“單片機(jī)”這一詞已經(jīng)沒意義了？詳解單片機(jī)和嵌入式行業(yè)

時間：2021-03-03 23:22:01

關(guān)鍵字：單片機(jī) 嵌入式

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[導(dǎo)讀]我時常在想，現(xiàn)代社會發(fā)展變化速度之快超越了很多人的認(rèn)知。

我時常在想，現(xiàn)代社會發(fā)展變化速度之快超越了很多人的認(rèn)知。羅胖子說 跟不上時代要交認(rèn)知稅 ，很有道理。半導(dǎo)體和IT行業(yè)又是旋渦中心，發(fā)展更加快，其實想想其他行業(yè)的創(chuàng)新(美團(tuán)外賣、滴滴打車、微信社交、淘寶京東電商，以及最新的新零售自動售貨機(jī)、自動駕駛汽車等)本質(zhì)上都是半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)新驅(qū)動的，都要靠先有芯片，先有配套的軟件資源和開發(fā)人才，才能有人在這些行業(yè)創(chuàng)新。

入坑嵌入式開發(fā)多年的我，面對芯片及其相關(guān)的軟件開發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展變化，經(jīng)常會去思考，這些發(fā)展變化的內(nèi)在推動力和外在合理性在哪里，這些發(fā)展變化對我們有哪些啟發(fā)和引導(dǎo)，身處旋渦中心應(yīng)該何去何從，才能保證自己不被歷史洪流沖走，才能不斷提升自己的價值。

單片機(jī)

單片機(jī) 是中文名，對應(yīng)的英文名稱是“Single Chip Microomputer”，很多人可能奇怪平時不是都說MCU(Micro Control Unit)嗎?

其實MCU準(zhǔn)確翻譯過來應(yīng)該叫微控制器，現(xiàn)在很多中文書籍都用這個詞，不用單片機(jī)了。因為單片機(jī)這個詞是很多年前的概念了，在那個年代半導(dǎo)體工藝還在起步階段，集成能力很差，往往是CPU一個芯片，SRAM一個芯片，F(xiàn)lash一個芯片，需要中斷的話又得有個專門處理中斷的芯片，所以一個完整可用的計算機(jī)系統(tǒng)是很多個芯片(Chip)做在一個PCB板上構(gòu)成的。

單片機(jī)呢?就是在一個芯片(Chip)上集成了CPU、SRAM、Flash及其他需要模塊，在一個Chip上實現(xiàn)一個微型計算機(jī)系統(tǒng)，所以就叫Single Chip Microcomputer，也就是單片機(jī)了。

其實從這個角度來講，單片機(jī)這個詞現(xiàn)在已經(jīng)沒意義了 ，因為現(xiàn)在的半導(dǎo)體工藝早就很厲害了，現(xiàn)在你買到的所有都是“單片機(jī)”，根本不存在分離式的所謂“多片機(jī)”。而且現(xiàn)代的單片機(jī)不但集成了CPU、SRAM、Flash等微型計算機(jī)不可少的部件，而且大多集成了很多內(nèi)部外設(shè)，如Nand控制器、LCD控制器、串口通信、定時器、RTC等等， 所以現(xiàn)在的單片機(jī)其實應(yīng)該叫SoC(System on Chip)。

英文是很準(zhǔn)確的。這里有好幾個詞你可以體會下各自含義：microcomputer、computer、system、microcontroller。不嚴(yán)格區(qū)分的話這些詞很多時候可以互相替換和通用的，但是嚴(yán)格說其實各自有不同代指的。譬如computer，指的就是電腦，你可以理解為就是電腦，譬如筆記本、臺式機(jī)這些。當(dāng)然很多年前的電腦很龐大很笨重，所以computer就是指的這種有機(jī)箱外殼，有鍵盤鼠標(biāo)，很龐大笨重，通用性強(qiáng)的電腦。而microcomputer指的就是單片機(jī)這類東西，它也是一個獨(dú)立的電腦系統(tǒng)，有CPU和內(nèi)存和外設(shè)這些，能跑計算機(jī)程序。但是他相對于computer來說體積很小，而且不是通用的而是專用的，所以叫microcomputer。

system呢?更傾向于整個系統(tǒng)，也就是說 system=microcomputer+各種外設(shè) 。簡單理解就是，當(dāng)串口、LCD控制器等模塊進(jìn)入了Chip內(nèi)部時，整個microcomputer就成為system了。所以其實system才是更有意義，更適合現(xiàn)代單片機(jī)芯片的一個名字。所以現(xiàn)在我們都把芯片叫SoC，這個名字更有價值。

那microcontroller呢? 現(xiàn)在很多單片機(jī)廠商都把自己的單片機(jī)叫microcontroller(微控制器) ，其實我個人理解，覺得microcontroller的重點在于controller，也就是說他們想強(qiáng)調(diào)這個chip中集成的system是一個controller，擅長控制。而不是一個DSP(擅長運(yùn)算)。

嵌入式

嵌入式的全稱是嵌入式系統(tǒng)，英文是Embeded system，所以可以看出嵌入式是一個system。

為什么叫嵌入式呢?這里的嵌入指的是我們把這個system(硬件上表現(xiàn)為一個Chip)嵌入到某個設(shè)備中去。譬如冰箱的板卡上的芯片就是一個嵌入到冰箱中的system，負(fù)責(zé)控制用戶按鍵、冰箱照明燈、制冷系統(tǒng)等?？梢钥闯?，嵌入式系統(tǒng)這個名字主要是從芯片在使用時的組織形態(tài)來命名的。所以從這個角度講，只要是被嵌入到設(shè)備中的芯片都可以被叫做嵌入式系統(tǒng)。

那這個范圍太寬了，說真的你很難找到不屬于嵌入式的system······所以我經(jīng)常覺得嵌入式這個名詞根本是廢話，根本沒意義。好在這個理解只是廣義上的嵌入式的定義，但是我們平時講嵌入式大多時候是從狹義上理解的。

狹義上講 ，嵌入式是為了區(qū)別于單片機(jī)。我們經(jīng)常把芯片中不帶MMU(memory management unit)從而不支持虛擬地址，只能跑裸機(jī)或RTOS(典型如ucos、華為LiteOS、RT-Thread、freertos等)的system叫單片機(jī)(典型如STM32、NXP LPC系列、新的NXP imxRT1052系列等)，而把芯片自帶MMU可以支持虛擬地址，能夠跑Linux、Vxworks、WinCE、Android這樣的操作系統(tǒng)的system叫嵌入式。所以linux WinCE等也常被叫做嵌入式操作系統(tǒng)，就是這么回事。你仔細(xì)回顧下，其實大部分人在講單片機(jī)和嵌入式時都是從狹義角度出發(fā)的，并非廣義。

單片機(jī)的技術(shù)和市場狀況

單片機(jī)是出貨量最大的一類計算機(jī)。這個很好理解，因為單片機(jī)用途太廣泛了，所有家電內(nèi)置的控制系統(tǒng)幾乎都是單片機(jī)的，這個數(shù)目就很驚人了。還有各種公共設(shè)施，工廠自動化設(shè)備等幾乎也都是單片機(jī)控制的。單片機(jī)的廠商和品類也是非常多，我下面列舉幾類常用的。

8位和4位機(jī)

這類單片機(jī)性能低配置低，但是優(yōu)勢是價格便宜。所以很多低端家電產(chǎn)品都會用到，小家電是這類單片機(jī)最大的市場。為了降低成本，這類單片機(jī)很多只能用匯編編程(當(dāng)然近幾年很多也提供了C編譯器)，很多芯片采用bounding封裝(就是芯片內(nèi)核直接貼在PCB上然后用黑乎乎硬膠黏住，大家玩過LCD1602的看那后面那個圓盤型黑色的就是)。

做這類產(chǎn)品的以前都是臺灣一些小芯片廠商。這些年中國大陸也涌現(xiàn)了很多這類芯片廠商，這些單片機(jī)行業(yè)大多對標(biāo)某個具體應(yīng)用領(lǐng)域，對行業(yè)需求很熟悉，直接推出適用這個行業(yè)的解決方案。外行的人可能根本都沒聽說過這種單片機(jī)的型號和相關(guān)信息。

總的來說，這屬于比較低端的行業(yè)，不太建議大家學(xué)習(xí)和進(jìn)入。尤其現(xiàn)在中國在搞產(chǎn)業(yè)升級，落后的傳統(tǒng)家電產(chǎn)品不斷降價還賣不出去，相反各種高端功能和外觀的“產(chǎn)業(yè)升級”型家電產(chǎn)品利潤很高。所以這種適用于傳統(tǒng)老舊電子產(chǎn)品的芯片和技術(shù)其實并不值得去投入。

51單片機(jī)

其實51單片機(jī)也是8位機(jī)，之所以單獨(dú)拿出來說是因為51單片機(jī)實在太出名了。實際上當(dāng)年單片機(jī)百家爭鳴的時候(大約1980年代吧)51單片機(jī)只是其中一種，還有很多其他很厲害的，可惜都被時間給雨打風(fēng)吹去了。

51單片機(jī)之所以出名并活到現(xiàn)在，是因為Intel后來開放了51內(nèi)核的版權(quán)，所以很多公司很多人可以毫無顧忌的使用它而不擔(dān)心付費(fèi)或版權(quán)風(fēng)險。實際上到了現(xiàn)在(2018年)，51單片機(jī)已經(jīng)是很老很沒有技術(shù)優(yōu)勢的解決方案了，但是為什么還在大量使用?主要有以下幾個原因：

一是大量存量項目和存量開發(fā)者，這些人很熟悉51單片機(jī)，甚至很多老工程師可能只會51單片機(jī)，很多老的項目也不可能再去重新開發(fā)所以沿用了51單片機(jī)。

二是51單片機(jī)也夠便宜，很多對性能沒有過多要求的產(chǎn)品干脆就用51也挺好。

三是51內(nèi)核開放，所以很多需要內(nèi)置單片機(jī)核的SoC(譬如很多電容觸摸屏芯片，很多指紋識別芯片等)就會選擇用51核，不要錢還夠用嘛，不選這個選誰。

很多同學(xué)問我還要不要學(xué)51單片機(jī)?我認(rèn)為還是要學(xué)。

一個原因是51單片機(jī)的開發(fā)用到的技術(shù)技能在開發(fā)別的單片機(jī)時照樣有用，所以學(xué)了51將來再學(xué)其他的也會快很多，時間不會白花的。

另一個原因是確實有時候?qū)嶋H開發(fā)也會遇到用到51單片機(jī)的，所以學(xué)會了也算是個拿得出手的技能。所以如果你要學(xué)習(xí)單片機(jī)開發(fā)，從51單片機(jī)入手絕對不會錯。但是要記得不要沉迷于51了，要迅速學(xué)會51單片機(jī)后，迅速繼續(xù)學(xué)習(xí)更現(xiàn)代更實用的其他單片機(jī)(譬如stm32)。很多人學(xué)會51后就不動了，這就好像幼兒園畢業(yè)就不繼續(xù)讀書了一樣，是不對的。

STM32單片機(jī)

終于到了STM32這個當(dāng)紅辣子雞了，ST于2007年發(fā)布了第一款STM32，至今已經(jīng)11年了。STM32是ARM Cortex-M內(nèi)核的單片機(jī)，實際上同樣使用ARM Cortex-M系列內(nèi)核的單片機(jī)還有很多(譬如NXP的LPC系列，原Freescale的K60系列，臺灣新唐的M051系列，國內(nèi)如兆易創(chuàng)新的GD32系列等)，STM32只是其中的代表作而已。

ARM這些年風(fēng)頭很強(qiáng)，在application級別的SoC中大勝Intel，現(xiàn)在手機(jī)行業(yè)的芯片都被ARM吃掉了，MIPS之類的更是被壓的生不如死。在單片機(jī)領(lǐng)域，ARM的Cortex-M系列(M0、M3、M4、M7)也是大獲全勝，很多半導(dǎo)體廠商都放棄了自己原來的架構(gòu)轉(zhuǎn)而做ARM內(nèi)核的單片機(jī)了。

怎么說呢，個人覺得ARM內(nèi)核的單片機(jī)很適合當(dāng)前時代，尤其STM32這種，不管硬件配置還是開發(fā)工具都深得市場認(rèn)可，普及度越來越高。強(qiáng)烈建議大學(xué)學(xué)單片機(jī)就學(xué)STM32，會玩STM32很有價值。

至于GD32之類國產(chǎn)的類似STM32的單片機(jī)，我認(rèn)為后面會越來越強(qiáng)，甚至?xí)鲗?dǎo)市場把洋品牌趕出中國。這些芯片的開發(fā)方式也很類同于STM32，所以會了STM32開發(fā)很容易切過去，不用擔(dān)心。

其他單片機(jī)

我指的是PIC、ATmega、MSP430、STM8之類的，這些不是很熟悉所以不予詳細(xì)論述。總的來說，這些單片機(jī)性價比都不錯，在各自領(lǐng)域都有一定競爭力，但是還是不如STM32使用領(lǐng)域?qū)拸V。所以除非是公司研發(fā)用到，否則不建議主動學(xué)習(xí)。

高性能高價格單片機(jī)

這里我特指的是如STM32F7、STM32H7、NXP imxRT1052之類的單片機(jī)。這類雖然是單片機(jī)，但是性能比一般單片機(jī)強(qiáng)勁很多，外設(shè)也復(fù)雜很多，甚至需要外接SDRAM來提供更大內(nèi)存，外接SLC Nand或Spiflash來提供存儲。

同時從價格角度講這些單片機(jī)大多在人民幣30元以上，甚至高達(dá)100多元。這些真的是單片機(jī)中的戰(zhàn)斗機(jī)，價格都能嚇?biāo)廊肆?。對于這類單片機(jī)，我個人其實很不看好。其實寫這篇長文，就是想解釋我為什么不看好這類單片機(jī)。感興趣的同學(xué)可以繼續(xù)看下文分析。

嵌入式的技術(shù)和市場狀況

嵌入式領(lǐng)域目前最火的就是 ARM+linux和ARM+android。

芯片都是基于ARM的，低端的有ARM9、ARM11，高端的有Cortex-A7、Cortex-A8、Cortex-A9、Cortex-A53、Cortex-A57等。從單核心到雙核心、四核心、八核心都有。廠商也一大堆，國產(chǎn)進(jìn)口臺產(chǎn)等都有。覆蓋面也廣，消費(fèi)級、工業(yè)級、車規(guī)級都有。

嵌入式級別的ARM因為有MMU所以可以很好的跑復(fù)雜OS，因此雖然芯片本身也可以裸機(jī)運(yùn)行，但是基本沒有人用這類芯片來跑裸機(jī)或者RTOS的。都會上操作系統(tǒng)。

簡單說，如果產(chǎn)品不需要華麗美觀的人機(jī)界面就上linux(譬如路由器、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī))，如果需要人機(jī)界面但是界面簡單注重功能和穩(wěn)定性，那就上linux+QT(譬如工控HMI、電動車充電樁、停車場顯示)，如果產(chǎn)品很注重人機(jī)交互的用戶體驗，那就上Android(譬如智能手機(jī)、智能電視機(jī)、游戲機(jī)等)。

總的來說，嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜性高、開發(fā)難度大、學(xué)習(xí)曲線長。因為軟件上的復(fù)雜性，導(dǎo)致出bug的可能性大。一旦出bug查找起來也更加需要技巧和經(jīng)驗。所以很多公司用嵌入式linux或android做產(chǎn)品問題很多，這一方面和開發(fā)者的技術(shù)能力有關(guān)，另一方面和公司不能花時間和成本去潛心把產(chǎn)品做穩(wěn)定做成熟有關(guān)。

嵌入式和單片機(jī)的真正區(qū)別

其實分析到這里，大家也知道了嵌入式和單片機(jī)的真正區(qū)別，那就是有沒有l(wèi)inux或android這類復(fù)雜操作系統(tǒng)。

單片機(jī)不是裸奔就是RTOS，其實玩過RTOS和linux的同學(xué)都知道，RTOS雖然也叫操作系統(tǒng)，但是和linux這種根本不是一個級別。差遠(yuǎn)了，更不用說android了，android里隨便拿出來一個模塊代碼量都比一個完整的RTOS都龐大，都要復(fù)雜。所以有沒有l(wèi)inux/android這類復(fù)雜OS對開發(fā)來說真的很不一樣。

譬如從C語言角度來講，我的《嵌入式linux核心課程》第4部分《4.C語言深度解析》這個課程，就是專門針對嵌入式linux開發(fā)中C語言功力不足的人推出的。很多做了多年單片機(jī)的同學(xué)看了后都感慨，真的是不做linux不知道C語言水深。結(jié)構(gòu)體和指針這些元素在單片機(jī)編程中完全體現(xiàn)不出來魅力，但是在linux內(nèi)核中卻得到了完美的發(fā)揮和釋放。不去真正研究，實在很難體會出那種美感和震撼。

嵌入式和單片機(jī)的交集

嵌入式和單片機(jī)有沒有交集呢?這里說的交集意思是：某些產(chǎn)品既可以用嵌入式來解決，也可以用單片機(jī)來解決。

以前是沒有的。你想想一般單片機(jī)幾塊錢十幾塊錢，而嵌入式系統(tǒng)SoC加上DDR和Flash至少幾十塊，怎么可能有交集。就算單片機(jī)能做的事你嵌入式也能做，但是我十幾塊錢能搞定的工作憑什么要花幾十塊上嵌入式呢?所以以前這2者沒交集。根本不是一個檔次范圍內(nèi)的事兒。

但是近兩年情況發(fā)生了變化。首先是很多高端單片機(jī)的配置和價格越來越高。譬如2017年10月發(fā)布的NXP imxRT1052系列單片機(jī)，號稱跨界處理器。為什么叫跨界?跨的是哪兩界?

我們知道單片機(jī)嘛，就要單芯片提供整個system，簡單說至少cpu、sram、flash這三大件不能少，要不然根本無法獨(dú)立運(yùn)行嘛。所以你看不管是51單片機(jī)還是STM32都是內(nèi)部有CPU，有SRAM，有Flash的，這就是典型的單片機(jī)。

而嵌入式SoC不同，譬如S5PV210內(nèi)部只有CPU和少量SRAM，它要正常工作需要外部集成DDR SDRAM和Flash(EMMC)。所以嵌入式的system不能在一個chip上，一般典型的嵌入式系統(tǒng)的system由一塊核心板構(gòu)成，這塊核心板上集成了SoC、DDR SDRAM、Flash、電源模塊等， 這叫嵌入式系統(tǒng) 。而所謂跨界處理器，跨的就是單片機(jī)和嵌入式這兩界。這個imxRT1052內(nèi)部集成了CPU和SRAM，但是沒有Flash，它需要外部提供獨(dú)立的Flash芯片才能組成一個system。

所以這東西既不是典型的單片機(jī)也不是典型的嵌入式，但是既像單片機(jī)，又像嵌入式，所以NXP說這個是跨界處理器。甭管好不好用，名字聽起來酷酷的。

順便多說一句，NXP為什么這么設(shè)計?其實是因為單片機(jī)內(nèi)置Flash都很貴，imxRT1052為什么能比同樣性能的STM32便宜那么多，主要原因就是因為他沒有內(nèi)置Flash。

所以很多人都說ST落后于NXP了，其實沒有。只能說NXP這個設(shè)計在單片機(jī)界是一種創(chuàng)新，對比來看顯得STM32F7、STM32H7性價比太差了。不過實話實說，STM32的F7和H7確實性價比很垃圾，我都不知道就一個單片機(jī)賣一百多是準(zhǔn)備上天?誰給ST的勇氣這么定價的，梁靜茹嗎?

算了，懶得吐槽F7和H7了。就說這個跨界處理器imxRT1052吧，這東西主頻有600MHz，有消費(fèi)級和工業(yè)級，帶各種外設(shè)(反正你能用到的基本都有了)，可以帶最大分辨率1024*768的TFT LCD(當(dāng)然了需要外接SDRAM作為顯存)。這東西相對于普通單片機(jī)來說就是神一般的存在啊，一般玩單片機(jī)的看到這個數(shù)據(jù)嚇得直接就跪下叫爸爸了。

再說價格，這東西官方公布的批量價格是人民幣30元左右。想一想感覺性價比爆棚啊。其實STM32也沒那么弱，F(xiàn)7和H7的主頻雖然沒有600MHz那么變態(tài)，但是H7的性能整體比RT1052并沒有太大劣勢。就算不叫爸爸一聲大哥總逃不了。

之所以F7和H7沒掀起大浪關(guān)鍵還是價格太嚇人了，一般人聽說100多直接心里罵娘轉(zhuǎn)身走人了，根本不想了解你的性能。而imxRT1052的30元確實很誘人，聽起來似乎真的是高性能低價格了，很多人甚至據(jù)此判斷NXP要“干死”ST了。

跨界處理器的尷尬

高性能跨界處理器初看似乎很不錯，實際上并沒有那么容易成功。原因就在于這種高性能單片機(jī)實際上和低性能高性價比的嵌入式linux解決方案比并沒有優(yōu)勢。

是的，很多人覺得600M主頻的單片機(jī)才30塊很便宜很厲害。那是因為你不熟悉嵌入式的解決方案。實際上imxRT1052單芯片是不能很好工作的，他要實現(xiàn)高性能至少需要外置Flash和SDRAM，就算只是1Gbit的SLC Nand和32MB 的SDRAM，再加上RT1052BOM成本也在50元左右了。再加上RT1052雖然號稱批量30元，但是實際上小批量拿貨價都在40-50元，所以目前市場上RT1052的核心板售價都在120-150元之間了。這個價格其實并不便宜，有很多嵌入式linux的解決方案都比這個性價比高。

譬如NXP的imx6ul，內(nèi)置Cortex-A7單核心，最高主頻1.2GHz，也是工業(yè)級，各種你能想到的外設(shè)都有了。標(biāo)配256MB SLC Nand和256MB DDR的核心板，市場最低售價119元，比RT1052還低一些。

實際上還有性價比更高的方案，譬如我們深創(chuàng)客推出的NUC972牛頓板中使用的新唐NUC972方案，內(nèi)置64MB DDR，外部配置1Gbit SLC Nand。主板批量可以做到100元內(nèi)。性價比完勝RT1052這類高性能單片機(jī)。

很多人可能會說，我不會嵌入式linux開發(fā)，我只會單片機(jī)開發(fā)啊。所以你linux的方案性價比再高跟我沒關(guān)系，單片機(jī)的才跟我有關(guān)系。我想說這絕對是一種誤解，百分百的誤解。為什么?

單片機(jī)就三個字，你別覺得叫單片機(jī)的都是一種東西。 單片機(jī)和單片機(jī)是不一樣的， 你覺得主頻600MHz的單片機(jī)帶1024*768分辨率的TFT LCD，它的開發(fā)方式和難度會和10塊錢不到的STM32F103一樣?軟件開發(fā)是跟著硬件走的，什么樣性能的硬件就應(yīng)該配套什么樣的軟件開發(fā)方式和相應(yīng)資源，也會要求開發(fā)者具備某種相應(yīng)素質(zhì)。

所以不要覺得都是單片機(jī)就親切，就能玩。實際上要把高端單片機(jī)完全發(fā)揮性能做出好看的GUI并且用到項目中解決掉所有的BUG并不是一件容易的事情。

最后

今天談的東西都比較淺，主要是講了下單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)的由來和差異。引出了高端單片機(jī)(STM32H7、imxRT1052等)和高性價比嵌入式linux解決方案的的一個對比。

主要是希望拋給大家一個思考點，引導(dǎo)大家去思考如何分析和評價一款芯片方案，從而在做項目時能夠更好的選型適合自己的芯片方案。

總的來說，我的觀點是 ：能用幾塊十幾塊的單片機(jī)就用單片機(jī)，如果這些高性價比的單片機(jī)不能滿足要求非要上幾十塊的高性能單片機(jī)，那你確實應(yīng)該考慮下是否應(yīng)該一步到位上高性價比的嵌入式linux解決方案。很多人擔(dān)心linux不會開發(fā)，其實不應(yīng)該這么考慮。

真正沉下去做項目，你會發(fā)現(xiàn)用嵌入式linux并沒有那么難，而且高端單片機(jī)加上RTOS和一堆框架、協(xié)議棧之后也不簡單。 出了問題也不好找。而且嵌入式linux經(jīng)過多年積累，其方案穩(wěn)定性大多都不錯。而高端單片機(jī)的配套RTOS和框架協(xié)議棧等中間件往往處在發(fā)展初期，往往bug很多。因此，建議大家值得投入時間去學(xué)習(xí)嵌入式linux軟件開發(fā)的技能。

END