嵌入式开发要学习哪些内容

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生活中,智能手环、智能音箱、智能家电、共享单车、无人驾驶…..这些都属于嵌入式系统,其特点是由嵌入式计算机系统和执行装置组成。嵌入式技术为人类带来了今日的美好生活,人们怎么可能浅尝辄止,为了将嵌入式技术发扬光大,国内的DJI、美团&NINEBOT、小马智行、地平线、小米等优秀企业正使用嵌入式技术优化人类的生活。 显而易见,嵌入式开发这条路是光明的。

01 嵌入式开发需要学习哪些内容?
那么,如果我们想学习嵌入式,需要掌握哪些内容呢?其实,我们直接分析大企业嵌入式相关岗位的工作描述,就可以找到答案,也是我们努力的方向。十几年前的嵌入式开发受限于硬件处理器的性能,无法实现复杂的逻辑和功能,使得嵌入式产品功能单一。现在嵌入式开发随着处理器的成长要面对全新的挑战:计算性能和内存永远不够用、为了保障不丢帧要求高效的实时性、高级接口和协议栈的产生导致代码的规模越来越大。为了应对这些新的挑战,各大企业对工程师有以下几个方面的要求:编程能力、处理器架构、操作系统、接口与驱动、Framework、应用编程与调试、硬件知识。

  1. 编程能力

嵌入式工程师大类上属于软件工程师的范畴,编程技能是基本功,DJI、小马智行、NINEBOT、石头科技、OPPO、小米、地平线这些公司都对C/C++要求熟练掌握的程度。除此以外对解释型语言要求为至少熟悉一种脚本语言。了解Linux系统,会使用Makefile工程管理工具等。可见,C和C++仍旧是嵌入式开发绝对主流的语言。底层软件这么多年来,一直是C的天下,在可预见的将来,不会改变。随着系统复杂度越来越高,越来越多的应用层软件采用C++来编写。Sehll主要用于制作工程管理工具,Python可以让你和人工智能工程师愉快对话。

  1. 处理器架构

美团、小马智行、石头科技、OPPO、VIVO都要求熟练掌握或者精通STM32单片机和ARM处理器架构,其它加分项有DSP、熟练使用ARM Cortex-A或M系列内核的SOC。这部分我们需要了解Cortex-M和Cortex-A系列处理器架构。哈佛架构、冯诺依曼架构、多级流水线、是最简单的问题。SIMD、MIMD、指令预取、乱序执行这些概念也要搞懂。

  1. 操作系统

目前的电子产品功能越来越多,也越来越复杂,操作系统可以极大地简化产品的开发难度。大疆、美团、小马智行、小米、地平线都要求熟悉Linux下的多进程多线程、网络编程的开发和调试,内存、功耗、性能优化等。无人驾驶和无人机,这些对响应速度要求高的行业,对实时操作系统也有不同程度的要求。在这一部分我们需要掌握基本的操作系统知识,理论结合实际,熟悉一个RTOS,大多数的RTOS的复杂度远小于Linux。Linux拥有完善的生态,相较于RTOSLinux的C库配置已经很完善了。但是想要用好就有一定难度了,在这里需要了解内存管理、进程管理、多核、中断、锁、消息队列,性能分析等等内容来应对开发工程中帧率下降、系统秒级卡死、相机丢帧等异常。

  1. 接口与驱动

许多初涉嵌入式行业的人会狭隘的认为搞嵌入式就是写驱动。美团无人配送、小马智行、石头科技对CAN、SPI、I2C、UART这些常见的低速接口都要求熟悉,其它的像LCD、Touch、Camera、USB、BT/WIFI/GPS、IMU这些进入寻常百姓家的Sensor驱动开发经验是妥妥的加分项。低速接口的驱动,在厂家提供的BSP中一般都有,只需要仔细看手册,搞清各接口所需的工作模式并做适当配置,该用中断的时候用中断,该用DMA的时候用DMA,即可。

  1. Framework

中间件和协议栈的部分有一个特点,研发机器人的企业一般都会要求熟悉ROS,相机类的企业要求熟悉camera、codec、storage相关的pipeline。还有基本的协议栈也是必须了解和掌握的。

  1. 应用编程与调试

美团无人配送、小马智行、NINEBOT、小米都要求熟悉Linux或Unix系统编程,了解基本的编译原理,需要掌握gdb、valgrind、strace、perf、coredump等调试手段,用好log系统。只要掌握上面编程能力、操作系统、Framework这些内功心法,调试工具不过是招数。

  1. 硬件知识

科技企业大多要求了解一定的硬件知识,基础硬件知识的掌握程度,达到可以看懂原理图并对常见的元器件有一定了解,熟悉模电数电知识即可。基本上是电子工程类学生,所学专业课的内容。另外,要会使用示波器等测试仪器,会驱动常见的传感器等。

02 嵌入式开发如何入门?
嵌入式系统专业是综合了计算机硬件技术,计算机软件技术以及电子电路技术的一门综合学科,所涉及的内涵和知识非常广泛。

  1. C语言基础

在开始学习嵌入式之前,首先要打好基础,其中最重要的是C语言基础,要至少达到能单独编写调试一个500行的小项目(大概是一个本地员工管理系统的代码量),能够了解C语言的基本语法规则,基本语句的使用,理解指针概念并能灵活使用各种指针。在学习C语言的过程中,指针的概念比较难理解,但是如果对计算机组成原理有了解的话,地址和 指针,源码和可执行程序,软件通过寄存器控制硬件这些概念都会变得很清晰。

那学习C语言使用什么环境?

首选方案,Windows安装虚拟机,虚拟机运行Linux操作系统,编辑器选择vim,命令行运行gcc编译器编译环境。

为什么要用Linux操作系统呢?

从上文中的各大企业对研发工程师的要求可以看出,Linux操作系统在嵌入式行业中的地位是任何操作系统不可比拟的。许多公司为了保护自己的代码产权,开发用的主机直接运行Linux操作系统,并在命令行终端来控制主机。出于未来工作中尽快适应这种开发环境,所以可以在入门的时候就直接体验和见识酷炫的Linux操作系统。但是入门阶段并不需要刻意背过Linux的各种使用命令、Linux各种服务器的配置,还原备份各种操 作等,只要会基本文件相关的命令,会使用vim编辑器和gcc编辑器即可。大约一周的时间即可熟悉Linux系统,你会体会到Linux和Windows系统的不同,摆脱对图形化界面的依赖。当学会了C语言编程后,你需要掌握操作系统相关的知识,多线程多进程编程、网络编程。通过实践学习一些接口函数完成一些小项目比如银行家算法、网络聊天室等。对操作系统的知识有一个初步的感性认识。

  1. MCU和CPU

以上的所有编程学习都是在单一的环境下进行的。即开发环境和运行环境都是一样的都在Ubuntu下进行。难道嵌入式开发就是如此吗,说好的软硬件可裁剪呢?别急,紧接着我们就需要加入MCU和CPU的学习,要学习ARM是什么,不同系列的MCU开发方式不同,ARM Cortex™-A 系列应用型处理器,可向托管丰富OS平台和用户应用程序的设备提供全方位的解决方案,从超低成本手机、智能手机、移动计算平台、数字电视和机顶盒到企业网络、打印机和服务器解决方案,是作为学习嵌入式的合适的素材。现在嵌入式的学习资源丰富,选择合适的Cortex™-A 系列的开发板后,根据裸板开发、系统移植、驱动开发这样的顺序学习。裸板开发的学习主要是感受一下如何通过编程实现控制硬件。系统移植中我们会发现搭载Linux操作系统的板子功力大增,交叉编译工具链的出现使得我们对架构两个字有了更深入的认识。刚刚还在怀念在Ubuntu下编写C代码运指如飞的感觉,现在可以继续编写Linux风格的C代码了。

  1. 驱动开发

前面裸板开发和驱动移植的学习目的是面对接下来的驱动大魔头,学习驱动开发我们需要有一个空杯心态,需要有主动理解Linux内核设计理念的意识(但是不要钻牛角尖),时刻把握Linux下一切皆文件的宗旨和分层的思想。当我们在这一阶段点亮开发板上的一盏明灯,恭喜你,一只脚踏进嵌入式开发的大门了。

  1. C++和Qt

体会了最基本的驱动开发后,嵌入式学习还未结束,但是之后的学习我们有了一些选择的主动权,当我们看到一些有意思的嵌入式小项目,我们可以理解它的实现思路。而最好的学习方法是自己实践完成一些小项目,你也许不满足之前所学,为什么不能把黑乎乎的命令行终端优化成精美的液晶屏显示,C++和Qt的学习就在所难免了。不过还好,有C语言的加持,C++的学习变得比较顺利,最大的困难应该在于面向过程到面向对象思维的转变。

  1. Python人工智能

那么,如果你已经可以实现一个小型的嵌入式项目了,但是如果大火的人工智能技术可以加入到这个小项目中,想必一定非常酷炫,我们可以把呆板的用户界面输入改成图像识别或者人脸识别。现在编写人工智能代码最广泛的语言是Python3,在github上有许多的开源项目和代码。为了看懂开源代码,暂且不管复杂的数学相关的算法,首先需要学习Python3。其实,Python3也是一种解释型语言,之前的基础学习中我们学过Shell,两者都是解释型语言,最大区别在于运行的环境和应用的场景不同。Shell多用于编写Linux系统下的小工具,Makefile的编写是最大的应用场景,Python可以运行在Windows和Linux下,移植了Python的开发板,可以根据各大AI开放平台的支持,将设备接入平台调用云平台提供的API,实现图像识别、人脸识别、文字识别……

  1. STM32

一个产品级的项目考虑的不仅仅是功能的实现,还要考虑功耗、成本。此时你会发现许多低功耗的模块可以取代之前基于ARM Cortex™-A的开发板,STM32映入眼帘,STM32的开发原理无非也是控制寄存器驱动硬件模块,在芯片手册中挣扎一段时间,通过一周的时间熟悉CubeMX和keil的使用,驱动一个温湿度传感器或者其它传感器模块,在这个过程中我们就可以了解STM32开发的基本套路。

总结
本文首先通过分析各大企业,对嵌入式开发的岗位人员的要求,得到嵌入式开发人员需要掌握的技术,然后结合自己的经历对入门嵌入式的学习路径提出个人的建议。我们可以了解到,嵌入式开发的入门级别需要熟练掌握C\C++,有熟练控制寄存器的能力,无论是通过驱动还是直接控制裸板。有管理工程代码的能力,这里需要学会Shell编程,会搭建基本的开发环境,并编写合理规范的Makefile。我认为,只要掌握上述的技术,中间一些学习顺序不必完全遵循,像是先学STM32还是先学ARM Cortex™-A开发板的系统移植,根据自己的需要和兴趣选择就好。学习的过程本就有迭代和螺旋上升的特点,面对陌生的技术要学会举一反三,可以通过接触过的技术对比去理解。最后,祝看到本文的你,可以通过过硬的开发技能,拥有自由选择职业底气。

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