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，為即將進入嵌入式開發(fā)的工程師們詳細講述嵌入式的概念、嵌入式開發(fā)之間的異同以及應(yīng)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(tǒng)”

　　在工程師看來：著重理解“嵌入”的概念，主要從三個方面來理解：

　　1.從硬件上，將基于CPU 的外圍器件，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，一切芯片要靠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)。目前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，但某種意義上就相當(dāng)于顯卡。比較高端的ARM 類Intel Xscale 架構(gòu)下的IXP 網(wǎng)絡(luò)處理器CPU 內(nèi)部集成PCI 控制器(可配成支持4個PCI 從設(shè)備或配成自身為CPI 從設(shè)備);還集成3個NPE 網(wǎng)絡(luò)處理器引擎，其中兩個對應(yīng)于兩個MAC 地址， 可用于網(wǎng)關(guān)交換用，而另外一個NPE 網(wǎng)絡(luò)處理器引擎支持DSL，只要外面再加個PHY 芯片即可實現(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(yīng)該是目標(biāo)基于ARM 體系結(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，就是在定制操作系統(tǒng)內(nèi)核里將應(yīng)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(yīng)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(yīng)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 上的windows 操作系統(tǒng)，多半的東西都需要我們得新再裝。

　　3、把軟件內(nèi)核或應(yīng)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”。 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(lǐng)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(xué)者們，因為畢竟嵌入式系統(tǒng)是計算機范疇下的一門綜合性學(xué)科。

　　二.嵌入式系統(tǒng)的分層及對口專業(yè)要求

　　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(yīng)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(chǔ)，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(shè)計的，同時還要對操作系統(tǒng)內(nèi)核及其調(diào)度有相當(dāng)?shù)氖煜ぁ５布脚_是基礎(chǔ)，增值還要靠軟件。

　　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(chǔ)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 語言等。

　　2.驅(qū)動層：這部分相對而言比較難。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(dǎo)致其它任務(wù)不能運行。若不懂操作系統(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(fēng)格，按大多數(shù)書上所說添加的驅(qū)動的方式，這樣可能連個初級的驅(qū)動工程師的水平都達不到，所寫的驅(qū)動在應(yīng)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)核不研究上幾遍，不是太容易成功的，但其工資在嵌入式系統(tǒng)四層中是最高的。 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。 當(dāng)然除硬件層所具備的基礎(chǔ)學(xué)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。

　　3.操作系統(tǒng)層：對于操作系統(tǒng)層而言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(zé)系統(tǒng)任務(wù)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(yīng)用層：相對來講較為容易。如果會在windows 下進行編程接口函數(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(yīng)的變化而已。如果涉及Java方面的編程也是如此。嵌入式系統(tǒng)中涉及算法的由專業(yè)算法的人來處理，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)下面的嵌入式數(shù)據(jù)庫、基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)編程和基于某些應(yīng)用層面的協(xié)議應(yīng)用開發(fā)(比如基于SIP、H.323、Astrisk)方面，又較為復(fù)雜，并且有度了。

　　三.目標(biāo)與定位

　　先有目標(biāo)，再去定位。

　　學(xué)ARM，從硬件上講，一方面就是學(xué)習(xí)接口電路設(shè)計，另一方面就是學(xué)習(xí)匯編和C 語言的板級編程。從軟件上講，就是要學(xué)習(xí)基于ARM 處理器的操作系統(tǒng)層面的驅(qū)動和移植。這些對于初學(xué)者來說必須明確，要么從硬件著手開始學(xué)，要么從操作系統(tǒng)的熟悉到應(yīng)用開始學(xué)，但不管學(xué)什么，只要不是純的操作系統(tǒng)級以上基于API 的應(yīng)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)動層的人來說，ARM 的接口電路設(shè)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。

　　對于初學(xué)者必然要把握住方向，自己的目標(biāo)是什么，自己要在哪一層面上走。然后再著手學(xué)習(xí)才比較好，與 ARM 相關(guān)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(xué)好了那一層都會很有前途的。 如果想從嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)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(yīng)用與相應(yīng)開發(fā)工具鏈，比如WinCE 操作系統(tǒng)下的EVC 應(yīng)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(lǐng)域的基于SIP 或H.323協(xié)議的應(yīng)用層開發(fā)，或是基于嵌入式 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的開發(fā)等等。

　　對于初學(xué)者來講，要量力而行，不要認為驅(qū)動層工資高就把它當(dāng)成方向了，要結(jié)合自身特點，嵌入式系統(tǒng)四個層 面上無論哪個層面上來講都是有高人存在，當(dāng)然高人也對應(yīng)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(dāng)然我一方面充當(dāng)工程師的角色，一方面充當(dāng)主管人物的角色，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。

　　四.如何選擇合適的開發(fā)系統(tǒng)

　　很多ARM 初學(xué)者都希望有一套自己能用的系統(tǒng)，但他們往往會產(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還應(yīng)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)的哪個方向上走，是做驅(qū)動開發(fā)還是應(yīng)用，還是做嵌入式系統(tǒng)硬件層設(shè)計與板級測試。如果想從操作系統(tǒng)層面或應(yīng)用層面上走，不管是驅(qū)動還是應(yīng)用，當(dāng)然處理器性能越高越好了，但這個東西自學(xué)，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。

　　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。對于用戶來講可能覺察不到什么，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(guān)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?；?1單片機的思想很容易搞懂，就當(dāng)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)界某些不是真正懂 嵌入式爛公司帶到操作系統(tǒng)層面上去，讓他們望而生畏，讓業(yè)界更加缺少這方面的人才。

　　而嵌入式系統(tǒng)不管硬件設(shè)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，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(guān)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(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(shè)計，在軟件上講是操作系統(tǒng)方面相關(guān)接口驅(qū)動及應(yīng)用開發(fā)經(jīng)驗。我從業(yè)近十年， 2000年ARM 出現(xiàn)，我一開始做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。

　　我個人認為三星的S3C44b0對初學(xué)者來說比較合適，為什么這么說? 因為接口資源比較豐富，技術(shù)成熟，資料較多，應(yīng)該十分適合于初學(xué)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(guān)問題得以很快解答，所然業(yè)界認為這款A(yù)RM 都用得爛了，但對于初學(xué)者來，卻是件好事。

　　總的來說，開發(fā)系統(tǒng)的選擇，要看自己的未來從業(yè)目標(biāo)方向，要看開發(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(tǒng)硬件工程師要具備的技能

　　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(shù)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(dāng)年國際上只有兩家公司有此技術(shù)，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(shè)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(yīng)用人群廣，因此就業(yè)空間極大。而硬件設(shè)計最體現(xiàn)水平和水準(zhǔn)的就是接口設(shè)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(shè)計這塊最關(guān)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(dǎo)致設(shè)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(yīng)該能夠在沒有參考方案的前提下設(shè)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(dāng)?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(shè)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(dǎo)致地圖讀取速度十分的慢，這種情況是設(shè)計中嚴(yán)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。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(shè)計、PCB 繪制、邏輯設(shè)計這塊。這是指的硬件設(shè)計工程師，從上面的硬件設(shè)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(shè)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 語言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，硬件哪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(shè)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。

　　那么高級硬件工程師技術(shù)技能都要具備哪些?首先要掌握EDA 設(shè)計的輔助工具類如Protel OR CADPowper PCBMaplux2ISE、VDHL 語言，要能用到這些工具畫圖畫板做邏輯設(shè)計，再有就是接口設(shè)計審圖能力， 再者就是調(diào)試能力，如果能走到總體方案設(shè)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(tǒng)和軟件庫，盡可能地優(yōu)化軟件設(shè)計，最貼切地滿足應(yīng)用需求，以獲得最好的系統(tǒng)性價比，是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(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(dāng)成喜悅的唯一源泉,平時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(dān)心自己的智力是否會在30歲到來之前枯竭了.好好珍惜短暫的大學(xué)生活,好好珍惜自己的青春,不要整天呆在實驗室,左手鍵盤右手烙鐵的。