嵌入式有什么值得學(xué)習(xí)的軟硬件技術(shù)？

整理自網(wǎng)絡(luò)，排版：付斌

對嵌入式系統(tǒng)工程師及嵌入式硬件工程師而言，2020年將是振奮人心的一年。隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及，MCU市場將再次繁榮。因此，市場上對嵌入式系統(tǒng)工程師人才的需求也將出現(xiàn)新高。這些都是底層編程領(lǐng)域中即將出現(xiàn)的趨勢。

01

先搞清楚什么是嵌入式

我們已經(jīng)習(xí)慣了使用強(qiáng)大的計算能力來處理機(jī)器學(xué)習(xí)，那么嵌入式是這樣的嗎？我們先和機(jī)器學(xué)習(xí)比一比。

AlexNet 需要727MFlops的運(yùn)算能力（Flops=浮點運(yùn)算）以及235Mb的內(nèi)存才能處理小小的一張227 x 227像素的圖像。例如，Google Nexus S上的 ARM Cortex-A8的處理能力為每秒 66MFlops。因此，你必須等待大約 11 秒才能進(jìn)行推斷。這也太慢了！

大學(xué)里我上了幾門與機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)的課程。我們做了很多有趣的作業(yè)。但是當(dāng)時即便是4GB GTX1050也不足以訓(xùn)練所有模型。

一般的機(jī)器學(xué)習(xí)工程師很少考慮計算資源。而且他們也很少關(guān)心內(nèi)存的使用情況。為什么？因為這些硬件都很便宜，甚至是你的手機(jī)都擁有相當(dāng)不錯的CPU和大量內(nèi)存。

你已經(jīng)很久沒有過聚會拍照時發(fā)現(xiàn)自己手機(jī)上的存儲不夠的情況了吧？想象一下，你使用的是只有256KB閃存的TrueTouch感應(yīng)控制器。沒錯，只有 256KB。而且由于固件占用了一部分， 因此你不能完全使用這點存儲。算下來，你能使用的也就是大約100KB。回頭再看看你的上一個模型的大小。可能比這個大多了。

有意思吧？我們來繼續(xù)看。

當(dāng)聽到“嵌入式設(shè)備”時你會想起什么？記住腦海中出現(xiàn)的第一印象。

1. 嵌入式設(shè)備可以是任何電動機(jī)械，甚至是微波爐和洗衣機(jī)

沒錯，你答對了！

如今，幾乎所有的電氣設(shè)備都是嵌入式的。這些設(shè)備內(nèi)部可能擁有一個或多個控制器來負(fù)責(zé)每個功能：觸摸感應(yīng)、發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控等。

2. Arduino 和樹莓派

恭喜你，再次答對了！

二者是 DIY 項目中最受歡迎和使用最廣泛的工具包之一。它們也是嵌入式設(shè)備。

3. Jetson Nano 及類似的產(chǎn)品

再次回答正確。

這是一種特殊的開發(fā)套件，簡稱迷你計算機(jī)，專門為運(yùn)行機(jī)器學(xué)習(xí)模型而開發(fā)。它非常強(qiáng)大，而且非常酷。

但似乎有些不對。

我有很多朋友都在做一些很棒的硬件業(yè)余項目。通常他們會使用Arduino或 STM32。

我認(rèn)識幾個AI工程師對Jetson Nano和類似設(shè)備超有興趣。他們認(rèn)為這些設(shè)備是嵌入式AI的未來。

那么，接下來請考慮這樣一個問題：“這些設(shè)備有多少用在了生產(chǎn)級別的產(chǎn)品中？”

答案：微乎其微

想一想你家中有多少電氣設(shè)備，然后再想想汽車中包含的大量控制器，以及工作上用到的安保系統(tǒng)，等等。

每個設(shè)備都有一個控制器。通常，這些控制器都是微型，且超級便宜。它們根本無法企及 Jetson 或樹莓派的資源和功能。

假設(shè)你有一個微控制器。它的主要任務(wù)是處理手指觸摸屏幕。它擁有ARM Cortex-M0處理器，256KB內(nèi)存（其中只有80–120KG可用）。這是一個實時系統(tǒng)，因此你只需很少的時間來推斷模型，例如100微秒。你的目標(biāo)是改善算法或替換算法。

祝你好運(yùn)，歡迎來到“嵌入式AI”的世界。

重點：真正的嵌入式世界，由資源極其有限的 1-2 美元芯片組成。而生產(chǎn)級別的產(chǎn)品使用的就是這種芯片。

02

2020年軟硬件有什么值得學(xué)習(xí)的新技術(shù)

編程語言

 

當(dāng)我們談及編寫圍繞硬件層運(yùn)行的代碼時，最常提起的就是C語言。25年前，當(dāng)我們從匯編語言過渡到C語言時，整個過程非常緩慢，且需求很高。如果你想進(jìn)入嵌入式編程領(lǐng)域，那么2020年C以及C++仍然是你應(yīng)該重點學(xué)習(xí)的編程語言。

如果你想嘗試嵌入式編程，那么可以從下面幾個方面著手：

• https://www.learn-c.org/

Learn-c.org 是 Ron Reiter 的私人項目。雖然這個項目與嵌入式或硬件的關(guān)系不大，但作為C語言入門還是很不錯的。

• 買個微處理器

就我個人而言，實際操作才是最佳的學(xué)習(xí)途徑。所以，你也可以買一個微處理器，實際接觸硬件，親眼看到實際結(jié)果才是你最應(yīng)該做的事情。你可以購買 Arduino 等流行的處理器，然后從一個小項目開始，真正了解硬件的工作原理。

• 閱讀書籍和文檔

閱讀書籍和文檔是最關(guān)鍵的學(xué)習(xí)方式。你可以根據(jù)自己選擇的方向（嵌入式系統(tǒng)、固件開發(fā)、驅(qū)動程序開發(fā)等），選擇相應(yīng)的書籍。

除了C/C++之外，該領(lǐng)域沒有真正占據(jù)實際市場份額的編程語言，但是下面的新起之秀值得關(guān)注。

Rust

今年我一定要把學(xué)習(xí) Rust 提上日程。有傳言說 Rust 是從C發(fā)展而來的，Rust 將在很多應(yīng)用領(lǐng)域廣泛取代C。Rust 在嵌入式領(lǐng)域的發(fā)展非常迅速。如果我們比較 StackOverflow 網(wǎng)站上有關(guān)C、Rust 和 Assembly 的提問，就可以看到2019年有關(guān) Rust 的問題數(shù)超過了 Assembly，而C在過去幾年中略有下降。

相對于C，Rust 有幾大優(yōu)勢，最大的優(yōu)勢之一就在于內(nèi)存的安全性。Medium 網(wǎng)站上有很多關(guān)于 Rust 的文章，你可以通過閱讀了解 Rust 的所有優(yōu)勢。此外，Rust 可以在許多微控制器上運(yùn)行，這個 GitHub 代碼庫中匯總了大量信息（https://github.com/rust-embedded/awesome-embedded-rust）。

如果你想學(xué)習(xí) Rust，那么我強(qiáng)烈建議你訪問 Rust 主頁（https://www.rust-lang.org/）。這個網(wǎng)站提供了大量的入門文檔和教程。還有這本書《The Rust Programming Language》也是很好的起點。Rust 網(wǎng)站專門提供了有關(guān)嵌入式的說明（https://www.rust-lang.org/what/embedded），可以幫助你了解嵌入式設(shè)備上的 Rust 編程。

Golang

Golang？Golang！Golang 這種編程語言的潛力也超過了你的想象。目前，它主要運(yùn)行在用戶空間，可以替代 Ruby 等后端語言，或用作用戶空間的應(yīng)用程序，因為它擁有良好的多處理器支持。

不過，我相信 Golang 會慢慢進(jìn)入底層的編程。目前，它已應(yīng)用在固件開發(fā)中，用于開發(fā)引導(dǎo)程序。隨著嵌入式設(shè)備上的 RAM、ROM 和 Flash 的容量不斷增大，將來也有可能在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行 Golang。 對于每位嵌入式系統(tǒng)程序員來說，Golang 絕對值得一試，而希望參與固件開發(fā)的人則必須學(xué)習(xí) Golang。

硬件

 

除了編程語言之外，硬件設(shè)計方面也有一些有趣的趨勢。我想提及的第一件事情是：RISC-V。

RISC-V

RISC-V 是一種開源硬件指令集體系結(jié)構(gòu)。它基于精簡指令集計算機(jī)原理，即所謂的 RISC。與 Arm 相比，制造商不需要支付許可費(fèi)用即可使用 RISC-V。

面向服務(wù)器和消費(fèi)者的硬件大多采用了x86硬件。我認(rèn)為 RISC-V 不會很快在這部分市場中贏得份額，但是它有可能應(yīng)用于其他幾個市場。路由器和交換機(jī)等嵌入式設(shè)備以及智能手機(jī)制造商或物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都可能切換到 RISC-V 架構(gòu)。

現(xiàn)在市場已有 RISC-V 的電路板，雖然價格仍然偏高，但值得關(guān)注。例如，眼前我的辦公桌上的這塊就是 SiFive HiFive Board。

big.LITTLE

最后我想談?wù)?big.LITTLE 架構(gòu)。最初它是由 ARM 發(fā)明的。原理是將低功耗的處理器（LITTLE）與功能強(qiáng)大、高功耗的（big）處理器相結(jié)合。同一時間內(nèi)， LITTLE 或 big 只有一側(cè)處于活動狀態(tài)。這種架構(gòu)應(yīng)該能夠更好地適應(yīng)當(dāng)今的動態(tài)計算需求。

這并不是一個新想法，ARM 于2011年就提出了此項建議。但是似乎其他制造商也對 big.LITTLE 躍躍欲試。英特爾于2019年預(yù)覽的英特爾 Lakefield 異構(gòu)處理器就采用了 big.LITTLE 架構(gòu)。

03

除了這些還要學(xué)什么？

1、打好嵌入式編程的基礎(chǔ) 

這一階段重點打好嵌入式軟件編程的基礎(chǔ)，包括學(xué)習(xí)Linux系統(tǒng)的基本應(yīng)用，Linux的常用命令、C語言編程基礎(chǔ)、常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

特別是C語言中對指針的理解和應(yīng)用。這一階段的主要目的是學(xué)習(xí)編程語言、開發(fā)環(huán)境、和培養(yǎng)自己的編程思維，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)嵌入式開發(fā)打下良好的基礎(chǔ)。

這一階段推薦的嵌入式學(xué)習(xí)書籍如下：《C程序設(shè)計語言》，《C語言核心技術(shù)》，《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析－－C語言描述》，《C和指針》，《C陷阱與缺陷》，《C＋＋ Primer》 

  

當(dāng)然，現(xiàn)在講求的是軟硬結(jié)合的時代，除了C語言最好還會這些東西：

• 看懂電路圖
• 看懂芯片手冊
• 有編寫，移植驅(qū)動的能力
• 懂內(nèi)核的實現(xiàn)機(jī)制
• 懂C語言，C++, JAVA等

2、學(xué)習(xí)ARM體系結(jié)構(gòu)編程 

這一階段才是真正的嵌入式編程，首先我們要選擇一款嵌入式CPU和一款嵌入式開發(fā)平臺，目前ARM 嵌入式CPU應(yīng)用最廣泛，這一階段重點是學(xué)習(xí)嵌入式CPU的裸機(jī)編程，熟悉中斷、定時器、串口、NAND FLASH、網(wǎng)絡(luò)控制器、LCD屏、觸摸屏等常用嵌入式外圍設(shè)備的硬件工作原理，以及如何使用C語言來編程、控制這些硬件。這一階段除了要學(xué)習(xí)對硬件編程之外，還需要學(xué)習(xí)嵌入式硬件的知識，但是對于嵌入式軟件工程師來講，重點是學(xué)習(xí)硬件的工作原理，在掌握硬件工作原理的基礎(chǔ)上，對硬件進(jìn)行編程控制。這和硬件工程師學(xué)習(xí)的側(cè)重點有所不同。這一階段對應(yīng)的學(xué)校的課程主要包括模擬電路、數(shù)字電路、微機(jī)原理和單片機(jī)。這一階段重點是要看CPU的芯片手冊，大部分的參考書也是對芯片手冊的翻譯。

推薦的參考書籍如下：

• 《微機(jī)原理》，可以理解一個計算機(jī)的組成原理
• 《數(shù)字電路》，掌握一些邏輯運(yùn)算，理解各種門電路的原理
• 《ARM體系結(jié)構(gòu)與編程》，對ARM的運(yùn)行原理解釋的很到位

3、學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建 

這一階段主要學(xué)習(xí)帶有操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建，包括系統(tǒng)的啟動流程、Bootloader的工作流程、UBOOT的編譯、裁剪與移植、嵌入式Linux內(nèi)核的裁剪、移植與編譯，嵌入式根文件系統(tǒng)的定制、BootLoader、內(nèi)核和根文件系統(tǒng)的燒寫。這一階段的主要目的是掌握帶有操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建和燒寫過程，以及對嵌入式系統(tǒng)軟件的總體構(gòu)成有個整體認(rèn)識，為我們接下來學(xué)習(xí)嵌入式應(yīng)用和驅(qū)動開發(fā)打下堅實的基礎(chǔ)。

這一階段推薦的書籍如下：《構(gòu)建嵌入式Linux核心軟件系統(tǒng)實戰(zhàn)》 

本課程會涉及到以下知識點：

• Linux總線，設(shè)備，驅(qū)動模型的探究
• Linux設(shè)備樹的深入理解
• Linux的啟動流程
• Linux設(shè)備和驅(qū)動的相遇
• 動手定制一個開發(fā)板

4、學(xué)習(xí)嵌入式Linux應(yīng)用程序開發(fā) 

這一階段主要學(xué)習(xí)上層的嵌入式Linux應(yīng)用程序開發(fā)，包括基于Linux多進(jìn)程、多線程、網(wǎng)絡(luò)、文件與目錄和QT編程。掌握嵌入式Linux環(huán)境下應(yīng)用程序開發(fā)技術(shù)。

這一階段推薦的書籍有： 《UNIX環(huán)境高級編程》， 《Unix網(wǎng)絡(luò)編程》，《Qt Creatｏｒ快速入門》， 《精通Qt4編程》 

5、學(xué)習(xí)嵌入式Linux驅(qū)動程序開發(fā) 

這一階段主要學(xué)習(xí)底層嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)設(shè)計，包括常用的字符設(shè)備驅(qū)動、塊設(shè)備驅(qū)動、LCD設(shè)備驅(qū)動、觸摸屏設(shè)備驅(qū)動以及驅(qū)動程序開發(fā)中的核心技術(shù)。

這一階段推薦的參考書籍有：《Linux設(shè)備驅(qū)動程序》，《Linux設(shè)備驅(qū)動開發(fā)詳解》 

關(guān)于驅(qū)動的內(nèi)容暫定如下：

• LCD驅(qū)動程序
• 觸摸屏驅(qū)動程序
• USB驅(qū)動程序
• NAND FLASH驅(qū)動程序
• NOR FLASH驅(qū)動程序
• 網(wǎng)卡驅(qū)動程序
• 聲卡驅(qū)動程序

6、根文件系統(tǒng)

在開發(fā)應(yīng)用程序時，也需要搭建文件系統(tǒng)，把各種庫、配置文件放進(jìn)去；在發(fā)布產(chǎn)品時，你還需要修改配置文件，使得產(chǎn)品可以自動運(yùn)行程序；甚至你想實現(xiàn)插上U盤后自動啟動某個程序，這也要要修改配置文件；這一切，都需要你理解根文件系統(tǒng)的構(gòu)成，理解內(nèi)核啟動后是根據(jù)什么配置文件來啟動哪些應(yīng)用程序。根文件系統(tǒng)相對比較簡單，可以根據(jù)以下路線學(xué)習(xí)：

• Linux根文件系統(tǒng)目錄結(jié)構(gòu)
• 移植Busybox
• init進(jìn)程介紹及用戶程序啟動過程
• 使用glibc庫
• 制作/使用文件系統(tǒng)映象文件
  
  

7、完成一個綜合項目 

嵌入式技術(shù)關(guān)鍵在于理論和實踐的結(jié)合，要能夠?qū)W以致用，完成了以上的所有階段的知識點學(xué)習(xí)后，到底有沒有學(xué)會，會不會用，能不能應(yīng)用所學(xué)知識來解決實際開發(fā)中的問題，我們需要來完成一個綜合的嵌入式實訓(xùn)項目，例如：基于嵌入式Linux平臺實現(xiàn)的飛行器、 基于嵌入式Linux平臺實現(xiàn)的智能機(jī)器人等，這些項目都綜合應(yīng)用了嵌入式開發(fā)當(dāng)中的應(yīng)用，驅(qū)動和QT開發(fā)技術(shù)。

【參考文獻(xiàn)】

1、Christian Walter . Two must-knows for embedded engineers in 2020

2、Andrew Zhuravchak . Machine Learning Fails When It Comes to Embedded System. Here’s Why

3、Peter . The roadmap of embedded learning

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