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什么是嵌入式编程?如何入门和提高?

2020.06.22 11:42 622浏览

作者 谢恩铭,慕课网精英讲师 Oscar老师。

内容简介


  1. 什么是嵌入式
  2. 什么是交叉编译
  3. 入门和提高嵌入式

1. 什么是嵌入式


嵌入式可以说是目前涵盖面最广、最火的职业之一。那么,什么是嵌入式呢?

这个问题三言两语还真说不清楚。

嵌入式,英语是 embedded,表示“嵌入式的,植入的,内含的”。

因为首先,嵌入式有不少组合名词,例如嵌入式系统,嵌入式软件,Linux 嵌入式,Android 嵌入式,嵌入式 Web,等等。

通常对嵌入式的定义其实是对"嵌入式系统"的定义。

网上对嵌入式系统的中文定义实在是不好理解,比较官方的中文定义是:

嵌入式系统是:以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。

我个人感觉:如果是从来没接触过嵌入式的朋友,看了上面这段定义,估计跟没看差不多,还是一头雾水。当年我刚开始学习嵌入式时看到这段解释也是这般感受。

当然了,这段定义是正确的,不过就是有点学究味,不够形象,不够"接地气"。

那么如何给嵌入式系统一个接地气的定义呢?

我可以先列举目前用到嵌入式系统的 IT 领域:

  • 物联网
  • Android 嵌入式开发。
  • Linux 嵌入式开发。
  • 智能手机,平板,智能手表。
  • 可穿戴设备,例如 Google 眼镜,小米手环。
  • 微软的 Xbox 和 Kinect。
  • 无人机。
  • VR 头盔。
  • 无线路由器。
  • 等等

我想不必再列举也已经感觉到了吧:是的,嵌入式正在渗透到我们生活的方方面面, 而且会越来越多地被使用。

但是,例如 Android 和 iOS 的纯 app 开发的话一般就不能算是嵌入式了,只能算软件开发。

未来,也许我们可以有一身轻便的可穿戴设备,衣食住行都用得到。甚至未来可以穿一身轻薄的“飞行衣”,想去哪都行。

嵌入式编程,虽然入门门槛比较高,但是如果你能啃下嵌入式这个“硬柿子”,学了很多方面的知识,那么其他一些编程领域,也许就能比较轻松地掌握了。就好比你如果熟练掌握了 C语言和 C++,那么其他一些编程语言一般都可以轻松驾驭了。

我觉得原版英语的定义应该会更便于理解,因此我将维基百科上对嵌入式系统的定义翻译如下(不才, 若翻译有误请补充指正):

An embedded system is a computer system with a dedicated function within a larger mechanical or electrical system, often with real-time computing constraints. It is embedded as part of a complete device often including hardware and mechanical parts. Embedded systems control many devices in common use today. Ninety-eight percent of all microprocessors are manufactured as components of embedded systems.
嵌入式系统首先是一个具备特定功用的计算机系统,是包含在更大的机械或电子系统里面的,通常有实时的计算约束。嵌入式系统作为一个部件被嵌入在一个完整的设备里(补充:这也是“嵌入式”的名字由来),这个设备通常有硬件和机械的部分。当今时代,嵌入式系统控制了很多通用设备。98% 的微处理器被生产用来作为嵌入式系统的部件。

Examples of properties of typically embedded computers when compared with general-purpose counterparts are low power consumption, small size, rugged operating ranges, and low per-unit cost. This comes at the price of limited processing resources, which make them significantly more difficult to program and to interact with.
嵌入式系统和通常的系统有区别,主要体现在以下特性:低能耗,小尺寸,受限的计算范围,单元成本较低。这些特性是以有限的处理资源为代价的,使得嵌入式系统更难以编程和交互。

Modern embedded systems are often based on microcontrollers (i.e. CPUs with integrated memory or peripheral interfaces), but ordinary microprocessors (using external chips for memory and peripheral interface circuits) are also common, especially in more-complex systems. In either case, the processor(s) used may be types ranging from general purpose to those specialised in certain class of computations, or even custom designed for the application at hand. A common standard class of dedicated processors is the digital signal processor (DSP).
现代嵌入式系统通常基于微控制器(即具有集成内存或外围接口的CPU(中央处理器)),但是普通微处理器(使用用于存储器和外围接口电路的外部芯片)也是常见的,特别是在更复杂的系统中。 在任一情况下,所使用的处理器可以是从通用的到专门用于某些计算类别的那些类型,或者甚至是针对当前应用而定制的类型。 数字信号处理器(DSP)就是一种通用标准类别的专用处理器。

Since the embedded system is dedicated to specific tasks, design engineers can optimize it to reduce the size and cost of the product and increase the reliability and performance.
由于嵌入式系统专用于特定任务,设计工程师可以对其进行优化,以减小产品的尺寸和成本,并提高可靠性和性能。

Embedded systems range from portable devices such as digital watches and MP3 players, to large stationary installations like traffic lights, factory controllers, and largely complex systems like hybrid vehicles and avionics. Complexity varies from low, with a single microcontroller chip, to very high with multiple units, peripherals and networks mounted inside a large chassis.
嵌入式系统存在于当今的很多设备里,小到数码手表、mp3 播放器,大到交通灯、工业控制器、混合汽车、航空航天设备。嵌入式系统的复杂性也千差万别,简单的嵌入式系统可能只有一个微控制器芯片;复杂的则有很多个计算单元、外设、网络,这些都被“镶焊”在一个大“底板”上。

2. 什么是交叉编译


在嵌入式编程中还有一个交叉编译的概念。

那么,什么是交叉编译呢?

交叉编译,英语是 cross-compiling。cross 表示“交叉”,compiling 是 compile(表示“编译”)这个动词的现在分词。

简单来说,就是“在一个平台上生成另一个平台上的可执行代码”。

普通的软件开发过程中,如果是编译型的编程语言,例如 C语言,C++,Java,等等。你想要运行你写的程序,需要用编译器将代码编译成可执行程序(当然,中间还有几个步骤,比如预处理、汇编、链接,在此省略)。

但是嵌入式系统的计算能力有限、内存有限、储存空间有限,因此无法完成比较需要资源和速度的编译过程。

比如在 Android 嵌入式开发中,你不可能在 Android 手机里直接让它编译自己的系统或软件吧(臣妾做不到啊)。

因此,我们会先在普通电脑(比 Android 手机的计算能力更强,内存更大,储存空间更大)里将程序编译(需要不同于我们编译普通软件的编译器,称为“交叉编译器/软件”,比较常见的有 arm-linux-gcc 一族)成适配 Android 手机的特定可执行文件(一般会打包成镜像文件),然后通过专门的工具“烧录”到 Android 手机里。

相信经过这些解释,大家对嵌入式应该有一个初步的了解了吧。
但是光看这些解释是不可能了然于胸的,还必须要学习。在实践当中你就会更深入理解嵌入式编程是什么了。

3. 入门和提高嵌入式


现代这个匆忙时代,假如你不好好利用网上那么多的优秀资源(大多数是免费的)来自学的话,就有点亏了。
如果花大钱去读培训班,可能更亏了(如果没有自制的能力,去了培训机构基本也是“浪费”)。

  1. 嵌入式软件的话不一定需要学很多硬件知识的(有的话当然是多多益善)。会用一些烧写工具,编译,调试工具(比如 JTAG)就可以了,到时候要用了现学。开发工具也没什么固定的,一般也不一定要用 IDE,用文本编辑器(比如 Vim,Emacs,Nano,VS Code,等等)就可以写代码。编译一般用 GCC 的变种。

  2. 嵌入式一般都要学 C语言(可以看我的系列教程 [C语言探索之旅] 。以及《C语言深度解剖》,《C程序设计语言》这两本书。也可以继续深入看《C语言专家编程》,等等)。C++ 也是常用语言之一。

  3. Linux 是必须要学习的。因为交叉编译经常要用到 Linux 系统,即使在 Windows 下也要用到 Cygwin 之类的。
    可以学习我在慕课网的实战课程《Linux核心技能与应用》和专栏《Linux命令行与Shell脚本编程大全》。也可以看来自台湾的鸟哥的 鸟哥的Linux私房菜 。可以逛逛 中国Linux公社 。看《Unix环境高级编程》这本书。猪哥的嵌入式Linux公房菜 还行,我没看完,感觉有点乱(当然作者比我厉害多了),没有鸟哥的文笔那么流畅清晰。

  4. 最好花点时间学习一下汇编,对理解计算机的原理,特别是内存、指针、二进制、十六进制都有很好帮助,不需要学很深。推荐王爽老师的《汇编语言》一书, 是入门绝佳教材。

  5. 嵌入式目前主流的处理器架构是 ARM(以前是 ARM7,ARM9,ARM11,现在都 Cortex 系列了)。手机,平板,大部分开发板都是 ARM 的天下。所以需要学一下 ARM 架构,有个了解。一开始对 ARM 不需要太深入,视以后情况而定。ARM 的集成开发环境有 ADS(ARM Developer Suite),是 ARM 处理器主要的开发工具。

  6. 可以去买一块便宜的开发板来开始学习(我觉得自学嵌入式唯一比较花钱之处。几十,几百元就很好了)。树莓派(https://www.raspberrypi.orghttp://www.raspberrypi.com.tw ),Arduino ,等等,都可以。也可以买国内一些厂商自己的开发板,不要买太差的就行。

  7. 如果你买了开发板的话,可以去开发板对应的论坛。比如我以前学生时代买的是天嵌的 TQ2440(现在早就升级到不知道什么了吧,天嵌的论坛 有很多不错的资料。嵌入式Linux论坛华清远见的论坛电子工程世界论坛

  8. 把英语学好,对编程很有裨益,所以千万不要荒废英语。
    还有,数学也需要还过得去吧,毕竟底层有很多位移,与或非运算,十六进制,二进制,十进制转换,等等。可以参看我的这篇文章:[对于程序员, 为什么英语比数学更重要? 如何学习]。

  9. 可以看的书很多,主要要选好书,看得有效率。
    深入理解计算机系统》 非常好,算是入门的。其他也有很多嵌入式书籍。慢慢来,先把基础打好了。嵌入式这个领域太广了,可以学的东西太多,现在技术又日新月异,把基础打好学什么新知识都快。有一本《Orange’S:一个操作系统的实现》的书很推荐,跟着作者一步步写自己的操作系统,热血沸腾。

  10. 假如以后学更有难度的嵌入式实时(Real Time)系统(VxWorks,ecos,ucos,等等。驱动开发之类的,那就要 C语言(和汇编)的功底比较强,要看更深入的书。不过暂时先入门嵌入式,这些更艰深的领域看兴趣,不学也可以。

  11. 不要害怕,当年我也是从对嵌入式一窍不通努力自学,到现在“只通了一窍”的。自学,从来没有像现在这个时代这般容易。所以,站在这么多巨人(网上有很多大牛的博客)的肩膀上,你还怕入门不了吗? 少年,你离成功只差逼一下自己。

有些点可能没谈到,希望不要误导大家。有什么问题欢迎在留言区交流, 指教。

声明:文章中提到的公司或产品,绝无广告之意。


我是 谢恩铭,慕课网精英讲师 Oscar 老师,终生学习者。
热爱生活,喜欢游泳,略懂烹饪。
人生格言:「向着标杆直跑」

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