关于嵌入式系统的学习方向

嵌入式系统无疑是当前最热门最有发展前途的I T应用领域之一。嵌入式系统用在一些特定专用设备上, 通常这些设备的硬件资源 (如处理器、存储器等) 非常有限, 并且对成本很敏感, 有时对实时响应要求很高等。特别是随着消费家电的智能化, 嵌入式更显重要。像我们平常常见到的手机、P D A、电子字典、可视电话、V C D/DVD/MP3 Player、数字相机 (DC) 、数字摄像机 (DV) 、U-Disk、机顶盒 (Set Top Box) 、高清电视 (HDTV) 、游戏机、智能玩具、交换机、路由器、数控设备或仪表、汽车电子、家电控制系统、医疗仪器、航天航空设备等等都是典型的嵌入式系统。嵌入式系统是软硬结合的东西, 搞嵌入式开发的人有两类。

一类是学电子工程、通信工程等偏硬件专业出身的人, 他们主要是搞硬件设计, 有时要开发一些与硬件关系最密切的最底层软件, 如Boot Loader、Board Support Package (像PC的BIOS一样, 往下驱动硬件, 往上支持操作系统) , 最初级的硬件驱动程序等。他们的优势是对硬件原理非常清楚, 不足是他们更擅长定义各种硬件接口, 但对复杂软件系统往往力不从心 (例如嵌入式操作系统原理和复杂应用软件等) 。

另一类是学软件、计算机专业出身的人, 主要从事嵌入式操作系统和应用软件的开发。如果我们学软件的人对硬件原理和接口有较好的掌握, 我们完全也可写B S P和硬件驱动程序。嵌入式硬件设计完后, 各种功能就全靠软件来实现了, 嵌入式设备的增值很大程度上取决于嵌入式软件, 这占了嵌入式系统的最主要工作 (目前有很多公司将硬件设计包给了专门的硬件公司, 稍复杂的硬件都交给台湾或国外公司设计, 国内的硬件设计力量很弱, 很多嵌入式公司自己只负责开发软件, 因为都知道, 嵌入式产品的差异很大程度在软件上, 在软件方面是最有“花头”可做的) , 所以我们搞软件的人完全不用担心我们在嵌入式市场上的用武之地, 越是智能设备越是复杂系统, 软件越起关键作用, 而且这是目前的趋势。

1 从事嵌入式软件开发的好处是

1.1 目前国内外这方面的人都很稀缺

一方面, 是因为这一领域入门门槛较高, 不仅要懂较底层软件 (例如操作系统级、驱动程序级软件) , 对软件专业水平要求较高 (嵌入式系统对软件设计的时间和空间效率要求较高) , 而且必须懂得硬件的工作原理, 所以非专业I T人员很难切入这一领域;另一方面, 是因为这一领域较新, 目前发展太快, 很多软硬件技术出现时间不长或正在出现 (如A R M处理器、嵌入式操作系统、M P E G技术、无线通信协议等) , 掌握这些新技术的人当然很少。嵌入式人才稀缺, 身价自然就高, 越有经验价格就越高。其实嵌入式人才稀少, 根本原因可能是大多数人无条件接触, 这需要相应的嵌入式开发板和软件, 另外需要有经验的人进行指导开发流程。

1.2 与企业计算等应用软件不同, 嵌入式领域人才的工作强度通常低一些 (但收入不低)

搞企业应用软件的I T企业, 这个用户的系统搞完了, 又得去搞下一个用户的, 而且每个用户的需求和完成时间都得按客户要求改变, 往往疲于奔命, 重复劳动。相比而言, 搞嵌入式系统的公司, 都有自己的产品计划, 按自己的节奏行事。所开发的产品通常是通用的, 不会因客户的不同而修改。一个产品型号开发完了, 往往有较长一段空闲时间 (或只是对软件进行一些小修补) , 有时间进行充电和休整。另外, 从事嵌入式软件的每个人工作范围相对狭窄, 所涉及的专业技术范围就是那些 (ARM、R T O S、M P E G、8 0 2.1 1等) , 时间长了这些东西会越搞越有经验, 卖卖老本, 几句指导也够让那些初入道者琢磨半年的。若搞应用软件, 可能下一个客户要换成一个完全不同的软件开发平台, 那就苦了。

2 在嵌入式软件方面最重要的课程包括

2.1 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, 用这门课取代了传统的“微机原理与接口”课程 (目前国内已有少部分高校I T专业这样做了, 因为讲x 8 6微机原理与接口很难找到实际用处, 只为教学而已) 。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, 等我们的嵌入式实验室建好后, 做了一些实验后就会觉得看得见摸得着。还有同学对A R M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B S P) 。特别是在对速度有极高要求的场合 (如D S P处理器的高速图像采集和图像解压缩) , 目前主要还要靠汇编写程序 (我看到过很多公司是这样做的) 。当您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 (我就遇到过) , 这是因为很多硬件设计人员只会写或者喜欢用汇编描述, 此时您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。

2.2 嵌入式操作系统类课程

除了Win CE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 Time Operating 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:

2.2.1 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1 m s内响应外部事件请求) , 并且内核可极微 (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。

2.2.2 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M M U功能) , 目前占较大应用份额, 可在ARM7上跑;另一类是跑在A R M 9上的, 一般是将Linux 2.4.18内核移植在其上, 可使用更多的Linux功能 (当然u Clinux更可跑在A R M 9上) 。很多人预测, 嵌入式Linux预计将占嵌入式操作系统的5 0%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ucO S/I I为教学用实时操作系统, 这主要是由于uc OS/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ucO S/I I功能有限, 实用用得较少, 比如u Clinux就很实用。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Inte l、P hilip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。

2.3 嵌入式开发的其它相关软件课程

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:

2.3.1 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M P E G编解码算法和技术, 如D V D、M P 3、P D A、高精电视、机顶盒等都涉及M P E G高速解码问题。

2.3.2 通信协议及编程技术

这包括传统的T C P/I P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T C P/I P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。

2.3.3 网络与信息安全技术

如加密技术, 数字证书C A等。

2.3.4 DSP技术

DSP是Digital Signal Process数字信号处理的意思, D S P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D S P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M P E G编解码原理会有很大帮助。

2.4 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++、数据结构和算法、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的场合, 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/I P核实现技术, 这方面的人目前市场上也很缺。

摘要：本文介绍了嵌入式系统, 全面阐述了从事嵌入式软件开发的好处及从事嵌入式软件开发的缺点以及嵌入式的学习方向。

关键词：嵌入式系统,学习方向