攻略！嵌入式開發(fā)需要學(xué)習(xí)哪些內(nèi)容？如何快速入門？

時(shí)間：2020-07-07 22:31:37

關(guān)鍵字：嵌入式開發(fā)

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[導(dǎo)讀]高端IT就業(yè)培訓(xùn)專家-15年口碑積累，20萬名研發(fā)工程師從這里走出 ? ? ?? ?說到嵌入式，那首先我們要知道，什么是嵌入式？嵌入式說白了就是嵌入式系統(tǒng)。從應(yīng)用對象上加以定義來說，它是一個(gè)軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。一個(gè)嵌入式系統(tǒng)裝置

高端IT就業(yè)培訓(xùn)專家-15年口碑積累，20萬名研發(fā)工程師從這里走出

說到嵌入式，那首先我們要知道，什么是嵌入式？嵌入式說白了就是嵌入式系統(tǒng)。從應(yīng)用對象上加以定義來說，它是一個(gè)軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。一個(gè)嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心。【這里大家可以看一看《Hi，快看這里，有一份“嵌入式解讀秘籍”！》這篇文章】

生活中，智能手環(huán)、智能音箱、智能家電、共享單車、無人駕駛.....這些都屬于嵌入式系統(tǒng)，其特點(diǎn)是由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成。嵌入式技術(shù)為人類帶來了今日的美好生活，人們怎么可能淺嘗輒止，為了將嵌入式技術(shù)發(fā)揚(yáng)光大，國內(nèi)的DJI、美團(tuán)&NINEBOT、小馬智行、地平線、小米等優(yōu)秀企業(yè)正使用嵌入式技術(shù)優(yōu)化人類的生活。

顯而易見，嵌入式開發(fā)這條路是光明的。

嵌入式開發(fā)

需要學(xué)習(xí)哪些內(nèi)容？

那么，如果我們想學(xué)習(xí)嵌入式，需要掌握哪些內(nèi)容呢？其實(shí)，我們直接分析大企業(yè)嵌入式相關(guān)崗位的工作描述，就可以找到答案，也是我們努力的方向。十幾年前的嵌入式開發(fā)受限于硬件處理器的性能，無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯和功能，使得嵌入式產(chǎn)品功能單一?，F(xiàn)在嵌入式開發(fā)隨著處理器的成長要面對全新的挑戰(zhàn)：計(jì)算性能和內(nèi)存永遠(yuǎn)不夠用、為了保障不丟幀要求高效的實(shí)時(shí)性、高級接口和協(xié)議棧的產(chǎn)生導(dǎo)致代碼的規(guī)模越來越大。為了應(yīng)對這些新的挑戰(zhàn)，各大企業(yè)對工程師有以下幾個(gè)方面的要求：編程能力、處理器架構(gòu)、操作系統(tǒng)、接口與驅(qū)動、Framework、應(yīng)用編程與調(diào)試、硬件知識。

1. 編程能力

嵌入式工程師大類上屬于軟件工程師的范疇，編程技能是基本功，DJI、小馬智行、NINEBOT、石頭科技、OPPO、小米、地平線這些公司都對C/C++要求熟練掌握的程度。除此以外對解釋型語言要求為至少熟悉一種腳本語言。了解Linux系統(tǒng)，會使用Makefile工程管理工具等。可見，C和C++仍舊是嵌入式開發(fā)絕對主流的語言。底層軟件這么多年來，一直是C的天下，在可預(yù)見的將來，不會改變。隨著系統(tǒng)復(fù)雜度越來越高，越來越多的應(yīng)用層軟件采用C++來編寫。 Sehll主要用于制作工程管理工具，Python可以讓你和人工智能工程師愉快對話。

2. 處理器架構(gòu)

美團(tuán)、小馬智行、石頭科技、OPPO、VIVO都要求熟練掌握或者精通STM32單片機(jī)和ARM處理器架構(gòu)，其它加分項(xiàng)有DSP、熟練使用ARM Cortex-A或M系列內(nèi)核的SOC。這部分我們需要了解Cortex-M和Cortex-A系列處理器架構(gòu)。哈佛架構(gòu)、馮諾依曼架構(gòu)、多級流水線、是最簡單的問題。 SIMD、MIMD、指令預(yù)取、亂序執(zhí)行這些概念也要搞懂。

3. 操作系統(tǒng)

目前的電子產(chǎn)品功能越來越多，也越來越復(fù)雜，操作系統(tǒng)可以極大地簡化產(chǎn)品的開發(fā)難度。大疆、美團(tuán)、小馬智行、小米、地平線都要求熟悉Linux下的多進(jìn)程多線程、網(wǎng)絡(luò)編程的開發(fā)和調(diào)試，內(nèi)存、功耗、性能優(yōu)化等。無人駕駛和無人機(jī)，這些對響應(yīng)速度要求高的行業(yè)，對實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)也有不同程度的要求。在這一部分我們需要掌握基本的操作系統(tǒng)知識，理論結(jié)合實(shí)際，熟悉一個(gè)RTOS，大多數(shù)的RTOS的復(fù)雜度遠(yuǎn)小于Linux。 Linux擁有完善的生態(tài)，相較于RTOSLinux的C庫配置已經(jīng)很完善了。但是想要用好就有一定難度了，在這里需要了解內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、多核、中斷、鎖、消息隊(duì)列，性能分析等等內(nèi)容來應(yīng)對開發(fā)工程中幀率下降、系統(tǒng)秒級卡死、相機(jī)丟幀等異常。

4. 接口與驅(qū)動

許多初涉嵌入式行業(yè)的人會狹隘的認(rèn)為搞嵌入式就是寫驅(qū)動。美團(tuán)無人配送、小馬智行、石頭科技對CAN、SPI、I2C、UART這些常見的低速接口都要求熟悉，其它的像LCD、Touch、Camera、USB、BT/WIFI/GPS、IMU這些進(jìn)入尋常百姓家的Sensor驅(qū)動開發(fā)經(jīng)驗(yàn)是妥妥的加分項(xiàng)。低速接口的驅(qū)動，在廠家提供的BSP中一般都有，只需要仔細(xì)看手冊，搞清各接口所需的工作模式并做適當(dāng)配置，該用中斷的時(shí)候用中斷，該用DMA的時(shí)候用DMA，即可。

5. Framework

中間件和協(xié)議棧的部分有一個(gè)特點(diǎn)，研發(fā)機(jī)器人的企業(yè)一般都會要求熟悉ROS，相機(jī)類的企業(yè)要求熟悉camera、codec、storage相關(guān)的pipeline。還有基本的協(xié)議棧也是必須了解和掌握的。

6. 應(yīng)用編程與調(diào)試

美團(tuán)無人配送、小馬智行、NINEBOT、小米都要求熟悉Linux或Unix系統(tǒng)編程，了解基本的編譯原理，需要掌握gdb、valgrind、strace、perf、coredump等調(diào)試手段，用好log系統(tǒng)。只要掌握上面編程能力、操作系統(tǒng)、Framework這些內(nèi)功心法，調(diào)試工具不過是招數(shù)。

7. 硬件知識

科技企業(yè)大多要求了解一定的硬件知識，基礎(chǔ)硬件知識的掌握程度，達(dá)到可以看懂原理圖并對常見的元器件有一定了解，熟悉模電數(shù)電知識即可。基本上是電子工程類學(xué)生，所學(xué)專業(yè)課的內(nèi)容。另外，要會使用示波器等測試儀器，會驅(qū)動常見的傳感器等。

嵌入式開發(fā)如何入門？

嵌入式系統(tǒng)專業(yè)是綜合了計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)以及電子電路技術(shù)的一門綜合學(xué)科，所涉及的內(nèi)涵和知識非常廣泛。

1. C語言基礎(chǔ)

在開始學(xué)習(xí)嵌入式之前，首先要打好基礎(chǔ)，其中最重要的是C語言基礎(chǔ)，要至少達(dá)到能單獨(dú)編寫調(diào)試一個(gè)500行的小項(xiàng)目（大概是一個(gè)本地員工管理系統(tǒng)的代碼量），能夠了解C語言的基本語法規(guī)則，基本語句的使用，理解指針概念并能靈活使用各種指針。在學(xué)習(xí)C語言的過程中，指針的概念比較難理解，但是如果對計(jì)算機(jī)組成原理有了解的話，地址和指針，源碼和可執(zhí)行程序，軟件通過寄存器控制硬件這些概念都會變得很清晰。

那學(xué)習(xí)C語言使用什么環(huán)境？

首選方案，Windows安裝虛擬機(jī)，虛擬機(jī)運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，編輯器選擇vim，命令行運(yùn)行g(shù)cc編譯器編譯環(huán)境。

為什么要用Linux操作系統(tǒng)呢？

從上文中的各大企業(yè)對研發(fā)工程師的要求可以看出，Linux操作系統(tǒng)在嵌入式行業(yè)中的地位是任何操作系統(tǒng)不可比擬的。許多公司為了保護(hù)自己的代碼產(chǎn)權(quán)，開發(fā)用的主機(jī)直接運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，并在命令行終端來控制主機(jī)。出于未來工作中盡快適應(yīng)這種開發(fā)環(huán)境，所以可以在入門的時(shí)候就直接體驗(yàn)和見識酷炫的Linux操作系統(tǒng)。但是入門階段并不需要刻意背過Linux的各種使用命令、Linux各種服務(wù)器的配置，還原備份各種操作等，只要會基本文件相關(guān)的命令，會使用vim編輯器和gcc編輯器即可。大約一周的時(shí)間即可熟悉Linux系統(tǒng)，你會體會到Linux和Windows系統(tǒng)的不同，擺脫對圖形化界面的依賴。

當(dāng)學(xué)會了C語言編程后，你需要掌握操作系統(tǒng)相關(guān)的知識，多線程多進(jìn)程編程、網(wǎng)絡(luò)編程。通過實(shí)踐學(xué)習(xí)一些接口函數(shù)完成一些小項(xiàng)目比如銀行家算法、網(wǎng)絡(luò)聊天室等。對操作系統(tǒng)的知識有一個(gè)初步的感性認(rèn)識。

2. MCU和CPU

以上的所有編程學(xué)習(xí)都是在單一的環(huán)境下進(jìn)行的。即開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境都是一樣的都在Ubuntu下進(jìn)行。難道嵌入式開發(fā)就是如此嗎，說好的軟硬件可裁剪呢？別急，緊接著我們就需要加入MCU和CPU的學(xué)習(xí)，要學(xué)習(xí)ARM是什么，不同系列的MCU開發(fā)方式不同，ARM Cortex?-A 系列應(yīng)用型處理器，可向托管豐富OS平臺和用戶應(yīng)用程序的設(shè)備提供全方位的解決方案，從超低成本手機(jī)、智能手機(jī)、移動計(jì)算平臺、數(shù)字電視和機(jī)頂盒到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、打印機(jī)和服務(wù)器解決方案，是作為學(xué)習(xí)嵌入式的合適的素材。現(xiàn)在嵌入式的學(xué)習(xí)資源豐富，選擇合適的Cortex?-A 系列的開發(fā)板后，根據(jù)裸板開發(fā)、系統(tǒng)移植、驅(qū)動開發(fā)這樣的順序?qū)W習(xí)。裸板開發(fā)的學(xué)習(xí)主要是感受一下如何通過編程實(shí)現(xiàn)控制硬件。系統(tǒng)移植中我們會發(fā)現(xiàn)搭載Linux操作系統(tǒng)的板子功力大增，交叉編譯工具鏈的出現(xiàn)使得我們對架構(gòu)兩個(gè)字有了更深入的認(rèn)識。剛剛還在懷念在Ubuntu下編寫C代碼運(yùn)指如飛的感覺，現(xiàn)在可以繼續(xù)編寫Linux風(fēng)格的C代碼了。

3. 驅(qū)動開發(fā)

前面裸板開發(fā)和驅(qū)動移植的學(xué)習(xí)目的是面對接下來的驅(qū)動大魔頭，學(xué)習(xí)驅(qū)動開發(fā)我們需要有一個(gè)空杯心態(tài)，需要有主動理解Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)理念的意識（但是不要鉆牛角尖），時(shí)刻把握Linux下一切皆文件的宗旨和分層的思想。當(dāng)我們在這一階段點(diǎn)亮開發(fā)板上的一盞明燈，恭喜你，一只腳踏進(jìn)嵌入式開發(fā)的大門了。

4. C++和Qt

體會了最基本的驅(qū)動開發(fā)后，嵌入式學(xué)習(xí)還未結(jié)束，但是之后的學(xué)習(xí)我們有了一些選擇的主動權(quán)，當(dāng)我們看到一些有意思的嵌入式小項(xiàng)目，我們可以理解它的實(shí)現(xiàn)思路。而最好的學(xué)習(xí)方法是自己實(shí)踐完成一些小項(xiàng)目，你也許不滿足之前所學(xué)，為什么不能把黑乎乎的命令行終端優(yōu)化成精美的液晶屏顯示，C++和Qt的學(xué)習(xí)就在所難免了。不過還好，有C語言的加持，C++的學(xué)習(xí)變得比較順利，最大的困難應(yīng)該在于面向過程到面向?qū)ο笏季S的轉(zhuǎn)變。

5. Python人工智能

那么，如果你已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)小型的嵌入式項(xiàng)目了，但是如果大火的人工智能技術(shù)可以加入到這個(gè)小項(xiàng)目中，想必一定非常酷炫，我們可以把呆板的用戶界面輸入改成圖像識別或者人臉識別。現(xiàn)在編寫人工智能代碼最廣泛的語言是Python3，在github上有許多的開源項(xiàng)目和代碼。為了看懂開源代碼，暫且不管復(fù)雜的數(shù)學(xué)相關(guān)的算法，首先需要學(xué)習(xí)Python3。其實(shí)，Python3也是一種解釋型語言，之前的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)中我們學(xué)過Shell，兩者都是解釋型語言，最大區(qū)別在于運(yùn)行的環(huán)境和應(yīng)用的場景不同。 Shell多用于編寫Linux系統(tǒng)下的小工具，Makefile的編寫是最大的應(yīng)用場景，Python可以運(yùn)行在Windows和Linux下，移植了Python的開發(fā)板，可以根據(jù)各大AI開放平臺的支持，將設(shè)備接入平臺調(diào)用云平臺提供的API，實(shí)現(xiàn)圖像識別、人臉識別、文字識別......

6. STM32

一個(gè)產(chǎn)品級的項(xiàng)目考慮的不僅僅是功能的實(shí)現(xiàn)，還要考慮功耗、成本。此時(shí)你會發(fā)現(xiàn)許多低功耗的模塊可以取代之前基于ARM Cortex?-A的開發(fā)板，STM32映入眼簾，STM32的開發(fā)原理無非也是控制寄存器驅(qū)動硬件模塊，在芯片手冊中掙扎一段時(shí)間，通過一周的時(shí)間熟悉CubeMX和keil的使用，驅(qū)動一個(gè)溫濕度傳感器或者其它傳感器模塊，在這個(gè)過程中我們就可以了解STM32開發(fā)的基本套路。

總結(jié)

本文首先通過分析各大企業(yè)，對嵌入式開發(fā)的崗位人員的要求，得到嵌入式開發(fā)人員需要掌握的技術(shù)，然后結(jié)合自己的經(jīng)歷對入門嵌入式的學(xué)習(xí)路徑提出個(gè)人的建議。我們可以了解到，嵌入式開發(fā)的入門級別需要熟練掌握C\C++，有熟練控制寄存器的能力，無論是通過驅(qū)動還是直接控制裸板。有管理工程代碼的能力，這里需要學(xué)會Shell編程，會搭建基本的開發(fā)環(huán)境，并編寫合理規(guī)范的Makefile。我認(rèn)為，只要掌握上述的技術(shù)，中間一些學(xué)習(xí)順序不必完全遵循，像是先學(xué)STM32還是先學(xué)ARM Cortex?-A開發(fā)板的系統(tǒng)移植，根據(jù)自己的需要和興趣選擇就好。學(xué)習(xí)的過程本就有迭代和螺旋上升的特點(diǎn)，面對陌生的技術(shù)要學(xué)會舉一反三，可以通過接觸過的技術(shù)對比去理解。

最后，?？吹奖疚牡哪?，可以通過過硬的開發(fā)技能，擁有自由選擇職業(yè)底氣。

END

專業(yè)始于專注

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