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)驗等角度，為即將進(jìn)入嵌入式開(kāi)發(fā)的工程師們詳細講述嵌入式的概念、嵌入式開(kāi)發(fā)之間的異同以及應該如何做出選擇。是一些經(jīng)驗之談，希望對大家有所幫助。

　　一.工程師眼中的“嵌入式系統”

　　在工程師看來(lái)：著(zhù)重理解“嵌入”的概念，主要從三個(gè)方面來(lái)理解：

　　1.從硬件上，將基于CPU 的外圍器件，整合到CPU 芯片內部，比如早期基于X86體系結構下的計算機，CPU 只是有運算器和累加器的功能，一切芯片要靠外部橋路來(lái)擴展實(shí)現，象串口之類(lèi)的都是靠外部的16C550/2的串口控 制器芯片實(shí)現。目前這種串口控制器芯片早已集成到CPU 內部。還有PC 機有顯卡，而多數嵌入式處理器都 帶有LCD 控制器，但某種意義上就相當于顯卡。比較高端的ARM 類(lèi)Intel Xscale 架構下的IXP 網(wǎng)絡(luò )處理器CPU 內部集成PCI 控制器(可配成支持4個(gè)PCI 從設備或配成自身為CPI 從設備);還集成3個(gè)NPE 網(wǎng)絡(luò )處理器引擎，其中兩個(gè)對應于兩個(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DSL 上網(wǎng)功能。IXP 系列最高主頻可以達到1.8G，支持2G 內存，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A(yíng)RM 體系結構下由Intel 進(jìn)行整合后成Xscale 內核的最高的處理器了。

　　2、從軟件上，就是在定制操作系統內核里將應用一并選入，編譯后將內核下載到ROM 中。而在定制操作系統內核時(shí)所選擇的應用程序組件就是完成了軟件的“嵌入”，比如WinCE 在內核定制時(shí)，會(huì )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(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，多半的東西都需要我們得新再裝。

　　3、把軟件內核或應用文件系統等東西燒到嵌入式系統硬件平臺中的ROM 中就實(shí)現了一個(gè)真正的“嵌入”。 以上的定義是我在6、7年前給嵌入式系統下自話(huà)側重于理解型的定義，書(shū)上的定義也有很多，但在這個(gè)領(lǐng)域范圍 內，誰(shuí)都不敢說(shuō)自己的定義是十分確切的，包括那些專(zhuān)家學(xué)者們，因為畢竟嵌入式系統是計算機范疇下的一門(mén)綜合性學(xué)科。

　　二.嵌入式系統的分層及對口專(zhuān)業(yè)要求

　　嵌入式系統分為4層，硬件層、驅動(dòng)層、操作系統層和應用層。

　　1.硬件層：是整個(gè)嵌入式系統的根本。如果現在單片機及接口這塊很熟悉，并且能用C 和匯編語(yǔ)言來(lái)編程的話(huà)，從嵌入式系統的硬件層走起來(lái)相對容易，硬件層也是驅動(dòng)層的基礎，一個(gè)優(yōu)秀的驅動(dòng)工程師是要能夠看懂硬件的電路圖和自行完成CPLD 的邏輯設計的，同時(shí)還要對操作系統內核及其調度有相當的熟悉。但硬件平臺是基礎，增值還要靠軟件。

　　硬件層比較適合于電子、通信、自動(dòng)化、機電一體、信息工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的人來(lái)搞。需要掌握的專(zhuān)業(yè)基礎知識有： 單片機原理及接口技術(shù)、微機原理及接口技術(shù)、C 語(yǔ)言等。

　　2.驅動(dòng)層：這部分相對而言比較難。驅動(dòng)工程師不僅要能看懂電路圖，還要能對操作系統內核十分的精通，以便其所寫(xiě)的驅動(dòng)程序在系統調用時(shí)，不會(huì )獨占操作系統時(shí)間片，而導致其它任務(wù)不能運行。若不懂操作系統內核架構和實(shí)時(shí)調度性，沒(méi)有良好的驅動(dòng)編寫(xiě)風(fēng)格，按大多數書(shū)上所說(shuō)添加的驅動(dòng)的方式，這樣可能連個(gè)初級的驅動(dòng)工程師的水平都達不到，所寫(xiě)的驅動(dòng)在應用調用時(shí)就如同windows 下我們打開(kāi)一個(gè)程序運行后，再打開(kāi)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 )才能運行后來(lái)打開(kāi)的程序。想做個(gè)好的驅動(dòng)人員沒(méi)有三、四年功底，操作系統內核不研究上幾遍，不是太容易成功的，但其工資在嵌入式系統四層中是最高的。 驅動(dòng)層比較適合于電子、通信、自動(dòng)化、機電一體、信息工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)尤其是計算機偏體系結構類(lèi)專(zhuān)業(yè)的人來(lái)搞。 當然除硬件層所具備的基礎學(xué)科外，還要對數據結構與算法、操作系統原理、編譯原理都要十分精通。

　　3.操作系統層：對于操作系統層而言目前可能只能說(shuō)是簡(jiǎn)單的移植，而很少有人來(lái)自已寫(xiě)操作系統，或者寫(xiě)出缺胳膊少腿的操作系統來(lái)，這部分工作大都由驅動(dòng)工程師來(lái)完成。操作系統是負責系統任務(wù)的調試、磁盤(pán)和文件的管理，而嵌入式系統的實(shí)時(shí)性十分重要。據說(shuō)，XP 操作系統是微軟投入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?huà)zHopen 操作系統估計也得花幾百人/年才能搞定。因此這部分工作相對來(lái)講沒(méi)有太大意義。

　　4.應用層：相對來(lái)講較為容易。如果會(huì )在windows 下進(jìn)行編程接口函數調用，到操作系統下只是編譯和開(kāi)發(fā)環(huán)境有相應的變化而已。如果涉及Java方面的編程也是如此。嵌入式系統中涉及算法的由專(zhuān)業(yè)算法的人來(lái)處理，不必歸結到嵌入式系統范疇內。但如果涉及嵌入式系統下面的嵌入式數據庫、基于嵌入式系統的網(wǎng)絡(luò )編程和基于某些應用層面的協(xié)議應用開(kāi)發(fā)(比如基于SIP、H.323、Astrisk)方面，又較為復雜，并且有度了。

　　三.目標與定位

　　先有目標，再去定位。

　　學(xué)ARM，從硬件上講，一方面就是學(xué)習接口電路設計，另一方面就是學(xué)習匯編和C 語(yǔ)言的板級編程。從軟件上講，就是要學(xué)習基于A(yíng)RM 處理器的操作系統層面的驅動(dòng)和移植。這些對于初學(xué)者來(lái)說(shuō)必須明確，要么從硬件著(zhù)手開(kāi)始學(xué)，要么從操作系統的熟悉到應用開(kāi)始學(xué)，但不管學(xué)什么，只要不是純的操作系統級以上基于A(yíng)PI 的應用層的編程，硬件的寄存器類(lèi)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(huì )的。因此針對于嵌 入式系統的硬件層和驅動(dòng)層的人來(lái)說(shuō)，ARM 的接口電路設計、ARM 的C 語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編程及調試開(kāi)發(fā)環(huán)境還是需要掌握的。

　　對于初學(xué)者必然要把握住方向，自己的目標是什么，自己要在哪一層面上走。然后再著(zhù)手學(xué)習才比較好，與 ARM 相關(guān)的嵌入式系統的較為實(shí)際的兩個(gè)層面硬件層和驅動(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的應用層面的走的話(huà)，可能與ARM 及其它體系相去較遠，要著(zhù)重研究基嵌入式操作系統的 環(huán)境應用與相應開(kāi)發(fā)工具鏈，比如WinCE 操作系統下的EVC 應用開(kāi)發(fā)(與windows 下的VC 相類(lèi)似)，如果想再 有突破就往某些音視頻類(lèi)的協(xié)議上靠，比如VOIP 領(lǐng)域的基于SIP 或H.323協(xié)議的應用層開(kāi)發(fā)，或是基于嵌入式 網(wǎng)絡(luò )數據庫的開(kāi)發(fā)等等。

　　對于初學(xué)者來(lái)講，要量力而行，不要認為驅動(dòng)層工資高就把它當成方向了，要結合自身特點(diǎn)，嵌入式系統四個(gè)層 面上無(wú)論哪個(gè)層面上來(lái)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(gè)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(kāi)發(fā)系統

　　很多ARM 初學(xué)者都希望有一套自己能用的系統，但他們往往會(huì )產(chǎn)生一種錯誤認識，就是認為處理器版本越高越好，性能越高越好，就象很多人認為ARM9比ARM7好， 我想對于初學(xué)者在此方面以此入門(mén)還應該理智，開(kāi)發(fā)系統的選擇最終要看自己往嵌入式系統的哪個(gè)方向上走，是做驅動(dòng)開(kāi)發(fā)還是應用，還是做嵌入式系統硬件層設計與板級測試。如果想從操作系統層面或應用層面上走，不管是驅動(dòng)還是應用，當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。對于用戶(hù)來(lái)講可能覺(jué)察不到什么，只能是感覺(jué)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系列處理器內部帶MMU 的很少，而且比較好控 制。就比如S3C44B0來(lái)講，可以很容易將Cache 關(guān)了，而且內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(lái)?；?1單片機的思想很容易搞懂，就當成個(gè)32位的單 片機，從而消除很多51工程師想轉為嵌入式系統硬件ARM 開(kāi)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。

　　而嵌入式系統不管硬件設計還是軟件驅動(dòng)方面都是十分注重接口這部分的，選擇平臺還要考察一個(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)成功的機率就越高，這就是招聘時(shí)所說(shuō)的有無(wú)“相關(guān)技能”，因為一個(gè)人不可能在短短幾年內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(méi)有見(jiàn)過(guò)的，就拿臺灣數十家小公司(市價(jià)幾千萬(wàn))的公司生產(chǎn)的ARM 類(lèi)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)驗的人了，那什么是相關(guān)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方面相關(guān)接口驅動(dòng)及應用開(kāi)發(fā)經(jīng)驗。我從業(yè)近十年， 2000年ARM 出現，我一開(kāi)始做ARM7，然后直接跑到了Xscale(這個(gè)板本在A(yíng)RM10-11之間)，一做就是五年，招人面試都不下數百人，在這些方面還是深有體會(huì )的。

　　我個(gè)人認為三星的S3C44b0對初學(xué)者來(lái)說(shuō)比較合適，為什么這么說(shuō)? 因為接口資源比較豐富，技術(shù)成熟，資料較多，應該十分適合于初學(xué)者。有問(wèn)題可能很容易找人幫且解決，因為大多數人都很熟悉，就如同51類(lèi)的單片 機，有N多位專(zhuān)家級的人物可以給你幫忙，相關(guān)問(wèn)題得以很快解答，所然業(yè)界認為這款ARM 都用得爛了，但對于初學(xué)者來(lái)，卻是件好事。

　　總的來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)系統的選擇，要看自己的未來(lái)從業(yè)目標方向，要看開(kāi)發(fā)板接口資源，還要看業(yè)界的通用性。

　　五.成為高級嵌入式系統硬件工程師要具備的技能

　　對于硬件來(lái)講有幾個(gè)方向，就單純信號來(lái)分為數字和模擬。模擬比較難搞，一般需要很長(cháng)的經(jīng)驗積累，單單一個(gè)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(zhù)技術(shù)的發(fā)展，出現了模擬電路數字化。 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(shù)，自我感覺(jué)模擬功能不 太強的人，不太適合搞這個(gè)，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(lèi)就是數字部分了，在大方向上又可分為51/ARM 的單片機類(lèi)，DSP 類(lèi)，FPGA 類(lèi)。國內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(mén)級，前途不太明朗，即使做個(gè)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，如果不向驅動(dòng)或是算法上靠攏，前途也不會(huì )太大。而ARM 單片機類(lèi)的內容就較多，業(yè)界產(chǎn)品占用量大，應用人群廣，因此就業(yè)空間極大。而硬件設計最體現水平和水準的就是接口設計這塊，這是各個(gè)高級硬件工程師相互PK、判定水平高低的依據。而接口設計這塊最關(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(xiàn)接LCD，但為什么這種LCD 就不能掛在A(yíng)RM 的總線(xiàn)上，還有ARM7總線(xiàn)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(wèn)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。 一個(gè)優(yōu)秀的硬件工程師應該能夠在沒(méi)有參考方案的前提下設計出一個(gè)在成本和性能上更加優(yōu)秀的產(chǎn)品，靠現有的方案，也要進(jìn)行適當的可行性裁剪，但不是胡亂的來(lái)，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幫忙把他們以前基于PXA255平臺的手持GPS 設備做下程序優(yōu)化，我問(wèn)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(wèn)題。因此我提了幾條建議，讓他們更新試下再說(shuō)。

　　因此想成為一個(gè)優(yōu)秀的工程師，需要對系統整體性的把握和對已有電路的理解，換句話(huà)說(shuō)，給你一套電路圖你能看明白多少，看不明白80%以上的話(huà)，說(shuō)明你離優(yōu)秀的工程師還差得遠。其次是電路的調試能力和審圖能力，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(zhuān)業(yè)的畫(huà)PCB 板的工程師，和EMC 設計工程師，幫人家解決EMC 的問(wèn)題。硬件工程師再往上就是板級測試工程師，就是C 語(yǔ)言功底很好的硬件工程師，在電路板調試過(guò)程中能通過(guò)自已編寫(xiě)的測試程序對硬件功能進(jìn)行驗證。然后再交給基于操作系統級的驅動(dòng)開(kāi)發(fā)人員。 總之，硬件的內容很多很雜，硬件哪方面練成了都會(huì )成為一個(gè)高手，我時(shí)常會(huì )給人家做下方案評估，很多高級硬件工程師設計的東西，經(jīng)常被我一句話(huà)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，讓很多高級硬件工程師也摸不到頭腦。

　　那么高級硬件工程師技術(shù)技能都要具備哪些?首先要掌握EDA 設計的輔助工具類(lèi)如Protel OR CADPowper PCBMaplux2ISE、VDHL 語(yǔ)言，要能用到這些工具畫(huà)圖畫(huà)板做邏輯設計，再有就是接口設計審圖能力， 再者就是調試能力，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。

　　深入了解各種器件特性，選擇最合適的處理器、外圍器件、操作系統和軟件庫，盡可能地優(yōu)化軟件設計，最貼切地滿(mǎn)足應用需求，以獲得最好的系統性?xún)r(jià)比，是嵌入式系統設計開(kāi)發(fā)的精髓。

　　硬件是要靠經(jīng)驗，也要靠積累的，十年磨一劍，百年磨一針。

　　不過(guò)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)在擔心自己的智力是否會(huì )在30歲到來(lái)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)驗室,左手鍵盤(pán)右手烙鐵的。