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嵌入式工程師不可不知的

作者: 時(shí)間:2014-07-27 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  編者按:本文從技術(shù)和就業(yè)經(jīng)驗(yàn)等角度,為即將進(jìn)入嵌入式開發(fā)的工程師們?cè)敿?xì)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(yàn)之談,希望對(duì)大家有所幫助。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/256100.htm

  一.工程師眼中的“

  在工程師看來:著重理解“嵌入”的概念,主要從三個(gè)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(jì)算機(jī),CPU 只是有運(yùn)算器和累加器的功能,一切芯片要靠外部橋路來擴(kuò)展實(shí)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(shí)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(jī)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(gè)PCI 從設(shè)備或配成自身為CPI 從設(shè)備);還集成3個(gè)NPE 網(wǎng)絡(luò)處理器引擎,其中兩個(gè)對(duì)應(yīng)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(xiàn)DSL 上網(wǎng)功能。IXP 系列最高主頻可以達(dá)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(jìn)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(shí)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(shí),會(huì)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(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(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)等東西燒到硬件平臺(tái)中的ROM 中就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)真正的“嵌入”。 以上的定義是我在6、7年前給下自話側(cè)重于理解型的定義,書上的定義也有很多,但在這個(gè)領(lǐng)域范圍 內(nèi),誰(shuí)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?yàn)楫吘骨度胧较到y(tǒng)是計(jì)算機(jī)范疇下的一門綜合性學(xué)科。

  二.嵌入式系統(tǒng)的分層及對(duì)口專業(yè)要求

  嵌入式系統(tǒng)分為4層,硬件層、驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層。

  1.硬件層:是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的根本。如果現(xiàn)在單片機(jī)及接口這塊很熟悉,并且能用C 和匯編語(yǔ)言來編程的話,從嵌入式系統(tǒng)的硬件層走起來相對(duì)容易,硬件層也是驅(qū)動(dòng)層的基礎(chǔ),一個(gè)優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)工程師是要能夠看懂硬件的電路圖和自行完成CPLD 的的,同時(shí)還要對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核及其調(diào)度有相當(dāng)?shù)氖煜?。但硬件平臺(tái)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(dòng)化、機(jī)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(shí)有: 單片機(jī)原理及接口技術(shù)、微機(jī)原理及接口技術(shù)、等。

  2.驅(qū)動(dòng)層:這部分相對(duì)而言比較難。驅(qū)動(dòng)工程師不僅要能看懂電路圖,還要能對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核十分的精通,以便其所寫的驅(qū)動(dòng)程序在系統(tǒng)調(diào)用時(shí),不會(huì)獨(dú)占操作系統(tǒng)時(shí)間片,而導(dǎo)致其它任務(wù)不能運(yùn)行。若不懂操作系統(tǒng)內(nèi)核架構(gòu)和實(shí)時(shí)調(diào)度性,沒有良好的驅(qū)動(dòng)編寫風(fēng)格,按大多數(shù)書上所說添加的驅(qū)動(dòng)的方式,這樣可能連個(gè)初級(jí)的驅(qū)動(dòng)工程師的水平都達(dá)不到,所寫的驅(qū)動(dòng)在應(yīng)用調(diào)用時(shí)就如同windows 下我們打開一個(gè)程序運(yùn)行后,再打開一個(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(yùn)行后來打開的程序。想做個(gè)好的驅(qū)動(dòng)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(dòng)層比較適合于電子、通信、自動(dòng)化、機(jī)電一體、信息工程類專業(yè)尤其是計(jì)算機(jī)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(duì)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(duì)于操作系統(tǒng)層而言目前可能只能說是簡(jiǎn)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(dòng)工程師來完成。操作系統(tǒng)是負(fù)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(shí)時(shí)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(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媧Hopen 操作系統(tǒng)估計(jì)也得花幾百人/年才能搞定。因此這部分工作相對(duì)來講沒有太大意義。

  4.應(yīng)用層:相對(duì)來講較為容易。如果會(huì)在windows 下進(jìn)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(kù)、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(jì),另一方面就是學(xué)習(xí)匯編和的板級(jí)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(dòng)和移植。這些對(duì)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(jí)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(jí)的匯編和C 編程還是要會(huì)的。因此針對(duì)于嵌 入式系統(tǒng)的硬件層和驅(qū)動(dòng)層的人來說,ARM 的接口電路設(shè)計(jì)、ARM 的和匯編語(yǔ)言編程及調(diào)試開發(fā)環(huán)境還是需要掌握的。

  對(duì)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(shí)際的兩個(gè)層面硬件層和驅(qū)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(tǒng)的應(yīng)用層面的走的話,可能與ARM 及其它體系相去較遠(yuǎn),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(kù)的開發(fā)等等。

  對(duì)于初學(xué)者來講,要量力而行,不要認(rèn)為驅(qū)動(dòng)層工資高就把它當(dāng)成方向了,要結(jié)合自身特點(diǎn),嵌入式系統(tǒng)四個(gè)層 面上無論哪個(gè)層面上來講都是有高人存在,當(dāng)然高人也對(duì)應(yīng)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(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(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(huì)產(chǎn)生一種錯(cuò)誤認(rèn)識(shí),就是認(rèn)為處理器版本越高越好,性能越高越好,就象很多人認(rèn)為ARM9比ARM7好, 我想對(duì)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(gè)方向上走,是做驅(qū)動(dòng)開發(fā)還是應(yīng)用,還是做嵌入式系統(tǒng)硬件層設(shè)計(jì)與板級(jí)測(cè)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(dòng)還是應(yīng)用,當(dāng)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(duì)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?yàn)锳RM7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(duì)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(jī)的思想很容易搞懂,就當(dāng)成個(gè)32位的單 片機(jī),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(huì)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(jì)還是軟件驅(qū)動(dòng)方面都是十分注重接口這部分的,選擇平臺(tái)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(jī)率就越高,這就是招聘時(shí)所說的有無“相關(guān)技能”,因?yàn)橐粋€(gè)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(tái)灣數(shù)十家小公司(市價(jià)幾千萬(wàn))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(yàn)的人了,那什么是相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn),在硬件上講的是外圍接口設(shè)計(jì),在軟件上講是操作系統(tǒng)方面相關(guān)接口驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。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(gè)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(huì)的。

  我個(gè)人認(rèn)為三星的S3C44b0對(duì)初學(xué)者來說比較合適,為什么這么說? 因?yàn)榻涌谫Y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?yàn)榇蠖鄶?shù)人都很熟悉,就如同51類的單片 機(jī),有N多位專家級(jí)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(rèn)為這款A(yù)RM 都用得爛了,但對(duì)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(jí)嵌入式系統(tǒng)硬件工程師要具備的技能

  對(duì)于硬件來講有幾個(gè)方向,就單純信號(hào)來分為數(shù)字和模擬。模擬比較難搞,一般需要很長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)積累,單單一個(gè)阻值或容值的精度不夠就可能使信號(hào)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(jī)的Modem 射頻模塊,都采用成熟的套片,而當(dāng)年國(guó)際上只有兩家公司有此技術(shù),自我感覺模擬功能不 太強(qiáng)的人,不太適合搞這個(gè),如果真能搞定到手機(jī)的射頻模塊,只要達(dá)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(jī)類,DSP 類,F(xiàn)PGA 類。國(guó)內(nèi)FPGA 的工程 師大多是在IC 設(shè)計(jì)公司從事IP 核的前端驗(yàn)證,這部分不搞到門級(jí),前途不太明朗,即使做個(gè)IC 前端驗(yàn)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(dòng)或是算法上靠攏,前途也不會(huì)太大。而ARM 單片機(jī)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(jì)最體現(xiàn)水平和水準(zhǔn)的就是接口設(shè)計(jì)這塊,這是各個(gè)高級(jí)硬件工程師相互PK、判定水平高低的依據(jù)。而接口設(shè)計(jì)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(dá)不到100kbps 的與它相接,必然要導(dǎo)致設(shè)計(jì)的失敗。這樣的情況有很多,比如51單片機(jī)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(jiǎn)單的連接,要看時(shí)序,要看參數(shù)。 一個(gè)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(jì)出一個(gè)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(jìn)行適當(dāng)?shù)目尚行圆眉?,但不是胡亂的來,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?guī)兔Π阉麄円郧盎赑XA255平臺(tái)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(jì)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(gè)優(yōu)秀的工程師,需要對(duì)系統(tǒng)整體性的把握和對(duì)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(yuǎn)。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(jì)、PCB 繪制、這塊。這是指的硬件設(shè)計(jì)工程師,從上面的硬件設(shè)計(jì)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(jì)工程師,幫人家解決EMC 的問題。硬件工程師再往上就是板級(jí)測(cè)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(diào)試過程中能通過自已編寫的測(cè)試程序?qū)τ布δ苓M(jìn)行驗(yàn)證。然后再交給基于操作系統(tǒng)級(jí)的驅(qū)動(dòng)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(huì)成為一個(gè)高手,我時(shí)常會(huì)給人家做下方案評(píng)估,很多高級(jí)硬件工程師設(shè)計(jì)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(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(jí)硬件工程師也摸不到頭腦。

  那么高級(jí)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(jì)的輔助工具類如Protel OR CADPowper PCBMaplux2ISE、VDHL 語(yǔ)言,要能用到這些工具畫圖畫板做,再有就是接口設(shè)計(jì)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(jì)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(kù),盡可能地優(yōu)化軟件設(shè)計(jì),最貼切地滿足應(yīng)用需求,以獲得最好的系統(tǒng)性價(jià)比,是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的精髓。

  硬件是要靠經(jīng)驗(yàn),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(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(dān)心自己的智力是否會(huì)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(shí)驗(yàn)室,左手鍵盤右手烙鐵的。

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