怎样学习嵌入式开发
在嵌入式软件方面最重要的课程包括:
(1) 嵌入式微处理器结构与应用:这是一门嵌入式硬件基础课程,我们说过,嵌入式是软硬件结合的技术,搞嵌入式软件的人应对ARM处理器工作原理和接口技术有充 分了解,包括ARM的汇编指令系统。若不了解处理器原理,怎么能控制硬件工作,怎么能写出节省内存又运行高速的最优代码(嵌入式软件设计特别讲究时空效 率),怎么能写出驱动程序(驱动程序都是与硬件打交道的)?很多公司招聘嵌入式软件人员时都要求熟悉ARM处理器,将来若同学到公司中从事嵌入式软件开 发,公司都会给你一本该设备的硬件规格说明书 (xxx Specification),你必须能看懂其中的内存分布和端口使用等最基本的说明(就像x86汇编一样),否则怎么设计软件。有些同学觉得嵌入式处理 器课程较枯燥,这主要是硬件课程都较抽象的原因。还有同学对ARM汇编不感兴趣,以为嵌入式开发用C语言就足够了。其实不应仅是将汇编语言当成一个程序设 计语言,学汇编主要是为了掌握处理器工作原理的。一个不熟悉汇编语言的人,怎么能在该处理器写出最优的C语言代码。在嵌入式开发的一些关键部分,有时还必 须写汇编,如Bootloader等(可能还包括BSP)。特别是在对速度有极高要求的场合(如DSP处理器的高速图像采集和图像解压缩),目前还会用到 汇编写程序的,尽管用到的机会相对C要小得多。当你在一个嵌入式公司工作时,在查看描述原理的手册时,可能很多都是用汇编描述的,这是因为很多硬件设计人 员只会写或者喜欢用汇编描述,此时你就必须看懂汇编程序,否则软硬件人员可能就无法交流。很多嵌入式职位招聘时都要求熟悉汇编。
[小 知识] 目前嵌入式处理器常见的有ARM、PowerPC、MIPS、Motorola 68K、ColdFire(冷火)等,但ARM占据了绝对主流(有资料说手机中几乎90%都是ARM处理器)。ARM是一个只卖知识产权的公司,目前获得 购买了ARM CPU核授权许可的大公司很多,包括Intel、Samsung、Amstel、Motorola、Philip等,他们都在ARM CPU核的基础上进行了一些外围扩展,形成自己的处理器(如Samsung S3C2410,Motorola i.MXL9328等处理器都是采用ARM 9内核,指令一级是相同的)。而众多中小公司又购买了这些处理器,设计了各种各样的开发板,如华恒等国内很多著名嵌入式公司都生产基于SamsungS3C2410的开发板,供最终用户使用或供教学实验。在ARM这个食物链上,ARM公司是大鱼,Intel、Samsung等公司是小鱼,而华恒等则是 虾米,最终用户(我们这些要采购嵌入式开发板的)则是喂虾米的。Intel早期生产的是低端ARM(Strong ARM,相当于ARM 7),现在转向主要生产高端ARM(即Intel Xscale处理器,属于ARMv5家族,主要用在高端PDA上,如HP和DELL生产的PDA都采用Intel Xscale,价格较高)。目前应用最多的是ARM 7和ARM 9两类处理器。 ARM 7较便宜,可跑uclinux(是一个不支持高级内存管理功能的嵌入式Linux系统统)、Vxworks、uc/os II等实时操作系统,但因处理器不带内存管理单元MMU(无内存分页和地址映射机制,所以不能使用虚拟内存),所以不能跑WindowsCE,另外通用Linux中的某些内存管理功能也不能用在ARM 7上。ARM 9大都是一个带
MMU功能的高端处理器,可跑WinCE或通用Linux的大多数功能。ARM7和ARM9的区别是在与体系结构上,前者是冯·诺伊曼结 构,后者是哈佛结构——指令和数据总线是分开的。以上是我的一点了解,可能有不对的地方。我们学院有十几套ARM 7开发系统(采用Samsung S3C44b0x开发板,主要用于嵌入式处理器结构、实时操作系统等课程实验用),ARM 9的系统好象也已经到了(采用的芯片我不知道也没去问),还有以前的十几套MPC860开发板(听说价格都很贵,很容易损坏),同学应爱护使用和珍惜这样 的实验机会。
(2) 嵌入式操作系统类课程
除了WinCE的实时性稍差外,大多数嵌入式操作系统的实时性都很强,所以也可 称为实时操作系统Real TimeOperating System.从事嵌入式的人至少须掌握一个嵌入式操
作系统(当然掌握两个更好),这在嵌入式的所有技术中是最为关键的了。目前最重要
的RTOS主要包 括:第一类、传统的经典RTOS:最主要的便是Vxworks操作系统,以及其Tornado开发平台。Vxworks因出现稍早, 实时性很强(据说可在1ms内响应外部事件请求),并内核可极微(据说最小可8K),可靠性较高等,所以在北美,Vxworks占据了嵌入式系统的多半 疆山。特别是在通信设备等实时性要求较高的系统中,几乎非Vxworks莫属。Vxworks的很多概念和技术都和Linux很类似,主要是C语言开发。 像Bell- alcatel、Lucent、华为等通信企业在开发产品时,Vxworks用得很多。但Vxworks因价格很高,所以一些小公司或小产品中往往用不 起。目前很多公司都在往嵌入式Linux转(听说华为目前正在这样转)。但无论如何,Vxworks在一段长时间内仍是不可动摇的。与Vxworks类似 的稍有名的实时操作系统还有pSOS、QNX、Nucleus等RTOS。
第二类、嵌入式Linux操作系统:Linux的前途除作为服务器操作系统外,最成功的便
是在嵌入式领域的应用,原因当然是免费、开源、支持软件多、呼拥者众,这样嵌入式产品成本会低。Linux本身不是一个为嵌入式设计的操作系统,不是微内核的,并且实时性不强。
目前应用在嵌入式领域的Linux系统主要有两类:
一 类是专为嵌入式设计的已被裁减过的Linux系统,最常用的是uClinux(不带MMU功能),目前占较大应用份额,可在ARM7上跑;另一类是跑在 ARM 9上的,一般是将Linux2.4.18内核移植在其上,可使用更多的Linux功能(当然uClinux更可跑在ARM 9上)。很多人预测,嵌入式Linux预计将占嵌入式操作系统的50%以上份额,非常重要。缺点是熟悉Linux的人太少,开发难度稍大。另外,目前我们 能发现很多教材和很多大学都以ucOS/II为教学用实时操作系统,这主要是由于ucOS/II较简单,且开源,非常适合入门者学习实时操作系统原理,但 由于ucOS/II功能有限,实用用得较少。况且熟悉了Linux开发,不仅在嵌入式领域有用,对开发Linux应用软件,对加深操作系统的认识也有帮 助,可谓一举多得。据我所知,目前Intel、Philip都在大搞ARM+LINUX的嵌入式开发,Fujitum则是在自己的处理器上大搞Linux 开发。目前在嵌入式Linux领域,以下几个方面的人特别难找,一是能将Linux移植到某个新型号的开发版上;
二是能写Linux驱动程序的人;
三是熟悉Linux
内核裁减和优化的人。不过LINUX有一个硬伤,就是没有WINDOWS那样的友好方便美观的交互界面,不然微软帝国早就守不住了。
第 三类、 Windows CE嵌入式操作系统:Microsoft也看准了嵌入式的巨大市场,MS
永远是最厉害的,WinCE出来只有几年时间,但目前已占据了很大市场份额,特别 是在PDA、手机、显示仪表等界面要求较高或者要求快速开发的场合,WinCE目前已很流行(据说有一家卖工控机的公司板子卖得太好,以至来不及为客户裁 减WinCE)。WinCE目前主要为4.2版(.NET),开发平台主要为WinCE Platform Builder,有时也用EVC环境开发一些较上层的应用,由于WinCE开发都是大家熟悉的VC++环境,所以我院学过Windows程序设计课程的同 学都不会有多大难度,这也是WinCE容易被人们接受的原因,开发环境方便快速,微软的强大技术支持,WinCE开发难度远低于嵌入式Linux。对于急 于完成,不想拿嵌入式Linux冒险的开发场合,WinCE是最合适了(找嵌入式Linux的人可没那么好找的),毕竟公司不能像学生学习那样试试看,保 证开成功更重要。根据不同的侧重点 ,WinCE还有两个特殊版本,一个是MS PocketPC操作系统专用于PDA上(掌上电脑),另一个是MS SmartPhone操作系统用于智能手机上(带PDA功能的手机),两者也都属于WinCE平台。在PDA和手机市场上,除WinCE外,著名的PDA 嵌入式操作系统还有Palm OS(因出现很早,很有名)、Symbian等,但在WinCE的强劲冲击下,Palm和Symbian来日还能有多长?同学学过VC++后再学 WinCE,非常方便自然,通过学习WinCE同样也可了解嵌入式软件的一般开发过程,对Linux有惧怕心
理的同学也很合适。很显然,嵌入式Linux 永远不可能替代WinCE,而且将来谁占份
额大还很难讲,毕竟很多人更愿意接受MS的平台,就像各国*都在大力推LINUX已好长时间,但你能看到几个 在PC机上真正使用LINUX的用户?据我观察,目前在嵌入式平台上,LINUX是叫得最响,但还是WinCE实际用得更多.嵌入式LINUX可能更多地 是一些有长远产品计划的公司,为降低成本而进行长远考虑.WinCE和多媒体(如MPEG技术)是微软亚洲工程院目前做得较多的 项目领域之 一,现在社会很需要精通WinCE的人。现在有WINCE的智能手机,金山词霸、WORD、EXCEL、REGEDIT等居然都有 smartphone版的,PC上的MP3、DOC等居然在download
时都可被自动转换成smartphone格式,很爽的。完全可用 Windows CE自己开发一些
需要的程序download到自己的手机上。现在市面销售PDA智能手机火爆,MS总是财源滚滚。
总结关于嵌入式操作系统类课程,若你觉得自己功底较深且能钻研下去,则可去学嵌入式Linux;若你觉得自己VC++功底较好且想短平快地学嵌入式开发,自学WINCE是非常好的选择。
(3) 嵌入式开发的相关领域
搞嵌入式若能熟悉嵌入式应用的一些主要领域,这样的人更受企业欢迎。主要的相关领域包括:
A、数字图像压缩技术:这是嵌入式最重要最热门的应用领域之一,主要是应掌握MPEG编解码算法和技术,如DVD、MP3、PDA、高精电视、机顶盒等都涉及MPEG高速解码问题。
B、 通信协议及编程技术:这包括传统的TCP/IP协议和热门的无线通信协议。首先,大多数嵌入式设备都要连入局域网或Internet,所以首先应掌握 TCP/IP协议及其编程,这是需首要掌握的基本技术;其次,无线通信是目前的大趋势,所以掌握无线通信协议及编程也是是很重要的。无线通信协议包括无线 局域网通信协议802.11系列,Bluetooth,以及移动通信(如GPRS、GSM、CDMA等)。
C、网络与信息安全技术:如加密技术,数字证书CA,以及各种网络安全设备,包括硬件防火墙,入侵检测IDS,还有防毒墙,IPS等,中国在这方面还是没有自己优势的,我们
陈院长好象正在往这方面发展.
D、 DSP技术:DSP是Digital Signal Process数字信号处理的意思,DSP处理器通过
硬件实现数字信号处理算法,如高速数据采集、压缩、解压缩、通信等。数字信号处理是电子、通信等硬件 专业的课程,对于搞软件的人若能了解一下最好。目前DSP人才较缺。如果有信号与系统、数字信号处理等课程基础,对于学习MPEG编解码原理会有很大帮 助。
(4)嵌入式开发的相关硬件基础
对于软件工程专业的学生,从事嵌入式软件开发,像数字电路、计算机组成原理、嵌入式微处理器结构等硬件课程是较重要的。另外,汇编语言、C/C++ 数据结构算法、特别是操作系统等软件基础课也是十分重要的。我们的主要目地是能看懂硬件工作原理,但重点应是在嵌入式软件,特别操作系统级软件,那将是我们的优势。我们的研究生里有些是学电子、通信类专业过来的,有较好的模拟电路和单片机基础,学嵌入式非常合适。 嵌 入式本身就是从单片机发展过来的,只是单片机不带OS,而现在很多嵌入式应用越来越复杂,以至不得不引入嵌入式操作系统。另外,为追求更高速的信号处理速 度,现在在一些速度要求较高场合,有不少公司是将一些DSP算法,如MPEG压缩解压缩算法等用硬件来实现,这就涉及到HDL数字电路设计技术及其 FPGA/IP核实现技术,这方面的人目前市场上也很缺。
(5) 题外话
另外,能写驱动程序的人目前是非常紧缺的(驱动程序也可归于嵌入式范畴),包括桌面Windows中的DDK开发环境和WDM驱动程序。公司时刻都 要推出新产品,每一个新产品出来了,要能被操作系统所使用,是必须写驱动程序的。写驱动程序就必须掌握操作系统(如Windows或Linux)的内部工 作原理,还涉及到少量硬件知识,难度较大,所以这方面的人很难找。想成为高手的同学,也可从驱动程序方面获得突破。不过听做这方面的朋友说,做过以后,你 会发现也并不是怎样难的。其实搞驱动程序的工作是很舒服的,搞完一个版本就会空一段时间,只有等公司新的芯片推出或新的OS出现后,才需要再去开发新一版 驱动。