 時間，不管是休閑也好，再繼續(xù)提高也好，總之是跑到了隊伍的前面了。
另一層面上講，對于新人的培訓相當于他們?yōu)樽约禾崆百I了份失業(yè)保險，有師傅會帶領他們?nèi)氲?，我今年暑假時班里最年輕的一個學生是大二的，今年才上大三，這學期才剛學單片機，但現(xiàn)在ARM方面的編程工作已經(jīng)搞得有聲有色了，再過一年多畢業(yè)，他還會失業(yè)嗎？
再 者通過培訓，你可以知道很多業(yè)界不為常人所知的事，同時也為自己找了個師傅，就比如說，兩個工程師分別用S3C2410和PXA255來做手持設備，同樣 兩人都工作四年，再出去找工作，兩人工資可能最多可相差一倍，為什么？這就是業(yè)界不為常人所知的規(guī)則，2410屬于民品，被業(yè)界用爛了，做產(chǎn)品時成本特敏 感，當然也對人才成本敏感了，PXA255是intel的東西，一個255 CPU能買三個2410，一直被業(yè)界定義為貴族產(chǎn)品，用的公司都是大公司或為 軍方服務的公司，不會在乎成本，只要把東西做好，一切都好說，但這方面做的人也少啊，因為開發(fā)系統(tǒng)貴啊。 $ M/ I" z! d$ o+ b
對于說為自已找了個好師傅， 我想是這樣的，因為同級工程師間存在著某此潛在的競爭關系，有很多人不愿意把自己知道的東西教給別人，這意味著他將要失業(yè)，就是所說的教會徒弟，餓死師 傅，但對于我們這些人就不存在這樣的關系了，我是在嵌入式系統(tǒng)平臺設計上走到了一定程序，目前在國內(nèi)這塊的技術上已經(jīng)是自己很難再突破自己，因此很多東西 我對大家都是OPEN的，就比如說下面那部分關于接口設計中所提到的時序接口東西，我要是不講，卻使是高級硬件工程師我想也幾乎只有10%的人能知道 吧。 * l) h/ J+ T8 D) K* f0 w
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六、成為高級嵌入式系統(tǒng)硬件工程師要具備的技能。 . u9 C, `# i5 y1 c* x
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對于硬件來講有幾個方向，就單純信號來分為數(shù)字和模擬，模擬比較難搞，一般需要很長的經(jīng)驗積累，單單一個阻值或容值的精度不夠就可能使信號偏差很大。因此年輕人搞的較少，隨著技術的發(fā)展，出現(xiàn)了模擬電路數(shù)字化，比如手機的Modem射頻模塊，都采用成熟的套片，而當年國際上只有兩家公司有此技術，自我感覺模擬功能不太強的人，不太適合搞這個，如果真能搞定到手機的射頻模塊，只要達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的單片機類，DSP類，F(xiàn)PGA類， 國內(nèi)FPGA的工程師大多是在IC設計公司從事IP核的前端驗證，這部分不搞到門級，前途不太明朗，即使做個IC前端驗證工程師，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)動或是算法上靠攏，前途也不會太大。而ARM單片機類的內(nèi)容就較多，業(yè)界產(chǎn)品占用量大，應用人群廣，因此就業(yè)空間極 大，而硬件設計最體現(xiàn)水平和水準的就是接口設計這塊，這是各個高級硬件工程師相互PK，判定水平高低的依據(jù)。而接口設計這塊最關鍵的是看時序，而不是簡單 的連接，比如PXA255處理器I2C要求速度在100Kbps，如果把一個I2C外圍器件，最高還達不到100kbps的與它相接，必然要導致設計的失 敗。這樣的情況有很多，比如51單片機可以在總線接 LCD，但為什么這種LCD就不能掛在ARM的總線上，還有ARM7總線上可以外接個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單的連接，要看時序，要看參數(shù)。 一個優(yōu)秀的硬件工程師應該能夠在沒有參考方案的前提下設計 出一個在成本和性能上更加優(yōu)秀的產(chǎn)品，靠現(xiàn)有的方案，也要進行適當?shù)目尚行圆眉?，但不是胡亂的來，我遇到一個工程師把方案中的5V變1.8V的DC芯片， 直接更換成LDO，有時就會把CPU燒上幾個。前幾天還有人希望我?guī)兔Π阉麄円郧盎赑XA255平臺的手持GPS設備做下程序優(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，因此導致地圖讀取速度十分的慢，這種情況是設計中嚴重的缺陷，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。因此想成為一個優(yōu)秀的工程師，需要對系統(tǒng)整體性的把握和對已有電路的理解，換句話說，給你一套電路圖你 終究能看明白多少，看不明白80%以上的話，說明你離優(yōu)秀的工程師還差得遠哪。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計pcb繪 制，邏輯設計這塊。這是指的硬件設計工程師，從上面的硬件設計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設計工程師，幫 人家解決EMC的問題。硬件工程師再往上就是板級測試工程師，就是C語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試程序?qū)τ布δ苓M行 驗證。然后再交給基于操作系統(tǒng)級的驅(qū)動開發(fā)人員。
總之，硬件的內(nèi)容很多很雜，硬件那方面練成了都會成為一個高手，我時常會給人家做下方案評估，很多高級硬件工程師設計的東西，經(jīng)常被我一句話否定，因此工程師做到我這種地步，也會得罪些人，但硬件的確會有很多不為人知的東西，讓很多高級硬件工程師也摸不到頭腦。
那 么高級硬件件工程師技術技能都要具備那些東西哪，首先要掌握EDA設計的輔助工具類如protel Orcad PowperPCB Maplux2ISE、 VDHL語言，要能用到這些工具畫圖畫板做邏輯設計，再有就是接口設計審圖能力，再者就是調(diào)試能力，如果能走到總體方案設計這塊，那就基本上快成為資深工 程師了。
硬件是要靠經(jīng)驗，也要靠積累的，十年磨一劍，百年磨一針。 3 x+ R: x! d1 S- f' H% W4 y$ V
把一個月前想寫的東西，今天終于用一上午的進間整理完了，希望對喜愛嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的工程師和學生們有所幫助。
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