嵌入式學(xué)習(xí)攻略

說(shuō)到嵌入式，那首先我們要知道，什么是嵌入式？嵌入式說(shuō)白了就是嵌入式系統(tǒng)。從應(yīng)用對(duì)象上加以定義來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。一個(gè)嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心。

生活中，智能手環(huán)、智能音箱、智能家電、共享單車(chē)、無(wú)人駕駛.....這些都屬于嵌入式系統(tǒng)，其特點(diǎn)是由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成。嵌入式技術(shù)為人類(lèi)帶來(lái)了今日的美好生活，人們?cè)趺纯赡軠\嘗輒止，為了將嵌入式技術(shù)發(fā)揚(yáng)光大，國(guó)內(nèi)的DJI、美團(tuán)&NINEBOT、小馬智行、地平線(xiàn)、小米等優(yōu)秀企業(yè)正使用嵌入式技術(shù)優(yōu)化人類(lèi)的生活。 顯而易見(jiàn)，嵌入式開(kāi)發(fā)這條路是光明的。

一、嵌入式開(kāi)發(fā)需要學(xué)習(xí)哪些內(nèi)容？

那么，如果我們想學(xué)習(xí)嵌入式，需要掌握哪些內(nèi)容呢？其實(shí)，我們直接分析大企業(yè)嵌入式相關(guān)崗位的工作描述，就可以找到答案，也是我們努力的方向。十幾年前的嵌入式開(kāi)發(fā)受限于硬件處理器的性能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯和功能，使得嵌入式產(chǎn)品功能單一?，F(xiàn)在嵌入式開(kāi)發(fā)隨著處理器的成長(zhǎng)要面對(duì)全新的挑戰(zhàn)：計(jì)算性能和內(nèi)存永遠(yuǎn)不夠用、為了保障不丟幀要求高效的實(shí)時(shí)性、高級(jí)接口和協(xié)議棧的產(chǎn)生導(dǎo)致代碼的規(guī)模越來(lái)越大。為了應(yīng)對(duì)這些新的挑戰(zhàn)，各大企業(yè)對(duì)工程師有以下幾個(gè)方面的要求：編程能力、處理器架構(gòu)、操作系統(tǒng)、接口與驅(qū)動(dòng)、Framework、應(yīng)用編程與調(diào)試、硬件知識(shí)。

1. 編程能力

嵌入式工程師大類(lèi)上屬于軟件工程師的范疇，編程技能是基本功，DJI、小馬智行、NINEBOT、石頭科技、OPPO、小米、地平線(xiàn)這些公司都對(duì)C/C++要求熟練掌握的程度。除此以外對(duì)解釋型語(yǔ)言要求為至少熟悉一種腳本語(yǔ)言。了解Linux系統(tǒng)，會(huì)使用Makefile工程管理工具等?？梢?jiàn)，C和C++仍舊是嵌入式開(kāi)發(fā)主流的語(yǔ)言。底層軟件這么多年來(lái)，一直是C的天下，在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，不會(huì)改變。隨著系統(tǒng)復(fù)雜度越來(lái)越高，越來(lái)越多的應(yīng)用層軟件采用C++來(lái)編寫(xiě)。Sehll主要用于制作工程管理工具，Python可以讓你和人工智能工程師愉快對(duì)話(huà)。

2. 處理器架構(gòu)

美團(tuán)、小馬智行、石頭科技、OPPO、VIVO都要求熟練掌握或者精通STM32單片機(jī)和ARM處理器架構(gòu)，其它加分項(xiàng)有DSP、熟練使用ARM Cortex-A或M系列內(nèi)核的SOC。這部分我們需要了解Cortex-M和Cortex-A系列處理器架構(gòu)。哈佛架構(gòu)、馮諾依曼架構(gòu)、多級(jí)流水線(xiàn)、是*簡(jiǎn)單的問(wèn)題。SIMD、MIMD、指令預(yù)取、亂序執(zhí)行這些概念也要搞懂。

3. 操作系統(tǒng)

目前的電子產(chǎn)品功能越來(lái)越多，也越來(lái)越復(fù)雜，操作系統(tǒng)可以極大地簡(jiǎn)化產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)難度。大疆、美團(tuán)、小馬智行、小米、地平線(xiàn)都要求熟悉Linux下的多進(jìn)程多線(xiàn)程、網(wǎng)絡(luò)編程的開(kāi)發(fā)和調(diào)試，內(nèi)存、功耗、性能優(yōu)化等。無(wú)人駕駛和無(wú)人機(jī)，這些對(duì)響應(yīng)速度要求高的行業(yè)，對(duì)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)也有不同程度的要求。在這一部分我們需要掌握基本的操作系統(tǒng)知識(shí)，理論結(jié)合實(shí)際，熟悉一個(gè)RTOS，大多數(shù)的RTOS的復(fù)雜度遠(yuǎn)小于Linux。Linux擁有完善的生態(tài)，相較于RTOSLinux的C庫(kù)配置已經(jīng)很完善了。但是想要用好就有一定難度了，在這里需要了解內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、多核、中斷、鎖、消息隊(duì)列，性能分析等等內(nèi)容來(lái)應(yīng)對(duì)開(kāi)發(fā)工程中幀率下降、系統(tǒng)秒級(jí)卡死、相機(jī)丟幀等異常。

4. 接口與驅(qū)動(dòng)

許多初涉嵌入式行業(yè)的人會(huì)狹隘的認(rèn)為搞嵌入式就是寫(xiě)驅(qū)動(dòng)。美團(tuán)無(wú)人配送、小馬智行、石頭科技對(duì)CAN、SPI、I2C、UART這些常見(jiàn)的低速接口都要求熟悉，其它的像LCD、Touch、Camera、USB、BT/WIFI/GPS、IMU這些進(jìn)入尋常百姓家的Sensor驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)是妥妥的加分項(xiàng)。低速接口的驅(qū)動(dòng)，在廠家提供的BSP中一般都有，只需要仔細(xì)看手冊(cè)，搞清各接口所需的工作模式并做適當(dāng)配置，該用中斷的時(shí)候用中斷，該用DMA的時(shí)候用DMA，即可。

5. Framework

中間件和協(xié)議棧的部分有一個(gè)特點(diǎn)，研發(fā)機(jī)器人的企業(yè)一般都會(huì)要求熟悉ROS，相機(jī)類(lèi)的企業(yè)要求熟悉camera、codec、storage相關(guān)的pipeline。還有基本的協(xié)議棧也是必須了解和掌握的。

6. 應(yīng)用編程與調(diào)試

美團(tuán)無(wú)人配送、小馬智行、NINEBOT、小米都要求熟悉Linux或Unix系統(tǒng)編程，了解基本的編譯原理，需要掌握gdb、valgrind、strace、perf、coredump等調(diào)試手段，用好log系統(tǒng)。只要掌握上面編程能力、操作系統(tǒng)、Framework這些內(nèi)功心法，調(diào)試工具不過(guò)是招數(shù)。

7. 硬件知識(shí)

科技企業(yè)大多要求了解一定的硬件知識(shí)，基礎(chǔ)硬件知識(shí)的掌握程度，達(dá)到可以看懂原理圖并對(duì)常見(jiàn)的元器件有一定了解，熟悉模電數(shù)電知識(shí)即可?；旧鲜请娮庸こ填?lèi)學(xué)生，所學(xué)專(zhuān)業(yè)課的內(nèi)容。另外，要會(huì)使用示波器等測(cè)試儀器，會(huì)驅(qū)動(dòng)常見(jiàn)的傳感器等。

二、嵌入式開(kāi)發(fā)如何入門(mén)？

嵌入式系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)是綜合了計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)以及電子電路技術(shù)的一門(mén)綜合，所涉及的內(nèi)涵和知識(shí)非常廣泛。

1. C語(yǔ)言基礎(chǔ)

在開(kāi)始學(xué)習(xí)嵌入式之前，首先要打好基礎(chǔ)，其中最重要的是C語(yǔ)言基礎(chǔ)，要至少達(dá)到能單獨(dú)編寫(xiě)調(diào)試一個(gè)500行的小項(xiàng)目（大概是一個(gè)本地員工管理系統(tǒng)的代碼量），能夠了解C語(yǔ)言的基本語(yǔ)法規(guī)則，基本語(yǔ)句的使用，理解指針概念并能靈活使用各種指針。在學(xué)習(xí)C語(yǔ)言的過(guò)程中，指針的概念比較難理解，但是如果對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理有了解的話(huà)，地址和 指針，源碼和可執(zhí)行程序，軟件通過(guò)寄存器控制硬件這些概念都會(huì)變得很清晰。

那學(xué)習(xí)C語(yǔ)言使用什么環(huán)境？

方案，Windows安裝虛擬機(jī)，虛擬機(jī)運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，編輯器選擇vim，命令行運(yùn)行g(shù)cc編譯器編譯環(huán)境。

為什么要用Linux操作系統(tǒng)呢？

從上文中的各大企業(yè)對(duì)研發(fā)工程師的要求可以看出，Linux操作系統(tǒng)在嵌入式行業(yè)中的地位是任何操作系統(tǒng)不可比擬的。許多公司為了保護(hù)自己的代碼產(chǎn)權(quán)，開(kāi)發(fā)用的主機(jī)直接運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，并在命令行終端來(lái)控制主機(jī)。出于未來(lái)工作中盡快適應(yīng)這種開(kāi)發(fā)環(huán)境，所以可以在入門(mén)的時(shí)候就直接體驗(yàn)和見(jiàn)識(shí)酷炫的Linux操作系統(tǒng)。但是入門(mén)階段并不需要刻意背過(guò)Linux的各種使用命令、Linux各種服務(wù)器的配置，還原備份各種操 作等，只要會(huì)基本文件相關(guān)的命令，會(huì)使用vim編輯器和gcc編輯器即可。大約一周的時(shí)間即可熟悉Linux系統(tǒng)，你會(huì)體會(huì)到Linux和Windows系統(tǒng)的不同，擺脫對(duì)圖形化界面的依賴(lài)。當(dāng)學(xué)會(huì)了C語(yǔ)言編程后，你需要掌握操作系統(tǒng)相關(guān)的知識(shí)，多線(xiàn)程多進(jìn)程編程、網(wǎng)絡(luò)編程。通過(guò)實(shí)踐學(xué)習(xí)一些接口函數(shù)完成一些小項(xiàng)目比如銀行家算法、網(wǎng)絡(luò)聊天室等。對(duì)操作系統(tǒng)的知識(shí)有一個(gè)初步的感性認(rèn)識(shí)。

2. MCU和CPU

以上的所有編程學(xué)習(xí)都是在單一的環(huán)境下進(jìn)行的。即開(kāi)發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境都是一樣的都在Ubuntu下進(jìn)行。難道嵌入式開(kāi)發(fā)就是如此嗎，說(shuō)好的軟硬件可裁剪呢？別急，緊接著我們就需要加入MCU和CPU的學(xué)習(xí)，要學(xué)習(xí)ARM是什么，不同系列的MCU開(kāi)發(fā)方式不同，ARM Cortex?-A 系列應(yīng)用型處理器，可向托管豐富OS平臺(tái)和用戶(hù)應(yīng)用程序的設(shè)備提供全方位的解決方案，從超低成本手機(jī)、智能手機(jī)、移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)、數(shù)字電視和機(jī)頂盒到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、打印機(jī)和服務(wù)器解決方案，是作為學(xué)習(xí)嵌入式的合適的素材?，F(xiàn)在嵌入式的學(xué)習(xí)資源豐富，選擇合適的Cortex?-A 系列的開(kāi)發(fā)板后，根據(jù)裸板開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)移植、驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)這樣的順序?qū)W習(xí)。裸板開(kāi)發(fā)的學(xué)習(xí)主要是感受一下如何通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)控制硬件。系統(tǒng)移植中我們會(huì)發(fā)現(xiàn)搭載Linux操作系統(tǒng)的板子功力大增，交叉編譯工具鏈的出現(xiàn)使得我們對(duì)架構(gòu)兩個(gè)字有了更深入的認(rèn)識(shí)。剛剛還在懷念在Ubuntu下編寫(xiě)C代碼運(yùn)指如飛的感覺(jué)，現(xiàn)在可以繼續(xù)編寫(xiě)Linux風(fēng)格的C代碼了。

3. 驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)

前面裸板開(kāi)發(fā)和驅(qū)動(dòng)移植的學(xué)習(xí)目的是面對(duì)接下來(lái)的驅(qū)動(dòng)大魔頭，學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)我們需要有一個(gè)空杯心態(tài)，需要有主動(dòng)理解Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)理念的意識(shí)（但是不要鉆牛角尖），時(shí)刻把握Linux下一切皆文件的宗旨和分層的思想。當(dāng)我們?cè)谶@一階段點(diǎn)亮開(kāi)發(fā)板上的一盞明燈，恭喜你，一只腳踏進(jìn)嵌入式開(kāi)發(fā)的大門(mén)了。

4. C++和Qt

體會(huì)了*基本的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)后，嵌入式學(xué)習(xí)還未結(jié)束，但是之后的學(xué)習(xí)我們有了一些選擇的主動(dòng)權(quán)，當(dāng)我們看到一些有意思的嵌入式小項(xiàng)目，我們可以理解它的實(shí)現(xiàn)思路。而*好的學(xué)習(xí)方法是自己實(shí)踐完成一些小項(xiàng)目，你也許不滿(mǎn)足之前所學(xué)，為什么不能把黑乎乎的命令行終端優(yōu)化成精美的液晶屏顯示，C++和Qt的學(xué)習(xí)就在所難免了。不過(guò)還好，有C語(yǔ)言的加持，C++的學(xué)習(xí)變得比較順利，*大的困難應(yīng)該在于面向過(guò)程到面向?qū)ο笏季S的轉(zhuǎn)變。

5. Python人工智能

那么，如果你已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)小型的嵌入式項(xiàng)目了，但是如果大火的人工智能技術(shù)可以加入到這個(gè)小項(xiàng)目中，想必一定非?？犰牛覀兛梢园汛舭宓挠脩?hù)界面輸入改成圖像識(shí)別或者人臉識(shí)別?，F(xiàn)在編寫(xiě)人工智能代碼*廣泛的語(yǔ)言是Python3，在github上有許多的開(kāi)源項(xiàng)目和代碼。為了看懂開(kāi)源代碼，暫且不管復(fù)雜的數(shù)學(xué)相關(guān)的算法，首先需要學(xué)習(xí)Python3。其實(shí)，Python3也是一種解釋型語(yǔ)言，之前的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)中我們學(xué)過(guò)Shell，兩者都是解釋型語(yǔ)言，*大區(qū)別在于運(yùn)行的環(huán)境和應(yīng)用的場(chǎng)景不同。Shell多用于編寫(xiě)Linux系統(tǒng)下的小工具，Makefile的編寫(xiě)是*大的應(yīng)用場(chǎng)景，Python可以運(yùn)行在Windows和Linux下，移植了Python的開(kāi)發(fā)板，可以根據(jù)各大AI開(kāi)放平臺(tái)的支持，將設(shè)備接入平臺(tái)調(diào)用云平臺(tái)提供的API，實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別、人臉識(shí)別、文字識(shí)別......

6. STM32

一個(gè)產(chǎn)品級(jí)的項(xiàng)目考慮的不僅僅是功能的實(shí)現(xiàn)，還要考慮功耗、成本。此時(shí)你會(huì)發(fā)現(xiàn)許多低功耗的模塊可以取代之前基于ARM Cortex?-A的開(kāi)發(fā)板，STM32映入眼簾，STM32的開(kāi)發(fā)原理無(wú)非也是控制寄存器驅(qū)動(dòng)硬件模塊，在芯片手冊(cè)中掙扎一段時(shí)間，通過(guò)一周的時(shí)間熟悉CubeMX和keil的使用，驅(qū)動(dòng)一個(gè)溫濕度傳感器或者其它傳感器模塊，在這個(gè)過(guò)程中我們就可以了解STM32開(kāi)發(fā)的基本套路。

總結(jié)

本文首先通過(guò)分析各大企業(yè)，對(duì)嵌入式開(kāi)發(fā)的崗位人員的要求，得到嵌入式開(kāi)發(fā)人員需要掌握的技術(shù)，然后結(jié)合自己的經(jīng)歷對(duì)入門(mén)嵌入式的學(xué)習(xí)路徑提出個(gè)人的建議。我們可以了解到，嵌入式開(kāi)發(fā)的入門(mén)級(jí)別需要熟練掌握C\C++，有熟練控制寄存器的能力，無(wú)論是通過(guò)驅(qū)動(dòng)還是直接控制裸板。有管理工程代碼的能力，這里需要學(xué)會(huì)Shell編程，會(huì)搭建基本的開(kāi)發(fā)環(huán)境，并編寫(xiě)合理規(guī)范的Makefile。我認(rèn)為，只要掌握上述的技術(shù)，中間一些學(xué)習(xí)順序不必完全遵循，像是先學(xué)STM32還是先學(xué)ARM Cortex?-A開(kāi)發(fā)板的系統(tǒng)移植，根據(jù)自己的需要和興趣選擇就好。學(xué)習(xí)的過(guò)程本就有迭代和螺旋上升的特點(diǎn)，面對(duì)陌生的技術(shù)要學(xué)會(huì)舉一反三，可以通過(guò)接觸過(guò)的技術(shù)對(duì)比去理解。最后，?？吹奖疚牡哪?，可以通過(guò)過(guò)硬的開(kāi)發(fā)技能，擁有自由選擇職業(yè)底氣。

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