硬件與軟件的困惑 - 嵌入式系統(tǒng)的知識(shí)學(xué)習(xí)及誤區(qū)

　　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。

　　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，僅從電子的角度認(rèn)識(shí)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)者大多具有良好的電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)。實(shí)際情況是，早期MCU內(nèi)部RAM小，程序存儲(chǔ)器外接，需要外擴(kuò)各種I/O，沒有像USB、嵌入式以太網(wǎng)等這樣較復(fù)雜的接口。因此，程序占總設(shè)計(jì)量比例小于50%，使人們認(rèn)為嵌入式系統(tǒng)(單片機(jī))是“電子系統(tǒng)”，以硬件為主，程序?yàn)檩o。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，固件程序可以更方便地調(diào)試與在線升級(jí)，許多情況下與開發(fā) PC機(jī)程序的方便程度相差無幾，只不過開發(fā)環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境不是同一載體而已。這使得嵌入式系統(tǒng)的軟件硬件設(shè)計(jì)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(shí)嵌入式系統(tǒng)，甚至僅從嵌入式操作系統(tǒng)認(rèn)識(shí)嵌入式系統(tǒng)。這些學(xué)者大多具有良好的計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)基礎(chǔ)知識(shí)，認(rèn)為硬件是生產(chǎn)廠商的事。他們沒有認(rèn)識(shí)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(jì)的。筆者常常接到一些關(guān)于嵌入式產(chǎn)品穩(wěn)定性的咨詢，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)是由于軟件開發(fā)者對(duì)底層硬件的基本原理不理解。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(dòng)軟件，自己對(duì)底層驅(qū)動(dòng)原理知之甚少。實(shí)際上，一些功能軟件開發(fā)者，名義上在做嵌入式軟件，其實(shí)僅僅是使用嵌入式編輯、編譯環(huán)境而已，本質(zhì)與開發(fā)通用PC機(jī)軟件沒有兩樣。而底層硬件驅(qū)動(dòng)軟件的開發(fā)，若不全面考慮高層功能軟件對(duì)底層硬件的可能調(diào)用，也會(huì)使封裝或參數(shù)設(shè)計(jì)得不合理或不完備，導(dǎo)致高層功能軟件調(diào)用困難。可以看出，若把嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)孤立地分為硬件設(shè)計(jì)、底層硬件驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)、高層功能軟件設(shè)計(jì)，那么一旦出現(xiàn)問題，就可能難以定位。實(shí)際上，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)軟件、硬件協(xié)同設(shè)計(jì)工程，不能像通用計(jì)算機(jī)那樣，軟件、硬件完全分開來看，而要在一個(gè)大的框架內(nèi)協(xié)調(diào)工作。

　　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(guó)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(jiǎn)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(zhǎng)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。

　　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：

　?、偾度胧较到y(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)。

　　②選擇一個(gè)芯片及硬件評(píng)估板(入門芯片最好簡(jiǎn)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)。好老師也可以是做過一些實(shí)際項(xiàng)目的學(xué)長(zhǎng)(一定要找做過幾個(gè)成功項(xiàng)目的學(xué)長(zhǎng)或老師做指導(dǎo)，否則經(jīng)驗(yàn)不足也可能誤導(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)。

　?、菀苊馄娴貑渭儚摹半娮印被颉坝?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。

　?、哧P(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(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(jiǎn)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。

　?、彡P(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(cè)試的需要，最好掌握一門PC機(jī)編程語言。

　?、庖鞔_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(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。

　　以上建議，僅供初學(xué)者參考。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)。